高速铁路路基复合注浆材料试验研究

刘晓贺

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

1 引言

随着我国高速铁路建设不断发展，铁路里程迅速增长，铁路路基病害也随之出现。当前路基结构常见病害主要有沉陷、开裂、翻浆、轨道板脱空等，严重影响了轨道的平顺性和列车的行车安全性［1］。针对这一现状，注浆技术在铁路路基加固维修中被逐步广泛应用。

普通铁路路基病害主要采用钢花管注浆技术进行治理，运营的高速铁路路基病害主要采用袖阀管注浆加固技术进行整治。铁路路基注浆加固施工工艺较成熟，且可采用信息化实时监测系统进行加固施工，注浆加固实施效果良好［2－4］。在铁路路基注浆加固技术应用方面，文献［5－8］研究了注浆加固工艺在岩溶、软土等地区铁路工程中的应用。根据不同岩溶和地层的性质特点，设计实际注浆参数，采取不同注浆加固流程，并对注浆效果进行验证。在铁路路基注浆材料方面，文献［9－10］对高速铁路高聚物注浆材料的性能进行试验研究，通过高分子聚合物注浆材料反应进行轨道结构的抬升，并研究了注浆反应后的动力特性和结构稳定性。但材料的准确抬升量、安全环保及耐久性能等仍需完善。在铁路路基注浆机理方面，文献［11－12］对注浆抬升机理进行了研究，分析了抬升量、注浆量、土体性质等之间的关系，对抬升注浆的过程进行数值模拟，并根据现场实测与其对比验证。当前在铁路路基注浆加固施工工艺、加固机理等方面的研究较为成熟，但对高性能注浆材料的相关研究较少，且注浆材料多以水泥为主，注浆材料种类单一。

本文以水泥和粉煤灰为基础材料，研究分别掺加硅灰、粉砂、膨胀剂等复合注浆材料的力学及耐久性能，为高速铁路路基注浆材料的选择应用提供参考依据。

2 路基注浆加固机理及注浆材料性能要求

2.1 路基注浆加固机理

目前，关于注浆方法的分类尚无统一的标准，根据注浆材料、注浆用途及浆液的渗透方式的不同，其分类也不同。工程中所说的注浆通常是静压注浆，静压注浆是指通过气压或液压的原理方法，将配制好的具有良好流动性、耐久性及粘结强度的注浆材料注入铁路路基病害部位，待浆液完全固化后将松散的土颗粒或破碎的岩土粘结为整体，进而提升路基结构的强度和稳定性。根据注浆压力、浆液与土体的作用机理、浆液在土体中的分布形式可将注浆方式大致分为渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆等。渗透注浆的注浆压力较小，浆液一般均匀扩散在土体颗粒之间，通过与土体颗粒的胶结硬化来增强路基土体的强度和抗渗效果。压密注浆采用较高的压力将浆液通过钻孔压入到土体中来加固土体，注浆时浆液先填充土体中较大的空隙，再填充较小的空隙，原土体结构的抗渗性和强度都得到较好地提高。劈裂注浆采用高压力将浆液注入到土体中，注浆时会对周围的土体产生附加压应力，使土体发生剪切破坏，浆液会以网格形式相互连接形成骨架作用。具体注浆方式如图1所示。

图1 注浆方式原理

2.2 注浆材料性能要求

常用的注浆材料包括有机类、无机类和化学类。无机材料在工程使用较广泛，大多以单一的水泥浆为注浆材料，通常还会根据具体的工程条件掺加少量的外加剂增强注浆材料的性能。铁路路基注浆材料通常需要具备以下性能：

（1）流动性。浆液的流动性会影响浆液在路基土体缝隙中的填充效果，进而影响路基的注浆加固质量。

（2）微膨胀性。微膨胀性可将路基土体缝隙较好地填充，使材料与土体颗粒较好地粘结。

（3）抗冻性。寒区铁路路基结构因冬季气温较低，需具有良好抗冻性能的注浆材料，会增强路基结构的稳定性。

（4）经济性。注浆材料的经济性影响其在铁路工程中的推广应用程度，经济适用的注浆材料可降低路基工程的病害治理成本。

3 原材料及试验方案

（1）原材料

水泥：河北某公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥，初凝时间152 min，终凝时间192 min。

粉煤灰：河北某电厂提供的Ⅱ级活性粉煤灰，细度7.3%，需水比84%，烧失量2.46%。

粉砂：粒径0.16 mm以下的质量占粉砂总质量的83.2%。

硅灰：主要由极细的球状颗粒组成，含有超过75%的无定型二氧化硅。火山灰活性极高，是制备高强度、高流动度水泥浆的必要掺加材料。

膨胀剂：可提高注浆材料在路基土体中的密实程度，提升注浆加固的修复效果。

（2）试验方案

水泥中的粉煤灰含量在40%以下时，混合料具有良好的力学及物理性能［13］。本文以水泥和20%含量的粉煤灰为基料，水灰比为0.5，研究分别掺加膨胀剂、硅灰、粉砂等对铁路路基注浆材料力学及耐久性能的影响。膨胀剂含量为0%、1.5%、3%、4.5%、6%；硅灰含量为0%、3%、6%、9%；粉砂含量为0%、10%、20%、30%。试样制备和性能指标的测试严格按照相关土工试验规程进行。

（3）试样制备

试验前将水泥、粉煤灰、水按设计比例搅拌均匀，分别掺加设计含量的粉砂、硅灰、膨胀剂进行充分搅拌并浇筑成型，在标准试验养护条件下进行养护，参照文献［13］中的试验程序和方法进行力学及耐久性能指标的测试和试验。具体注浆材料试验试样制备工艺如图2所示。

图2 注浆材料制备流程

4 试验结果及分析

4.1 粉砂对注浆材料性能的影响

以水泥和20%的粉煤灰混合料为基础，研究分别掺加0%、10%、20%、30%粉砂对注浆材料的抗压强度、抗折强度、冻融耐久性能的影响。由图3可知，粉煤灰－水泥基外掺粉砂的混合注浆材料随着粉砂含量的增加，力学性能呈逐渐降低趋势，抗冻性能呈先增高后降低趋势。在抗压、抗折强度方面，粉砂含量小于10%时，28 d抗压、抗折强度无明显变化；当粉砂含量由10%增至30%时，各养护龄期抗压、抗折强度降低幅度显著。冻融耐久性方面，在粉砂含量为10%时，养护28 d的冻融前后抗压强度差最小，抗冻性能最优。主要原因在于水泥是混合浆料的主要胶凝材料，对强度的提升起关键作用；粉砂是非胶凝材料，少量掺加可以增强铁路路基注浆浆料的和易性，含量较大时，将会影响混合注浆材料与路基土体的胶凝固结效果。

图3 粉砂含量与注浆材料性能关系

4.2 硅灰对注浆材料性能的影响

将水泥和20%含量的粉煤灰混合配制作为基础注浆材料，研究分别掺加0%、3%、6%、9%硅灰对注浆材料的抗压强度、抗折强度、冻融耐久性能的影响。由图4可知，粉煤灰－水泥基外掺硅灰的混合注浆材料随着硅灰含量的增加，力学性能和抗冻性能呈先升高后降低趋势。在抗压、抗折强度方面，硅灰含量小于6%时，抗压和抗折强度随着硅灰含量的增加而增加；当硅灰含量大于6%时，各养护龄期的抗压和抗折强度逐渐降低。在冻融耐久性方面，硅灰含量为6%时，养护28 d冻融试验前后的抗压强度差值最小，抗冻性能最优。主要因为硅灰的颗粒细小，具有良好的火山灰效应和微集料效应，注浆材料中硅灰含量较少时，可以起到很好的胶结作用和填充效果，含量较多时，将会影响水泥的水化反应，且注浆材料的后期力学性能主要依靠水泥的水化胶凝作用。

图4 硅灰含量与注浆材料性能关系

4.3 膨胀剂对注浆材料性能的影响

将水泥和20%含量的粉煤灰混合配制作为基础注浆材料，研究分别掺加0%、1.5%、3%、4.5%、6%膨胀剂对注浆材料的抗压强度、抗折强度、冻融耐久性能的影响。由图5可知，粉煤灰－水泥基外掺膨胀剂注浆材料随着膨胀剂含量的增加，力学性能呈平缓增长趋势，但超过一定含量时，力学性能降低明显，抗冻性能与力学性能变化趋势相同。在抗压、抗折强度方面，膨胀剂含量小于4.5%时，随着膨胀剂含量的增加，注浆材料的7 d、28 d抗压、抗折强度平缓增加；当含量大于4.5%时，7 d、28 d抗压、抗折强度降低幅度明显。在冻融耐久性方面，在膨胀剂含量为4.5%时，养护28 d的冻融前后抗压强度差最小，抗冻性能最优。主要原因在于掺入少量的膨胀剂可以抑制注浆材料与土体反应后收缩变形的影响，且有助于提升注浆材料在铁路路基土体空隙中的分布和填充效果；当超过一定含量时，注浆材料体积膨胀会破坏原有稳定的注浆材料与土体胶结固化结构，进而导致其力学性能和抗冻性能大幅降低。因此，在铁路路基工程注浆过程中应适量掺加膨胀剂。

图5 膨胀剂含量与注浆材料性能关系

5 结论

（1）外掺材料的种类和含量对复合注浆材料的物理力学性能影响显著，应根据铁路路基工程的实际地质和环境条件选择符合性能要求的注浆材料和注浆方式。

（2）综合考虑复合注浆材料性能指标试验分析结果及工程经济性，以优选的粉煤灰－水泥基路基注浆材料为基础，粉砂的最佳含量为10%，对应注浆材料的抗压强度为36.6 MPa，抗折强度为14.4 MPa，10%粉砂的抗冻性能在各组分粉砂中最优；硅灰的最佳含量为6%，对应注浆材料的抗压强度为43.6 MPa，抗折强度为17.8 MPa，抗冻性能在各组分硅灰中最优；膨胀剂的最佳含量为4.5%，对应注浆材料的抗压强度为41.2 MPa，抗折强度为17.6 MPa，抗冻性能在各组分膨胀剂中最优。

（3）在本试验设计的参数变量范围内，掺加含量6%的硅灰对注浆材料性能增强效果最佳，可为高速铁路路基病害治理中注浆技术的材料选择提供数据参考和借鉴。