有軌電車路基流動性填料強度分析

黃崇偉 朱美宣 孫瑜

摘 要：本文主要研究了有軌電車路基回填流動性材料的無側限抗壓強度，具體分析了齡期、養護環境、水灰比、劈裂強度、回彈模量與流動性回填材料的無側限抗壓強度的關系。研究表明：對路基的流動性回填材料而言，養護時間越長，材料強度越高;在野外養護環境下的前7天強度明顯高于標準養護與密封養護，然而，后期強度增長率明顯低于其他兩種養護條件;劈裂強度、回彈模量與無側限抗壓強度線性關系較好。最后對比了流動性回填材料與普通混凝土的區別，推薦其應用于有軌電車路基維修開挖工程中。

關鍵詞：有軌電車;路基;流動性材料;無側限抗壓強度

中圖分類號：U416.1? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）12-0145-03

路基是保障軌道或者交通正常運營的根本，為整體道床提供支承，國內外對路基填料的選取，通常通過控制其礦物成分、粒徑級配等物理屬性來進行選擇，在工程應用中再通過其無側限抗壓強度、回彈模量等力學指標來判別其適用性[1]。為了使一些不良填料能滿足工程需要，應進行改良處治。常用的路基改良填料有級配碎石、石灰處治土、水泥改良土、二灰土與無機結合料穩定碎石類材料等。唐光明[2]根據水泥的特點，對水泥穩定碎石基層裂縫提出了相應解決辦法。候傳磊[3]從施工技術的角度研究了水泥穩定碎石在市政工程上的應用。薛艷華[4]利用超景深三維顯微鏡發現PAM能有效提高石灰穩定土的強度，并給出了石灰穩定土的應用。唐山平[5]在對石灰穩定土進行過抗壓強度測試后，建議石灰穩定土應用于低等級路面基層。張權[6]通過不同的水泥摻量、混合料級配開展分析對無側限抗壓強度的影響。薛猛[7]通過不同壓實度、養護齡期水泥穩定土與石灰穩定土強度試驗，發現水泥穩定土較石灰效果更好。

雖然水泥穩定碎石、石灰穩定土、水泥穩定土改善路基已經開展了廣泛的研究應用，但對有軌電車路基維修開挖而言，由于其施工工期短，工程復雜，需要快速按時、按質、按量完成任務。因此，本文詳細介紹了有軌電車路基維修開挖中需用到的流動性回填材料，具體展開齡期、養護環境、水灰比、劈裂強度、回彈模量與流動性材料的無側限抗壓強度關系分析，最后對比了流動性回填材料與普通混凝土在配合比設計上的差異。

1材料及配合比

1.1 原材料

1.1.1水泥

選用325級復合硅酸鹽水泥，其80μm分計篩余3%。其他技術性能指標見下表1。

1.1.2粉煤灰

選用Ⅲ級粉煤灰，主要技術性能及成分見下表2。

1.1.3砂

選用細砂（FS）、中砂（MS）及粗砂（CS）三種砂石材料。

1.2 配合比設計

由于流動性回填材料由水泥、粉煤灰、砂集料、水四種成分組成，因此在進行配合比設計時需要用三個參數去確定其配合比，而這三個參數之間要相互獨立。因此，對配合比編號定義如下規則：AB-C-D，A表示流動性回填材料，B表示水泥摻量（%），C表示粉煤灰取代集料的比例，D表示砂樣種類（細砂FS、中砂MS、粗砂CS）。

例如A10-20-FS表示：該配合比采用的水泥摻量為10%，集料為細砂，粉煤灰取代細砂的比例為20%。采用該編號配合比的原材料質量比為：水泥：粉煤灰：細砂=10：18：72。

2無側限抗壓強度

2.1齡期、養護環境

為了研究不同養護時間、養護環境對抗壓強度的影響，根據配合比方案設計，分別測試了A5-20-FS、A5-30-CS兩組配合比在標準養護、密封養護、野外養護三種不同養護環境下，不同齡期（7d、28d、90d、180d）的無側限抗壓強度值，如圖1所示。

（1）流動性回填材料的強度與養護齡期密切相關。養護的時間越長，強度會越高，前28天內強度增長顯著，7天強度約為28天強度的40%～60%，在28～90天內，強度繼續增長，90天齡期抗壓強度相對28天有15%～25%的增長，此后則增長緩慢，基本趨于穩定。

（2）野外養護環境下流動性回填材料7天強度顯著高于另外兩種養護方式。養護開始時間7月份，溫度較高，這說明溫度對早期強度有促進作用。但是野外自然環境下，材料的后期強度增長率明顯低于另兩種養護環境下的后期強度增長率。使用細砂集料的試件在野外養護環境下，90天齡期及180天齡期下的抗壓強度相對28天齡期還呈現出下降的趨勢。主要是由于野外受陽光直曬，水泥水化反應加劇，水化產物分布不均勻。較稀少的區域，強度較低，較稠密的區域，水化物包裹住了水泥顆粒，阻止了水泥顆粒的進一步水化，從而水化物數量變少，材料后期強度下降。使用細砂集料試件在野外養護環境下出現強度降低的情況是因為該材料配合比中的水固比較高，沒有發生化學反應的水份會殘留在試件中，形成殘留空隙，內部空隙多對材料強度有負面作用，野外溫度變化導致空隙內部空氣熱脹冷縮，在材料內部形成細微裂縫，從而造成強度衰減。而使用粗砂集料試件因為水固比相對較小，因此內部孔隙率也小，這種衰減作用也相對微弱。

（3）標準養護強度略高于密封養護，但差別并不大。過濕環境不利于強度增長，從機理上分析是因為濕度太高，自由水不能及時蒸發出去而停留在試件內部，從而導致材料內部空隙率增大，造成強度的降低。

2.2水灰比

整理28天無側限抗壓強度與水灰比的關系如圖2所示。水灰比與抗壓強度的關系可以大致用公式（1）描述：

（1）

由上圖，可知流動性回填材料的強度一般與水泥摻量成正比，同用水量成反比。用水量的增加直接影響材料的空隙比。用水量越大，空隙比就越大?？障侗却?，不僅影響了水泥的膠凝作用，也降低了材料間的內摩阻力。在高水灰比條件下，曲線變緩，在此情形下，水泥的膠結作用較小，強度主要是由材料的內摩阻力提供。在水灰比較低的情況下，曲線變陡，水灰比的一個很小的變化會導致強度較大的變化，在此情形下，材料的行為更類似于水泥混凝土。在水灰比中等的情形下，內摩阻力和膠結力共同作用，決定流動性回填的強度特征。

2.3劈裂強度

整理28天無側限抗壓強度與劈裂強度的關系如圖3所示，可以用公式（2）描述：

（2）

由于材料內部存在缺陷，尤其在拉伸荷載作用下更易凸顯，因此，流動性材料的劈裂強度遠低于抗壓強度，而且， 28天的劈裂強度約為同期無側限抗壓強度的6%～11%，這個數值區間略低于水泥混凝土的8%～14%。另外，不同于普通水泥混凝土的是，流動性回填材料的劈裂強度與抗壓強度的比值并沒有隨著抗壓強度增加而出現顯著降低，其劈裂強度和抗壓強度有很好的線性相關性。

2.4回彈模量

整理28天無側限抗壓強度與回彈模量的關系如圖4所示，可以用公式（3）描述：

（3）

由上圖看出，對流動性回填材料而言，回彈模量與強度之間有很好的相關性。這是因為，抗壓回彈模量試驗是確定彈性范圍內可承受的最大壓力。無側限抗壓強度試驗是連續加載直至材料開始破壞為止，確定材料的最大承載力?？梢哉f，無側限抗壓強度試驗中，已經經歷了抗壓回彈模量的力學和變形條件過程。

3與普通填料的對比分析

流動性材料與普通混凝土在原材料上無明顯差異，但是在配合比方面，兩者有著明顯的差異，如下表3。

有軌電車路基在維修開挖過程中難度系數高，工程復雜，對流動性要求較高，考慮到流動性回填材料流動性好，野外環境下前7天強度較高，施工方便，因此，可應用有軌電車路基維修開挖中。

4結論

本文主要分析齡期、養護環境、水灰比、劈裂強度、回彈模量與流動性回填材料的無側限抗壓強度關系。對于流動性回填材料的無側限抗壓強度而言，隨著養護齡期的增長而增大， 野外養護環境下流動性回填材料7天強度顯著高于另外兩種養護方式，后期強度增長率明顯低于另兩種養護環境下的后期強度增長率。劈裂強度、回彈模量與無側限抗壓強度有很好的線性相關性。最后，通過對比分析了流動性回填材料與普通混凝土在配合比設計上的差異，推薦應用于路基維修開挖。

參考文獻：

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[2]唐光明. 淺析農村公路水泥穩定碎石基層裂縫成因與防治措施[J]. 科學咨詢，2021（29）：67-68.

[3]侯傳磊. 市政施工中水泥穩定碎石基層施工技術分析[J]. 房地產導刊，2020（11）：89.

[4]薛艷華，高明星，袁飛龍，等. 聚丙烯酰胺對石灰穩定土早期強度和破壞形式的影響[J]. 復合材料學報，2021，38（4）：1283-1291. DOI：10.13801/j.cnki.fhclxb.20200730.002.

[5]唐山平，孫志恒，陳蓮芳. 石灰穩定土在道路工程中的應用[J]. 中國水利水電科學研究院學報，2011，8（4）：314-318. DOI：10.3969/j.issn.1672-3031.2011.04.014.

[6]張權，王志斌，邱文利，許忠印，董立強，何兆益.水泥穩定碎石基層強度及影響因素相關性分析[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2021，45（04）：768-773.

[7]薛猛. 蒙華鐵路全風化軟質巖及改良土填料試驗研究[D].西南交通大學，2016.

基金項目：上海市青年科技英才揚帆計劃資助項目（20YF1431900）。