有軌電車路基流動(dòng)性填料強(qiáng)度分析

黃崇偉 朱美宣 孫瑜

摘 要：本文主要研究了有軌電車路基回填流動(dòng)性材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，具體分析了齡期、養(yǎng)護(hù)環(huán)境、水灰比、劈裂強(qiáng)度、回彈模量與流動(dòng)性回填材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。研究表明：對(duì)路基的流動(dòng)性回填材料而言，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，材料強(qiáng)度越高;在野外養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的前7天強(qiáng)度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)與密封養(yǎng)護(hù)，然而，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率明顯低于其他兩種養(yǎng)護(hù)條件;劈裂強(qiáng)度、回彈模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度線性關(guān)系較好。最后對(duì)比了流動(dòng)性回填材料與普通混凝土的區(qū)別，推薦其應(yīng)用于有軌電車路基維修開挖工程中。

關(guān)鍵詞：有軌電車;路基;流動(dòng)性材料;無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：U416.1? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）12-0145-03

路基是保障軌道或者交通正常運(yùn)營的根本，為整體道床提供支承，國內(nèi)外對(duì)路基填料的選取，通常通過控制其礦物成分、粒徑級(jí)配等物理屬性來進(jìn)行選擇，在工程應(yīng)用中再通過其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、回彈模量等力學(xué)指標(biāo)來判別其適用性[1]。為了使一些不良填料能滿足工程需要，應(yīng)進(jìn)行改良處治。常用的路基改良填料有級(jí)配碎石、石灰處治土、水泥改良土、二灰土與無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定碎石類材料等。唐光明[2]根據(jù)水泥的特點(diǎn)，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層裂縫提出了相應(yīng)解決辦法。候傳磊[3]從施工技術(shù)的角度研究了水泥穩(wěn)定碎石在市政工程上的應(yīng)用。薛艷華[4]利用超景深三維顯微鏡發(fā)現(xiàn)PAM能有效提高石灰穩(wěn)定土的強(qiáng)度，并給出了石灰穩(wěn)定土的應(yīng)用。唐山平[5]在對(duì)石灰穩(wěn)定土進(jìn)行過抗壓強(qiáng)度測(cè)試后，建議石灰穩(wěn)定土應(yīng)用于低等級(jí)路面基層。張權(quán)[6]通過不同的水泥摻量、混合料級(jí)配開展分析對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。薛猛[7]通過不同壓實(shí)度、養(yǎng)護(hù)齡期水泥穩(wěn)定土與石灰穩(wěn)定土強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定土較石灰效果更好。

雖然水泥穩(wěn)定碎石、石灰穩(wěn)定土、水泥穩(wěn)定土改善路基已經(jīng)開展了廣泛的研究應(yīng)用，但對(duì)有軌電車路基維修開挖而言，由于其施工工期短，工程復(fù)雜，需要快速按時(shí)、按質(zhì)、按量完成任務(wù)。因此，本文詳細(xì)介紹了有軌電車路基維修開挖中需用到的流動(dòng)性回填材料，具體展開齡期、養(yǎng)護(hù)環(huán)境、水灰比、劈裂強(qiáng)度、回彈模量與流動(dòng)性材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系分析，最后對(duì)比了流動(dòng)性回填材料與普通混凝土在配合比設(shè)計(jì)上的差異。

1材料及配合比

1.1 原材料

1.1.1水泥

選用325級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥，其80μm分計(jì)篩余3%。其他技術(shù)性能指標(biāo)見下表1。

1.1.2粉煤灰

選用Ⅲ級(jí)粉煤灰，主要技術(shù)性能及成分見下表2。

1.1.3砂

選用細(xì)砂（FS）、中砂（MS）及粗砂（CS）三種砂石材料。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

由于流動(dòng)性回填材料由水泥、粉煤灰、砂集料、水四種成分組成，因此在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)需要用三個(gè)參數(shù)去確定其配合比，而這三個(gè)參數(shù)之間要相互獨(dú)立。因此，對(duì)配合比編號(hào)定義如下規(guī)則：AB-C-D，A表示流動(dòng)性回填材料，B表示水泥摻量（%），C表示粉煤灰取代集料的比例，D表示砂樣種類（細(xì)砂FS、中砂MS、粗砂CS）。

例如A10-20-FS表示：該配合比采用的水泥摻量為10%，集料為細(xì)砂，粉煤灰取代細(xì)砂的比例為20%。采用該編號(hào)配合比的原材料質(zhì)量比為：水泥：粉煤灰：細(xì)砂=10：18：72。

2無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.1齡期、養(yǎng)護(hù)環(huán)境

為了研究不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間、養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，根據(jù)配合比方案設(shè)計(jì)，分別測(cè)試了A5-20-FS、A5-30-CS兩組配合比在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、密封養(yǎng)護(hù)、野外養(yǎng)護(hù)三種不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，不同齡期（7d、28d、90d、180d）的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，如圖1所示。

（1）流動(dòng)性回填材料的強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期密切相關(guān)。養(yǎng)護(hù)的時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度會(huì)越高，前28天內(nèi)強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著，7天強(qiáng)度約為28天強(qiáng)度的40%～60%，在28～90天內(nèi)，強(qiáng)度繼續(xù)增長(zhǎng)，90天齡期抗壓強(qiáng)度相對(duì)28天有15%～25%的增長(zhǎng)，此后則增長(zhǎng)緩慢，基本趨于穩(wěn)定。

（2）野外養(yǎng)護(hù)環(huán)境下流動(dòng)性回填材料7天強(qiáng)度顯著高于另外兩種養(yǎng)護(hù)方式。養(yǎng)護(hù)開始時(shí)間7月份，溫度較高，這說明溫度對(duì)早期強(qiáng)度有促進(jìn)作用。但是野外自然環(huán)境下，材料的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率明顯低于另兩種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率。使用細(xì)砂集料的試件在野外養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，90天齡期及180天齡期下的抗壓強(qiáng)度相對(duì)28天齡期還呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。主要是由于野外受陽光直曬，水泥水化反應(yīng)加劇，水化產(chǎn)物分布不均勻。較稀少的區(qū)域，強(qiáng)度較低，較稠密的區(qū)域，水化物包裹住了水泥顆粒，阻止了水泥顆粒的進(jìn)一步水化，從而水化物數(shù)量變少，材料后期強(qiáng)度下降。使用細(xì)砂集料試件在野外養(yǎng)護(hù)環(huán)境下出現(xiàn)強(qiáng)度降低的情況是因?yàn)樵摬牧吓浜媳戎械乃瘫容^高，沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的水份會(huì)殘留在試件中，形成殘留空隙，內(nèi)部空隙多對(duì)材料強(qiáng)度有負(fù)面作用，野外溫度變化導(dǎo)致空隙內(nèi)部空氣熱脹冷縮，在材料內(nèi)部形成細(xì)微裂縫，從而造成強(qiáng)度衰減。而使用粗砂集料試件因?yàn)樗瘫认鄬?duì)較小，因此內(nèi)部孔隙率也小，這種衰減作用也相對(duì)微弱。

（3）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度略高于密封養(yǎng)護(hù)，但差別并不大。過濕環(huán)境不利于強(qiáng)度增長(zhǎng)，從機(jī)理上分析是因?yàn)闈穸忍撸杂伤荒芗皶r(shí)蒸發(fā)出去而停留在試件內(nèi)部，從而導(dǎo)致材料內(nèi)部空隙率增大，造成強(qiáng)度的降低。

2.2水灰比

整理28天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系如圖2所示。水灰比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系可以大致用公式（1）描述：

（1）

由上圖，可知流動(dòng)性回填材料的強(qiáng)度一般與水泥摻量成正比，同用水量成反比。用水量的增加直接影響材料的空隙比。用水量越大，空隙比就越大?？障侗却螅粌H影響了水泥的膠凝作用，也降低了材料間的內(nèi)摩阻力。在高水灰比條件下，曲線變緩，在此情形下，水泥的膠結(jié)作用較小，強(qiáng)度主要是由材料的內(nèi)摩阻力提供。在水灰比較低的情況下，曲線變陡，水灰比的一個(gè)很小的變化會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度較大的變化，在此情形下，材料的行為更類似于水泥混凝土。在水灰比中等的情形下，內(nèi)摩阻力和膠結(jié)力共同作用，決定流動(dòng)性回填的強(qiáng)度特征。

2.3劈裂強(qiáng)度

整理28天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度的關(guān)系如圖3所示，可以用公式（2）描述：

（2）

由于材料內(nèi)部存在缺陷，尤其在拉伸荷載作用下更易凸顯，因此，流動(dòng)性材料的劈裂強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，而且， 28天的劈裂強(qiáng)度約為同期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的6%～11%，這個(gè)數(shù)值區(qū)間略低于水泥混凝土的8%～14%。另外，不同于普通水泥混凝土的是，流動(dòng)性回填材料的劈裂強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值并沒有隨著抗壓強(qiáng)度增加而出現(xiàn)顯著降低，其劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度有很好的線性相關(guān)性。

2.4回彈模量

整理28天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與回彈模量的關(guān)系如圖4所示，可以用公式（3）描述：

（3）

由上圖看出，對(duì)流動(dòng)性回填材料而言，回彈模量與強(qiáng)度之間有很好的相關(guān)性。這是因?yàn)?，抗壓回彈模量試?yàn)是確定彈性范圍內(nèi)可承受的最大壓力。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是連續(xù)加載直至材料開始破壞為止，確定材料的最大承載力。可以說，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，已經(jīng)經(jīng)歷了抗壓回彈模量的力學(xué)和變形條件過程。

3與普通填料的對(duì)比分析

流動(dòng)性材料與普通混凝土在原材料上無明顯差異，但是在配合比方面，兩者有著明顯的差異，如下表3。

有軌電車路基在維修開挖過程中難度系數(shù)高，工程復(fù)雜，對(duì)流動(dòng)性要求較高，考慮到流動(dòng)性回填材料流動(dòng)性好，野外環(huán)境下前7天強(qiáng)度較高，施工方便，因此，可應(yīng)用有軌電車路基維修開挖中。

4結(jié)論

本文主要分析齡期、養(yǎng)護(hù)環(huán)境、水灰比、劈裂強(qiáng)度、回彈模量與流動(dòng)性回填材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系。對(duì)于流動(dòng)性回填材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度而言，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大， 野外養(yǎng)護(hù)環(huán)境下流動(dòng)性回填材料7天強(qiáng)度顯著高于另外兩種養(yǎng)護(hù)方式，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率明顯低于另兩種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率。劈裂強(qiáng)度、回彈模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有很好的線性相關(guān)性。最后，通過對(duì)比分析了流動(dòng)性回填材料與普通混凝土在配合比設(shè)計(jì)上的差異，推薦應(yīng)用于路基維修開挖。

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