嚴寒地區(qū)高鐵路基用水泥穩(wěn)定級配碎石凍脹機制研究.pdf

1、近年來中國高速鐵路事業(yè)迅猛發(fā)展，尤其十八大以來，以“四縱四橫”為主骨架的高速鐵路建設(shè)正加快推進，中國正逐漸形成世界上規(guī)模最大以及運營速度最快的高速鐵路網(wǎng)。越來越多的高鐵線路將途經(jīng)凍土廣泛分布的嚴寒地區(qū)，這些地區(qū)冬季溫度極低，凍脹問題非常嚴重，極易造成路基變形，引起軌道不平順，從而嚴重影響高鐵運行的安全性。路基是高鐵線路產(chǎn)生凍脹變形的主要來源，因此研究高鐵路基材料水泥穩(wěn)定級配碎石的凍脹性能及防凍脹措施具有重要的意義。
　　本文研究以

2、哈大、哈齊高鐵的建設(shè)為研究背景，以嚴寒地區(qū)高鐵路基用水泥穩(wěn)定級配碎石為研究對象，開展了材料組成設(shè)計、性能優(yōu)化和機理研究等方面的工作。首先以宏觀力學性能為指標、結(jié)合顆粒級配理論對基床表層碎石的級配作了科學的設(shè)計和試驗驗證;其次，采用超聲波原位監(jiān)測、光纖布拉格光柵(FBG)、X射線三維重構(gòu)(X-CT)等技術(shù)方法，研究了水泥穩(wěn)定級配碎石的力學性能、收縮性能、抗凍性能及其影響規(guī)律;最后，建立了以超聲波衰減為指標的水泥穩(wěn)定級配碎石耐久性評估方法和

3、壽命預測模型。
　　基于試驗和理論研究得到的主要結(jié)論如下:
　　(1)基于CBR試驗與理論計算結(jié)合的方法，對路基材料進行級配組成設(shè)計。粗集料(＞4.75mm)級配通過CBR試驗逐級填充的方法確定，細集料(＜4.75mm)級配采用最大密度曲線理論計算得到。該設(shè)計級配劃分了滲透性和非滲透性級配碎石的級配區(qū)間，通過數(shù)值模擬的方法驗證了設(shè)計級配的骨架密實結(jié)構(gòu)，獲得了骨架良好、密實度高的級配組成。
　　(2)基于超聲波原位監(jiān)測試

4、驗，研究了水泥穩(wěn)定級配碎石早期微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，其早期微結(jié)構(gòu)發(fā)展分為三個階段——誘導期、加速期、減速期。水泥摻量、水灰比、養(yǎng)護溫度、碎石級配等均會影響水泥穩(wěn)定級配碎石微結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展，在施工和養(yǎng)護過程中，控制較低的水灰比、較高養(yǎng)護溫度、良好的材料組成均有利于材料密實微結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展，提高路基材料的工作性及穩(wěn)定性。
　　(3)對比粉煤灰在級配碎石中超聲波發(fā)展規(guī)律，探究了水泥在路基級配碎石中的作用機理。前期主要表現(xiàn)為填充效應，后期主

5、要表現(xiàn)為膠結(jié)效應，水泥水化產(chǎn)物產(chǎn)生膠結(jié)作用的同時也填充在級配碎石空隙之間。高鐵路基用水泥穩(wěn)定級配碎石結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展，是水泥的填充效應和膠結(jié)效應相互聯(lián)系、共同作用的結(jié)果。
　　(4)水泥的摻入能夠明顯提高路基材料的強度、降低孔隙率、提高抗凍脹性能，但干燥收縮也隨之增大，從而影響路基的體積穩(wěn)定性。水泥摻量5％時，抗壓強度約10MPa，完全滿足路基材料對強度的要求。摻入質(zhì)量分數(shù)5％的水泥，路基材料凍脹率小于0.1％，防凍脹效果非常明顯

6、。綜合考慮材料的力學性能、干燥收縮、抗凍脹性以及經(jīng)濟實用性等方面，提出嚴寒地區(qū)高鐵路基級配碎石中水泥摻量5％為宜，科學指導了工程應用。
　　(5)基于光纖光柵原位凍脹監(jiān)測，研究了水泥穩(wěn)定級配碎石凍脹過程及影響因素。水泥摻量、含水率等因素對材料的抗凍脹性能影響較大，控制較低的含水率有利于提高基床表層材料的耐久性。采用X-CT三維重構(gòu)的方法，從微觀角度分析了水泥提高路基材料抗凍性能的機理，揭示了路基產(chǎn)生宏觀凍脹的原因。
　　(6