高速铁路寒冷地区路基改良填料冻融性能研究_张俊武.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202206074开放科学（资源服务）标识码（OSID）高速铁路寒冷地区路基改良填料冻融性能研究张俊武1，柯堰齐1，路延伸1，赵 嘉2（1.中交一公局第一工程有限公司，北京102205；2.河北建筑工程学院，河北张家口075000）摘要：针对高速铁路寒冷地区路基改良填料，进行冻融循环后无侧限抗压强度试验，探究改良剂种类、掺量和养护龄期变化对改良填料抗冻融耐久性能的影响。结果表明：改良填料的强度随着养护龄期的延长和水泥掺量的增加而提升；粉煤灰的掺入会降低填料的强度；改良填料的冻融强度损失值呈现出指数型降低。采用冻融强度损失可以较好地评估填料在不同养护龄期下的强度变化。填料的冻结温度为0.3，改良填料的冻融变形与水泥掺量呈正相关，与粉煤灰掺量呈负相关。关键词：改良填料；养护龄期；冻融循环；无侧限抗压强度；冻融变形中图分类号：U214.1+1文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0049 07 0 引言寒冷地区正负温交替变化频繁，对铁路施工及运营影响较大。级配碎石类填料拥有强度高、耐久性好、刚度大等良好的工程性质被广泛应用于高铁路基建设中，但路基因含有细粒土，在气候变化时产生冻胀和融沉现象，依旧会导致部分路基建成服役后产生变形，轨道平顺度变差，不能达到规范要求，部分区段高铁不得不降速运行1-4。为更好地推进改良填料在寒冷地区路基中的应用，其抗冻融性能研究很有必要。国内外对级配碎石材料的研究主要从材料本身特性出发，黄淑森、Konrad J M、陈涛等5-8发现级配碎石类材料的抗冻融性能主要受土中水分补给、碎石级配、改良剂种类和掺量、养生龄期、冻融次数的影响；杜晓燕等9发现路基填料中粒径0.075 mm 以下细粒含量对材料经受冻融循环产生的冻胀影响显著，提出实际工程中应控制材料中的细粒含量；魏强等10得出水泥掺量和养生龄期都会对水稳碎石强度的增长产生正面作用，但过大水泥掺量会导致干缩、温缩裂缝的产生，水稳碎石类材料最佳水泥掺量为 3%6%。公路主要以无侧限抗压强度、抗折强度、弯拉疲劳强度和回弹模量的变化作为水稳碎石类材料冻融耐久性能的评价指标11-12，但高速铁路要求路基在荷载作用下保持长期稳定，路基压缩变形较快完成，故对填料的早期生成强度和路基冻融变形较为关注13。金兰等14研究了水泥、石灰加粉煤灰类改良填料的冻胀性能，认为水泥类改良填料具有最好的抗冻胀变形能力；蒋应军等15通过对水稳碎石强度影响因素分析，发现 7 天无侧限抗压强度可以较好地反应水稳碎石强度特性。综上所述，对级配碎石类路基改良填料的抗冻融性能进行了大量研究，但研究方向主要集中在填料级配，含水率等方向，对填料冻融过程中强度变化和变形发展过程研究较少。粉煤灰作为固体废料，存量大且价格低，铁路工程规范中推荐在水泥级配碎石中掺入粉煤灰等材料对路基进行改良，实现对粉煤灰废料的二次利用。本文采用水泥和水泥粉煤灰两种改良剂，对固定级配、不同养护龄期的水稳碎石填料抗冻融耐久性能进行研究，以期获得改良填料冻融过程中强度和冻融变形的发展趋势，为改良级配碎石类材料的抗冻融性能研究提供参考。1 原材料与试验方案 1.1 原材料与配比采用 PO42.5 水泥，初凝时间大于 45 分钟，终凝时间小于 10 小时。普通工业粉煤灰，二氧化硅含量 68.0%，烧失量 5.4%，0.03 mm 通过率93.0%。级配碎石材料取自张家口某堆料场，采用高速铁路设计规范16中碎石级配上下限取中值，改良填料碎石级配，见表 1。级配中粒径小于 收稿日期：2022 09 18作者简介：张俊武（1985），男，内蒙古呼和浩特人。工程师，主要从事复杂地形道路及隧道建设安全性研究工作。E-mail：。张俊武，等：高速铁路寒冷地区路基改良填料冻融性能研究 49 0.1 mm 的细粒土是堆料场中取回的土经烘干筛分后制得，经液、塑限联合测定后定性为粉质黏土。表1改良填料碎石级配直径/mm 0.1 0.10.5 0.51.7 1.77.1 7.122.4 22.431.5过筛质量百分率/%520295883100 高速铁路规范中对路基填料的改良无具体推荐，参考铁路路基设计规范17改良方案，水泥改良方案中水泥掺量为 3%、5%、7%，水泥粉煤灰改良方案中水泥、粉煤灰掺量比 14。试件编号及掺量，见表 2。表2试件编号及掺量编号 水泥掺量/%粉煤灰掺量/%编号 水泥掺量/%粉煤灰掺量/%S3F030S3F12312S5F050S5F20520S7F070S7F28728 1.2 冻融强度试验水稳碎石类材料的力学特性受改良剂掺量、冻融次数及养护龄期等多个因素影响。冻融强度试验养护龄期 7、28、90 天，冻融次数 0、1、5、10、15、20、30。试件含水率为击实试验确定的最优含水率，击实试验结果，见表 3。表3改良填料击实试验结果编号最优含水率/%最大干密度/（gcm3）编号最优含水率/%最大干密度/（gcm3）S3F06.432.24S3F125.922.08S5F06.332.21S5F206.402.29S7F06.572.25S7F286.732.15 通过静压法制备 150 mm 高 150 mm 圆柱形试件，每组 6 个，制备完成放入标准养护箱中养护，最后一天浸水养护。随后，放入温度交变箱进行冻融循环试验。冻融温度为10 及 10，交变箱温度变化速率 20/h，每次冻融循环时间24 小时，同时将一批对照组试件进行等时长标准养护，在达到冻融次数后取出并进行无侧限抗压试验，测定强度进行分析。填料冻融强度试验，见图1。a 冻融试 b 加压图1填料冻融强度试验 1.3 冻结温度试验冻结深度和冻胀率是评价路基土冻融变形性能的基础指标，为了测量路基土中冻结深度，首先要确定填料的冻结温度。铁路工程土工试验规程（TB 101022010）的特定试验装置，由于体积过小只适用于黏土和砂土，为测量粗粒土文献 18采用了 8 cm 高 11 cm 圆柱形装置，本次试验采用 100 mm 高 100 mm 静压模具。将填料以最优含水率配置完成后闷料 24 小时，然后放入模具中，中间放置热敏电阻。试件放入高低温交变试验箱，温度设置为5，开始冻结后进行数据记录。填料冻结温度试验，见图 2。图2填料冻结温度试验 1.4 冻融变形试验采用冻融试验箱对改良填料进行单向冻胀融沉试验，记录试件变形量、冻胀率、融沉系数和冻结速率。150 mm 高 200 mm 圆柱形试件分别在高度 3、6、9、12 cm 处布置温度传感器，在 4、8、12 cm 处布置体积含水率传感器，单向冻融循环试验，见图 3。b 示意 a 安装实拍恒温箱位移传感器降温顶板防冻剂进出口温度传感器试样水分传感器固定底座补水瓶固定支架保温棉试样筒降温底板图3单向冻融循环试验路基工程 50 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）底端温度稳定在 1，顶端温度在 10 和10 交替变化，交变箱温度变化速率 20/h，每阶段维持 24 小时。2 试验结果分析 2.1 冻融强度各试件冻融强度试验结果，见表 4。表4各试件冻融强度试验结果MPa养护龄期/d 冻融次数 S3F0 S5F0 S7F0 S3F12 S5F20 S7F28702.833.445.021.921.801.6412.923.514.852.041.861.6753.033.765.242.061.962.30103.234.225.372.162.023.16153.264.435.872.472.863.23203.674.805.933.063.533.42303.684.975.963.383.634.012805.786.157.214.565.405.6015.666.087.164.475.295.3955.405.826.814.224.875.11105.135.566.623.974.664.92154.985.406.343.854.534.85204.875.326.293.724.494.71304.805.226.173.684.404.629006.987.579.774.895.535.6216.767.369.524.575.365.4756.236.919.124.064.784.89105.896.578.673.754.474.62155.586.298.253.624.284.47205.276.017.873.534.124.33305.145.767.683.434.034.27 养护龄期 7 天的各掺量填料无侧限抗压强度随着冻融循环进行而增大，养护龄期 28、90 天的各掺量填料的无侧限抗压强度随着冻融循环进行而降低。7 天养生龄期下，填料内部的水泥与粉煤灰的反应并不充分，随冻融循环试验的进行，相对于冻融循环对填料强度的劣化作用，水泥与粉煤灰继续进行化学反应对强度的增长作用更强，宏观上呈现“随着冻融循环作用次数增加，强度不降反增加”的现象。粉煤灰掺入后，填料强度增长量更大，填料内部粉煤灰的火山灰反应与水泥水化反应效果叠加，相对于单掺水泥的填料冻融强度稳定性得到增加。28、90 天标准养护后各掺量填料中物质水化反应接近完成或完全完成，此时冻融循环对填料强度的损伤作用明显，各掺量填料的无侧限抗压强度随着冻融循环进行而降低。水泥改良填料受养护龄期和水泥掺量影响明显，养护龄期和水泥掺量的增加都会导致试件的无侧限抗压强度增长。相同养护龄期下水泥掺量越大，填料经历冻融循环后的剩余强度越大；相同水泥掺量下，28 天养护龄期填料经历冻融循环后的剩余强度较大。将固定比例粉煤灰掺入后，填料强度降低，但 7、28 天养护龄期水泥粉煤灰改良填料经历冻融前后的强度差值小，表明粉煤灰掺入增加了填料的冻融强度稳定性。采用冻融强度损失 BDR比较冻融循环对各个养护龄期下试件的强度影响，不同养护龄期下填料的 BDR 值，见图 4。7 天养护后的水泥改良试件，强度随着冻融次数的增加呈现出正增长，但其BDR 值持续降低。经历 30 次冻融后 3%水泥掺量的试件冻融强度损失最高达 30%。BDR=RDcRc100%（1）RDcRc式中：为 n 次冻融循环后试件的抗压强度；为对比试件经历与冻融时间等长的养护时间后的抗压强度。S3F0拟合曲线S5F0拟合曲线S7F0拟合曲线S3F12拟合曲线S5F20拟合曲线S7F28拟合曲线S3F0实测值S5F0实测值S7F0实测值S3F12实测值S5F20实测值S7F28实测值0510152025300.800.850.900.951.00冻融强度损失BDR冻融次数0510152025300.650.700.750.800.850.900.951.00冻融强度损失BDR冻融次数 a 7天 b 28天 c 90天0510152025300.700.750.800.850.900.951.00冻融强度损失BDR冻融次数图4不同养护龄期下填料的BDR值 当养护龄期为 28、90 天时，各类试件的BDR 值变化呈指数型降低，采用式（2）拟合，拟张俊武，等：高速铁路寒冷地区路基改良填料冻融性能研究 51 合参数，见表 5。y=y0+Ae(x/t)（2）yxy0At式中：为试件 BDR 拟合值；为冻融次数；、为拟合参数。表5不同养护龄期下各试件拟合结果养护龄期/dy=y0+Ae(x/t)S3F0S5F0S7F0S3F12 S5F20 S7F287y00.5760.7520.8000.6000.8580.840A0.4040.2300.1630.3970.1200.164t26.970 13.800 10.810 45.320 11.910 19.100R20.9530.9460.7960.9760.8200.81528y00.8250.8360.8720.7980.8100.825A0.1760.1640.1280.2020.1900.175t8.954 11.840 8.7649.7588.3504.431R20.9910.9970.9890.9950.9910.77790y00.7280.7480.7750.6980.7190.751A0.2720.2520.2240.3010.2810.249t8.6479.9849.9026.4938.5608.850R20.9750.9680.9450.9840.9940.987 采用指数函数可以较好地对不同养护龄期填料的 BDR 曲线进行拟合，且养护时间越长，试件BDR 值变化规律越明显，拟合效果越好。养护 7 天的填料其强度变化受影响因素较多，BDR 值变化情况较复杂，经历 30 次冻融后仍处于剧烈变化阶段。而 28、90 天养护后的试件在经历 20 次冻融循环后，BDR 值变化明显趋于平稳。BDR 值的变化情况与拟合结果对应了前文各配比填料强度受冻融循环与龄期的综合影响。根据表 5、图 4 可以预测后续冻融循环时各路基填料的强度损失，便于工程中判断此时填料的冻融强度稳定性，防止安全事故发生。2.2 冻结温度填料冻结温度试验结果，见图 5。0204060801001201402.01.51.00.500.51.01.52.0温度/时间/min图5填料冻结温度曲线 由图 5 可知：试验填料的冻结温度为0.3。填料的冷却和冻结过程可分为 3 个阶段：阶段是填料的冷却阶段，填料在这一过程中温度逐步降低并且出现过冷现象，即填料内部细颗粒间存在力场，导致水分子必须克服力场才能形成冰骨架18；当水分子开始结晶时，填料内部开始放出相变潜热，温度回升接近零度，在结晶过程中填料内外部热量交换，温度在冻结温度和零度之间波动，即阶段；阶段则是填料中水分冻结，填料温度逐渐降低。2.3 冻融变形单向冻融试验的主要目的是为了探究各类填料的抗冻融变形能力。试验各类填料冻融变形量，见图 6。试件的冻融变形量随着水泥掺量的增加受到抑制，3%水泥掺量产生的变形量最大，7%水泥掺量产生的变形量最小。当掺入粉煤灰作为改良剂时，试件的冻胀量和融沉量都会产生较大的增长。这表明水泥作为改良剂，其水化反应形成的强度可以有效降低试件的冻融变形，当掺入粉煤灰后，填料生成的无侧限抗压强度会降低，作为孔隙填充物的粉煤灰还会增大填料的冻融变形。020406080 100 120 140 1600.060.040.0200.020.040.060.08冻融变形量/mm时间/hS3F0S5F0S7F0S3F12S5F20S7F28图6各类填料冻融变形量 各水泥掺量的试件冻融变形趋势相近，且第二次冻融时试件冻胀量明显大于第一次冻融循环。表明试件内部存在依靠挤压形成的物理力和依靠化学反应后形成的化学力，第一次冻融循环后，填料内部冻胀形成的挤压力破坏了填料依靠物理力和化学力形成的固定结构，填料内部结构重新分布。使第二次冻融时填料内部水分迁移通道增多，第二次循环造成的冻胀量变大，融沉量也产生一定程度的增加。第二次冻融循环后，试件内部结构稳定且趋于密实，冻结作用减小，导致填料的冻胀量降低，融沉量缩小。文献 19 中类似的试验发现随着冻融次数的增加，内部结构调整导致的冻胀量变化不均现象会逐渐消失。通过冻结温度试验可以得出填料的冻结温度为0.3，填料中冻结深度的变化由冻结锋面决定，冻结锋面以上为已冻区，以下为未冻结区。取路基工程 52 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）填料顶端至冻结锋面的高度为冻结深度。采用内插法计算。试件冻深计算结果，见图 7。S3F0S5F0S7F0S3F12S5F20S7F286.506.757.007.257.507.75冻结深度/cm试件编号图7各类填料冻结深度 水泥改良填料随着水泥掺量的增加，试件的冻结深度呈现出下降的趋势，当在填料中掺入粉煤灰后试件的冻结深度又有进一步减小的趋势。这表明当填料中的改良剂为水泥时，水泥水化反应产生的凝胶类物质相较于原来的水分热交换效率更低，致使顶端冷源可以吸收的试件内部热量减少，冻结深度减小。当粉煤灰掺入后，粉煤灰会填充材料内部孔隙，导致填料中热量传导效率再度降低，冻结深度也更浅，但冻胀量增大。为了直观对比填料的冻胀变形性能，采用冻胀率进行对比分析，=hHf100%（3）式中：为冻胀率，%；h 为试样总冻胀量，mm；Hf为冻结深度，mm。各个试件最大冻胀率，见图 8。S3F0S5F0S7F0S3F12S5F20S7F2800.020.040.060.080.100.120.140.160.18冻胀率/%试件编号第一次冻胀第二次冻胀第三次冻胀图8各个试件最大冻胀率 水泥改良填料和水泥粉煤灰改良填料冻胀率都小于 1%，属于不冻胀类材料，表明水泥和水泥粉煤灰这两类改良剂形成的凝结物可以较好地抑制填料的冻胀。水泥类改良填料的冻胀率随着水泥掺量的增加而降低，且后两次冻结时的冻胀率大于第一次。水泥粉煤灰类试件中 S3F12 试件冻胀率相较于 S3F0 试件有微小降低，S5F20 和 S7F28 相较于未掺入粉煤灰的试件冻胀率增长较大，粉煤灰的掺入会增加填料的冻胀敏感性。文献 19-22 表明，粉煤灰的掺入可以有效地降低粗颗粒填料由于水分散失引起的干缩变形和由于温度降低引起的温缩变形，但在研究干缩变形时发现粉煤灰掺量大于 15%时，混合料的干缩变形增加。结合本文粗颗粒填料冻胀敏感性研究与前人的干、温缩变形的研究结果，得出在实际工程中利用粉煤灰掺入粗颗粒填料时，掺量应不大于 12%，既可以充分利用粉煤灰产生成本效益，又可以改善高铁路基填料冻融变形、干温缩变形。3 微观机理分析在单向冻结模式下，填料中的水分以冰晶体和未冻水的形式存在混合料的空隙中，在温度改变的作用下水分重分布现象发生，水分向冻结区域迁移并在此过程中冻结，使填料产生冻胀变形。在填料中加入水泥、粉煤灰进行改良，水泥改良粗颗粒填料的冻胀敏感性较低，填料中水分迁移通道顺畅，产生的冻胀、融沉变形较小，且水泥水化反应后对填料骨架的加固作用明显，整体强度提升较多；粉煤灰作为固体废料掺入到填料中后，粒径较小的粉煤灰填充在骨架空隙中，使水分迁移通道变窄，增加了填料的毛细作用，毛细张力使得填料的持水性增加，在温度的作用下，这些水分冻结产生了较大的冻胀变形。虽然粉煤灰在水泥提供的碱性环境下与消石灰进行二次火山灰反应生成 Ca5Si6O16(OH)4H2O 与4CaO3AI2O33H2O 对骨架进行加固，但由文献 23炉渣-煤矸石无机结合材料，水泥粉煤灰掺入后不同龄期下的电镜扫描图可知：粉煤灰的火山灰反应滞后，90 天养护龄期时依然有未参与反应的粉煤灰颗粒，因此，粉煤灰在对骨架起到加固作用前，粉煤灰填充到孔隙中增加毛细的作用更加明显，增加了填料的冻胀敏感性，产生较大的冻胀、融沉变形，并且在水泥粉煤灰掺量比为 14 的情况下，为了保证整体压实度要求，相应的集料总量也会减少，过多的粉煤灰相当于细集料，因此总体来说粗细集料比例变小，也会影响总体强度。混合料的微观形貌，见图 9。张俊武，等：高速铁路寒冷地区路基改良填料冻融性能研究 53 a 7 d养护 期 b 28 d养护 期 c 90 d养护 期200 20 m200 20 m5000 1 m粉煤灰颗粒C-S-H凝胶图9混合料的微观形貌 4 结语本文对高铁路基改良填料进行了冻融循环强度和变形试验。（1）冻融强度试验表明：改良填料在 7 天养护后经历冻融循环强度会出现增长；28 天养护后填料的抗冻融性能较好，强度降低较小且在经历10 次冻融后，强度趋于稳定。（2）水泥改良填料与水泥粉煤灰改良填料在经历冻融循环后，强度变化呈指数型降低，采用冻融强度损失值作为强度损伤因子可以较好地对填料冻融强度变化进行拟合。（3）冻融变形试验表明：水泥改良填料的抗冻融变形性能最优，水泥粉煤灰类填料的冻结深度小于前者，但冻胀率和融沉系数较大。（4）两类填料均可对级配碎石进行改良。水泥类填料的抗冻融性能较好，粉煤灰掺量过多会导致填料的冻融变形量增大。在高铁路基粗颗粒填料中加入粉煤灰，上限掺量为 12%。参考文献(References)：1 YUE Z R,WANG T L,MA C,et al.Frost heave control of fine roundgravel fillings in deep seasonal frozen regions J.Sciences in Cold andArid Regions,2013,5（4）:425 432.DOI:10.3724/SP.J.1226.2013.00425.2 李先明,牛富俊,刘华,等.哈大高铁路基面冻胀变形特征及工程意义 J.冰川冻土,2018,40（1）:55 61.LI X M,NIU F J,LIU H,et al.Characteristics and engineeringsignificance of frost heaving in subgrade of Harbin-Dalian high-speedrailway J.Journal of Glaciology and Geocryology,2018,40（1）:55 61.3 宋宏芳,岳祖润,王天亮,等.季节性冻土区高速铁路路基水泥稳定碎石基床压实指标相关性 J.中国铁道科学,2018,39（5）:8 14.DOI:10.3969/j.issn.1001-4632.2018.05.02.SONG H F,YUE Z R,WANG T L,et al.Correlation betweencompaction indexes of foundation bed with cement-stabilized macadamfor high speed railway subgrade in seasonal frozen soil region J.ChinaRailway 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Architecture,Zhangjiakou 075000,Hebei,China）Abstract:In relation to the improved subgrade filler in cold regions for high-way railway,an unconfinedcompressive strength test after freeze-thaw cycles is carried out.It explores the influence of the type,content andcuring age of the modifier on the freeze-thaw resistance durability of the improved filler.The results show that thestrength of the improved filler increases with the extension of curing age and the increase of cement content;theaddition of fly ash reduces the strength of filler;the loss of freeze-thaw strength of the improved filler decreasesexponentially.The Loss of Freezw-thaw Strength can be used to better evaluate the change in strength of the fillerat different curing ages.The freezing temperature of the filler is 0.3;the freezing-thawing deformation of theimproved filler is positively correlated with the content of cement while negatively cor