季冻区高铁路基改良粗颗粒填料耐久性研究

2021-10-20崔宏环王伟浩闫利张振寰邵博源朱超杰

铁道科学与工程学报 2021年9期

崔宏环，王伟浩，闫利，张振寰，邵博源，朱超杰

(1. 河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点试验室，河北张家口 075000；2. 河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口 075000)

我国季节性冻土区域面积占国土面积比重较大，其中严寒地区高铁运营里程逐年增加。张家口地区为典型的季冻区，随着京张高铁的建成，必然会推动张家口地区高铁的发展。目前，水稳碎石作为改良填料已有工程应用，借鉴公路方向的经验，评价其工程性能的重要指标就是耐久性，主要从水稳定性和抗冻融耐久性2 个方面进行研究[1]，由于耐久性的不足，使土体黏聚力下降[2]，引发的路基变形问题也会使线路运营受限[3]。在季冻区典型气候环境作用下，高铁路基难免处于浸水情况与反复冻融的环境，这会对高铁的安全运行造成影响，而改良剂可以改变结构的性质，故有必要对季冻区高铁路基进行多种填料的改良并对其耐久性能加以研究，寻找适合高铁路基的填料种类。粗颗粒填料作为高铁路基基床部位的重要组成部分，主要为碎石、砂和土组成的土石混合物。应用初期，作为土石坝的建设材料[4]，随后又为公路路基工程中的修筑技术[5]所用，到现在作为铁路路基主要填料，对它的研究大多集中在对其冻胀特性等的研究[6−9]。对于粗颗粒填料的改良，诸多学者对改良粗颗粒填料在冻胀特性[10−11]、力学性质[12−13]和抗冻性能[14−15]等方面做了研究。灰色关联度分析法可以对多因素和非线性条件等问题进行处理，目前，在道路工程方向已有研究与应用[16−17]。综上所述，本文以高铁路基的粗颗粒填料为对象，对其进行优化改良，通过借鉴公路行业的评价指标，对改良粗颗粒填料进行耐久性试验，分析水稳性能规律与抗冻融性能规律，同时引入灰色关联度的理论分析方法，综合考虑二者影响，对改良粗颗粒填料的适用性做出评价，为季冻区高铁路基的设计与施工提供参考。

1 试验概况

1.1 试验材料选取

试验材料均取自张家口地区某土石料场，其中粗颗粒填料由不同粒径的碎石和砂以及细粒土组成，其中细粒土为低液限粉质黏土，其指标为液限为26%，塑限为14%，塑性指数为12，根据《高速铁路设计规范》(TB10621—2014)，确定粗颗粒填料中级配碎石各粒径百分比含量，其颗粒级配曲线如图1所示。

图1 级配碎石颗粒级配曲线Fig.1 Gradation curves of graded crushed stone particles

改良剂选择石灰、水泥和粉煤灰。其中水泥为标准硅酸盐水泥，石灰和粉煤灰的基本性质指标如表1～2所示。

表1 石灰基本性质指标Table 1 Basic properties of lime

表2 粉煤灰基本性质指标Table 2 Basic properties of fly ash

1.2 主要试验及设备

水稳定性试验。试件尺寸为：直径×高=100 mm×100 mm，将试件分成2 组，并置于标准养护室内进行不同龄期的养护，一组养护完成后，采用岩石三轴仪测定其无侧限抗压强度，另一组在养护结束前一天进行浸水处理，再测量其无侧限抗压强度。

抗冻融耐久性试验。试件尺寸为：直径×高=150 mm×150 mm，并将试件放到标准养护室进行不同龄期的养护，待试样养护结束后，放到冻融循环试验箱内进行不同冻融循环次数的处理，其中冻结温度为−10 ℃，持续时间为12 h，融化温度为10 ℃，持续时间为12 h。待试件到达设计的冻融循环次数后，取出相应的试件，测量其无侧限抗压强度。

1.3 试验方案设计

根据《铁路路基设计规范》(TB10001—2016)，确定本次试验的改良剂种类及其掺量。故本次试验选择的改良粗颗粒填料分别为添加5%石灰的石灰改良粗颗粒填料、添加5%水泥的水泥改良粗颗粒填料和添加5%水泥与20%粉煤灰的水泥粉煤灰改良粗颗粒填料；在水稳定性试验中，4 种粗颗粒填料的养护龄期为7，14 和28 d；在抗冻融耐久性试验中，4 种粗颗粒填料的养护龄期为7 和28 d，冻融循环次数为0，1，5，10，15，20 和30次。

2 典型试样结果分析

2.1 水稳定性分析

图2 为各填料在浸水与非浸水条件下的无侧限抗压强度，可以看到在浸水条件下，未改良填料强度均为零，原因是未改良填料由粗颗粒骨架、细颗粒填料与水组成，其强度主要由粗颗粒骨架间通过挤压和嵌入等方式形成的物理力链提供的，胶结能力较差，使骨料之间的衔接能力较弱，在浸水后，未改良填料自身的胶结能力难以维持内部结构稳定，在很短的时间内发生崩解，浸水后未改良填料强度丧失。

图2 各填料在浸水与非浸水条件下的无侧限抗压强度关系Fig.2 Relationship of unconfined compressive strength of various fillers under immersion and non-immersion conditions

在浸水与未浸水条件下，改良填料的强度相比于未改良填料均有提高，其中石灰改良填料提升幅度较小，且养护7 d 的试样浸水后下部结构会发生部分崩解，丧失强度；水泥改良填料和水泥粉煤灰改良填料提升幅度大，两者相比，在浸水条件下，养护龄期较短时，水泥粉煤灰改良填料的强度较大，在未浸水条件下，两者相差不大。原因在于水泥经反应后的产物所提供给骨架间的化学力链强度大于石灰，并且水泥粉煤灰填料在养护龄期较短时，其中的粉煤灰未反应完全，在浸水后粉煤灰与水泥发生二次反应，使填料内部结构连接能力提高，抵抗破坏能力提高，强度提高。

水稳定性系数是评价填料水稳定性的重要指标，其为浸水条件下的无侧限抗压强度与未浸水条件下的无侧限抗压强度之比，如式(1)所示：

式中：α为水稳定系数;P1为填料浸水后的抗压强度；P0为填料未浸水的抗压强度。

图3为各填料的水稳定系数与养护龄期之间关系图，可以看出未改良填料和养护龄期为7 d 的石灰改良填料的水稳定系数为0，原因是填料浸水后，试样发生崩解，强度丧失，故将P1作为0 处理。其余情况下改良填料的水稳定系数均比未改良填料大，并且有水泥填料与水泥粉煤灰填料水稳定系数最大，说明改良剂可以提高粗颗粒填料的水稳定性。

图3 水稳定系数与养护龄期关系Fig.3 Relationship between water stability coefficient and maintenance age

2.2 强度差受影响结果分析

如图4 所示，为3 种改良填料未浸水与浸水强度差值(ΔP)随养护龄期变化曲线，从中可以得到各变化阶段的斜率(K)，它可以反映出浸水条件与养护龄期共同作用后填料强度受影响的结果，其中包括强度受影响的主导条件及其影响的程度。其中K为正值，说明此阶段ΔP的变化受养护龄期影响较大(即在此阶段内养护龄期引起的填料强度变化大于填料浸水条件引起的填料强度变化)。反之，K为负值，说明此阶段ΔP的变化受浸水条件影响较大。K值大小反映了其影响程度的大小。令龄期为7～14 d 阶段的斜率为K1，14～28 d 阶段的斜率为K2。可以看到石灰改良填料K1为−0.028，K2为0.013；水泥改良填料K1为0.036，K2为−0.107；石灰改良填料K1为0.014，K2为−0.007。

图4 3种改良填料浸水与未浸水强度差值随养护龄期变化曲线Fig.4 Change curves of the difference between the immersion and non-immersion strength of the three modified fillers with the curing age

通过3 种改良填料试样的强度差受影响的结果，进一步建立斜率K值与填料种类的关系直方图，如图5 所示，对比研究表明：1)石灰填料与2种添加水泥填料的强度差受影响的主导条件呈现相反的现象，龄期在7～14 d 时，石灰改良填料的ΔP受浸水条件的影响较大，水泥改良填料和水泥粉煤灰改良填料的ΔP受养护龄期的影响较大；龄期在14～28 d 时，石灰改良填料的ΔP受养护龄期的影响较大，水泥改良填料和水泥粉煤灰改良填料的ΔP受浸水条件的影响较大。2)水泥粉煤灰改良填料的强度差受影响结果在2个龄期阶段中均小于水泥改良填料，说明粉煤灰的加入可以减小水泥改良填料强度差的变化幅度。

图5 斜率与填料种类关系直方图Fig.5 Histogram of relationship between slope and filler type

2.3 抗冻融耐久性分析

为了更好对比分析各填料的强度变化，作各填料在冻融后的无侧限抗压强度随冻融循环次数变化曲线，如图6 所示，对比2 种养护龄期条件，可以看到：相同龄期与冻融循环条件下，4 种填料的抗压强度大小关系有：水泥填料＞水泥粉煤灰填料＞石灰填料＞未改良填料。原因在于改良剂加入后，会发生化学反应，在填料骨架原有物理力链的基础上又增加了起胶结作用的化学力链，产生的化学力链可以提高填料骨架间的链接能力，阻碍在单轴压缩时内部空隙扩大并发生破坏的进程，而其中有水泥填料产生的化学力链更强，并且养护时间越长化学反应便更充分，内部结构的胶结力更大，使强度提高。

图6 冻融循环后的无侧限抗压强度随冻融循环次数变化曲线Fig.6 Curves of unconfined compressive strength after freeze-thaw cycles with the number of freeze-thaw cycles

抗冻融系数是评价填料抗冻性能的重要指标，其为冻融循环后的无侧限抗压强度与冻融循环前的无侧限抗压强度之比，如式(2)所示：

式中：γ为抗冻融系数；Rn为填料经过冻融循环后的无侧限抗压强度；R为填料未进行冻融循环的无侧限抗压强度。

图7为各填料的抗冻融系数随冻融循环次数的变化关系，可以看到各填料的抗冻融系数随着冻融循环次数的增加有先减小后稳定的趋势；同一填料的抗冻融系数均有养护龄期28 d 大于养护龄期7 d；填料的抗冻融系数大小关系有：水泥填料＞水泥粉煤灰填料＞石灰填料＞未改良填料。说明改良剂可以提高粗颗粒填料的抗冻融耐久性能。

图7 各填料抗冻融系数与冻融循环次数关系Fig.7 Relationship between the freeze-thaw resistance coefficient of each filler and the number of freeze-thaw cycles

2.4 抗冻融系数衰减规律

抗冻系数衰减率反映了相邻2个冻融循环过程中的抗冻性能的变化情况，其为相邻2个冻融循环次数对应的抗冻系数差值与冻融循环次数差值之比，如式(3)所示。

式中：β为抗冻系数衰减率；n，m分别为任意2个冻融循环的次数；γm，γn分别为2个循环次数下对应的抗冻系数。

因篇幅有限，以未改良填料养护7 d 后的抗冻系数与冻融循环次数的变化曲线为例，将试验中相邻2 次冻融循环次数的抗冻系数衰减率定为β1～β5，如图8 所示。同样的，其余工况下均能得到5个抗冻系数衰减率，以此作表3，为各工况下的抗冻系数衰减率，可以看出改良粗颗粒填料的抗冻系数衰减率均小于未改良粗颗粒填料，其中抗冻系数衰减率越小，则填料结构越稳定，适用性越大。究其原因是改良填料中存在有化学力链，使填料强度得到改善，它们可以起到“环箍”的作用，使抗冻能力得到提高，抗冻系数提高，抗冻系数衰减率减小，结构越稳定。这说明改良剂可以减小粗颗粒填料的抗冻系数衰减率。

图8 未改良填料养护7 d后的抗冻系数与冻融循环次数的变化曲线Fig.8 Change curve of the frost resistance coefficient and the number of freeze-thaw cycles after curing for seven days without improved filler

表3 各工况下抗冻系数衰减率Table 3 Decay rate of antifreeze coefficient under various working conditions

对于同一改良填料，养护龄期较长，则抗冻系数衰减率越小。当养护龄期为7 d 时，水泥填料的抗冻系数衰减率最小，适用性较大。当养护龄期为28 d 时，水泥填料和水泥粉煤灰填料的抗冻系数衰减率相差不大，适用性均较好。究其原因是添加水泥的填料中形成的水化物质所能提供的化学力链强度大于添加石灰的填料，并且对比水泥填料和水泥粉煤灰填料，养护龄期较短时，粉煤灰有吸水性，它的加入会影响水泥与水的反应程度，养护龄期较长时，粉煤灰对水泥水化反应的影响逐渐减小，使2种加入水泥的填料抗冻系数衰减率相差不大。

抗冻系数衰减率随着冻融循环次数增加的规律有：未改良填料呈现波浪式变化，且增减幅度较大；改良填料基本呈现先递减再趋于稳定的趋势，究其原因是未改良填料中因只有物理力链的存在，填料结构整体稳定性差，其受冻融循环造成的变形影响大，故随冻融循环次数的增加呈现波浪式的趋势，而改良填料中有化学力链的加入，使填料整体结构的强度得到改善，抗冻系数增加，使填料的抗冻系数衰减率逐渐减小，直到内部结构达到平衡稳定，使填料的抗冻系数衰减率趋于稳定。

3 灰色关联度分析

灰色关联度分析可以对多因素和非线性条件等问题进行处理，其主要反映图形的相似程度。因耐久性试验中的条件较多，故在对比变量的基础上减小工作量，选取以下条件作为本试验灰色关联性分析中的因素，它们分别是1)养护龄期7 d+浸水条件；2)养护龄期28 d+浸水条件；3)养护龄期28 d+不浸水条件；4)养护龄期7 d+冻融循环次数0 次；5) 养护龄期28 d +冻融循环次数0 次；6) 养护龄期28 d +冻融循环次数30 次，并从对应因素中选择最优强度指标构成最优的填料，再通过灰色关联分析本文4种填料与最优填料之间的关联性，从而确定改良粗颗粒填料的适用性。具体过程如下：

1) 选取因素并构成灰色关联因子矩阵并确定参考矩阵。

n个数据序列构成灰色关联因子矩阵：