线桥过渡段用水泥碎石的收缩特性及其影响分析

2010-05-08赵国堂刘俊飞

铁道建筑 2010年10期

魏强，赵国堂，刘俊飞

(1.西南交通大学土木工程学院，成都 610031;2.京沪高速铁路股份有限公司，北京 100038)

在级配碎石中掺入水泥得到的混合料，称为水泥碎石。水泥碎石作为填筑材料在我国铁路工程中的应用时间比较短，秦沈客运专线设计中提出在台后2 m范围内为提高压实度可以予以使用，但实际工程中仅采用级配碎石进行填筑［1］。新建铁路在过渡段范围内使用级配碎石掺水泥作为填筑材料［2］，利用它刚性较大的性质，实现路堤与桥梁、涵洞及其他刚性结构的刚度过渡，为轨道结构的平顺性提供保证。随后在客运专线建设标准中，过渡段都采用了水泥碎石进行填筑。

京津城际铁路采用CRTSⅡ型板式轨道，台后需设置主端刺和摩擦板组成的锚固结构。由于把这种锚固结构当作横向构筑物进行处理，在整个锚固结构区采用水泥碎石填筑以保持刚度均匀及过渡［3］。

过渡段和CRTSⅡ型板式轨道台后锚固结构区水泥碎石中水泥掺量为3%～5%。而基床表层处由于要求较高，实际施工中水泥掺量更多地达到6%左右。由于铁路使用水泥碎石经验较少，在水泥碎石材料特性和施工质量控制方面还需要进一步深化［3］。

水泥碎石因其具有较高的强度和刚度、板体作用好及良好的水稳性在公路工程中已经得到广泛的应用。公路工程中，水泥碎石大量用做路面下的基层或底基层材料，称为水泥稳定碎石层或水稳层，或从其力学特征上称为半刚性基层或贫混凝土，厚度为15～30 cm。水泥碎石受压时具有良好的力学性能，从材料受力看，这些公路路面结构的刚度和强度都能满足行车荷载要求。然而沥青路面在正常使用期开裂仍是世界各国普遍存在的危害较严重的缺陷之一，也是一个迄今尚未解决的难题。我国不论南方还是北方的新建公路或高速公路，通车后1年—2年内均出现较多裂缝。这些裂缝中很大比例是基层首先发生收缩裂缝后在沥青混凝土面层产生的反射裂缝，水进入后，在车辆荷载作用下裂缝中产生超孔隙水压，同时车轮经过时裂缝产生剪切搓动，加剧裂缝扩展，进而加速基层和路面的破坏，产生挤浆、龟裂、沉陷等病害。同时，水分还可能下渗到路基，降低结构强度，导致道路承载力下降。路面宏观裂缝一般表现为沿横向开裂，大致呈直线，宽度在零点几毫米到几个毫米，纵向间距大致相同，具体则视路面结构、施工条件和使用环境等的不同由几米到20、30 m不等［4-6］。这种裂缝一般起自基层顶面，基层处裂缝宽度大于路面处宽度并可能伴有基层破碎现象。

因此，水泥碎石材料除了具有优良的力学特性之外，暴露出的收缩裂缝问题需要高度重视。本文介绍了水泥碎石的收缩特性，对过渡段水泥碎石进行了抗裂分析，探讨了水泥碎石收缩产生的影响，提出了减少水泥碎石收缩的措施。

1 水泥碎石的收缩特性

水泥碎石中的级配碎石是指颗粒组成符合级配要求，即粗、细碎石集料和石屑各占一定比例的混合料，实质上类似于混凝土中粗细骨料的混合料。将水泥加在级配碎石中时，它就是水泥、粗骨料、细骨料和水四组份的普通混凝土，只是水泥掺量不大，并没有填满土颗粒间的孔隙，即胶结作用主要靠硅酸钙和铝酸钙与矿物质颗粒表面的结合。因此，与一般混凝土相似，水泥碎石的收缩主要表现为干燥收缩和温度收缩。

1.1 干燥收缩

水泥碎石中孔隙分凝胶孔、毛细孔、气孔三种。一般认为，气孔最小直径为0.01 mm，孔中有自由水，这种水的增减不会引起体积变化，与材料的收缩无关。毛细孔尺寸比气孔约小100倍，其中存在受毛细管力作用的可蒸发水。凝胶孔直径则在纳米级，约为水分子直径的数倍，其中为吸附水，不易蒸发。毛细孔和胶凝孔中的水的迁移和形态变化与水泥碎石的收缩有着直接关系。

养护时间在2 h之内的水泥碎石一般按普通填料处理，通过碾压达到要求的密实度。在这个时间段内水泥已经在干燥的空气中硬化，随着水分的减少，体积将收缩变形，如果2 h以后养护不及时，将会产生收缩裂缝。

水泥碎石的干缩机理也与混凝土类似。关于混凝土的干缩机理的众多理论中，影响最大并被普遍接受的是POWERS T C等人研究提出的毛细管张力理论:在湿度很大的环境中，两个固体颗粒表面吸附水层厚度大于凝胶孔直径，吸附水对粒子存在一定的推力，并与粒子间引力达到平衡。当湿度降低时，推力减小，毛细孔水也开始蒸发，形成负压，对孔壁产生压应力，造成材料的收缩。当湿度再增大时，材料体积也会有一部分恢复。

水泥碎石产生干缩裂缝的原因与其水泥、水和级配碎石都有很大的关系。一方面混合料在凝结硬化过程中，水泥与水起水化反应，消耗大量的水分。水泥含量越高，则消耗的水分越多。另一方面，碎石集料表面也要吸附水，集料中的细料成分越多，表面吸附的水分就越多。再者，水泥碎石施工过程中，含水量越大，蒸发散失的水分就越多，就越易产生干缩裂缝。因此，水泥碎石的干缩量会随着水泥含量和含泥量的增大而增大。同时，这种干缩会在一个相当长的时期内延续。当水泥碎石再次被水浸湿后，体积稍微恢复，在其再次干燥过程中会再一次收缩，可称为第二次干缩。

干缩裂缝规律性较好，一般每隔几米或几十米会产生一道横裂缝。

1.2 温度收缩

水泥碎石的温缩是固相、液相胀缩综合作用的结果。首先，在混合料硬化初期，水泥水化放出较多的热量，但散热较慢，因此其内部温度较高，使内部体积膨胀。而外部如遇气温急剧降低则冷却收缩，内胀外缩相互制约，产生较大的应力。其次，水泥碎石中的固相成分本身就具有一定的热胀冷缩性，其中黏土矿物和新生成的胶结物胀缩性较大。水泥碎石凝胶孔、毛细孔、气孔中的液态水具有更大的热胀冷缩性，液态水的热胀冷缩使颗粒间产生相应的压力和拉力，将造成材料体积变化。同时，温度下降时毛细孔中水的表面张力增大，也会加剧材料的收缩性。当温度低于冰点时，孔隙中的水冻结后体积膨胀，会造成材料的膨胀。水融化时，材料收缩。一旦应力超过其极限抗弯拉强度，将产生温缩裂缝。温缩裂缝多数是横向分布。

2 过渡段水泥碎石抗裂的力学分析

在受力方面，材料收缩产生裂缝与材料的收缩应变ε、模量E、抗拉强度ft和约束条件有关。

当外部环境湿度、温度降低时，水泥碎石外表面首先受到影响，影响程度由外向内逐渐减小。收缩变形也将从外表面开始，逐渐向内发展。当外部已经开始收缩，内部尚未变形的部分会对外部的变形形成约束。当收缩应变ε产生的拉应力超过材料抗拉强度，即满足式(1)

此时，裂缝就从外表面向内开展。公路基层的水泥稳定粒料裂缝就是从受环境影响大的上表面开始发展的。

关于水泥碎石的模量和强度，铁路相关规范中尚缺乏明确的指标。公路工程中，《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80-1—2004)以7 d无侧限强度作为基层水泥稳定粒料的力学检测指标。而高速铁路工程中，对过渡段处仅以 2 h内的 K30、Ev2、Evd等力学指标进行控制。例如，《客运专线铁路路基工程施工质量验收暂行标准》(铁建设［2005］160号)及《新建铁路300～350 km客运专线铁路设计暂行规定》(铁建设［2007］47号)对过渡段级配碎石填筑压实标准为基床表层处K30≥190 MPa/m，Ev2≥120 MPa;基床表层以下K30≥150 MPa/m，Ev2≥80 MPa。

碎石添加水泥拌合后经过水泥水化等复杂的物理化学过程，材料的性质与不添加水泥的碎石有很大的差别。养生后的水泥碎石强度、变形模量都将大大高于无水泥的碎石材料。

在新建铁路路桥过渡段进行了水泥级配碎石强度增长初期的连续Ev2现场检测，结果见图1。

与现场同配比和压实度的水泥碎石材料6个试件(尺寸 φ150 mm×150 mm)保湿养生13 d后，每组3个试件，分两组分别在室内晾干1 d和浸水1 d。进行变形模量和抗压强度试验，结果见表1。

图1 水泥级配碎石静态模量—时间关系

表1 水泥碎石压缩试验结果

从图1可以看出，施工后水泥碎石变形模量一直处于增长之中，约7～10 d后增长速度趋缓。养生14 d时，现场Ev2检测结果与室内试件压缩变形模量试验结果相当，远高于相关规范提出的检测指标80 MPa或120 MPa，而达到 1 GPa以上。同时，养生约 2～3 d后，动态模量Evd和地基系数K30都将因仪器量程或试验方法限制而无法测出。这也说明，级配碎石与水泥级配碎石的刚度差异很大，而铁路规范中的检测指标仅能体现级配碎石的相关参数。

另一方面，室内试验显示，对保湿养生试件各进行仅1 d的晾干与浸水，将造成约0.7%的含水量差异。晾干与浸水的两种试件抗压强度和变形模量变化不大，显示该材料的水稳性好。试件破坏时，有竖向裂缝发生，为脆性材料低围压下的拉裂缝，显示该材料脆性大。一般情况下，低强度等级混凝土抗拉强度为抗压强度的1/7～1/12，文献［7］中水泥碎石材料也符合这个规律。可取本试验中水泥碎石的抗拉强度ft=0.1 fc=0.6 MPa。同时，取其变形模量E=1.33 GPa。

以本试验段为例，根据式(1)，该处水泥碎石允许收缩应变［ε］为

文献［8］、［9］和［10］提供的数据显示，水泥碎石的干缩系数，即单位含水量变化时的收缩应变约为72×10-6～120×10-6，能达到的最大失水率约 2% ～3%;水泥碎石的温度收缩系数约为8.0×10-6～10.8×10-6/℃。水泥碎石失水率和干缩率随暴露时间的增加而增加，龄期1个月内增加速度较快，1个月后增加速度渐慢，但收缩会在较长时间内持续。

根据以上数据估算，本试验段材料的干缩应变将达2.2×10-4～6.5×10-4，仅干缩应变一项就已经接近或超出其允许收缩应变。当遇到较大温度变化，或者反复的雨—晴循环造成第二干缩时，水泥碎石表面的开裂几乎是必然。

3 水泥碎石收缩的影响

公路工程中，水泥稳定粒料基层的干缩主要发生在该层施工完毕，且沥青面层尚未铺的时间段内。沥青路面铺设后，水泥碎石被封闭在约12～30 cm厚的沥青面层下，不直接受大气温湿度环境的影响，对它起到了一定的保护作用。然而，从实际工程中沥青路面反射裂缝频频发生的现象看，未封闭期间水泥碎石层中一些可见或不可见的收缩裂缝已经出现，并在后期有所发展或在路面荷载下加剧扩展。

新建铁路过渡段水泥碎石的应用，主要是发挥其胶凝成整体的特点，实现原设计搭板的作用，从而实现刚度的均匀过渡。一旦水泥碎石层产生裂缝，过渡段结构的整体性将有所减弱，从而对刚度均匀性带来不利的影响。

3.1 锚固结构区水泥碎石裂缝影响分析

CRTSⅡ型板式无砟轨道台后锚固结构的设置，水泥碎石的填筑区段将从原来过渡段的基床表层处不小于20 m延长到50 m以上。水泥碎石铺设长度较小时，两端自由的条件能够吸收大部分收缩变形。铺设长度增加后，两端的影响减小，收缩产生裂缝的可能性将增加。

本文把锚固结构区水泥碎石划分为3个区域(图2)，分别对各区域收缩开裂的可能性和影响程度进行分析。

图2 锚固结构区路基横断面

1)基床表层，即图2中区域①。基床表层处设计一般为水泥碎石全路面铺设，仅在轨道下有所覆盖，施工后大面积长期暴露于大气环境之中，直接受到大气温湿度变化的影响。因此，锚固结构区基床表层出现收缩裂缝的可能性非常大，值得特别注意。摩擦板下基床表层的水泥碎石在施工中实际上已被置换成混凝土而成为摩擦板的一部分。仅摩擦板外侧仍保留有水泥碎石。这部分水泥碎石虽不在轨道板正下方，但距轨道较近，也将在一定程度上受到动载影响而使开裂的破坏程度加剧，但破坏造成的危害较小。

2)基床底层上部，即图2中区域②。摩擦板下面几个施工层的水泥碎石沿纵向被小端刺分割为仅几米长的小段，增加了自由边界，对水泥碎石变形的约束减小，同时该位置水泥碎石也被封闭在摩擦板下，后期产生收缩裂缝的可能性较小。但与公路基层相同，施工期产生裂缝的可能性仍然存在。此处水泥碎石直接承受轨道板和端刺摩擦板传递下来的列车荷载，一旦有裂缝产生，雨水将可能通过基床表层裂缝和摩擦板边缘缝隙进入，由于水泥碎石的透水性差，水将长时间存留在裂缝中，列车强大的动荷载产生的超孔隙水压将加剧路基的破坏，破坏造成的危害严重。

同时，端刺作为水平向受力结构，裂缝和路基的破坏对其纵向锚固作用也将产生不利影响。因此，摩擦板下的水泥碎石应严格防范收缩裂缝的产生，重点应防范施工期间的干缩裂缝。

3)基床底层下部及其以下路堤，即图2中区域③。过渡段路堤设计一般在核心区外，即路堤两侧把水泥级配碎石用A、B组填料或改良土包裹，这将使核心区内部的水泥碎石自身的温湿度基本保持恒定，起到抑制其收缩开裂的作用。这个区域不会发生后期的收缩开裂，受列车动荷载影响程度较低，造成危害的可能性较小。当然，若采用水泥或石灰改良土作为外露包裹体，改良土本身也存在收缩问题，但此处受列车荷载影响很小，局部的收缩开裂仍是可以接受的。但此处仍应尽量采用不存在收缩问题且透水性良好的A、B组填料。

另外，需要关注的是靠近台背处水泥碎石因碾压困难往往存在压实度较低的现象，台背与水泥碎石层之间容易产生空隙［3］。锚固结构在纵向力作用下将产生纵向位移，该空隙随一年温度变化将扩展或压缩，临近台背的水泥碎石中裂缝将急剧扩大，带来的不利影响将更大。

4 水泥碎石收缩开裂的预防

通过以上分析，端刺处水泥碎石最容易发生收缩裂缝的位置在暴露于大气中的基床表层，而收缩裂缝一旦出现将产生较大危害的位置在摩擦板下的受力核心区。对这些位置水泥碎石的收缩应加以预防。

1)降低水泥、黏土含量，减少收缩性物质的存在。试验表明［11］，水泥含量为5%者的干缩率比4%者稍大，而水泥含量为6%者的干缩率比5%和4%者多出许多;同样，水泥含量越高，温缩越大。级配碎石的最大颗粒对干缩和温缩影响不大，但细颗粒越多，干缩和温缩越大。具体措施包含有:保证碎石有良好的级配，控制0.075 mm的颗粒含量，使孔隙率减小，少用水泥;严格控制碎石的含泥量和泥块含量不能过高;在满足填料力学指标的情况下，水泥含量尽量小并采用强度等级较低、收缩系数小的水泥等。有研究表明以适量粉煤灰替代部分水泥对减小干缩也有一定的帮助［7］。

2)通过施工控制减小收缩。具体措施有:尽量选择温湿度适中的天气进行施工，避开高温晴天施工;对于后期封闭的水泥碎石，施工时的含水量可略高于最佳含水量1%左右;施工时及时采取洒水、土工布覆盖等措施，做好保水养护，特别是7 d内的养护等［3］。