哈大高鐵路基用摻水泥級配碎石凍脹特性試驗研究

田士軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司地質路基設計處，陜西西安 710043)

哈爾濱至大連高速鐵路為設計最高速度350 km/h的無砟軌道高速鐵路，對路基變形要求極為嚴格，要求工后沉降不超過15 mm，路基與橋梁或橫向結構物交界處的工后沉降差不應大于5 mm，不均勻沉降造成的折角不應大于1/1000［1］。哈大高鐵所經地區冬夏季溫差巨大，凍脹問題非常嚴重，在該地區修建高速鐵路必須解決凍脹問題。凍脹問題處理不好極易造成路基變形，引起軌道面高程發生變化，而且在路橋、路涵過渡段存在沉降及變形差。較大的變形差在短距離內不能平順過渡，就會引起較大的軌道不平順，從而影響高鐵的運營安全［2］。

哈大高鐵路橋、路涵過渡段采用級配碎石摻水泥進行填筑。其它項目進行過一些級配碎石摻水泥凍脹試驗研究［3］和碎石道床中混入粉黏土的凍脹特性研究等［4］，但相關研究成果較少。為詳細了解級配碎石中細粒含量和水泥摻量對其凍脹特性的影響，本文對級配碎石摻水泥后的凍脹特性進行試驗研究。

1 試驗內容

1)不摻水泥級配碎石凍脹性能試驗，采用細粒含量分別為3%，5%，8%，12%的級配碎石進行。

2)摻水泥級配碎石凍脹性能試驗，采用水泥摻量分別為5%，7%，10%和細粒含量分別為3%，5%，8%，12%的級配碎石進行。

3)50次凍融循環試驗，采用水泥摻量5%，細粒含量分別為5%和8%的級配碎石進行。

2 試驗方法

2.1 凍脹性能試驗

為測試試樣的降溫過程，制作了150 mm×150 mm×150 mm的試樣，在中心及其表面埋入溫度傳感器，并將其放入鋼模中，在低溫試驗箱內快速降溫。試樣溫度隨時間變化曲線見圖1。

圖1 試樣溫度隨時間變化曲線

級配碎石表觀密度為2.67 g/cm3;拌合用水采用自來水;水泥采用P．C42.5復合硅酸鹽水泥。

級配碎石均需提前清洗并風干，通過添加石粉來調整粒徑＜0.075 mm的顆粒含量占3% ～12%，經人工攪拌均勻后，裝入試模，錘擊搗實。采用邊長150 mm×150 mm×150 mm立方體試模，并制作與鋼模內部尺寸相匹配的頂壓板。為模擬實際工程中由于排水不暢導致的飽水狀態，模具底用密封膠密封，保證其不漏水。頂板厚度8～9 mm，長寬均為140 mm;試模的頂板上安裝4個百分表，位置如圖2所示，以便觀測凍結期間級配碎石的凍脹量。試樣安裝完畢后，將試模置于低溫試驗箱內，試樣六面同時受凍，將試樣在1℃環境溫度下恒溫24 h。調節低溫試驗箱溫度為－20℃，讓級配碎石產生凍結，并定時觀測記錄百分表讀數。試樣表面溫度達到5℃時記錄初始讀數，試樣中心溫度低于－1℃時再次記錄讀數，以后每隔1 h記錄一次百分表讀數，直至百分表讀數基本不發生改變為止。每個試件的最終單向膨脹量取4個百分表讀數的平均值。

2.2 50次凍融循環試驗

50次凍融循環試驗采用與凍脹性能試驗相同的方法。

3 試驗結果與分析

3.1 摻細粒級配碎石的凍脹性能

1)細粒含量對級配碎石凍脹率的影響

試驗證明，并非所有含水的級配碎石凍結時都會產生凍脹，只有當級配碎石中的含水率達到一定界限之后才會產生凍脹，通常將這個界限含水率稱之為起始凍脹含水率［5］。當級配碎石中含水率小于這個含水率時，級配碎石不會發生凍脹。隨著細粒含量的增加，級配碎石的起始凍脹含水率也隨著增加。

級配碎石的凍脹主要來自水結冰過程中的體積膨脹，同時鋼模會對級配碎石提供很強約束，可以近似認為級配碎石為單軸凍脹。不同細粒含量級配碎石的凍脹率與質量含水率關系見圖3。

由圖3可見，不摻水泥級配碎石凍脹率最大可達1.65%，且凍脹率與質量含水率成線性關系。凍脹率對細粒含量很敏感，一般隨細粒含量的增加而增大。對已知結果進行線性回歸可得不同細粒含量級配碎石對應的起始凍脹含水率，見表1。

表1 不同細粒含量級配碎石對應的起始凍脹含水率

由圖3和表1可見，含水率和細粒含量是影響凍脹率大小的最關鍵因素。

2)溫度對凍脹率的影響

級配碎石低于0℃時，隨著溫度的降低，級配碎石中的冰不斷增多，級配碎石體積膨脹，形成凍脹現象。當級配碎石處于完全飽水情況下，凍脹率隨溫度變化曲線見圖4。

由圖4可以看出，級配碎石發生凍脹的臨界溫度在－3℃，當溫度達到－8℃時，凍脹量基本完成。當溫度超過－8℃后，凍脹率會發生輕微減小。這是由于試模從正常室溫(20℃ ～30℃)降到－20℃時，試模的冷縮限制了試樣的膨脹。本次試驗條件為室內快速凍脹，實際環境中土的凍脹發生在－2℃左右，且降溫速度較慢，完成凍脹的溫度可能比－8℃要高。

3.2 摻水泥和細粒級配碎石的凍脹性能

1)水泥摻量和細粒含量對級配碎石凍脹性能的影響

不同水泥摻量級配碎石凍脹率與質量含水率的關系見圖5。從圖5可明顯看出，隨著水泥摻量的增加，凍脹率顯著降低且不超過0.2%;摻水泥5%以上的級配碎石硬化后基本消除了細粒土引起的凍脹敏感性;含水率對凍脹率的影響相對要大一些，細粒含量的影響規律性不強。

2)溫度對級配碎石凍脹性能的影響

圖6反映了摻水泥和細粒的級配碎石隨溫度降低而發生的凍脹率變化，大約在－6～－8℃時凍脹率達到最大值，其后產生很小的降溫收縮;整體凍脹率都很小，細粒含量對凍脹率影響無規律。

3)水泥摻量和細粒含量對級配碎石表觀密度及孔隙率的影響

隨著細粒含量的增加，級配碎石的干密度增加，孔隙率減小。其原因是細粒含量的增加，使得碎石間的潤滑作用增強，促進碎石間的相互移動而使其更加密實;另一方面，細粒填充了級配碎石的孔隙，使得孔隙減小，密實度增加。

由圖7可見，當水泥含量為5%時，隨著細粒含量的增加，孔隙率下降較快。當水泥含量為7%和10%時，隨著細粒含量的增加，孔隙率下降的幅度變小，趨于平緩。

3.3 50次凍融循環后的凍脹性能

級配碎石摻水泥硬化后其實己成為一種混凝土結構，考慮到這種混凝土結構在長期凍融環境下凍脹性能可能發生變化，故進行本項試驗。試件采用水泥摻量5%、細粒含量分別為5%和8%的級配碎石，凍融循環50次，每循環1次測試1次凍脹率。凍融循環次數與凍脹率的關系見圖8。

由圖8可見:在凍融循環過程中兩組試件凍脹率有一定波動，但總體凍脹率變化為0.06% ～0.22%，細粒含量為8%時比5%時略大一些，但均較小。觀察凍融循環后的試件，發觀試樣表層有5～10 mm膠結物破碎顆粒，但并未成粉狀。可見經50次凍融循環后摻水泥和細粒級配碎石并未完全破碎，表層凍壞部分也未成粉狀。后經抗壓試驗，細粒含量為5%和8%的級配碎石強度分別為8.85，8.01 MPa。

4 結語

1)含水率和細粒含量是影響級配碎石凍脹率的最關鍵因素。摻水泥5%以上的級配碎石硬化后基本消除了細粒土引起的凍脹敏感性。

2)摻水泥級配碎石凍脹率顯著減少的原因:一是毛細孔減少，從而減少了細粒土引起的凍脹敏感性;二是硬化后的級配碎石在一定程度上抑制了水的自由析冰。

3)在50次凍融循環作用下，摻水泥級配碎石表層凍裂，但未成粉狀，凍脹量也沒有顯著增大。

［1］中華人民共和國鐵道部．TB 10621—2009 高速鐵路設計規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2009．

［2］羅小剛，陳湘生，吳成義．凍融對土工參數影響的試驗研究［J］．建井技術，2000(2):24-26．

［3］羅承平，湯赫，宋林．嚴寒地區高速鐵路路基級配碎石凍脹試驗研究［J］．公路交通科技，2013(6):245-247．

［4］趙成江，王曉榮，夏瓊，等．不同含泥量與含水率下鐵路板結道床的凍脹特性［J］．鐵道工程學報，2011(9):36-39．

［5］高明星，李小豐，劉文俊，等．壓實度和含水率對凍土性質的影響［J］．內蒙古農業大學學報，2012(3):186-189．