固廢循環材料鐵路底砟試驗性能研究

荊 鵬,周 強,宋心彤,井國慶

(1.北京工業大學城市交通學院,北京 100124； 2.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044)

1 概述

鐵路是國家重要的基礎設施和環保高效的交通工具，在綜合交通體系中占有重要地位，對經濟和社會的全面、協調、可持續發展有著重要的促進作用。從鐵路軌道結構形式來看，分為有砟軌道和無砟軌道兩大類[1]。相比于無砟軌道，有砟軌道具有造價低廉、易于施工，在不良地質條件下、極端氣候條件下適應性強等特點。另一方面，有砟軌道自身離散性的結構特點方便了后期的養護維修工作，降低了維護費用；而道砟顆粒之間的空隙使得道床具有足夠的排水性能，能夠有效防止道床的板結以及雨水對道床結構的腐蝕[2]。因此，從全球范圍來看，有砟軌道在鐵路結構形式中仍然扮演著十分重要的角色，總里程所占比例超過90%。

有砟軌道是指軌下基礎為石質散粒道床的軌道，通常也稱為碎石道床軌道[3]。其結構組成包括鋼軌、聯結部件、軌枕、碎石道床等，如圖1所示。碎石道床由兩個顆粒層組成，即道砟層和底砟層，通常由級配碎石構成。道床的主要作用是支撐軌枕，將軌枕上部荷載均勻地傳遞給路基，并保持軌道的幾何形位，同時便于排水。

圖 1 有砟軌道結構組成

底砟層位于道砟層和路基表層之間，作用主要有防止道砟顆粒與路基土相互侵入，進一步均勻地傳遞和分布荷載，防凍保溫及防滲水等[4]。目前，我國對于鐵路碎石道床底砟層的技術要求主要遵循TB/T 2897—1998《鐵路碎石道床底砟》標準。

隨著鐵路的發展，車輛載荷和列車速度大幅提升，對有砟軌道的性能提出了更高要求。為保持鐵路的安全性和穩定性，需進行越來越頻繁的維護，如搗固和道砟更換。然而，在這些維護過程中材料和人力的消耗也導致巨大的經濟成本和環境問題。因此，延長有砟軌道的使用壽命和使用再生材料的可持續鐵路軌道系統亟待研究。而天然石料資源的緊缺，導致了鐵路建設成本的上升，開發新的鐵路級配碎石材料迫在眉睫。

此外，隨著我國近年來城鎮化進程的加快，城市結構功能和布局的逐步優化，基礎設施的新建及舊有構筑物更新改建，產生了大量建筑垃圾和工業廢料，對人們生活環境及整體行業的可持續發展產生了巨大影響。因此，對于建筑垃圾及工業廢料在建筑領域的綜合利用問題，已經成為全社會關注的熱點。

再生混凝土骨料是由建筑垃圾中的廢棄混凝土經過破碎、篩分、沖洗而制成的，經研究其力學性能接近天然石料，具備良好的應用前景。隨著城鎮化發展，舊房拆遷、新房修建等都會產生大量建筑垃圾，而其中的固廢循環材料占了大多數，然而大部分建筑廢料在沒有重復利用的情況下，被運送到郊區或城市周邊地區填埋、堆存，浪費土地資源的同時破壞了大自然環境。因此，通過對建筑垃圾中的混凝土塊進行破碎再生及利用，對目前石料資源緊缺及鐵路建設的可持續發展都具有重要意義。

再生磚渣也是可能的普通底砟的替代品。再生磚渣是對廢磚料進行簡單破碎、篩分制備而成的，其表面粗糙、顆粒棱角多、力學性能優，具備底砟應用前景。隨著中國基建行業的迅速發展，產生了數量巨大的磚廢料，磚渣垃圾占到我國建筑垃圾的40%左右，而目前對磚廢料的再利用極少，大部分僅是簡單的填埋或暴露。因此，對磚渣的再利用不僅可以減緩磚渣垃圾對環境的污染，還能解決目前鐵路石料資源緊缺的現狀，具備極佳的經濟效益，符合可持續發展理念。

此外，作為鋼鐵工業中的副產品，鋼渣已經被證明是一種可以用于建筑領域的再生材料。在20世紀，鋼鐵產量大幅增加，與此同時， 12%～16%的爐渣被浪費[5]，引起了公眾的關注。鋼渣的再利用可以替代普通混凝土[6]、瀝青混凝土[7]和其他路面材料中的顆粒材料，用于道路基層、底基層和土基[8]。此外，鋼渣具有類似石材的性能，具有高耐磨性[9]，高空隙率，高排水性，以及高抗降解性，甚至更好的聯鎖性能。因此，鋼渣也可用于鐵路底砟層，且具有巨大的潛力。

由此，對再生混凝土骨料、再生磚渣和鋼渣進行密度試驗、洛杉磯磨耗試驗、直剪試驗、單體壓碎試驗，對比其與普通底砟的力學性能差別，分析這3種固廢循環材料作為底砟的可行性，為緩解鐵路石料資源緊缺及城市建筑垃圾利用等提供了一種新的解決思路。

2 材料和方法

2.1 試驗材料

TB/T 2897—1998《鐵路碎石道床底砟》[10]規定：底砟材料可取自天然砂礫材料，也可由開山塊石或天然卵石、礫石經破碎、篩選而成。底砟材料的粒徑級配應符合表1規定，且0.5 mm篩以下的細集料中通過0.075 mm篩的顆粒含量應≤66%。本研究選用的普通底砟材料為破碎礫石，其級配符合表1規定。

表1 底砟粒徑級配

圖2所示為鋼渣、再生磚渣及再生混凝土骨料。其中，鋼渣是工業中產生的廢渣，其產生率約為粗鋼產量的8%～15%。鋼渣的主要成分是渣鋼，以及鈣、硅、鎂等的氧化物，其中，CaO含量為40%～60%，SiO2含量為13%～20%。

圖2 鋼渣、再生磚渣、再生混凝土骨料

再生磚渣是對磚石廢料進行破碎、篩選，最終得到的固廢循環材料。相比于天然骨料，再生磚渣由于含有大量的黏土成分，具有較強的親水性，較小的表觀和堆積密度。其力學特性(強度、抗壓碎性)弱于天然骨料。針對再生磚骨料混凝土的既有研究表明[11]：再生磚渣骨料自身強度低，骨料與砂漿界面的微裂縫擴展更多地朝向骨料方向。

再生混凝土骨料由于其具有與天然砂石接近的性能，且成本低、效果好，常被用來生產預拌混凝土、預拌砂漿、道路水泥碎石穩定層、透水層鋪裝和保溫承重復合墻體材料等，同時也被廣泛應用于保障房、綠色建筑、河道治理、生態修復、海綿城市建設等領域[12]。

本實驗中取若干底砟顆粒，利用電子秤稱量其質量，利用排水法得出其體積，重復3次，計算得到其密度，同理對其他3種材料進行密度試驗，得到3種材質密度，如表2所示。

表2 各材質密度

2.2 試驗方法

2.2.1 洛杉磯磨耗試驗

采用洛杉磯磨耗試驗對普通底砟材料以及3種固廢循環材料進行抗耐磨性研究。以質量磨耗損失百分比作為指標參數，標定4種材料用作鐵路底砟時抵抗沖擊、磨耗、邊緣剪切等聯合作用的能力。道砟質量磨耗損失百分比是衡量道砟質量重要指標之一，在各國規范中均有詳細規定[3，13]。

洛杉磯磨耗試驗設備如圖3所示，其圓筒內徑為710 mm，筒內長為510 mm，轉速為31～33 r/min。試驗所用的鼓風干燥箱和電子天平如圖4所示，其中，電子天平的最大量程為30 kg，感量為1 g。

圖3 洛杉磯磨耗試驗機

圖4 鼓風干燥箱與電子天平

本研究針對鐵路底砟材料進行洛杉磯磨耗試驗，應當注意在試驗中底砟級配及所用鋼球數量和質量與普通道砟有所區別。本研究參照TB/T 2140.2—2018《鐵路碎石道砟-第2部分：試驗方法》[14]，試驗所采用的洛杉磯試驗機轉速為32 r/min。箱內所用鋼球直徑為46.0～47.6 mm，質量為390～445 g，數量和總質量如表3所示。

表3 底砟洛杉磯磨耗機鋼球數量

試驗開始前，應當對試樣材料進行篩分，同時保證其針、片狀顆粒的占比不超過5%。然后對試樣材料進行沖洗、烘干(105～110 ℃烘4 h)，并按表4的級配要求進行試樣的制備(3份)。

表4 洛杉磯磨耗率試樣質量

試驗過程中，將稱好的底砟材料放入試驗機，磨耗筒旋轉達到規定的次數后，用1.7 mm方孔篩篩分試樣，再將篩上剩余的底砟材料用水洗凈并烘干(105～110 ℃烘4 h)。再次過篩后稱量篩上底砟材料質量。底砟材料磨耗試驗前后對比如圖5所示，試驗過程如圖6所示。

圖5 洛杉磯磨耗試驗前后對比

圖6 磨耗后的篩分、清洗、烘干

底砟的洛杉磯磨耗率按下式計算

LAA=(G1-G2)/G1×100%

(1)

式中，LAA為底砟洛杉磯磨耗率，%；G1為試樣磨耗前質量，g；G2為試樣磨耗后粒徑>1.7 mm顆粒的質量，g。

最終底砟材料的洛杉磯磨耗率取3次重復試驗的平均值。3次試驗所得磨耗率中任意兩次之差應小于2%，否則應重新試驗。

2.2.2 直剪試驗

由于有砟軌道現場試驗成本巨大，試驗地點稀少，在有鐵路列車運行的軌道上實施道床力學試驗并不現實。而室內大型直剪試驗能夠有效地模擬底砟的力學狀況。通過直剪試驗，可以研究級配、密實度、顆粒形狀、垂向壓應力等參數對底砟材料抗剪強度、黏聚力和摩擦角等力學特性的影響[15-16]。

道砟/底砟直剪試驗即在直剪盒中裝入道砟散體，并施加與列車運行相對應的垂向應力，在此基礎上進行預定剪切面的水平剪切，進而確定其抗剪切強度[17]。

本研究使用的大型直剪試驗臺如圖7所示。整個試驗系統的主要技術指標如下[18-19]。

圖7 直剪試驗儀

(1)剪切盒：上下剪切盒尺寸均為150 mm×300 mm×300 mm。

(2)位移采集系統：通過全自動伺服試驗機內置轉子轉數，計算得到剪切過程中試樣的垂直位移和水平位移。

(3)加載系統：通過液壓伺服機器完成試樣加載，加載力為0～100 kN。剪切過程中保持上剪切盒水平方向固定，以一定速率水平推動下剪切盒。

(4)應力采集系統：剪切試驗過程中的應力通過相關傳感器和數采儀實現。

試驗步驟如下。

(1)根據規范所規定級配對底砟試樣進行篩分，隨后清洗、曬干。

(2)根據直剪盒體積、底砟堆積物空隙率、底砟密度，計算填滿直剪盒所需底砟質量，并按照篩分好的級配分別稱取。

(3)如圖8所示，混合均勻的底砟材料應等分5次填入直剪盒內，每次裝填完成后應用鐵塊夯實，并確保每次夯實的次數相同，夯實后保持平整。

圖8 底砟裝填過程

(4)調整上下直剪盒相對位置，保證上下直剪盒對齊，加載垂壓及水平應力時不偏向，填料完成后裝上直剪盒蓋。

(5)在控制器輸入指定垂壓，進行垂向加壓，待垂壓穩定在指定數值后，通過控制器驅使直剪盒以1 mm/min的速度位移，當橫向位移達到30 mm時，結束試驗，停止加載，記錄數據[18-19]。

2.2.3 單體壓碎試驗

道砟/底砟材料的劣化往往來源于單體顆粒在荷載作用下的破碎。因此，底砟材料的抗壓碎強度是其重要的力學指標。單個底砟顆粒的抗壓碎強度是影響底砟劣化的重要因素之一。抗壓碎強度主要體現在荷載下顆粒斷裂，斷裂強度可由平壓板之間的徑向壓縮間接測量。應用如下公式描述底砟顆粒抗壓碎強度

σf=Ff/d2

(2)

式中，σf為抗壓碎強度；Ff為破壞壓力；d為顆粒直徑。

由式(2)可見，底砟顆粒抗壓碎強度與顆粒粒徑的平方成反比。通常較小粒徑顆粒抗壓碎強度比較大粒徑顆粒高，更不容易破裂。原因是顆粒較大的材料，其初始裂紋和損傷較大，更容易破裂。Mcdowell[20]進行了一系列不同道砟母材、粒徑大小的道砟單體抗壓測試試驗。測試結果表明，道砟顆粒破碎符合Welbull分布，得出不同母材道砟顆粒粒徑對道砟抗壓強度影響不同，道砟顆粒粒徑與道砟抗壓強度相關，道砟顆粒粒徑對抗壓強度影響可通過一系列經驗公式表示等結論。本文所用的底砟單體壓碎試驗裝置如圖9、圖10所示。

圖9 底砟單體壓碎試驗示意

圖10 底砟單體壓碎試驗

試驗方案如下：

(1)每種材質取粒徑約為5，10，20 mm各5顆，取單個顆粒、洗凈、稱重，將試樣顆粒放在試驗臺上，測量圖9的d值；

(2)加壓直至破碎，破碎時壓力會急劇下降，保存數據；

(3)破碎之后把大顆粒和小顆粒分開稱重，拍照。

2.3 試驗工況

為研究再生混凝土骨料、再生磚渣、鋼渣的抗磨耗性能，洛杉磯磨耗試驗工況如表5所示。

表5 底砟洛杉磯磨耗試驗工況

為研究再生混凝土骨料、再生磚渣、鋼渣的抗剪切性能，設置直剪試驗工況如表6所示。

表6 直剪試驗工況

為研究再生混凝土骨料、再生磚渣、鋼渣的抗壓碎性能，設置單體壓碎試驗工況如表7所示。

表7 底砟單體壓碎試驗工況

3 結果與分析

按照2.2.1節所規定試驗方法與步驟，進行工況a1～a4試驗，試驗結果如表8所示。

表8 洛杉磯磨耗試驗結果

由此可得，這4種材質的抗磨耗性能：再生混凝土骨料>鋼渣>普通底砟>再生磚渣，再生混凝土骨料對比普通底砟抗磨耗性能提升21.04%，鋼渣對比普通底砟抗磨耗性能提升16.75%，再生磚渣對比普通底砟抗磨耗性能下降5.43%。根據TB/T 2897—1998《鐵路碎石道床底砟》標準，底砟洛杉磯磨耗率≯50%，再生混凝土骨料、再生磚渣、鋼渣均符合規范要求。

按照2.2.2節所述試驗方法與步驟，進行工況b1～b12試驗，繪制各材質的抗剪曲線，如圖11～圖14所示。

圖11 普通底砟應力應變曲線

圖12 鋼渣應力應變曲線

圖13 再生混凝土骨料應力應變曲線

圖14 再生磚渣應力應變曲線

如表9所示，單獨考慮普通底砟樣本，在50 kPa(工況b1)、100 kPa(工況b2)和200 kPa(工況b3)垂向應力下的最大剪切強度分別為70.95，116.33，199.45 kPa；鋼渣樣本，在50 kPa(工況b4)、100 kPa(工況b5)和200 kPa(工況b6)垂向應力下的最大剪切強度分別為83.3，140.43，245.28 kPa；再生混凝土骨料樣本，在50 kPa(工況b7)、100 kPa(工況b8)和200 kPa(工況b9)垂向應力下的最大剪切強度分別為116.23，173.12，320.11 kPa；再生磚渣樣本，在50 kPa(工況b10)、100 kPa(工況b11)和200 kPa(工況b12)垂向應力下的最大剪切強度分別為76.23，130.97，220.68 kPa。由此可見，在同種底砟樣本下，隨著垂向應力的增大，底砟抗剪強度隨之增大。

表9 直剪試驗結果

對比相同垂向應力下材料的抗剪強度， 50 kPa垂向應力下，普通底砟、鋼渣、再生混凝土骨料、再生磚渣樣本的抗剪強度分別為70.95，83.3，116.23，76.23 kPa；鋼渣、再生混凝土骨料、再生磚渣樣本的抗剪強度相比普通底砟抗剪強度分別上升了17.41%，63.82%，7.44%。100 kPa垂向應力下，普通底砟、鋼渣、再生混凝土骨料、再生磚渣樣本的抗剪強度分別為116.33，140.43，173.12，130.97 kPa；鋼渣、再生混凝土骨料、再生磚渣樣本的抗剪強度相比普通底砟抗剪強度分別上升了20.72%，48.82%，12.58%。200 kPa垂向應力下，普通底砟、鋼渣、再生混凝土骨料、再生磚渣樣本的抗剪強度分別為199.45，245.28，320.11，220.68 kPa；鋼渣、再生混凝土骨料、再生磚渣樣本的抗剪強度相比普通底砟抗剪強度分別上升了22.98%，60.50%，10.64%。由此可得，在同一垂向應力下，這幾種材質的抗剪強度排序為再生混凝土骨料>鋼渣>再生磚渣>普通底砟。因此，在抗剪強度上，再生混凝土骨料、鋼渣、再生磚渣3種固廢循環材料能夠適用于底砟。

按照2.2.3節所述試驗方法與步驟，進行工況c1～c12的單體壓碎試驗，每種工況進行3次試驗，取平均值。以工況c7為例，3次試驗的抗壓碎曲線如圖15所示。

圖15 工況c7的3組壓碎實驗曲線

取每條曲線的最高峰為壓碎時壓力，取平均值作為該工況的壓碎時壓力，為1.573 kN，根據式(2)計算的該工況的抗壓碎強度為62.9 MPa，同理計算每種工況的抗壓碎強度，如表10所示。

表10 單體壓碎試驗結果

由此可得，在粒徑5 mm下，再生混凝土骨料、再生磚渣、鋼渣的抗壓碎強度相較普通底砟分別提高了27.8%，2.2%，13.9%；在粒徑10 mm下，再生混凝土骨料、再生磚渣、鋼渣的抗壓碎強度相較普通底砟分別提高了21.3%，1.9%，12.7%；在粒徑20 mm下，再生混凝土骨料、再生磚渣、鋼渣的抗壓碎強度相較普通底砟分別提高了25.5%，15.6%，19.6%。由表10可得，這4種骨料的抗壓壓碎性能排序為再生混凝土骨料>鋼渣>再生磚渣>普通底砟。因此，在抗壓碎性能上，再生混凝土骨料、再生磚渣、鋼渣均適用于鐵路底砟。

4 結論與展望

本研究創新性地對再生混凝土骨料、再生磚渣、鋼渣等固廢循環材料進行了密度試驗、洛杉磯磨耗試驗、直剪試驗，以及單體壓碎試驗等力學特性試驗，同時以普通底砟材料作為對比，分析了固廢循環材料作為鐵路底砟的適用性，得到如下結論。

(1)再生混凝土骨料、鋼渣、再生磚渣的洛杉磯磨耗率均能滿足規范對于底砟的抗磨耗要求，其中，再生混凝土骨料、鋼渣的抗磨耗性能優于普通底砟，再生磚渣的抗磨耗性能略弱于普通底砟。

(2)再生混凝土骨料、鋼渣、再生磚渣的抗剪強度均優于普通底砟，滿足底砟材料的強度要求。3種固廢循環材料的抗剪強度排序為：再生混凝土骨料>鋼渣>再生磚渣。

(3)相同粒徑下，再生混凝土骨料、鋼渣、再生磚渣的抗壓碎性能均優于普通底砟。4種材料的抗壓碎強度隨著顆粒粒徑的增大而減小。

(4)再生混凝土骨料、鋼渣可用來替代普通底砟材料，優化底砟的力學特性。再生磚渣由于其抗磨耗性能略低于普通底砟材料，可以在設計時速較低的線路上作為底砟材料使用。

(5)針對固廢循環材料可能存在的結構內在缺陷等，應當在規范要求的級配范圍內，增加小粒徑材料的占比，從而提高其抗壓碎性能。

(6)在拆遷改造地區及煉鋼廠附近區域，有效地利用再生混凝土骨料、鋼渣以及再生磚渣等固廢循環材料，對于節約資源、保護環境和實現建筑業的可持續發展具有重要意義。

以上針對固廢循環材料做鐵路底砟用料的研究成果是基于與現有的一種底砟材料實驗對比而得到的。在未來的工作中將具體針對不同的固廢循環材料，按照規范要求，進一步驗證其檢驗指標。