水泥改良集料侵蚀膨胀性能研究

2022-12-16王鹏程尧俊凯王李阳陈锋张千里

中国铁道科学 2022年6期

王鹏程，尧俊凯，王李阳，陈锋，张千里

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

水泥改良集料广泛应用于道路与铁道工程［1-2］。在我国高速铁路路基工程中，为降低路桥（涵）过渡段的不均匀沉降，保证线路平顺性，过渡段范围内的基床填料一般为水泥改良级配碎石填料，其中基床表层填料内水泥含量（质量百分比）为5%，基床底层及以下路堤填料内水泥含量一般为3%［3］。尽管水泥改良集料拥有强度高、抗变形能力强等诸多优点，然而随着服役时间的增加，在工程地质环境和气候环境等因素的综合作用下，盐分侵蚀水泥改良集料引起上部结构上拱变形问题逐渐显现［4-5］。我国高速铁路无砟轨道变形要求十分严格［6］，持续的上拱变形会导致线路养护维修投入大幅度增加，甚至影响线路的正常运营。

硫酸盐侵蚀水泥改良集料引起膨胀变形的问题最早发现于公路路面工程中，部分采用水泥改良碎石集料作为路面基层材料的地段陆续出现了明显的裂缝及隆起变形。一些学者针对隆起地段的基层填料的矿物成分进行研究，发现了钙矾石和硅灰石膏等膨胀性矿物［7-8］。近些年，高速铁路路基工程中也陆续出现了侵蚀膨胀的问题。西班牙马德里至巴塞罗那高速铁路某路堑过渡段发生了较严重侵蚀膨胀引起的上拱变形，在2 年内上拱变形达到120 mm，同时桥梁结构也受到破坏［9］。我国西北某高速铁路多处路涵过渡段发生路基上拱及偏移变形，数年内变形持续发展，轨道结构及桥涵结构均出现了明显的破坏。研究人员对上拱工点的路基填料矿物成分进行分析，发现了钙矾石和硅灰石膏这2 种膨胀性矿物，说明高铁路基所选用的大粒径的水泥改良碎石集料内部也可以发生侵蚀膨胀。集料的长期侵蚀膨胀易引起轨道结构的持续上拱，从而严重影响高速铁路的平顺性及行车安全［10-11］。

研究表明，侵蚀膨胀的主要原因是盐分侵蚀条件下，集料内部生成了钙矾石和硅灰石膏这2 种膨胀性矿物［12-13］。钙矾石本身是硅酸盐水泥早期水化产物之一，可提高水泥基材料的强度，然而水泥硬化后反应生成钙矾石的过程体积膨胀率约250%，可能导致结构膨胀开裂，后者也称为二次钙矾石或延迟钙矾石。硅灰石膏形成过程的体积膨胀率低于钙矾石，约为145%，但是硅灰石膏的生成会引起水化硅酸钙凝胶分解，使得胶凝材料失去黏性，因此对材料的破坏更大［14-15］。

侵蚀膨胀往往表现出持续增长的特点，一般寒季增长较快，夏季基本稳定，其主要影响因素包括硫酸根离子含量、温度、水环境及化学环境［16-17］。研究表明，黏土含量较低时（小于10%），侵蚀反应所需的硫酸根离子含量则较高，一般大于10 000 ppm，但也有一些试验表明，低至2 000 ppm 的硫酸根含量也会引起水泥改良细粒土的侵蚀膨胀［18］。钙矾石类侵蚀膨胀较活跃的温度区间为15～20 ℃，而硅灰石膏类侵蚀膨胀反应一般发生在温度低于10 ℃的条件下。关于水分的影响，尚无明确的结论，一般认为只要有溶解盐分所需湿度，即满足了侵蚀膨胀所需的水分条件。水泥改良土的侵蚀膨胀反应一般发生在碱性较高（pH＞10.5）的环境，原因是碱性较高时黏土矿物中的铝离子、硅酸盐离子等更易释放从而促进了侵蚀膨胀反应的发生［18-19］。目前，针对水泥改良细粒土侵蚀膨胀问题已经开展了大量的分析与研究，然而针对铁路工程水泥改良碎石集料侵蚀膨胀性能的研究还有待深入。

以我国西部某客运专线铁路车站无砟轨道结构上拱为工程背景，分析路基填料的膨胀性指标、易溶盐含量及矿物组成，分析无砟轨道上拱变形原因；结合室内侵蚀膨胀试验，进行水泥改良集料侵蚀膨胀性能研究。

1 工程概况

1.1 地层情况及典型断面

我国西部某客运专线某站场线路采用CRTS I型双块式无砟轨道结构，线路开通2 年后，进站端岔区线路出现了明显的上拱与偏移变形。该站场线路位于山前倾斜洪积平原区，属于季节性冻土区。地层主要为第四系上更新统洪积粉质黏土、黏质黄土、砂类土及细圆砾土，具体情况见表1。地下水埋深10.4 m，主要为第四系松散堆积层孔隙潜水，具有硫酸盐、氯盐侵蚀性。土壤最大冻结深度约2.21 m。

表1 主要地层情况

该站场线路采用CFG 桩进行地基处理，桩长11.0 m，桩径0.4 m。地表下设0.5～1.0 m 厚水泥改良土（黏质黄土）加筋垫层，水泥含量为5%。线路形式为低路堤，地基顶面以上路基填筑高度约1.7 m，基床表层填料为掺5%P.O42.5 水泥的级配碎石，基床底层填料为掺3%水泥的AB组填料。典型断面如图1所示。

图1 上拱偏移工点典型横断面（单位：m）

1.2 膨胀变形情况

2016 年初发现该线路出现上拱及偏移变形。图2 为2021 年8月上拱变形段的轨道结构在标准垫板下的状态，沿线路纵向可观察到明显的轨道不平顺。

图2 轨道结构状态

根据铁路设备管理部门的养护维修记录，此段落轨道结构需要经常性精调作业，且每年11 月至次年3月气温较低时，精调作业频率明显增加，说明此时间范围内，由于基础变形引起的线路变形速率增加，轨道结构的上拱与偏移呈现出持续增加的趋势。

图3 为截至2021 年8月，本段落轨道在标准垫板状态下轨面变形情况。由图3可知：上行线最大上拱28.9 mm，位于929 里程处，最大偏移11.9 mm，位于949 里程处；下行线最大上拱46.2 mm，位于909里程处，最大偏移8.6 mm，位于932里程处。上下行轨道结构变形状态差异性较大，深部地基变形引起膨胀变形的可能性较小。

图3 轨面变形情况

2 填料膨胀性分析

针对前文所述上拱变形工点，选取了909 里程上拱断面及880 里程未上拱断面处进行了取样试验分析。破除上下行线间混凝土封层后进行取样，取样位置分别为基床表层、基床底层和地基垫层。通过对路基填料膨胀性指标、易溶盐含量及矿物组成分析研究了引起轨道结构上拱的主要原因。

2.1 膨胀性指标

根据《铁路工程土工试验规程》［20］分析路基填料中粒径小于0.5 mm 细颗粒部分的蒙脱石含量、自由膨胀率及阳离子交换量3个膨胀性评价指标，检测结果见表2。

表2 填料细颗粒含量及膨胀性指标

由表2 可知：基床表层、基床底层及地基垫层处土样的膨胀性均低于《铁路工程土工试验规程》中弱膨胀土的评价标准，说明黏土矿物吸水膨胀不是引起此处无砟轨道路基上拱的主要原因。对比上拱断面与未上拱断面相同层位土样的检测结果可以发现，上拱断面的膨胀性指标并非全部高于未上拱断面，这进一步说明，以蒙脱石含量、自由膨胀率和阳离子交换量3个指标评价水泥改良填料的膨胀性存在局限性。

2.2 易溶盐含量

根据《铁路工程土工试验规程》，通过化学滴定法对基床表层、基床底层、地基垫层填料及地基顶面8 m深度范围内地基土的易溶盐含量进行分析。图4 为易溶盐总量沿深度方向的分布情况，图中0高度位置对应于地基顶面，图中右侧图例为不同深度处的填料及地基土情况。由图4可知：易溶盐主要集中分布于基床表层及地基水泥改良土垫层内，含量超过了0.5%（5 000 ppm），地基深部的易溶盐含量相对较低，约为0.1%，分布较为均匀；相比于未上拱断面，上拱断面基床及地基垫层填料内的易溶盐总含量均较高。

图4 易溶盐总量分布

图5 为土样所含易溶盐种类及其具体含量的试验检测结果。由图5可知：土样内易溶盐种类主要包括硫酸根离子SO42-、钙离子Ca2+、镁离子Mg2+、钾离子K+、钠离子Na+和氯离子Cl-，其中SO42-和Ca2+占绝大部分，各类易溶盐离子沿深度方向的分布形式与易溶盐总量分布类似，均集中于基床表层及地基垫层；相比于未上拱段面，上拱断面各部位的离子含量均较高，上拱断面基床表层和地基垫层中SO42-的浓度分别为6 300 和4 500 ppm，未上拱断面基床表层和地基垫层中SO42-的浓度分别为3 200 和500 ppm；上拱断面基床表层和地基水泥改良土垫层中的Ca2+浓度分别为2 200和2 800 ppm，未上拱断面基床表层和地基水泥改良土垫层中的Ca2+浓度分别为1 500和600 ppm。

图5 易溶盐离子分布

由此可见，即使水泥改良集料内的SO42-的浓度高于2 000 ppm，集料内部也不一定发生侵蚀膨胀反应。SO42-的浓度仅为侵蚀膨胀发生的必要因素之一，其具体发生条件受前文所述温度、水分、矿物成分及化学环境等多种因素影响。Ca2+浓度就是主要影响因素之一，但是其对侵蚀膨胀的具体影响规律尚不能明确。

2.3 矿物成分

基于X光衍射试验结果分析未上拱断面和上拱断面填料的晶体矿物成分及分布，如图6所示。由图6可知：未上拱断面和上拱断面路基填料的主要矿物均为石英和钠长石；在未上拱断面，除基床表层含有少量石膏外，填料内未检测出膨胀性矿物；在上拱断面，则检测到了石膏、钙矾石和硅灰石膏等多种膨胀性矿物，其中钙矾石分布于整个断面，硅灰石膏分布于基床表层及地基垫层，石膏分布于基床表层。

图6 矿物成分及分布

钙矾石及硅灰石膏在生成过程中必然伴随着持续的体积膨胀，且具有膨胀速率在低温条件下增加的特点。这与现场无砟轨道结构持续上拱，冬季上拱速率增加的变形特征较为一致，说明盐分侵蚀水泥改良碎石集料反应生成膨胀性矿物是引起此处路基上拱的主要原因。相比于基床底层，基床表层和地基垫层内反应生成的膨胀性矿物更多，其主要原因基床表层及地基垫层内的易溶盐含量、硫酸根离子含量及水泥含量均高于基床底层填料，同时，基床表层及地基垫层受外部环境温度及水分等因素的影响更强烈，因此，更易发生侵蚀反应引起膨胀。

表3 为未上拱断面及上拱断面路基各层位的含水率及pH 环境情况。综合以上分析可知：相比于未上拱断面，上拱断面填料各层位的易溶盐含量和含水率更高；对上拱断面不同层位进行分析可知，基床表层和地基垫层的易溶盐含量更高、水泥含量更大，因此在这2 个部分反应生成了更多的膨胀性矿物。值得注意的是，尽管一些研究提出在强碱性环境条件下更容易发生侵蚀反应，然而本研究结果表明水泥稳定碎石集料在pH 小于10的碱环境条件下也可以发生侵蚀膨胀反应生成钙矾石、硅灰石膏等膨胀性矿物。

表3 路基填料含水率与pH值

3 侵蚀膨胀试验

3.1 试验方案

为进一步分析硫酸盐及水泥含量对水泥改良集料侵蚀膨胀变形的影响，在现场未上拱路基断面挖取未掺加水泥的级配碎石填料进行室内侵蚀膨胀试验。

将现场填料洗盐烘干后筛分，取粒径小于2 mm 的颗粒添加不同质量百分比的普通硅酸盐水泥（0.5%，1%，3%和5%）及硫酸钠（0.3%，0.5%，1%，3%和5%），制成底面直径61.8 mm，高40 mm 的试样置于固结仪内，试样压实度控制在0.92。制样完成后连同固结仪一起放入恒温恒湿箱内（如图7所示）进行无荷条件下的室内侵蚀膨胀试验。试验温度设定为10 ℃，湿度设定为70%，试样周围采用去离子水养护。试验过程中观察养护液液面高度并及时补水，监测试样变形情况。

图7 恒温恒湿试验设备

3.2 试验结果

图8 为水泥含量为3%时，不同硫酸钠含量试样的膨胀应变曲线。由图8可知：根据曲线斜率的变化情况，膨胀应变曲线可分为快速增加、缓慢增加和相对平稳3 个阶段，以硫酸钠含量为1%的试验条件为例，膨胀变形在第1天内迅速增加，随后在第1 至第9 天内，膨胀增加速度减小，在第9 天以后膨胀变形基本稳定。Julia Knopp［21］的试验取得了类似的变形特征，认为阶段1对应于水泥的水化阶段，阶段2 的膨胀变形则是由于侵蚀膨胀导致的，阶段3膨胀变形相对平稳。由于水泥水化速度较快，一般在水泥改良集料填筑后数日内完成，因此持续的上拱变形主要受阶段2 的影响。硫酸钠含量对于阶段1持续时间影响不大，然而随着硫酸钠含量的增加，阶段2 持续时间变短，最终的膨胀变形量增加，硫酸钠含量为0.3%，0.5%，1%，3%和5%试样进入阶段3 的时间分别为第20，12，9，4 和3天，对应的最终膨胀应变分别为2.04%，2.17%，4.76%，8.58%和10.39%。

图8 膨胀应变曲线（水泥含量3%）

图9 为硫酸钠含量对不同水泥含量试样最大膨胀应变的影响曲线。由图9可知：不同水泥含量试样的最大膨胀应变均随着硫酸钠含量的增加而增加，而当硫酸钠含量大于1%时，低水泥含量（0.5%和1%）试样的最大膨胀应变的增加幅度相对平缓。说明在硫酸钠含量充足的条件下，低水泥含量的试样能更快地完成膨胀变形，高水泥含量的试样膨胀持续时间则相对较长。结合现场无砟轨道持续上拱，且冬季上拱速率明显增加的变形特征，可以认为高水泥含量及盐分的不断迁移、聚集是引发基床表层及地基垫层内水泥改良集料内部发生侵蚀反应引起无砟轨道结构持续性膨胀变形的主要原因。因此，在确保填料强度及变形要求的前提下，可采用降低水泥含量及合理设置隔离层防止盐分迁移的措施避免持续性膨胀变形。

图9 硫酸钠含量对最大膨胀应变的影响曲线

图10 为水泥含量对不同硫酸钠含量试样最大膨胀应变的影响曲线。由图10 可知：硫酸钠含量一定时，试样的侵蚀膨胀应变并没有随着水泥含量的增加而单调增加，以硫酸钠含量为3%条件为例，水泥含量由3%增加至5%时，最大膨胀应变由8.58%减小至7.33%，当水泥含量为8%时，最大膨胀应变则增加至8.66%。出现以上现象的主要原因在于随着水泥含量的增加，集料的胶结强度也会增加，渗透性降低，从而在一定程度上限制了试样的膨胀变形；而随着水泥含量的进一步增加，Ca2+和Al3+等侵蚀膨胀反应物的数量不断增加，侵蚀反应所引起的膨胀增加量超过强度约束的增加后，整体的膨胀应变则继续增加。