中美铁路道作试验的比较研究

王书鹏

(石家庄铁路职业技术学院,石家庄 050041)

中美铁路道作试验的比较研究

王书鹏

(石家庄铁路职业技术学院,石家庄 050041)

中美两国规范将道昨分为面昨和底昨，其中中国面昨需检测7项性能16个物理参数，底昨需检测4项性能6个参数；美国面昨需检测5项性能7个参数，底昨需检测5项性能8个参数。通过比较两国铁路道昨的试验规范，得出以下结论：（1）中国规范对于底昨给出了固定的颗粒级配范围，方便了施工选材；美国规范中底昨的颗粒级配与面昨及路基填料的颗粒级配有关，更合理地体现了底昨的过渡作用；（2）中国规范固定了试样的颗粒范围及数量，简化了试验操作但使得结果不能反映全部道昨的性能；美国规范中道昨的性能参数多通过试样的颗粒级配百分率计权求得，结果能全面反映道昨性能且适应于任何粒径的道昨；（3）中国规范缺少试验数据偏差的内容；美国规范对试验的重复性偏差及复现性偏差均有详细要求。

铁路道昨；试验；中国规范；美国规范；比较

道作是用作承托铁路轨枕的碎石,从铁路出现到现在一直被广泛应用。目前,我国涉外铁路项目逐渐增多,客观要求我国铁路的一部分试验标准应与国际接轨。考虑美国材料与试验协会(American Society for Testing Materials,简称ASTM)标准在国际上有广泛的认可度,对中美铁路道作的试验进行了比较研究,为涉外铁路项目的具体实施提供参考。

1 中美铁路道昨试验概况

我国规范《铁路碎石道作》(TB/T 2140―90)［1]对道作作如下定义,道作由开山块石破碎、筛选而成,根据材质性能和参数指标按规定分为一级道作和二级道作。规范中没有明确道作的岩性。

美国铁路建设与维护协会(American Railway Engineering and Maintenance of way Association,简称AREMA)的铁路工程手册(Manual for Railway Engineering)［2]是指导美国铁路建设的准则。手册中明确指出,用作道作的为花岗岩、暗色岩(指暗色细腻的非花岗岩类浅层岩或火山喷出岩)、石英岩、石灰岩、白云石灰岩及废渣,但没有对道作进行分级。道作的材质性能和参数指标依所选道作的岩性不同而异。

1.1 中国铁路道昨试验

道作分底作、面作。中国面作规范《铁路碎石道作》(TB/T 2140―90)中规定,道作除满足颗粒级配要求之外,还应根据不同级别满足7项性能中16个参数指标的要求,见表1。

对于底作,《铁路碎石道床底作》［3](TB/T 2897―1998)中规定,道作除满足颗粒级配要求之外,还应满足4项性能中6个参数指标的要求,见表2。以上参数应分别根据铁路道作试验规范(TB/T2328.1～18―92)通过试验确定。

表1 中国面昨物理参数指标及试验规范

表2 中国底昨物理参数指标及试验规范

1.2 美国铁路道昨试验

美国AREMA铁路工程手册中规定,面作除满足颗粒级配要求之外还应根据道作岩性满足5项性能中7个参数指标的要求,见表3,底作应满足5项性能中8个参数指标的要求,见表4。以上参数应根据ASTM试验标准通过试验确定。

通过比较可以看出:对于面作,两国规范均包含洛杉矶磨耗率、硫酸钠溶液浸泡损失率、密度、针片状指数、黏土团及其杂质含量质量百分率、粉末含量的质量百分率等参数试验,我国规范特有的为标准集料冲击韧度、石料耐磨硬度系数、标准集料压碎率、道作集料压碎率、渗透系数、石粉试模件抗压强度、石粉液限、石粉塑限、饱水单轴抗压强度等参数试验,美国规范中特有的为吸水率参数试验；对于底作,两国规范均包含洛杉矶磨耗率,硫酸钠溶液浸泡损失率,石粉液限、塑限等参数试验,我国规范特有的为粒径大于16 mm颗粒中带有破碎面颗粒所占质量百分比、黏土团及其杂质含量质量百分率等参数试验,美国规范中特有的为渗透系数、粒径0.075 mm以下的粉末含量的质量百分率、相对密度、最大干密度,最优含水量等参数试验。

表3 美国面昨物理参数指标及试验规范

表4 美国底昨物理参数指标及试验规范

2 中美铁路道昨的筛分试验比较

2.1 面昨筛分试验比较

中国铁路面作应根据《铁路碎石道作粒径级配试验方法》［4](TB/T 2328.15―92)进行试验,道作级配应符合《铁路碎石道作》(TB/T 2140―90)要求,见表5。《铁路碎石道作粒径级配试验方法》(TB/T 2328.15―92)规范中,方孔筛孔边长分别为16、25、35.5、45、56 mm和63 mm,试样质量取100 kg,准确至50 g,准确度为0.05%。规范中提到取2份试样备用,但没有平行试验的数据处理及精度要求。

表5 《铁路碎石道昨》（TB/T 2140―90)面昨颗粒级配

美国AREMA铁路工程手册的面作有7种颗粒级配形式,见表6,面作的颗粒级配应根据ASTM C136［5]试验确定。根据ASTM C136,方孔筛孔边长分别为2.36、4.75、9.5、12.5、19、25、37.5、50、63 mm和75 mm,试样质量及准确度见表7。规范对试验的重复性偏差及复现性偏差有详细要求,限于篇幅,本文不再叙述。

表6 AREMA铁路工程手册面昨颗粒级配

表7 美国铁路面昨筛分试样质量取值及准确度

根据比较可以看出,两国筛孔尺寸不一致,在涉外铁路项目中,需要当地第三方试验室验证道作颗粒级配时,可能会因为试验标准及仪器设备的不一致,阻碍项目的顺利进行,所以这一问题要格外引起注意。另外,我国规范在试样的质量取值上比美国规范大,准确度也较高,但是由于没有平行试验的数据处理及精度要求,给试验人员在数据准确性的判断上带来一些麻烦。

2.2 底昨筛分试验比较

中国《铁路碎石道床底作》(TB/T 2897―1998)中规定,底作级配应根据《铁路碎石道作粒径级配试验方法》(TB/T 2328.15―92)进行试验,筛分结果符合表8要求。但是《铁路碎石道作粒径级配试验方法》(TB/T 2328.15―92)中并没有明确给出筛分底作的方孔筛孔边长,也没有说明试样质量及准确度。

表8 《铁路碎石道床底昨》（TB/T 2897―1998)道昨颗粒级配

美国AREMA铁路工程手册中,底作没有固定的级配范围,而是认为底作的颗粒级配与面作及路基填料的颗粒级配有关,手册仅给出了根据以上两者级配求解底作颗粒级配范围的方法。底作级配应根据ASTM D422［6]进行试验,规范中方孔筛孔边长为0.075、0.106、0.25、0.425、0.85、2、4.75、9.5、19.0、25、37.5、50、75 mm,筛分用试样质量根据公称最大粒径取值,大于2 mm部分的试样称量质量准确至0.1%,小于2 mm部分的试样称量质量准确至0.01 g。需要注意的是,该规范还用来分析土的颗粒级配。

根据比较可以看出,两国对于底作看法不一样,我国规范将底作视为单一级配,而美国规范规定底作的级配与路基填料和面作级配相关。由于底作在整个道床结构中起一个承上启下的作用,可见美国规范更合理的体现了底作的过渡作用。但由于我国底作的级配单一,极大方便了道作的施工选材。另外,我国规范没有明确给出筛分底作的方孔筛孔边长及试样的质量和准确度,不能给筛分试验明确的指导,而美国规范对于底作的筛分试验指导性明确而详细。

3 中美铁路道昨的物理性能试验比较

中美道作规范中,有些物理性能指标是共有的,比如洛杉矶磨耗率、硫酸钠溶液浸泡损失率、针片状指数、黏土团及其杂质含量质量百分率、粉末含量的质量百分率等。但也有些指标是各自规范所特有的,比如我国规范中的标准集料冲击韧度、石料耐磨硬度系数等,美国规范中的吸水率参数等。下面对两国规范中共有的物理性能试验展开比较。

3.1 抗磨耗、抗冲击性能试验比较

对于道作的抗磨耗、抗冲击性能,中国道作规范是通过洛杉矶磨耗率、标准集料冲击韧度和石料耐磨硬度系数等3个指标试验来衡量道作等级,美国道作规范仅需要考虑洛杉矶磨耗率试验。

中国道作洛杉矶磨耗率试验［7]中,洛杉矶磨耗机的转速为31～33r/min,机内填料由直径为46.0～47.6 mm,质量为390～445 g的钢球组成,球数、球总质量及转数见表9。试样需按表9制备3份,试验达到规定转数后,筛除1.7 mm以下颗粒,求得洛杉矶磨耗率。试验重复性偏差为2%,3次磨耗率中的任何两次之差不大于该值时,取3次磨耗率的平均值作为该道作的洛杉矶磨耗率。

表9 中美道昨洛杉矶磨耗率试验比较

美国的道作洛杉矶磨耗率试验执行两个标准,分别是ASTM C535［8]和ASTM C131［9],其中ASTM C535适用于粒径大于19 mm的道作,ASTM C131适用于粒径小于37.5 mm的道作。洛杉矶磨耗机的转速为30～33 r/min,机内填料由直径约为46.8 mm,质量为390～ 445 g的钢球组成,球数、球总质量及转数见表9。美国面作有7种颗粒级配形式,各级配试样按表9制备,试验达到规定转数后,筛除1.7 mm以下颗粒,求得洛杉矶磨耗率。两次试验重复性偏差为5.7%,复现性偏差为12.7%,规范中没有试验次数的要求。

比较两国规范可以看出,中国面作洛杉矶磨耗试验参数与美国ASTM C535中的3接近,底作洛杉矶磨耗试验参数与美国ASTM C131中的B接近。中国面作洛杉矶磨耗试验试样粒径为20～40 mm,过筛质量百分率最大范围为2.2%～56.6%,占全粒径总质量54.4%,有45.6%的道作洛杉矶磨耗率得不到反映,且大于40 mm粒径的占43.4%。中国底作洛杉矶磨耗试验试样粒径为10～20 mm,过筛质量百分率最大范围为49.5%～95.0%,占全粒径总质量45.5%,有 54.5%的道作洛杉矶磨耗率得不到反映。而美国道作各颗粒级配洛杉矶磨耗试验均能较全面反映全粒径的抗磨耗、耐冲击性能。在试验数据处理上,我国规范要求取3次试验平均值,美国规范没有要求。在试验数据的偏差上,我国规范对于重复性偏差的要求较美国规范严格,但没有复现性偏差的要求。

3.2 抗大气腐蚀破坏试验比较

对于道作的抗大气腐蚀破坏性能,中美两国规范均通过硫酸钠溶液浸泡损失率试验确定。

中国的道作硫酸钠溶液浸泡损失率试验［10]中,将按表10制备的试样在饱和硫酸钠溶液中循环浸泡5次,每次浸泡20 h,烘干4 h,试验后,筛除16 mm以下颗粒,求得硫酸钠溶液浸泡损失率。

美国的道作硫酸钠溶液浸泡损失率试验［11]中,将按表10制备的试样在饱和硫酸钠溶液中循环浸泡5次,每次浸泡16～18 h,烘干至恒重,试验后,根据表10选取筛孔边长,筛除该筛孔以下颗粒,根据道作的颗粒级配百分率,求得计权硫酸钠溶液浸泡损失率。两次试验重复性偏差为68%,复现性偏差为116%。

表10 中美道昨硫酸钠溶液浸泡损失率试验比较

比较两国规范可以看出,两国道作在试样的制备上不同,我国规范是取道作粒径在20～40 mm部分,与洛杉矶磨耗率试验一样,有45.6%的道作硫酸钠溶液浸泡损失率得不到反映,且大于40 mm粒径的占43.4%,美国规范是根据道作的实际筛分结果按照表10制备试样的,且结果是根据道作的颗粒级配百分率计权求得硫酸钠溶液浸泡损失率,能全面反映道作抗大气腐蚀破坏性能。对于试验时间,两国均循环5次,我国浸泡时间比美国长,但烘干时间比美国短。在试验数据的偏差上,我国规范中没有重复性偏差和复现性偏差的要求,而美国规范中有。

3.3 道昨颗粒形状及清洁度指标试验比较

对于道作颗粒形状,两国规范对于尺寸的比例看法是一致的,即颗粒最大长度(或宽度)方向与最小厚度(或直径)方向的尺寸之比大于3倍的为针片状颗粒,但两国测定针片状的试验装置不同［12-13],我国的试验装置是规准仪,美国的试验装置见ASTM D4791。文献［14]认为ASTM D4791中测试方法与采用游标卡尺测量完全相同,而用规准仪测定的针片状颗粒含量要比用游标卡尺法测定的针片状颗粒含量少的多［15]。表明同样试样情况下,用美国规范测定的针片状值要大于用中国规范得出的结果。

对于黏土团及其杂质含量质量百分率试验,我国规范［16]中试样要制备2份,每份约87.5 kg,用手拣出或用筛子筛出黏土团及其他杂质,若判断困难时,将可疑子样拣出,用水浸泡1昼夜,能用手捏碎的颗粒定为黏土或杂质,称量清除黏土团及其他杂质后的道作质量,计算黏土团及其杂质含量质量百分率。美国规范［17]是根据表11制备试样,用水浸泡一昼夜,用手捏碎软弱颗粒,试验后,根据表11选取筛孔边长,筛除该筛孔以下颗粒,烘干后称量,根据道作的颗粒级配百分率,求得计权黏土团及其杂质含量质量百分率。

表11 ASTM C142黏土团及其杂质含量质量百分率试验参数

表12 ASTM C117粒径0.075 mm以下的粉末含量的质量百分率试验参数

对于道作的粉末含量质量百分率试验,我国规范［18]测定0.1 mm以下的粉末含量,美国规范［19]测定0.075 mm以下粉末含量。我国规范中,试样分4批,每批质量约25 kg,逐批试验。美国规范是根据表12制备试样,试验过程与我国规范相同。

通过比较两国规范中的试样质量可以看出,由于面作粒径较大,我国规范在黏土团及其杂质含量质量百分率和粉末含量质量百分率试验中能较全面反映面作的整体性能。对于底作,由于其粒径较小(比如我国底作最小粒径为0.075 mm),采用我国规范测定其黏土团及其杂质含量质量百分率显然不太合适,而美国规范中道作的性能参数通过颗粒级配百分率计权求得,表明美国规范可适用于任何粒径的道作。

4 结论

通过对比分析可见,中美铁路道作规范在设计理念、编制内容、实施细节等诸多方面存在明显的差异。总的来看,美国道作试验规范突破了行业局限、通用性强、内容具体、指导性强；我国道作试验规范局限于铁路行业,通用性较弱且内容欠完整。具体体现在如下3方面。

(1)中美规范中均将道作分为面作和底作,但对于底作的认识不同。我国对于底作给出了固定的颗粒级配范围,而美国规范中底作的颗粒级配与面作及路基填料的颗粒级配有关,底作作为面作与路基填料之间的过渡材料在美国规范中更合理的体现出来。

(2)我国道作试验内容欠完整,比如:道作筛分试验规范中缺乏底作试验的详细说明；抗磨耗、抗冲击性能试验和抗大气腐蚀破坏试验针对的是固定粒径范围内的道作,不能反映全部道作的性能指标；我国规范测定道作中黏土团及其杂质含量质量百分率时所需试样每份约87.5 kg,对于粒径较小的底作,该规范显然不太适合。相比之下,美国规范中有关于底作筛分试验的详细说明,道作的性能参数多通过颗粒级配百分率计权求得,结果能全面反映道作性能且适应于任何粒径的道作。

(3)我国道作规范中对于试验数据偏差的处理不够详尽,仅在洛杉矶磨耗率试验中提到做3次平行试验,并给出了试验重复性偏差；美国规范对试验的重复性偏差及复现性偏差均有详细要求。

［1] 中华人民共和国铁道部.TB/T 2140―90铁路碎石道作(2005年修订版)［S].北京:中国铁道出版社,2005.

［2] 美国铁路工程和道路维护协会(ARMEA:American Railway Engineering and Maintenance-of-way Association).美国铁路工程手册(Manual for Railway Engineering)［S].［美国兰哈姆(Lanham, USA)]:Published by AREMA,2012.

［3] 中华人民共和国铁道部.TB/T2897―1998铁路碎石道床底作［S].北京:中国铁道出版社,1998.

［4] 中华人民共和国铁道部.TB/T2328.15―92铁路碎石道作粒径级配试验方法［S].北京:中国铁道出版社,1992.

［5] 美国材料与试验协会(ASTM:American Society for Testing and Materials).C136-06 Standard Test Method for Sieve Analysis of Fine and Coarse Aggregates［S].ASTM,2006.

［6] 美国材料与试验协会(ASTM:American Society for Testing and Materials).D422-63 Standard Test Method for Particle-Size Analysis of Soils［S].ASTM,2002 Reapproved.

［7] 中华人民共和国铁道部.TB/T2328.1―92铁路碎石道作洛杉矶磨耗率试验方法［S].北京:中国铁道出版社,1992.

［8] 美国材料与试验协会(ASTM:American Society for Testing and Materials).C535-03 Standard Test Method for Resistance to Degradation of Large-Size Coarse Aggregate by Abrasion and Impact in the Los Angeles Machine［S].ASTM,2003.

［9] 美国材料与试验协会(ASTM:American Society for Testing and Materials).C131-03 Standard Test Method for Resistance to Degradation of Small-Size Coarse Aggregate by Abrasion and Impact in the Los Angeles Machine［S].ASTM,2003.

［10]中华人民共和国铁道部.TB/T2328.10―92铁路碎石道作硫酸钠溶液浸泡损失率试验方法［S].北京:中国铁道出版社,1992.

［11]美国材料与试验协会(ASTM:American Society for Testing and Materials).C88-99a Standard Test Method for Soundness of Aggregates by Use of Sodium Sulfate or Magnesium Sulfate［S].ASTM,1999.

［12]中华人民共和国铁道部.TB/T2328.16―92铁路碎石道作针状指数和片状指数试验方法［S].北京:中国铁道出版社,1992.

［13]美国材料与试验协会(ASTM:American Society for Testing and Materials).D4791-99StandardTestMethodforFlatParticles, Elongated Particles,or Flat and Elongated Particles in Coarse Aggregate［S].ASTM,1999.

［14]中华人民共和国交通部.JTG E42―2005公路工程集料试验规程［S].北京:人民交通出版社,2005.

［15]李福普,李闯民.公路工程试验检测人员考试用书―――材料［M].人民交通出版社,2010.

［16]中华人民共和国铁道部.TB/T2328.17―92铁路碎石道作黏土团及其他杂质含量试验方法［S].北京:中国铁道出版社,1992.

［17]美国材料与试验协会(ASTM:American Society for Testing and Materials).C142-97 Standard Test Method for Clay Lumps and Friable Particles in Aggregates［S].ASTM,1997.

［18]中华人民共和国铁道部.TB/T2328.18―92铁路碎石道作粒径0.1 mm以下粉末含量试验方法［S].北京:中国铁道出版社,1992.

［19]美国材料与试验协会(ASTM:American Society for Testing and Materials).C117-03 Standard Test Method for Materials Finer than 75 μm(No.200)Sieve in Mineral Aggregates by Washing［S]. ASTM,2003.

ComParative Study on Railway Ballast Test Standard between China and America

WANG Shu-peng
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology,Shijiazhuang 050041,China)

In both the Chinese and American standard codes,railway ballast is classified into up-ballast and sub-ballast.According to Chinese standard code,seven performances including 16 physical parameters should be tested for up-ballast；and four performances including six physical parameters should be tested for sub-ballast.According to American standard code,five performances including seven physical parameters should be tested for up-ballast；and five performances including eight physical parameters should be tested for sub-ballast.By comparison between the railway ballast test standard codes of the two countries,the following conclusions can be drawn:(1)There is constant grain composition range of sub-ballast in Chinese standard code,and this makes it convenient for constructors to select material；in American standard code,the grain composition of sub-ballast is related to the grain composition of the up-ballast and the subgrade filling material,and this can more reasonably reflect the transition function of sub-ballast.(2)The grain range and quantity of test sample is constant in Chinese standard code,therefore the test operation is simplified but the result cannot fully reflect the performance of all ballast；in American standard code,the performance parameters of ballast are generally obtained from weighted data of grain composition percentage of test sample,and the result not only can fully reflect ballast performance but also can fit to any grain size of ballast.(3)There is a shortage of the content of test data deviation in China standard code；in American standard code,there is detail stipulations on both the repetitive deviation and reproducibility deviation during ballast test.

railway ballast；test；Chinese standard code；American standard code；comparison

O383+.2；TU393.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.013

1004-2954(2014)07-0052-06

2013-09-03

河北省高等学校科学技术研究青年基金项目(QN20131160)；河北省科技计划项目(13275414)

王书鹏(1982―),男,讲师,2003年毕业于石家庄铁道大学土木工程专业,工学硕士,E-mail:shupeng2hao@163.com。