高铁路基水泥粉煤灰填料冻融特性研究

崔宏环 ，闫利，赵嘉

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

近年来，我国在季冻区开展了大规模铁路建设，但季冻区正负温交替变化引起的冻融循环会导致路基材料产生冻胀变形[1]。为了解决高铁路基变形控制标准严格与路基冻胀问题之间的矛盾，设计和施工人员在实际工程中采取了诸如改良路基填料减小冻胀变形、在路基中设置隔水层防止外界水分渗入、在路基中设置保温措施减小填料内部的温度变化范围等措施[2-4]。尽管采取了上述措施，但季冻区严苛的气候环境仍会导致路基冻胀变形。因此，对季冻区高速铁路路基填料的抗冻性能进行研究，评估其在季冻区服役性能具有重要实际意义。当前国内外学者对于粗粒土冻融机理的研究主要集中在温度、水分和土质方面[5-6]。通过对粗颗粒填料的改良研究发现采用水泥对级配碎石进行改良后即水泥填料具有较好的抗冻性能，属于不冻胀材料。将水泥填料在哈大高铁路基过渡段及其他路段应用后取得了良好的效果[7]。针对水泥填料，公路行业对其进行了较多研究和应用探索。研究主要集中在水稳碎石的无侧限抗压强度、抗裂性能、干温缩变形特性和疲劳特性[8-10]等方面，这些研究表明水稳碎石受益于水泥带来的改良具有较好的耐冻性、耐久性和水稳定性。但由于其近似素混凝土的特征也导致水泥填料具有一定干缩温缩特性，为了改良水泥填料易产生收缩裂缝，粉煤灰[11]被应用到水泥稳定碎石中。《铁路路基设计规范》[12](TB10001—2016)将基床部位填料的水泥粉煤灰比例定为1∶4。SYBERTZ[13]通过对水泥粉煤灰稳定碎石进行无侧限抗压强度试验以及对试件的抗裂性能测试发现，水泥稳定碎石在掺入粉煤灰后能够有效提高其抗裂性能但会降低试件的前期强度发育。周厚杰[14]对历年来粉煤灰在公路工程中的应用进行了概述，再将室内试验与现场试验相结合验证了水泥粉煤灰稳定碎石的路用性能和经济性。在高铁路基填料研究方面，李强等[15-17]的研究表明温度梯度下的水分迁移是导致填料的冻胀变形主要因素。金兰等[18]研究了水泥、石灰加粉煤灰类改良填料的冻胀性能和渗透特性，认为水分补给是冻胀变化的主要因素，水泥类改良填料具有最好的抗冻胀变形能力。由上述研究可知，研究者已经认识到水分迁移是季冻区高铁路基填料变形的重要因素，然而目前对粉煤灰填充填料孔隙后，填料的水分迁移变化和冻胀机理变化研究较少。本文以高速铁路路基基床改良填料为研究对象，采用单向冻融装置，研究不同掺量下的水泥和水泥粉煤灰填料水气迁移特征和冻胀特性，分析水泥粉煤灰改良填料的冻胀机理。

1 单向冻结试验

1.1 试验材料

试验材料取自冀北某堆料场的级配碎石，强度高不易破碎。取回后洗净、烘干、筛分。碎石级配采用《高速铁路设计规范》[19](TB10621—2014)中提供的碎石级配上下限取中值，具体级配见表1。测得填料不均匀系数Cu=24.3，曲率系数cc=1.479，级配中粒径小于0.075 mm的细粒土由堆料场中取回的土经烘干筛分后制得，经液塑限联合测定后定性为粉质黏土。

表 1 改良填料碎石级配表Table 1 Grading table of crushed stone of improved filler

试验所用水泥为河北金隅公司生产的普通硅酸盐水泥，初凝时间大于45 min，终凝时间小于10 h。粉煤灰采用河北宣化电厂生产的普通工业粉煤灰，粉煤灰中二氧化硅含量为68%，烧失量为5.4%，0.03 mm通过率为93%。

参考《铁路路基设计规范》[12](TB10001—2016)中提供的配合比将试验所用水泥粉煤灰比例设为1∶4，本文选取水泥3%和5% 2个掺量，试件编号见表2，4种填料的击实结果见表3。

表 2 试件编号及掺量Table 2 Specimen number and dosage

表 3 改良填料击实试验结果Table 3 Compaction test results of improved filler

1.2 试验装置

试验所用冻融试验箱为天津港源公司生产的冻融试验机，箱体内部高1.5 m，宽0.8 m，冻结试验期间试样环境温度保持为1 ℃。试验装置由试样筒、单向冻结控温系统、温度、位移、水分传感器及数据采集系统组成。

试样筒采用内径200 mm，高度200 mm的圆柱形有机玻璃筒，冻结试验试样高度为150 mm，试验时在试样筒外围包裹泡沫保温棉，防止试样侧面产生的热量交换。单向冻结控温系统由降温顶板、恒温底板和外围冷浴机组成，冷浴机控温精度为0.1 ℃。模拟实际工程下的单向冻结情况。

水分传感器和位移传感器由试验箱自带，位移传感器测量精度为0.01 mm，水分传感器测量体积含水率，精度为0.01%。温度采集系统包括电阻式温度传感器和数据采集盒，温度传感器测量精度为0.1 ℃。在试样高度3，6，9和12 cm处布置温度传感器，在4，8和12 cm处布置体积含水率传感器，试样安装如图1所示。

1.3 制样及试验过程

依据击实试验测出的最优含水率制备土样(具体含水率见表3)然后闷料24 h，保证土样内部水分分布均匀，然后拌入水泥，将试样按0.95的压实系数在试样筒中分3层击实。击实完成后将温度和水分传感器插入土样中，在土样顶端覆盖塑料薄膜防止水分损失并在试样筒周围包裹隔温泡沫，准备工作完成后养护试件7 d，养护完成后将上下冷浴盘温度设为1 ℃并持续24 h，待试样内部温度稳定后，试样制备完毕，准备冻结试验。

试验过程全程处于封闭模式，无外界补水。在整个冻融循环试验过程中，利用数据记录系统全程记录各个传感器的温度、位移和内部水分等试验数据。试验结束后，立即拆除试样，以2.5 cm为一层，分别选取同深度内5个点取样，采用烘干法测定其平均含水率定为本层含水率。

2 试验结果与分析

2.1 温度场与冻结深度

图2为S3F12试样冻融循环试验过程中的温度时程曲线，通过采用文献[20]中的测量方式确定路基填料冻结温度为-0.3 ℃，可以得到改良填料冻结深度随时间的变化过程，改良填料第1次冻结时的深度冻结曲线如图3所示。综合分析图2和图3可知，填料内部的温度变化受顶板冷源影响，距离顶板越近，土体的温度变化范围越大，响应速度也越快；距离顶板越远，土体的温度变化范围越小，温度变化的滞后性也越明显。单向冻结模式下，改良填料试样的冻结过程根据冻结锋面的前进速度可分为3个阶段：0～12 h为快速冻结阶段，填料内的冻结锋面向下移动速度较快；12～19 h为缓慢冻结阶段，填料内部冻结锋面下降速度降低；19～24 h为稳定冻结阶段，冻结深度达到最大。

由图3可知，所有种类填料的最大冻结深度小于4 cm，不同掺量下的同类改良填料最大冻深接近，表明2类改良剂的掺量大小对填料的冻结深度影响不显著。水泥类改良填料的冻深大于水泥粉煤灰类改良填料，说明粉煤灰的掺入会提升填料的热容，降低填料的热交换效率和冻结深度。

2.2 土体水分场

图4为多次冻融过程中土体内部各深度体积含水率变化曲线。由图4可以看出，填料中的体积含水率在冻结时普遍减小，在试样融化时增加。与土体内部温度曲线变化类似，填料中的水分随着深度的增加受冻融循环变化影响越来越小，4 cm处水分变化较剧烈，12 cm处水分变化不明显；受深度增加影响，水分变化的滞后性也较为明显，8 cm处的水分变化较4 cm处普遍延后2～3 h。这说明在试验过程中，浅层水分受冻凝结成冰，填料中的未冻水含量降低，形成的内部湿度梯度导致水分产生迁移。在融化后，水分留在冻结锋面以上，所以浅层处水分变化较大，底层填料温度稳定，未产生冻结，水分变化也不明显。

综合分析图3和图4可知，2类改良填料的冻结深度均未超过4 cm，但土中水分场在8 cm深处仍随冻融循环的温度变化产生变化，S3F0和S5F0试件在经历3次冻融循环后上部水分增加，说明温度梯度导致土中水分由下至上产生迁移。

对比分析水泥稳定碎石和水泥粉煤灰稳定碎石水分场分布可知：水泥改良填料12 cm处体积含水率在3次冻融循环期间变化较小，水泥粉煤灰改良填料在各个深度的体积含水率随着冻融循环次数的增加会产生降低。第1次和第2次冻结期间，水泥粉煤灰填料的4 cm处未冻水含量下降较大，在8 cm处变化也较为明显。这说明粉煤灰在冻融循环期间固定了试样中的部分水分，致使填料中测得的体积含水率随时间降低，但通过填料在不同深度处的体积含水率波动范围可以看出其水分迁移作用并未明显减弱。

2.3 水分重分布

图5为试验结束后试样内部最终含水量分布，由图5可知：在温度梯度作用下，深层水分向上迁移，致使冻结深度内(0～5 cm)含水量提升超过初始含水量；冻结区以下(5～10 cm)由于水分向上迁移，含水量明显低于初始拌料含水量；试样底端(10～15 cm)在试验过程中土体温度变化较小，未被冻结，内部含水量变化较小。

养护及试验期间，改良剂水化反应会消耗部分水分，通过烘干法对冻结过程结束后的填料水分分布可以看出相同水泥掺量的改良填料：在冻结区内，水泥改良填料的含水量大于水泥粉煤灰改良填料；冻结区域以下，水泥粉煤灰改良填料的含水量变化略微小于水泥改良填料，这说明水泥填料和水泥粉煤灰填料在冻融循环过程中水分的迁移作用相似且粉煤灰在冻融循环试验期间吸收了部分填料中的水分，这一点可从试验期间试样底端水泥粉煤灰填料的含水量不断降低，最终小于水泥填料的初始含水量看出。

2.4 冻融变形分析

在冻融循环过程中，土体中的水分受到温度势的驱动产生水分迁移，水分向冻结缘迁移、聚集、冻结成冰后产生体积膨胀导致土体中的孔隙产生变化，土颗粒重新排列，土体也产生变形。图6为2类粗颗粒改良填料冻融变形的时程曲线。从图6可以看出：3次冻融过程中各类填料均产生了冻胀融沉变形，各次循环过程中填料的最大冻胀量均未出现在第1次冻结过程中；相比于水泥掺量这一因素，粉煤灰是否掺入对填料冻胀变形的影响更为显著；水泥掺量的增加会降低填料的变形量，粉煤灰的掺入则会增大填料的变形量。

通过分析填料的温度场、冻结深度、冻胀和融沉位移变化过程，可以计算得到土样在各次冻融循环中的冻胀率(图7)。分析2类填料的冻胀率可以发现，填料的冻胀率较低，皆属于不冻胀类材料，水泥的掺量增加会降低填料的冻胀量，水泥掺量为5%时对填料的冻胀抑制效果最好。粉煤灰的掺入会提升填料的冻胀变形，相同水泥掺量下，粉煤灰的掺入导致填料冻胀率增大20%～30%，且粉煤灰掺量越大越明显。结合文献[18]可知水泥粉煤灰填料由于粉煤灰的掺入导致填料毛细作用增强，渗透性降低，填料的持水能力增强，结合固定了部分水分迁移中的水分，水分冻结使得水泥粉煤灰填料的冻胀率较大。

3 冻胀机理

单向冻结模式下，粗颗粒填料中的水分以冰晶和未冻水的形式分布在填料孔隙中，在温度梯度、含水率梯度共同作用下填料中产生了水分迁移现象。分布在土中的水分会向上迁移在冻结区域内并在这一过程中形成冻胀变形，为了降低改良填料的冻胀变形，水泥和粉煤灰等作为改良剂被掺入到粗颗粒填料中。

粉煤灰作为一种固体废弃物，其较小的线性膨胀系数可以弥补水泥稳定碎石的干缩温缩变形。在外部温度变化情况相同时，水泥填料中的孔隙为填料内部水分迁移提供了有利条件，在本次冻融循环试验中，填料中水泥粉煤灰的水化反应会降低填料中自由水含水量，虽然水分迁移作用导致的体积含水率波动较为明显，但其在粗颗粒填料中的冻结深度降低。

粉煤灰的掺入导致填料的毛细作用增强, 在毛细张力作用下填料的持水能力较强，这些水分在温度变化下产生冻结。水泥导致的碱性环境会促使粉煤灰反应，使粉煤灰与消石灰发生二次反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等。但通过图8[21]可以看出：粉煤灰的火山灰反应较为滞后，在反应之前填料中存在的粉煤灰以颗粒状填充在填料孔隙中，既增强了填料的毛细作用也增大了填料的冻胀敏感性。粉煤灰的这些性质使得水泥粉煤灰填料在冻结过程中冻胀变形和冻胀率高于水泥改良填料。

由于高速铁路的运行特点，在季节冻土区高速铁路路基设计和建造过程中，对路基的变形要求较高，为此采用了控制填料中的细粒含量以降低填料的冻胀敏感性、对填料掺入改良剂进行改性等方法作为冻胀防控措施。依据上述研究成果可知，水泥类改良填料在冻融循环过程中，整体冻融变形较小。但当掺入粉煤灰后，填料产生的变形量大于水泥填料。因此，在季节冻土区高铁路基设计中若使用粉煤灰作为填料，应严格控制填料中的粉煤灰掺量，本文中水泥粉煤灰掺量比为1∶4，粉煤灰掺量较大。文献[11]中的研究指出，当水泥粉煤灰含量皆为5%时，水泥粉煤灰稳定碎石的密实效果和抗裂性能较优。除此之外，鉴于粉煤灰对填料中水分的固定能力较强还需在路基中设置防水层以及毛细土工布等土工合成材料，防止地面降水渗入并及时排出粗颗粒填料中的水分。

4 结论

1) 单向冻结模式下，填料呈现出快速冻结、缓慢冻结和稳定冻结3个冻结过程，水泥掺量对填料的冻结过程和冻结深度影响不显著，粉煤灰的掺入会降低水泥稳定碎石冻结的深度。

2) 水泥填料中的水分迁移使冻融循环结束后填料内部的含水量分层现象较为明显，水泥粉煤灰填料中的含水量变化较小，但也有分层现象出现。水泥粉煤灰填料试样底端的含水率变化表明试验过程中有部分水分被粉煤灰吸收。

3) 水泥填料和水泥粉煤灰改良填料两者的冻胀率均少于1%，属于不冻胀材料。水泥填料的抗冻能力要优于水泥粉煤灰填料，粉煤灰的掺量增大，填料的冻胀率也会有所提升。

4) 2类填料在冻融过程中，内部的水分迁移较为明显。水泥粉煤灰填料毛细作用强烈，为控制填料中的含水量，工程中应对水泥粉煤灰填料搭配防排水措施。