中美鐵路道作試驗的比較研究

王書鵬

(石家莊鐵路職業技術學院,石家莊 050041)

中美鐵路道作試驗的比較研究

王書鵬

(石家莊鐵路職業技術學院,石家莊 050041)

中美兩國規范將道昨分為面昨和底昨，其中中國面昨需檢測7項性能16個物理參數，底昨需檢測4項性能6個參數；美國面昨需檢測5項性能7個參數，底昨需檢測5項性能8個參數。通過比較兩國鐵路道昨的試驗規范，得出以下結論：（1）中國規范對于底昨給出了固定的顆粒級配范圍，方便了施工選材；美國規范中底昨的顆粒級配與面昨及路基填料的顆粒級配有關，更合理地體現了底昨的過渡作用；（2）中國規范固定了試樣的顆粒范圍及數量，簡化了試驗操作但使得結果不能反映全部道昨的性能；美國規范中道昨的性能參數多通過試樣的顆粒級配百分率計權求得，結果能全面反映道昨性能且適應于任何粒徑的道昨；（3）中國規范缺少試驗數據偏差的內容；美國規范對試驗的重復性偏差及復現性偏差均有詳細要求。

鐵路道昨；試驗；中國規范；美國規范；比較

道作是用作承托鐵路軌枕的碎石,從鐵路出現到現在一直被廣泛應用。目前,我國涉外鐵路項目逐漸增多,客觀要求我國鐵路的一部分試驗標準應與國際接軌。考慮美國材料與試驗協會(American Society for Testing Materials,簡稱ASTM)標準在國際上有廣泛的認可度,對中美鐵路道作的試驗進行了比較研究,為涉外鐵路項目的具體實施提供參考。

1 中美鐵路道昨試驗概況

我國規范《鐵路碎石道作》(TB/T 2140―90)［1]對道作作如下定義,道作由開山塊石破碎、篩選而成,根據材質性能和參數指標按規定分為一級道作和二級道作。規范中沒有明確道作的巖性。

美國鐵路建設與維護協會(American Railway Engineering and Maintenance of way Association,簡稱AREMA)的鐵路工程手冊(Manual for Railway Engineering)［2]是指導美國鐵路建設的準則。手冊中明確指出,用作道作的為花崗巖、暗色巖(指暗色細膩的非花崗巖類淺層巖或火山噴出巖)、石英巖、石灰巖、白云石灰巖及廢渣,但沒有對道作進行分級。道作的材質性能和參數指標依所選道作的巖性不同而異。

1.1 中國鐵路道昨試驗

道作分底作、面作。中國面作規范《鐵路碎石道作》(TB/T 2140―90)中規定,道作除滿足顆粒級配要求之外,還應根據不同級別滿足7項性能中16個參數指標的要求,見表1。

對于底作,《鐵路碎石道床底作》［3](TB/T 2897―1998)中規定,道作除滿足顆粒級配要求之外,還應滿足4項性能中6個參數指標的要求,見表2。以上參數應分別根據鐵路道作試驗規范(TB/T2328.1～18―92)通過試驗確定。

表1 中國面昨物理參數指標及試驗規范

表2 中國底昨物理參數指標及試驗規范

1.2 美國鐵路道昨試驗

美國AREMA鐵路工程手冊中規定,面作除滿足顆粒級配要求之外還應根據道作巖性滿足5項性能中7個參數指標的要求,見表3,底作應滿足5項性能中8個參數指標的要求,見表4。以上參數應根據ASTM試驗標準通過試驗確定。

通過比較可以看出:對于面作,兩國規范均包含洛杉磯磨耗率、硫酸鈉溶液浸泡損失率、密度、針片狀指數、黏土團及其雜質含量質量百分率、粉末含量的質量百分率等參數試驗,我國規范特有的為標準集料沖擊韌度、石料耐磨硬度系數、標準集料壓碎率、道作集料壓碎率、滲透系數、石粉試模件抗壓強度、石粉液限、石粉塑限、飽水單軸抗壓強度等參數試驗,美國規范中特有的為吸水率參數試驗；對于底作,兩國規范均包含洛杉磯磨耗率,硫酸鈉溶液浸泡損失率,石粉液限、塑限等參數試驗,我國規范特有的為粒徑大于16 mm顆粒中帶有破碎面顆粒所占質量百分比、黏土團及其雜質含量質量百分率等參數試驗,美國規范中特有的為滲透系數、粒徑0.075 mm以下的粉末含量的質量百分率、相對密度、最大干密度,最優含水量等參數試驗。

表3 美國面昨物理參數指標及試驗規范

表4 美國底昨物理參數指標及試驗規范

2 中美鐵路道昨的篩分試驗比較

2.1 面昨篩分試驗比較

中國鐵路面作應根據《鐵路碎石道作粒徑級配試驗方法》［4](TB/T 2328.15―92)進行試驗,道作級配應符合《鐵路碎石道作》(TB/T 2140―90)要求,見表5。《鐵路碎石道作粒徑級配試驗方法》(TB/T 2328.15―92)規范中,方孔篩孔邊長分別為16、25、35.5、45、56 mm和63 mm,試樣質量取100 kg,準確至50 g,準確度為0.05%。規范中提到取2份試樣備用,但沒有平行試驗的數據處理及精度要求。

表5 《鐵路碎石道昨》（TB/T 2140―90)面昨顆粒級配

美國AREMA鐵路工程手冊的面作有7種顆粒級配形式,見表6,面作的顆粒級配應根據ASTM C136［5]試驗確定。根據ASTM C136,方孔篩孔邊長分別為2.36、4.75、9.5、12.5、19、25、37.5、50、63 mm和75 mm,試樣質量及準確度見表7。規范對試驗的重復性偏差及復現性偏差有詳細要求,限于篇幅,本文不再敘述。

表6 AREMA鐵路工程手冊面昨顆粒級配

表7 美國鐵路面昨篩分試樣質量取值及準確度

根據比較可以看出,兩國篩孔尺寸不一致,在涉外鐵路項目中,需要當地第三方試驗室驗證道作顆粒級配時,可能會因為試驗標準及儀器設備的不一致,阻礙項目的順利進行,所以這一問題要格外引起注意。另外,我國規范在試樣的質量取值上比美國規范大,準確度也較高,但是由于沒有平行試驗的數據處理及精度要求,給試驗人員在數據準確性的判斷上帶來一些麻煩。

2.2 底昨篩分試驗比較

中國《鐵路碎石道床底作》(TB/T 2897―1998)中規定,底作級配應根據《鐵路碎石道作粒徑級配試驗方法》(TB/T 2328.15―92)進行試驗,篩分結果符合表8要求。但是《鐵路碎石道作粒徑級配試驗方法》(TB/T 2328.15―92)中并沒有明確給出篩分底作的方孔篩孔邊長,也沒有說明試樣質量及準確度。

表8 《鐵路碎石道床底昨》（TB/T 2897―1998)道昨顆粒級配

美國AREMA鐵路工程手冊中,底作沒有固定的級配范圍,而是認為底作的顆粒級配與面作及路基填料的顆粒級配有關,手冊僅給出了根據以上兩者級配求解底作顆粒級配范圍的方法。底作級配應根據ASTM D422［6]進行試驗,規范中方孔篩孔邊長為0.075、0.106、0.25、0.425、0.85、2、4.75、9.5、19.0、25、37.5、50、75 mm,篩分用試樣質量根據公稱最大粒徑取值,大于2 mm部分的試樣稱量質量準確至0.1%,小于2 mm部分的試樣稱量質量準確至0.01 g。需要注意的是,該規范還用來分析土的顆粒級配。

根據比較可以看出,兩國對于底作看法不一樣,我國規范將底作視為單一級配,而美國規范規定底作的級配與路基填料和面作級配相關。由于底作在整個道床結構中起一個承上啟下的作用,可見美國規范更合理的體現了底作的過渡作用。但由于我國底作的級配單一,極大方便了道作的施工選材。另外,我國規范沒有明確給出篩分底作的方孔篩孔邊長及試樣的質量和準確度,不能給篩分試驗明確的指導,而美國規范對于底作的篩分試驗指導性明確而詳細。

3 中美鐵路道昨的物理性能試驗比較

中美道作規范中,有些物理性能指標是共有的,比如洛杉磯磨耗率、硫酸鈉溶液浸泡損失率、針片狀指數、黏土團及其雜質含量質量百分率、粉末含量的質量百分率等。但也有些指標是各自規范所特有的,比如我國規范中的標準集料沖擊韌度、石料耐磨硬度系數等,美國規范中的吸水率參數等。下面對兩國規范中共有的物理性能試驗展開比較。

3.1 抗磨耗、抗沖擊性能試驗比較

對于道作的抗磨耗、抗沖擊性能,中國道作規范是通過洛杉磯磨耗率、標準集料沖擊韌度和石料耐磨硬度系數等3個指標試驗來衡量道作等級,美國道作規范僅需要考慮洛杉磯磨耗率試驗。

中國道作洛杉磯磨耗率試驗［7]中,洛杉磯磨耗機的轉速為31～33r/min,機內填料由直徑為46.0～47.6 mm,質量為390～445 g的鋼球組成,球數、球總質量及轉數見表9。試樣需按表9制備3份,試驗達到規定轉數后,篩除1.7 mm以下顆粒,求得洛杉磯磨耗率。試驗重復性偏差為2%,3次磨耗率中的任何兩次之差不大于該值時,取3次磨耗率的平均值作為該道作的洛杉磯磨耗率。

表9 中美道昨洛杉磯磨耗率試驗比較

美國的道作洛杉磯磨耗率試驗執行兩個標準,分別是ASTM C535［8]和ASTM C131［9],其中ASTM C535適用于粒徑大于19 mm的道作,ASTM C131適用于粒徑小于37.5 mm的道作。洛杉磯磨耗機的轉速為30～33 r/min,機內填料由直徑約為46.8 mm,質量為390～ 445 g的鋼球組成,球數、球總質量及轉數見表9。美國面作有7種顆粒級配形式,各級配試樣按表9制備,試驗達到規定轉數后,篩除1.7 mm以下顆粒,求得洛杉磯磨耗率。兩次試驗重復性偏差為5.7%,復現性偏差為12.7%,規范中沒有試驗次數的要求。

比較兩國規范可以看出,中國面作洛杉磯磨耗試驗參數與美國ASTM C535中的3接近,底作洛杉磯磨耗試驗參數與美國ASTM C131中的B接近。中國面作洛杉磯磨耗試驗試樣粒徑為20～40 mm,過篩質量百分率最大范圍為2.2%～56.6%,占全粒徑總質量54.4%,有45.6%的道作洛杉磯磨耗率得不到反映,且大于40 mm粒徑的占43.4%。中國底作洛杉磯磨耗試驗試樣粒徑為10～20 mm,過篩質量百分率最大范圍為49.5%～95.0%,占全粒徑總質量45.5%,有 54.5%的道作洛杉磯磨耗率得不到反映。而美國道作各顆粒級配洛杉磯磨耗試驗均能較全面反映全粒徑的抗磨耗、耐沖擊性能。在試驗數據處理上,我國規范要求取3次試驗平均值,美國規范沒有要求。在試驗數據的偏差上,我國規范對于重復性偏差的要求較美國規范嚴格,但沒有復現性偏差的要求。

3.2 抗大氣腐蝕破壞試驗比較

對于道作的抗大氣腐蝕破壞性能,中美兩國規范均通過硫酸鈉溶液浸泡損失率試驗確定。

中國的道作硫酸鈉溶液浸泡損失率試驗［10]中,將按表10制備的試樣在飽和硫酸鈉溶液中循環浸泡5次,每次浸泡20 h,烘干4 h,試驗后,篩除16 mm以下顆粒,求得硫酸鈉溶液浸泡損失率。

美國的道作硫酸鈉溶液浸泡損失率試驗［11]中,將按表10制備的試樣在飽和硫酸鈉溶液中循環浸泡5次,每次浸泡16～18 h,烘干至恒重,試驗后,根據表10選取篩孔邊長,篩除該篩孔以下顆粒,根據道作的顆粒級配百分率,求得計權硫酸鈉溶液浸泡損失率。兩次試驗重復性偏差為68%,復現性偏差為116%。

表10 中美道昨硫酸鈉溶液浸泡損失率試驗比較

比較兩國規范可以看出,兩國道作在試樣的制備上不同,我國規范是取道作粒徑在20～40 mm部分,與洛杉磯磨耗率試驗一樣,有45.6%的道作硫酸鈉溶液浸泡損失率得不到反映,且大于40 mm粒徑的占43.4%,美國規范是根據道作的實際篩分結果按照表10制備試樣的,且結果是根據道作的顆粒級配百分率計權求得硫酸鈉溶液浸泡損失率,能全面反映道作抗大氣腐蝕破壞性能。對于試驗時間,兩國均循環5次,我國浸泡時間比美國長,但烘干時間比美國短。在試驗數據的偏差上,我國規范中沒有重復性偏差和復現性偏差的要求,而美國規范中有。

3.3 道昨顆粒形狀及清潔度指標試驗比較

對于道作顆粒形狀,兩國規范對于尺寸的比例看法是一致的,即顆粒最大長度(或寬度)方向與最小厚度(或直徑)方向的尺寸之比大于3倍的為針片狀顆粒,但兩國測定針片狀的試驗裝置不同［12-13],我國的試驗裝置是規準儀,美國的試驗裝置見ASTM D4791。文獻［14]認為ASTM D4791中測試方法與采用游標卡尺測量完全相同,而用規準儀測定的針片狀顆粒含量要比用游標卡尺法測定的針片狀顆粒含量少的多［15]。表明同樣試樣情況下,用美國規范測定的針片狀值要大于用中國規范得出的結果。

對于黏土團及其雜質含量質量百分率試驗,我國規范［16]中試樣要制備2份,每份約87.5 kg,用手揀出或用篩子篩出黏土團及其他雜質,若判斷困難時,將可疑子樣揀出,用水浸泡1晝夜,能用手捏碎的顆粒定為黏土或雜質,稱量清除黏土團及其他雜質后的道作質量,計算黏土團及其雜質含量質量百分率。美國規范［17]是根據表11制備試樣,用水浸泡一晝夜,用手捏碎軟弱顆粒,試驗后,根據表11選取篩孔邊長,篩除該篩孔以下顆粒,烘干后稱量,根據道作的顆粒級配百分率,求得計權黏土團及其雜質含量質量百分率。

表11 ASTM C142黏土團及其雜質含量質量百分率試驗參數

表12 ASTM C117粒徑0.075 mm以下的粉末含量的質量百分率試驗參數

對于道作的粉末含量質量百分率試驗,我國規范［18]測定0.1 mm以下的粉末含量,美國規范［19]測定0.075 mm以下粉末含量。我國規范中,試樣分4批,每批質量約25 kg,逐批試驗。美國規范是根據表12制備試樣,試驗過程與我國規范相同。

通過比較兩國規范中的試樣質量可以看出,由于面作粒徑較大,我國規范在黏土團及其雜質含量質量百分率和粉末含量質量百分率試驗中能較全面反映面作的整體性能。對于底作,由于其粒徑較小(比如我國底作最小粒徑為0.075 mm),采用我國規范測定其黏土團及其雜質含量質量百分率顯然不太合適,而美國規范中道作的性能參數通過顆粒級配百分率計權求得,表明美國規范可適用于任何粒徑的道作。

4 結論

通過對比分析可見,中美鐵路道作規范在設計理念、編制內容、實施細節等諸多方面存在明顯的差異。總的來看,美國道作試驗規范突破了行業局限、通用性強、內容具體、指導性強；我國道作試驗規范局限于鐵路行業,通用性較弱且內容欠完整。具體體現在如下3方面。

(1)中美規范中均將道作分為面作和底作,但對于底作的認識不同。我國對于底作給出了固定的顆粒級配范圍,而美國規范中底作的顆粒級配與面作及路基填料的顆粒級配有關,底作作為面作與路基填料之間的過渡材料在美國規范中更合理的體現出來。

(2)我國道作試驗內容欠完整,比如:道作篩分試驗規范中缺乏底作試驗的詳細說明；抗磨耗、抗沖擊性能試驗和抗大氣腐蝕破壞試驗針對的是固定粒徑范圍內的道作,不能反映全部道作的性能指標；我國規范測定道作中黏土團及其雜質含量質量百分率時所需試樣每份約87.5 kg,對于粒徑較小的底作,該規范顯然不太適合。相比之下,美國規范中有關于底作篩分試驗的詳細說明,道作的性能參數多通過顆粒級配百分率計權求得,結果能全面反映道作性能且適應于任何粒徑的道作。

(3)我國道作規范中對于試驗數據偏差的處理不夠詳盡,僅在洛杉磯磨耗率試驗中提到做3次平行試驗,并給出了試驗重復性偏差；美國規范對試驗的重復性偏差及復現性偏差均有詳細要求。

［1] 中華人民共和國鐵道部.TB/T 2140―90鐵路碎石道作(2005年修訂版)［S].北京:中國鐵道出版社,2005.

［2] 美國鐵路工程和道路維護協會(ARMEA:American Railway Engineering and Maintenance-of-way Association).美國鐵路工程手冊(Manual for Railway Engineering)［S].［美國蘭哈姆(Lanham, USA)]:Published by AREMA,2012.

［3] 中華人民共和國鐵道部.TB/T2897―1998鐵路碎石道床底作［S].北京:中國鐵道出版社,1998.

［4] 中華人民共和國鐵道部.TB/T2328.15―92鐵路碎石道作粒徑級配試驗方法［S].北京:中國鐵道出版社,1992.

［5] 美國材料與試驗協會(ASTM:American Society for Testing and Materials).C136-06 Standard Test Method for Sieve Analysis of Fine and Coarse Aggregates［S].ASTM,2006.

［6] 美國材料與試驗協會(ASTM:American Society for Testing and Materials).D422-63 Standard Test Method for Particle-Size Analysis of Soils［S].ASTM,2002 Reapproved.

［7] 中華人民共和國鐵道部.TB/T2328.1―92鐵路碎石道作洛杉磯磨耗率試驗方法［S].北京:中國鐵道出版社,1992.

［8] 美國材料與試驗協會(ASTM:American Society for Testing and Materials).C535-03 Standard Test Method for Resistance to Degradation of Large-Size Coarse Aggregate by Abrasion and Impact in the Los Angeles Machine［S].ASTM,2003.

［9] 美國材料與試驗協會(ASTM:American Society for Testing and Materials).C131-03 Standard Test Method for Resistance to Degradation of Small-Size Coarse Aggregate by Abrasion and Impact in the Los Angeles Machine［S].ASTM,2003.

［10]中華人民共和國鐵道部.TB/T2328.10―92鐵路碎石道作硫酸鈉溶液浸泡損失率試驗方法［S].北京:中國鐵道出版社,1992.

［11]美國材料與試驗協會(ASTM:American Society for Testing and Materials).C88-99a Standard Test Method for Soundness of Aggregates by Use of Sodium Sulfate or Magnesium Sulfate［S].ASTM,1999.

［12]中華人民共和國鐵道部.TB/T2328.16―92鐵路碎石道作針狀指數和片狀指數試驗方法［S].北京:中國鐵道出版社,1992.

［13]美國材料與試驗協會(ASTM:American Society for Testing and Materials).D4791-99StandardTestMethodforFlatParticles, Elongated Particles,or Flat and Elongated Particles in Coarse Aggregate［S].ASTM,1999.

［14]中華人民共和國交通部.JTG E42―2005公路工程集料試驗規程［S].北京:人民交通出版社,2005.

［15]李福普,李闖民.公路工程試驗檢測人員考試用書―――材料［M].人民交通出版社,2010.

［16]中華人民共和國鐵道部.TB/T2328.17―92鐵路碎石道作黏土團及其他雜質含量試驗方法［S].北京:中國鐵道出版社,1992.

［17]美國材料與試驗協會(ASTM:American Society for Testing and Materials).C142-97 Standard Test Method for Clay Lumps and Friable Particles in Aggregates［S].ASTM,1997.

［18]中華人民共和國鐵道部.TB/T2328.18―92鐵路碎石道作粒徑0.1 mm以下粉末含量試驗方法［S].北京:中國鐵道出版社,1992.

［19]美國材料與試驗協會(ASTM:American Society for Testing and Materials).C117-03 Standard Test Method for Materials Finer than 75 μm(No.200)Sieve in Mineral Aggregates by Washing［S]. ASTM,2003.

ComParative Study on Railway Ballast Test Standard between China and America

WANG Shu-peng
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology,Shijiazhuang 050041,China)

In both the Chinese and American standard codes,railway ballast is classified into up-ballast and sub-ballast.According to Chinese standard code,seven performances including 16 physical parameters should be tested for up-ballast；and four performances including six physical parameters should be tested for sub-ballast.According to American standard code,five performances including seven physical parameters should be tested for up-ballast；and five performances including eight physical parameters should be tested for sub-ballast.By comparison between the railway ballast test standard codes of the two countries,the following conclusions can be drawn:(1)There is constant grain composition range of sub-ballast in Chinese standard code,and this makes it convenient for constructors to select material；in American standard code,the grain composition of sub-ballast is related to the grain composition of the up-ballast and the subgrade filling material,and this can more reasonably reflect the transition function of sub-ballast.(2)The grain range and quantity of test sample is constant in Chinese standard code,therefore the test operation is simplified but the result cannot fully reflect the performance of all ballast；in American standard code,the performance parameters of ballast are generally obtained from weighted data of grain composition percentage of test sample,and the result not only can fully reflect ballast performance but also can fit to any grain size of ballast.(3)There is a shortage of the content of test data deviation in China standard code；in American standard code,there is detail stipulations on both the repetitive deviation and reproducibility deviation during ballast test.

railway ballast；test；Chinese standard code；American standard code；comparison

O383+.2；TU393.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.013

1004-2954(2014)07-0052-06

2013-09-03

河北省高等學校科學技術研究青年基金項目(QN20131160)；河北省科技計劃項目(13275414)

王書鵬(1982―),男,講師,2003年畢業于石家莊鐵道大學土木工程專業,工學碩士,E-mail:shupeng2hao@163.com。