水泥改良集料侵蝕膨脹性能研究

王鵬程，堯俊凱，王李陽，陳鋒，張千里

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081）

水泥改良集料廣泛應用于道路與鐵道工程［1-2］。在我國高速鐵路路基工程中，為降低路橋（涵）過渡段的不均勻沉降，保證線路平順性，過渡段范圍內的基床填料一般為水泥改良級配碎石填料，其中基床表層填料內水泥含量（質量百分比）為5%，基床底層及以下路堤填料內水泥含量一般為3%［3］。盡管水泥改良集料擁有強度高、抗變形能力強等諸多優點，然而隨著服役時間的增加，在工程地質環境和氣候環境等因素的綜合作用下，鹽分侵蝕水泥改良集料引起上部結構上拱變形問題逐漸顯現［4-5］。我國高速鐵路無砟軌道變形要求十分嚴格［6］，持續的上拱變形會導致線路養護維修投入大幅度增加，甚至影響線路的正常運營。

硫酸鹽侵蝕水泥改良集料引起膨脹變形的問題最早發現于公路路面工程中，部分采用水泥改良碎石集料作為路面基層材料的地段陸續出現了明顯的裂縫及隆起變形。一些學者針對隆起地段的基層填料的礦物成分進行研究，發現了鈣礬石和硅灰石膏等膨脹性礦物［7-8］。近些年，高速鐵路路基工程中也陸續出現了侵蝕膨脹的問題。西班牙馬德里至巴塞羅那高速鐵路某路塹過渡段發生了較嚴重侵蝕膨脹引起的上拱變形，在2 年內上拱變形達到120 mm，同時橋梁結構也受到破壞［9］。我國西北某高速鐵路多處路涵過渡段發生路基上拱及偏移變形，數年內變形持續發展，軌道結構及橋涵結構均出現了明顯的破壞。研究人員對上拱工點的路基填料礦物成分進行分析，發現了鈣礬石和硅灰石膏這2 種膨脹性礦物，說明高鐵路基所選用的大粒徑的水泥改良碎石集料內部也可以發生侵蝕膨脹。集料的長期侵蝕膨脹易引起軌道結構的持續上拱，從而嚴重影響高速鐵路的平順性及行車安全［10-11］。

研究表明，侵蝕膨脹的主要原因是鹽分侵蝕條件下，集料內部生成了鈣礬石和硅灰石膏這2 種膨脹性礦物［12-13］。鈣礬石本身是硅酸鹽水泥早期水化產物之一，可提高水泥基材料的強度，然而水泥硬化后反應生成鈣礬石的過程體積膨脹率約250%，可能導致結構膨脹開裂，后者也稱為二次鈣礬石或延遲鈣礬石。硅灰石膏形成過程的體積膨脹率低于鈣礬石，約為145%，但是硅灰石膏的生成會引起水化硅酸鈣凝膠分解，使得膠凝材料失去黏性，因此對材料的破壞更大［14-15］。

侵蝕膨脹往往表現出持續增長的特點，一般寒季增長較快，夏季基本穩定，其主要影響因素包括硫酸根離子含量、溫度、水環境及化學環境［16-17］。研究表明，黏土含量較低時（小于10%），侵蝕反應所需的硫酸根離子含量則較高，一般大于10 000 ppm，但也有一些試驗表明，低至2 000 ppm 的硫酸根含量也會引起水泥改良細粒土的侵蝕膨脹［18］。鈣礬石類侵蝕膨脹較活躍的溫度區間為15～20 ℃，而硅灰石膏類侵蝕膨脹反應一般發生在溫度低于10 ℃的條件下。關于水分的影響，尚無明確的結論，一般認為只要有溶解鹽分所需濕度，即滿足了侵蝕膨脹所需的水分條件。水泥改良土的侵蝕膨脹反應一般發生在堿性較高（pH＞10.5）的環境，原因是堿性較高時黏土礦物中的鋁離子、硅酸鹽離子等更易釋放從而促進了侵蝕膨脹反應的發生［18-19］。目前，針對水泥改良細粒土侵蝕膨脹問題已經開展了大量的分析與研究，然而針對鐵路工程水泥改良碎石集料侵蝕膨脹性能的研究還有待深入。

以我國西部某客運專線鐵路車站無砟軌道結構上拱為工程背景，分析路基填料的膨脹性指標、易溶鹽含量及礦物組成，分析無砟軌道上拱變形原因；結合室內侵蝕膨脹試驗，進行水泥改良集料侵蝕膨脹性能研究。

1 工程概況

1.1 地層情況及典型斷面

我國西部某客運專線某站場線路采用CRTS I型雙塊式無砟軌道結構，線路開通2 年后，進站端岔區線路出現了明顯的上拱與偏移變形。該站場線路位于山前傾斜洪積平原區，屬于季節性凍土區。地層主要為第四系上更新統洪積粉質黏土、黏質黃土、砂類土及細圓礫土，具體情況見表1。地下水埋深10.4 m，主要為第四系松散堆積層孔隙潛水，具有硫酸鹽、氯鹽侵蝕性。土壤最大凍結深度約2.21 m。

表1 主要地層情況

該站場線路采用CFG 樁進行地基處理，樁長11.0 m，樁徑0.4 m。地表下設0.5～1.0 m 厚水泥改良土（黏質黃土）加筋墊層，水泥含量為5%。線路形式為低路堤，地基頂面以上路基填筑高度約1.7 m，基床表層填料為摻5%P.O42.5 水泥的級配碎石，基床底層填料為摻3%水泥的AB組填料。典型斷面如圖1所示。

圖1 上拱偏移工點典型橫斷面（單位：m）

1.2 膨脹變形情況

2016 年初發現該線路出現上拱及偏移變形。圖2 為2021 年8月上拱變形段的軌道結構在標準墊板下的狀態，沿線路縱向可觀察到明顯的軌道不平順。

圖2 軌道結構狀態

根據鐵路設備管理部門的養護維修記錄，此段落軌道結構需要經常性精調作業，且每年11 月至次年3月氣溫較低時，精調作業頻率明顯增加，說明此時間范圍內，由于基礎變形引起的線路變形速率增加，軌道結構的上拱與偏移呈現出持續增加的趨勢。

圖3 為截至2021 年8月，本段落軌道在標準墊板狀態下軌面變形情況。由圖3可知：上行線最大上拱28.9 mm，位于929 里程處，最大偏移11.9 mm，位于949 里程處；下行線最大上拱46.2 mm，位于909里程處，最大偏移8.6 mm，位于932里程處。上下行軌道結構變形狀態差異性較大，深部地基變形引起膨脹變形的可能性較小。

圖3 軌面變形情況

2 填料膨脹性分析

針對前文所述上拱變形工點，選取了909 里程上拱斷面及880 里程未上拱斷面處進行了取樣試驗分析。破除上下行線間混凝土封層后進行取樣，取樣位置分別為基床表層、基床底層和地基墊層。通過對路基填料膨脹性指標、易溶鹽含量及礦物組成分析研究了引起軌道結構上拱的主要原因。

2.1 膨脹性指標

根據《鐵路工程土工試驗規程》［20］分析路基填料中粒徑小于0.5 mm 細顆粒部分的蒙脫石含量、自由膨脹率及陽離子交換量3個膨脹性評價指標，檢測結果見表2。

表2 填料細顆粒含量及膨脹性指標

由表2 可知：基床表層、基床底層及地基墊層處土樣的膨脹性均低于《鐵路工程土工試驗規程》中弱膨脹土的評價標準，說明黏土礦物吸水膨脹不是引起此處無砟軌道路基上拱的主要原因。對比上拱斷面與未上拱斷面相同層位土樣的檢測結果可以發現，上拱斷面的膨脹性指標并非全部高于未上拱斷面，這進一步說明，以蒙脫石含量、自由膨脹率和陽離子交換量3個指標評價水泥改良填料的膨脹性存在局限性。

2.2 易溶鹽含量

根據《鐵路工程土工試驗規程》，通過化學滴定法對基床表層、基床底層、地基墊層填料及地基頂面8 m深度范圍內地基土的易溶鹽含量進行分析。圖4 為易溶鹽總量沿深度方向的分布情況，圖中0高度位置對應于地基頂面，圖中右側圖例為不同深度處的填料及地基土情況。由圖4可知：易溶鹽主要集中分布于基床表層及地基水泥改良土墊層內，含量超過了0.5%（5 000 ppm），地基深部的易溶鹽含量相對較低，約為0.1%，分布較為均勻；相比于未上拱斷面，上拱斷面基床及地基墊層填料內的易溶鹽總含量均較高。

圖4 易溶鹽總量分布

圖5 為土樣所含易溶鹽種類及其具體含量的試驗檢測結果。由圖5可知：土樣內易溶鹽種類主要包括硫酸根離子SO42-、鈣離子Ca2+、鎂離子Mg2+、鉀離子K+、鈉離子Na+和氯離子Cl-，其中SO42-和Ca2+占絕大部分，各類易溶鹽離子沿深度方向的分布形式與易溶鹽總量分布類似，均集中于基床表層及地基墊層；相比于未上拱段面，上拱斷面各部位的離子含量均較高，上拱斷面基床表層和地基墊層中SO42-的濃度分別為6 300 和4 500 ppm，未上拱斷面基床表層和地基墊層中SO42-的濃度分別為3 200 和500 ppm；上拱斷面基床表層和地基水泥改良土墊層中的Ca2+濃度分別為2 200和2 800 ppm，未上拱斷面基床表層和地基水泥改良土墊層中的Ca2+濃度分別為1 500和600 ppm。

圖5 易溶鹽離子分布

由此可見，即使水泥改良集料內的SO42-的濃度高于2 000 ppm，集料內部也不一定發生侵蝕膨脹反應。SO42-的濃度僅為侵蝕膨脹發生的必要因素之一，其具體發生條件受前文所述溫度、水分、礦物成分及化學環境等多種因素影響。Ca2+濃度就是主要影響因素之一，但是其對侵蝕膨脹的具體影響規律尚不能明確。

2.3 礦物成分

基于X光衍射試驗結果分析未上拱斷面和上拱斷面填料的晶體礦物成分及分布，如圖6所示。由圖6可知：未上拱斷面和上拱斷面路基填料的主要礦物均為石英和鈉長石；在未上拱斷面，除基床表層含有少量石膏外，填料內未檢測出膨脹性礦物；在上拱斷面，則檢測到了石膏、鈣礬石和硅灰石膏等多種膨脹性礦物，其中鈣礬石分布于整個斷面，硅灰石膏分布于基床表層及地基墊層，石膏分布于基床表層。

圖6 礦物成分及分布

鈣礬石及硅灰石膏在生成過程中必然伴隨著持續的體積膨脹，且具有膨脹速率在低溫條件下增加的特點。這與現場無砟軌道結構持續上拱，冬季上拱速率增加的變形特征較為一致，說明鹽分侵蝕水泥改良碎石集料反應生成膨脹性礦物是引起此處路基上拱的主要原因。相比于基床底層，基床表層和地基墊層內反應生成的膨脹性礦物更多，其主要原因基床表層及地基墊層內的易溶鹽含量、硫酸根離子含量及水泥含量均高于基床底層填料，同時，基床表層及地基墊層受外部環境溫度及水分等因素的影響更強烈，因此，更易發生侵蝕反應引起膨脹。

表3 為未上拱斷面及上拱斷面路基各層位的含水率及pH 環境情況。綜合以上分析可知：相比于未上拱斷面，上拱斷面填料各層位的易溶鹽含量和含水率更高；對上拱斷面不同層位進行分析可知，基床表層和地基墊層的易溶鹽含量更高、水泥含量更大，因此在這2 個部分反應生成了更多的膨脹性礦物。值得注意的是，盡管一些研究提出在強堿性環境條件下更容易發生侵蝕反應，然而本研究結果表明水泥穩定碎石集料在pH 小于10的堿環境條件下也可以發生侵蝕膨脹反應生成鈣礬石、硅灰石膏等膨脹性礦物。

表3 路基填料含水率與pH值

3 侵蝕膨脹試驗

3.1 試驗方案

為進一步分析硫酸鹽及水泥含量對水泥改良集料侵蝕膨脹變形的影響，在現場未上拱路基斷面挖取未摻加水泥的級配碎石填料進行室內侵蝕膨脹試驗。

將現場填料洗鹽烘干后篩分，取粒徑小于2 mm 的顆粒添加不同質量百分比的普通硅酸鹽水泥（0.5%，1%，3%和5%）及硫酸鈉（0.3%，0.5%，1%，3%和5%），制成底面直徑61.8 mm，高40 mm 的試樣置于固結儀內，試樣壓實度控制在0.92。制樣完成后連同固結儀一起放入恒溫恒濕箱內（如圖7所示）進行無荷條件下的室內侵蝕膨脹試驗。試驗溫度設定為10 ℃，濕度設定為70%，試樣周圍采用去離子水養護。試驗過程中觀察養護液液面高度并及時補水，監測試樣變形情況。

圖7 恒溫恒濕試驗設備

3.2 試驗結果

圖8 為水泥含量為3%時，不同硫酸鈉含量試樣的膨脹應變曲線。由圖8可知：根據曲線斜率的變化情況，膨脹應變曲線可分為快速增加、緩慢增加和相對平穩3 個階段，以硫酸鈉含量為1%的試驗條件為例，膨脹變形在第1天內迅速增加，隨后在第1 至第9 天內，膨脹增加速度減小，在第9 天以后膨脹變形基本穩定。Julia Knopp［21］的試驗取得了類似的變形特征，認為階段1對應于水泥的水化階段，階段2 的膨脹變形則是由于侵蝕膨脹導致的，階段3膨脹變形相對平穩。由于水泥水化速度較快，一般在水泥改良集料填筑后數日內完成，因此持續的上拱變形主要受階段2 的影響。硫酸鈉含量對于階段1持續時間影響不大，然而隨著硫酸鈉含量的增加，階段2 持續時間變短，最終的膨脹變形量增加，硫酸鈉含量為0.3%，0.5%，1%，3%和5%試樣進入階段3 的時間分別為第20，12，9，4 和3天，對應的最終膨脹應變分別為2.04%，2.17%，4.76%，8.58%和10.39%。

圖8 膨脹應變曲線（水泥含量3%）

圖9 為硫酸鈉含量對不同水泥含量試樣最大膨脹應變的影響曲線。由圖9可知：不同水泥含量試樣的最大膨脹應變均隨著硫酸鈉含量的增加而增加，而當硫酸鈉含量大于1%時，低水泥含量（0.5%和1%）試樣的最大膨脹應變的增加幅度相對平緩。說明在硫酸鈉含量充足的條件下，低水泥含量的試樣能更快地完成膨脹變形，高水泥含量的試樣膨脹持續時間則相對較長。結合現場無砟軌道持續上拱，且冬季上拱速率明顯增加的變形特征，可以認為高水泥含量及鹽分的不斷遷移、聚集是引發基床表層及地基墊層內水泥改良集料內部發生侵蝕反應引起無砟軌道結構持續性膨脹變形的主要原因。因此，在確保填料強度及變形要求的前提下，可采用降低水泥含量及合理設置隔離層防止鹽分遷移的措施避免持續性膨脹變形。

圖9 硫酸鈉含量對最大膨脹應變的影響曲線

圖10 為水泥含量對不同硫酸鈉含量試樣最大膨脹應變的影響曲線。由圖10 可知：硫酸鈉含量一定時，試樣的侵蝕膨脹應變并沒有隨著水泥含量的增加而單調增加，以硫酸鈉含量為3%條件為例，水泥含量由3%增加至5%時，最大膨脹應變由8.58%減小至7.33%，當水泥含量為8%時，最大膨脹應變則增加至8.66%。出現以上現象的主要原因在于隨著水泥含量的增加，集料的膠結強度也會增加，滲透性降低，從而在一定程度上限制了試樣的膨脹變形；而隨著水泥含量的進一步增加，Ca2+和Al3+等侵蝕膨脹反應物的數量不斷增加，侵蝕反應所引起的膨脹增加量超過強度約束的增加后，整體的膨脹應變則繼續增加。

圖10 水泥含量對最大膨脹應變的影響曲線

4 結論

（1）無砟軌道上拱變形主要由水泥改良集料的侵蝕膨脹導致，基床表層及地基墊層細顆粒含量及水泥含量高，鹽分易聚集且受外部環境影響劇烈，因此更易發生侵蝕膨脹。在較低的堿性（pH＜10）環境下侵蝕膨脹也可能發生。

（2）水泥改良集料膨脹應變曲線可分為快速增加、緩慢增加和相對平穩3 階段，階段1 對應水泥的水化過程，階段2 對應侵蝕膨脹，持續的上拱變形主要由階段2導致。

（3）侵蝕膨脹量隨硫酸鈉含量增加而增加，隨水泥含量增加先增加而后基本穩定。

（4）在滿足集料強度及變形要求前提下，可采取降低水泥含量、合理設置隔離層防止鹽分遷移的措施避免發生持續性侵蝕膨脹，具體設置方式則有待進一步研究。