新型防水层材料力学性能及其在铁路基床中的应用

杨果林，段君义，邱明明, 2，周胡波



新型防水层材料力学性能及其在铁路基床中的应用

杨果林1，段君义1，邱明明1, 2，周胡波1

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075； 2. 延安大学 建筑工程学院，陕西 延安，716000)

为有效地解决膨胀土地区铁路基床反复出现病害的问题，通过对膨胀土基床病害成因进行分析，研究以砂与土作为骨架系统、橡胶与乳化沥青为改性组分、水泥及纤维为增强组分的新型防水层复合材料。以中低弹性模量、强抗渗性及高韧性为目标，借助试验分析各材料组分掺量对复合材料力学性能的影响，给出新型防水层复合材料的配合比及力学指标控制要求，并通过激振试验对新型防水层复合材料应用效果进行检验。研究结果表明：当砂与土质量比约为1时，新型防水层材料的抗压与抗折强度均达到最大；适当掺入橡胶粉、乳化沥青及聚丙烯纤维可以提高其抗变形能力，但会降低材料强度；在干燥与浸水条件下，新型防水层能有效地隔断地表水下渗和地下水上升路径，达到较好的防水隔水效果，且能加速基床内动土压力的衰减和保持良好的抗疲劳性能。研究的新型防水层复合材料可应用于治理膨胀土地区铁路基床病害。

新型防水层材料；力学性能；浸水稳定性；膨胀土；动土压力；土壤湿度

南昆(南宁—昆明)铁路修建于20世纪90年代，其为西南地区的经济发展做出了巨大贡献，同时，南昆铁路在运营过程中也产生了诸多病害，如路基不均匀沉降、外挤、翻浆冒泥、边坡滑塌等[1−2]，严重威胁着铁路的安全，制约其运输能力。研究表明，铁路沿线膨胀土地质条件是引起其病害的重要原因，该地区季节性雨水使得膨胀土产生反复收缩与膨胀现象，进而促使路基病害不断发生。为此，相关单位采取了众多措施对各类病害进行处治，如基床整治、增设支挡结构、坡面覆盖及设置排水管等[2−3]。但由于这些方法未能从根源上解决问题，导致路基病害处治效果不佳。伴随我国西部大开发建设，西部地区的交通工程得到了快速发展，涌现出大量的膨胀土工程，后续建设的诸多铁路线路仍然无法完全避开膨胀土地区。针对铁路运行速度不断提高和平顺性的要求，膨胀土路基病害问题更加突出，急需采取一种有效措施以保障膨胀土地区铁路运行安全。膨胀土路基处治的关键是控制膨胀土中含水率的变化[4−5]。目前，实际工程中常用的防水措施主要有土工布(膜)[3]、复合防排水板[2, 6−7]、沥青混合料[5, 8]、混凝土[9]等。工程实践表明[10−11]：土工布(膜)虽具有较强的隔水排水能力，但在列车荷载长期作用下易随路基沉降变形而失效；复合防排水板虽具有一定的刚度，但其搭接缝处理仍是施工中的控制难点；沥青混合料虽然具有较好的防水性能，但刚度较低；混凝土防水层抗冲击、疲劳性能差，且刚度过大，易产生脱空或开裂等问题。综上所述，现有的防水材料还不能够真正满足要求，有必要对防水材料进行进一步研究和改善。沥青混合材料作为一种常见且防水性能优越的材料被广泛应用于道路工程，国内外对其进行了改性研究，并取得了丰富的研究成果，如：ISKENDER等[12]分析了纳米黏土掺量对沥青混合料力学特性的影响，并指出纳米黏土能够显著改善沥青混合料的力学特性；WANG等[13]采用扫描电子显微镜(SEM)对橡胶粉改性沥青的微观形貌及橡胶颗粒在沥青中的分布特征进行了观察；CONG等[14]指出再生SBS改性沥青混合料具有较好的水稳定性，再生剂能够降低其动态模量、提高抗裂纹性能和改善疲劳性能；杜少文[15]系统研究了乳化沥青、水泥掺量对水泥乳化沥青混凝土力学性能的影响；TAPKIN等[16−17]通过试验发现掺入聚丙烯纤维能够改善沥青混合料的抗拉强度、韧性及抗疲劳性能。可见，沥青混合料经改性处理后的力学性能够得到显著改善，但目前针对改性沥青混合材料的研究成果多围绕材料本身及其在道路工程中的应用[18]。近年来，沥青混合材料也逐渐在铁路路基中得到应用[5−6, 19]，但关于其应用的研究工作尚不够系统、全面[20]，特别是在膨胀土地区铁路路基中的应用研究更值得重视。为此，本文作者基于现有改性沥青混合材料成果基础，针对膨胀土基床病害成因及特点，通过分析不同材料组分对混合材料物理力学特性的影响，进而研发适用于膨胀土基床病害处治的新型防水层复合材料，并应用于膨胀土地段铁路基床中。最后，结合现场试验对铺设新型防水层复合材料的铁路基床性能进行研究。

1 新型防水层复合材料力学特性

根据膨胀土特性及铁路路基受反复列车荷载作用特点，所采用的防水材料不仅应能够起到防排水作用，而且应具有较好的变形协调性能，能够适应膨胀土一定程度的胀缩变形，并保证在列车的反复荷载作用下保持长期稳定[21]。本文以中低弹模、强抗渗性和高韧性为主要目标，采用砂和土作为骨架系统，橡胶和乳化沥青为改性组分，水泥和纤维混合体系为增强组分，通过优化各组分间的配比来实现新型防水层复合材料的研制。

1.1 主要组分材料

1) 砂，取自湖南湘江河砂，系中砂，细度模数为2.5，II区级配合格，表观密度为2.65 g/cm3。

2) 土，取自百色地区的中弱膨胀土，自由膨胀率为40%~42%，天然含水率为8.8%，密度为2.05 g/cm3，磨细至粒径小于15 mm。

3) 橡胶粉，其粒径为2.36~4.00 mm，表观密度为1.05~1.10 g/cm3。

4) 乳化沥青，为壳牌乳化SBS改性沥青。

5) 水泥，为普通硅酸盐类P.O42.5水泥，28 d抗压强度为48.0 MPa，表观密度为3.10 g/cm3，烧失量为2.3%。

6) 聚丙烯纤维，其长度为15~20 mm。

7) 水，为自来水。

1.2 试样制备

利用强制式搅拌机对不同材料组分进行搅拌，搅拌时间不小于90 s；再加入所需的用水量和乳化沥青，继续搅拌不小于120 s。搅拌均匀后，制作所要求尺寸的立方体试件，在1 d后拆模，然后，在标准养护条件下养护28 d。基于上述6种主要材料组分，试验中养护成型不同配合比(共计22组)、尺寸(共4种)的材料试件，并参照GB/T 50081—2016“普通混凝土力学性能试验方法”要求对试件的抗压强度、弹性模量、应力应变关系等物理力学性能进行测试。其中，测试抗折强度、收缩变形率的试件长×宽×高为40 mm× 40 mm×160 mm，测试抗压强度的试件长×宽×高为150 mm×150 mm×150 mm，测试弹性模量、应力应变关系的试件长×宽×高为100 mm×100 mm× 300 mm，测试疲劳特性的试件长×宽×高为 70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm(本文仅分别列出了单个材料组分对新型防水层复合材料力学特性的影响，且在分析单个材料组分对复合材料力学特性影响时，其他材料组分的掺量保持不变)。

1.3 试验结果分析

1.3.1 复合材料的强度特性

为了解不同材料组分掺量对新型防水层复合材料力学特性的影响，分别针对不同砂、土、橡胶粉、乳化沥青及聚丙烯纤维掺量的复合材料试件进行抗压、抗折强度试验，试验结果如图1所示(图1(a)中，砂与土质量比为3时表示仅掺砂)。

从图1(a)可知：当砂与土质量比小于1时，随着砂与土的质量比增大，材料抗压和抗折强度逐渐提高；当砂与土质量比约为1时，材料抗压和抗折强度均达到最大，但当其质量比超过1后，材料抗压、抗折强度逐渐降低。这说明合理设置砂与土的掺入比可使材料的力学性能与经济性能均达到最优状态。从图1(b)可知：随着橡胶粉掺量增加，材料抗压和抗折强度均降低，且对材料抗压强度影响更加明显，对应的折压比(即抗折强度与抗压强度之比)增大，说明抗折变形性能提高。从图1(c)可知：随着乳化沥青掺量增加，材料抗压强度和抗折强度均呈降低趋势，当乳化沥青掺量超过45 kg/m3后，抗折和抗压强度变化较小，但乳化沥青在该复合材料中能起到较好的黏结性能和增强变形作用。从图1(d)可知：复合材料掺入聚丙烯纤维后，其抗压强度和抗折强度均小幅度降低，但掺入聚丙烯纤维可提高复合材料的韧性及其抗裂性能[22]。

(a) 砂与土掺量比与强度的关系；(b) 橡胶粉掺量与强度的关系；(c) 乳化沥青掺量与强度的关系；(d) 聚丙烯纤维掺量与强度的关系

1.3.2 复合材料的应力−应变关系

列车荷载会引起路基变形，地基内水迁移会引起膨胀土地基变形，设置在路基中的新型防水层复合材料需要具有较强的变形协调能力，故该材料应具有优异的韧性。为此，分析材料组分对新型防水层复合材料的抗压应力−应变曲线的影响，结果如图2所示。

从图2(a)可知：掺土后的材料应力−应变关系曲线下降段较未掺土的曲线缓和，说明掺入适量土可提高材料变形能力。从图2(b)可知：未掺入橡胶粉对应的材料应力−应变曲线呈现明显的脆性特征；随着橡胶粉掺入量增加，材料的应力−应变曲线下降段逐渐变缓，即材料变形性能增强。从图2(c)可知：乳化沥青掺入同样能够提高材料的抗变形性能，但会降低材料强度，且其价格较高，大量使用不经济。对比图2(b)与图(c)可知：相比于掺入乳化沥青，掺入橡胶粉对复合材料应力−应变曲线的影响更显著。

(a) 砂与土掺量；(b) 橡胶粉掺量；(c) 乳化沥青掺量

1.3.3 复合材料的弹性模量

图3所示为不同试件的静弹性模量测试结果。从图3可知：砂与土的掺入比对材料弹性模量有一定影响，掺入橡胶粉或乳化沥青均能有效地降低复合材料的弹性模量，但橡胶粉对复合材料的弹性模量影响更大。故考虑适当增加橡胶粉掺量，以获得中低弹性模量的新型防水层复合材料。

(a) 砂与土掺量(砂掺量均为1.50 t/m3)；(b) 橡胶粉掺量；(c) 乳化沥青掺量

1.3.4 复合材料的浸水稳定性

新型防水层复合材料敷设于路基中能起到防排水作用，同时，防水层复合材料也会受到水的侵蚀作用与反复列车荷载作用，确保防水层复合材料在浸水条件下的稳定性是保证其发挥效果的前提。为此，先将材料试件在水中浸泡7 d，再通过SPW微机控制气动伺服疲劳试验系统对新型防水层材料试件施加正弦波荷载，加载频率为5 Hz。根据仪器加载量程的规定，选取加载应力范围为0.2~1.0 MPa。在不同疲劳次数下，防水层复合材料的应力−应变曲线及其累积变形如图4所示。

从图4可知：对于浸泡试件，随着加载次数增加，材料峰值应力对应的应变降低不明显，而峰值应力明显增大。其原因可能是材料内部颗粒在循环加载期间得到了进一步密实，且可能使存在的空隙缺陷得到闭合。此外，疲劳试验中所采用的加载动力幅值为 0.8 MPa，远大于目前实际运营铁路基床所承受的动荷载幅值。在疲劳试验后，试件的累积变形约为 0.08 mm/m，而试件的外观完好、无损坏，这说明研发的新型防水层复合材料拥有较强的抗疲劳能力，可满足浸水和实际服役循环动荷载相互作用下的服役要求。

(a) 应力−应变关系；(b) 累积变形−疲劳试验数关系

收缩变形率反映了材料的抗裂能力，是防水层材料在长期荷载作用下保持其稳定性的重要指标之一。由于新型防水层复合材料以砂和土作为骨架系统，为分析利用膨胀土作为骨料组分的可行性及效果，以广西百色地区的中弱膨胀土、长沙红黏土(非膨胀土)、砂这3种材料为例，采用胶砂干缩试验测试不同浸泡时间的3组试件收缩变形率，如图5所示(其中，掺土时，砂与土质量比为1)。

1—砂；2—砂+长沙红黏土；3—砂+百色中弱膨胀土

从图5可知：新型防水层复合材料以不同土质作为骨料组分，其收缩变形率存在显著差异性。以广西百色中弱膨胀土作为骨料组分时，其对应的材料收缩变形率均比其他土质的小，说明在收缩变形方面，新型防水层复合材料采用中弱膨胀土具有可行性。

1.3.5 新型防水层复合材料物理力学性能指标

通过上述系列试验可知，各材料组分对复合材料的不同力学指标具有不同的影响，合理控制各材料组分掺量是获得所需新型防水型复合材料的关键。根据22组配合比材料的试验结果，以中、低弹性模量、强抗渗性和高韧性为要求，考虑经济和施工便易因素，提出新型防水层复合材料配合比参数应符合以下规定：1) 胶凝材料用量不宜小于280 kg/m3；2) 用水量不宜大于230 kg/m3；3) 橡胶粉掺量不宜小于40 kg/m3；4) 乳化沥青掺量不宜小于25 kg/m3；5) 砂与土的质量比宜在0.9~1.1之间。当混凝土原材料、施工环境温度等发生较大变化时，应及时调整材料配合比。结合膨胀土胀缩特点与铁路路基要求，新型防水层复合材料的基本物理力学指标控制见表1。

表1 新型防水层复合材料物理力学参数

2 膨胀土新型防水基床结构

膨胀土基床的服役环境面临着强降雨导致地表水下渗，并汇积于基床结构中，以及受到浸水条件下长期动荷载的影响，因此，应从系统的角度出发，充分协调好每个要素之间的关系，以确保防水基床结构能够充分发挥新型防水层复合材料防排水功能。在确保基床排水畅通、线路平顺和工程安全稳定性的基础上，防水基床结构还应考虑结构设计与工程实际环境相匹配的原则，避免过度的工程安全储备，并合理控制项目成本[23]。

基于以上原则以及南昆线膨胀土路基工程实际，拟将新型防水层复合材料铺设在基床表层与基床底层接触面位置。新型防水基床结构从上至下依次为：厚度0.65 m级配碎石和厚度0.05 m中粗砂层组成的基床表层+厚度0.2 m新型防水层+基床底层(即换填层，A和B组填料，厚度据具体情况而定)。防水层的表面应沿线路中线向路基两侧设置坡度不小于4.0%的排水坡，并根据不同的地质条件增设盲沟和混凝土防渗墙，以协助排水和阻挡路堑边坡的渗水，如图6所示。

图6 膨胀土路堑新型防水基床结构示意图

3 工程应用

为检验新型防水层应用于膨胀土基床中的实际防水效果及新型基床结构设计的合理性，将新型防水层铺设在云桂高速铁路膨胀土地段这2个试验断面内，并测试激振荷载作用下基床中动态土压力分布规律及湿度变化情况。

3.1 现场试验概况

新建云桂高速铁路南宁—百色段穿越膨胀土(岩)地区，全线弱、中、强膨胀等级的膨胀土均有分布，且具有很大的不连续性。选取DK161+770~DK161+ 990和DK205+380~DK205+618为试验段，试验段内膨胀土呈褐红、褐黄色，硬塑—坚硬状，遇水易软化、崩解，分布不均，间夹碎石、角砾等。膨胀土的工程性质具体如下。

在弱—中膨胀土试验段，天然密度为1.93~2.16 g/cm3，天然含水量为12.64%，液限L为49.7%，塑限P为23.6%，塑性指数p为26.1，黏聚力为39.0~44.0 kPa，内摩擦角为12.0º~13.0º，自由膨胀率s为40.2%~42.6%。

在中—强膨胀土试验段，天然密度为1.89~2.10 g/cm3，天然含水量为15.95%，液限L为55.8%，塑限P为26.3%，塑性指数p为29.5，黏聚力为46.0~51.0 kPa，内摩擦角为10.0º~14.0º，自由膨胀率s为69.0%%~77.2%。

1) 试验断面1：地基为弱—中膨胀土，试验断面基床结构层由上至下依次为厚度0.70 m基床表层(厚度0.65 m级配碎石+厚度0.05 m中粗砂)+厚度0.20 m新型防水层+0.50 m基床底层+弱—中膨胀土地基。如图7(a)所示。

2) 试验断面2：地基为中—强膨胀土，试验断面基床结构层从上至下依次为厚度0.70 m基床表层(厚度0.65 m级配碎石+厚度0.05 m中粗砂)+厚度0.20 m新型防水层+厚度1.60 m基床底层+中—强膨胀土地基。如图7(b)所示。

在基床中埋设动土压力传感器与土壤湿度传感器，如图7所示。现场激振试验设备采用高速铁路路基原位动力试验系统(DTS-1)，采用正弦波形加载，激振力为84 kN，频率为20 Hz，并模拟干燥(天气晴朗状态)和浸水(采用洒水车洒水，保持路基面被水覆盖)2种服役环境，其中，干燥和浸水环境下各激振100万次，共计200万次，通过测试动土压力衰减及湿度变化以研究新型防水基床结构在不同服役环境下的应用效果。

(a) 试验断面1，弱—中膨胀土； (b) 试验断面2，中—强膨胀土

3.2 测试结果分析

3.2.1 新型防水基床动土压力衰减规律

图8所示为2个试验断面不同深度处轨道中线竖向动土压力衰减变化曲线，其中，工况1为干燥条件，工况2为浸水条件。由图8可知：动土压力随着基床深度增加大致呈双曲线函数衰减。从表2可知：双曲线函数拟合效果较好；在相同服役条件下，2种基床结构形式的动力响应存在一定的差异；在干燥与浸水这2种服役条件下基床结构的动力响应存在显著性差异，且浸水服役条件下基床对动荷载的敏感度更高。

(a) 试验断面1；(b) 试验断面2

表2 基床动土压力衰减曲线拟合关系式

注：()为距路基面深度处的动土压力；，，为拟合函数的系数；2为拟合系数。

为了更好地分析新型防水层复合材料对动力响应衰减的影响，定义单位层厚动土压力衰减量0为0=(σ−σ+1)/d,i+1(其中，σ和σ+1分别为结构层的顶面、底面动土压力，d,i+1为结构层厚度)。由此得到不同结构层轨道中线动土压力衰减量见表3。从表3可知：对于试验断面1，在工况1和工况2下，新型防水层(深度为0.70~0.90 m)内单位层厚动土压力衰减量分别为31.00 kPa/m和51.55 kPa/m。对于试验断面2，在工况1和工况2下，防水层内单位层厚动土压力衰减量分别为33.00 kPa/m和41.20 kPa/m。相比于基床其他结构层，新型防水层内单位层厚动土压力衰减量较大，说明新型防水层复合材料加速了动土压力衰减，具有良好的减振作用。

为进一步分析新型防水层对基床动力响应的减振影响，以试验断面1为例，通过Odemark理论与弹性理论、数值模拟计算铺设新型防水层与否时的基床动土压力衰减规律，并与干燥条件时轨道中线动土压力试验结果进行对比。为了直观、统一地比较动土压力衰减效果，定义量纲一参数即动土压力衰减系数0(其中，为基床距路基面某深度处的动土压力，0为路基面动土压力)，结果如图9所示。

表3 单位结构层厚动土压力衰减量

1—铺设防水层现场试验值；2—铺设防水层理论值；3—不铺设防水层理论值；4—铺设防水层数值模拟值；

由图9可知：动土压力衰减系数理论值、数值模拟值与试验值随距路基面深度的衰减规律相似，但衰减量存在差异，其原因是理论计算与数值模拟计算均进行了简化处理。对于理论值或数值模拟值，铺设与未铺设新型防水层时在深度0.7 m处的动土压力衰减系数基本相同，但在深度0.9 m处的动土压力衰减系数存在明显差异，体现在铺设新型防水层后的动土压力衰减系数更小，这进一步说明新型防水层对动土压力的衰减具有积极作用。

3.2.2 防水结构层抗渗效果检验

前面对新型防水层复合材料的浸水稳定性进行了分析，为更好地验证新型防水层复合材料在铁路膨胀土路基中的防水隔水作用及其抗疲劳性能，试验前在基床中布置土壤湿度计(布置如图7所示)测试基床内湿度平均变化，结果如图10所示。

从图10可知：在干燥与浸水条件下，2个试验断面的基床中湿度分布均存在显著性差异，该差异主要发生在新型防水层以上；而对于新型防水层以下土层，湿度变化量趋近于0，这说明新型防水层能够有效地隔断地表水的下渗路径；此外，干燥条件下新型防水层顶面位置处和防水层底面以下的湿度存在一定差异，说明新型防水层还能起到隔断地下水上升作用。

激振试验结束后，对2个试验断面的基床进行开挖，检查新型防水层质量，如图11所示。通过检查发现新型防水层复合材料在200万次激振后未发生破损、裂缝及渗漏问题，外观质量良好。这说明新型防水层复合材料具有较强的防水隔水及抗疲劳能力，能够应用于膨胀土地段基床治理。

(a) 试验断面1；(b) 试验断面2

(a) 中—弱膨胀土试验段；(b) 中—强膨胀土试验段

4 结论

1) 当砂与土的质量比约为1时，材料抗压和抗折强度均达到最大；橡胶粉、乳化沥青的掺入可有效地降低复合材料的弹性模量，并改善材料抗变形性能，但会降低材料抗压强度和抗折强度。

2) 通过分析各材料组分对新型防水层材料的力学性能影响，提出了新型防水层材料制作的配合比参数与力学指标控制要求。新型防水层复合材料具有良好的防水隔水、浸水稳定性与抗疲劳性能，可满足浸水与列车动荷载作用下的服役要求。

3) 结合新型防水层复合材料设计了膨胀土地区新型防水基床结构，与基床其他各结构层相比，新型防水层内单位层厚动土压力衰减量较大，新型防水层复合材料对动土压力的衰减具有促进作用。

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(编辑 陈灿华)

Mechanical properties of new waterproof materials and its application in railway subgrade

YANG Guolin1, DUAN Junyi1, QIU Mingming1, 2, ZHOU Hubo1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Architectural Engineering Institute, Yanan University, Yanan 716000, China)

In order to effectively overcome the recurring diseases of railway subgrade in expansive soil area, a new waterproof composite material was developed by using sand and soil as the skeleton system, rubber powder and emulsified asphalt as modified components, and cement and fiber was reinforced ingredients based on the analysis of the causes of disease of expansive soil subgrade. The influences of the material components on the mechanical properties of composite materials were analyzed with experiments. Then, the control standards of the mix proportion and mechanical indexes of composite materials were presented by the target of middle-low modulus, excellent impermeability and high toughness. The application effect of the new waterproof composite materials was tested by means of vibration tests in practical engineering. The results show that the compressive strength and anti-folding strength of the new waterproof composite materials can reach the maximum when the mass ratio of sand to soil is close to 1. The reasonable addition of rubber powder, emulsified asphalt and polypropylene fiber can improve the anti-deformation ability of the material, but reduce the strength. The new waterproof composite material is able to promote the attenuation of dynamic earth pressure under drying and soaking condition, and also has good waterproof ability. It can break the paths of surface water infiltration and prevents groundwater from increasing and has better anti-fatigue capacity. The new waterproof composite material can be applied to solve the diseases of expansive soil subgrade.

new waterproof materials; mechanical properties; under-water stability; expansive soil; dynamic earth pressure; soil humidity

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.11.020

TU443

A

1672−7207(2018)11−2787−10

2017−11−02；

2018−01−26

国家自然科学基金资助项目(51478484, 51678571, 51778641); 中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2016zzts401)；中国铁路设计集团有限公司科技开发项目(721630) (Projects(51478484, 51678571, 51778641) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2016zzts401) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University; Project(721630) supported by Science and Technology Development of China Railway Design Corporation)

段君义，博士研究生，从事边坡及特殊土路基动力稳定性研究；E-mail: junyidjy@163.com