高速鐵路路基復合注漿材料試驗研究

劉曉賀

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600）

1 引言

隨著我國高速鐵路建設不斷發展，鐵路里程迅速增長，鐵路路基病害也隨之出現。當前路基結構常見病害主要有沉陷、開裂、翻漿、軌道板脫空等，嚴重影響了軌道的平順性和列車的行車安全性［1］。針對這一現狀，注漿技術在鐵路路基加固維修中被逐步廣泛應用。

普通鐵路路基病害主要采用鋼花管注漿技術進行治理，運營的高速鐵路路基病害主要采用袖閥管注漿加固技術進行整治。鐵路路基注漿加固施工工藝較成熟，且可采用信息化實時監測系統進行加固施工，注漿加固實施效果良好［2－4］。在鐵路路基注漿加固技術應用方面，文獻［5－8］研究了注漿加固工藝在巖溶、軟土等地區鐵路工程中的應用。根據不同巖溶和地層的性質特點，設計實際注漿參數，采取不同注漿加固流程，并對注漿效果進行驗證。在鐵路路基注漿材料方面，文獻［9－10］對高速鐵路高聚物注漿材料的性能進行試驗研究，通過高分子聚合物注漿材料反應進行軌道結構的抬升，并研究了注漿反應后的動力特性和結構穩定性。但材料的準確抬升量、安全環保及耐久性能等仍需完善。在鐵路路基注漿機理方面，文獻［11－12］對注漿抬升機理進行了研究，分析了抬升量、注漿量、土體性質等之間的關系，對抬升注漿的過程進行數值模擬，并根據現場實測與其對比驗證。當前在鐵路路基注漿加固施工工藝、加固機理等方面的研究較為成熟，但對高性能注漿材料的相關研究較少，且注漿材料多以水泥為主，注漿材料種類單一。

本文以水泥和粉煤灰為基礎材料，研究分別摻加硅灰、粉砂、膨脹劑等復合注漿材料的力學及耐久性能，為高速鐵路路基注漿材料的選擇應用提供參考依據。

2 路基注漿加固機理及注漿材料性能要求

2.1 路基注漿加固機理

目前，關于注漿方法的分類尚無統一的標準，根據注漿材料、注漿用途及漿液的滲透方式的不同，其分類也不同。工程中所說的注漿通常是靜壓注漿，靜壓注漿是指通過氣壓或液壓的原理方法，將配制好的具有良好流動性、耐久性及粘結強度的注漿材料注入鐵路路基病害部位，待漿液完全固化后將松散的土顆粒或破碎的巖土粘結為整體，進而提升路基結構的強度和穩定性。根據注漿壓力、漿液與土體的作用機理、漿液在土體中的分布形式可將注漿方式大致分為滲透注漿、壓密注漿、劈裂注漿等。滲透注漿的注漿壓力較小，漿液一般均勻擴散在土體顆粒之間，通過與土體顆粒的膠結硬化來增強路基土體的強度和抗滲效果。壓密注漿采用較高的壓力將漿液通過鉆孔壓入到土體中來加固土體，注漿時漿液先填充土體中較大的空隙，再填充較小的空隙，原土體結構的抗滲性和強度都得到較好地提高。劈裂注漿采用高壓力將漿液注入到土體中，注漿時會對周圍的土體產生附加壓應力，使土體發生剪切破壞，漿液會以網格形式相互連接形成骨架作用。具體注漿方式如圖1所示。

圖1 注漿方式原理

2.2 注漿材料性能要求

常用的注漿材料包括有機類、無機類和化學類。無機材料在工程使用較廣泛，大多以單一的水泥漿為注漿材料，通常還會根據具體的工程條件摻加少量的外加劑增強注漿材料的性能。鐵路路基注漿材料通常需要具備以下性能：

（1）流動性。漿液的流動性會影響漿液在路基土體縫隙中的填充效果，進而影響路基的注漿加固質量。

（2）微膨脹性。微膨脹性可將路基土體縫隙較好地填充，使材料與土體顆粒較好地粘結。

（3）抗凍性。寒區鐵路路基結構因冬季氣溫較低，需具有良好抗凍性能的注漿材料，會增強路基結構的穩定性。

（4）經濟性。注漿材料的經濟性影響其在鐵路工程中的推廣應用程度，經濟適用的注漿材料可降低路基工程的病害治理成本。

3 原材料及試驗方案

（1）原材料

水泥：河北某公司生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，初凝時間152 min，終凝時間192 min。

粉煤灰：河北某電廠提供的Ⅱ級活性粉煤灰，細度7.3%，需水比84%，燒失量2.46%。

粉砂：粒徑0.16 mm以下的質量占粉砂總質量的83.2%。

硅灰：主要由極細的球狀顆粒組成，含有超過75%的無定型二氧化硅。火山灰活性極高，是制備高強度、高流動度水泥漿的必要摻加材料。

膨脹劑：可提高注漿材料在路基土體中的密實程度，提升注漿加固的修復效果。

（2）試驗方案

水泥中的粉煤灰含量在40%以下時，混合料具有良好的力學及物理性能［13］。本文以水泥和20%含量的粉煤灰為基料，水灰比為0.5，研究分別摻加膨脹劑、硅灰、粉砂等對鐵路路基注漿材料力學及耐久性能的影響。膨脹劑含量為0%、1.5%、3%、4.5%、6%；硅灰含量為0%、3%、6%、9%；粉砂含量為0%、10%、20%、30%。試樣制備和性能指標的測試嚴格按照相關土工試驗規程進行。

（3）試樣制備

試驗前將水泥、粉煤灰、水按設計比例攪拌均勻，分別摻加設計含量的粉砂、硅灰、膨脹劑進行充分攪拌并澆筑成型，在標準試驗養護條件下進行養護，參照文獻［13］中的試驗程序和方法進行力學及耐久性能指標的測試和試驗。具體注漿材料試驗試樣制備工藝如圖2所示。

圖2 注漿材料制備流程

4 試驗結果及分析

4.1 粉砂對注漿材料性能的影響

以水泥和20%的粉煤灰混合料為基礎，研究分別摻加0%、10%、20%、30%粉砂對注漿材料的抗壓強度、抗折強度、凍融耐久性能的影響。由圖3可知，粉煤灰－水泥基外摻粉砂的混合注漿材料隨著粉砂含量的增加，力學性能呈逐漸降低趨勢，抗凍性能呈先增高后降低趨勢。在抗壓、抗折強度方面，粉砂含量小于10%時，28 d抗壓、抗折強度無明顯變化；當粉砂含量由10%增至30%時，各養護齡期抗壓、抗折強度降低幅度顯著。凍融耐久性方面，在粉砂含量為10%時，養護28 d的凍融前后抗壓強度差最小，抗凍性能最優。主要原因在于水泥是混合漿料的主要膠凝材料，對強度的提升起關鍵作用；粉砂是非膠凝材料，少量摻加可以增強鐵路路基注漿漿料的和易性，含量較大時，將會影響混合注漿材料與路基土體的膠凝固結效果。

圖3 粉砂含量與注漿材料性能關系

4.2 硅灰對注漿材料性能的影響

將水泥和20%含量的粉煤灰混合配制作為基礎注漿材料，研究分別摻加0%、3%、6%、9%硅灰對注漿材料的抗壓強度、抗折強度、凍融耐久性能的影響。由圖4可知，粉煤灰－水泥基外摻硅灰的混合注漿材料隨著硅灰含量的增加，力學性能和抗凍性能呈先升高后降低趨勢。在抗壓、抗折強度方面，硅灰含量小于6%時，抗壓和抗折強度隨著硅灰含量的增加而增加；當硅灰含量大于6%時，各養護齡期的抗壓和抗折強度逐漸降低。在凍融耐久性方面，硅灰含量為6%時，養護28 d凍融試驗前后的抗壓強度差值最小，抗凍性能最優。主要因為硅灰的顆粒細小，具有良好的火山灰效應和微集料效應，注漿材料中硅灰含量較少時，可以起到很好的膠結作用和填充效果，含量較多時，將會影響水泥的水化反應，且注漿材料的后期力學性能主要依靠水泥的水化膠凝作用。

圖4 硅灰含量與注漿材料性能關系

4.3 膨脹劑對注漿材料性能的影響

將水泥和20%含量的粉煤灰混合配制作為基礎注漿材料，研究分別摻加0%、1.5%、3%、4.5%、6%膨脹劑對注漿材料的抗壓強度、抗折強度、凍融耐久性能的影響。由圖5可知，粉煤灰－水泥基外摻膨脹劑注漿材料隨著膨脹劑含量的增加，力學性能呈平緩增長趨勢，但超過一定含量時，力學性能降低明顯，抗凍性能與力學性能變化趨勢相同。在抗壓、抗折強度方面，膨脹劑含量小于4.5%時，隨著膨脹劑含量的增加，注漿材料的7 d、28 d抗壓、抗折強度平緩增加；當含量大于4.5%時，7 d、28 d抗壓、抗折強度降低幅度明顯。在凍融耐久性方面，在膨脹劑含量為4.5%時，養護28 d的凍融前后抗壓強度差最小，抗凍性能最優。主要原因在于摻入少量的膨脹劑可以抑制注漿材料與土體反應后收縮變形的影響，且有助于提升注漿材料在鐵路路基土體空隙中的分布和填充效果；當超過一定含量時，注漿材料體積膨脹會破壞原有穩定的注漿材料與土體膠結固化結構，進而導致其力學性能和抗凍性能大幅降低。因此，在鐵路路基工程注漿過程中應適量摻加膨脹劑。

圖5 膨脹劑含量與注漿材料性能關系

5 結論

（1）外摻材料的種類和含量對復合注漿材料的物理力學性能影響顯著，應根據鐵路路基工程的實際地質和環境條件選擇符合性能要求的注漿材料和注漿方式。

（2）綜合考慮復合注漿材料性能指標試驗分析結果及工程經濟性，以優選的粉煤灰－水泥基路基注漿材料為基礎，粉砂的最佳含量為10%，對應注漿材料的抗壓強度為36.6 MPa，抗折強度為14.4 MPa，10%粉砂的抗凍性能在各組分粉砂中最優；硅灰的最佳含量為6%，對應注漿材料的抗壓強度為43.6 MPa，抗折強度為17.8 MPa，抗凍性能在各組分硅灰中最優；膨脹劑的最佳含量為4.5%，對應注漿材料的抗壓強度為41.2 MPa，抗折強度為17.6 MPa，抗凍性能在各組分膨脹劑中最優。

（3）在本試驗設計的參數變量范圍內，摻加含量6%的硅灰對注漿材料性能增強效果最佳，可為高速鐵路路基病害治理中注漿技術的材料選擇提供數據參考和借鑒。