嚴(yán)寒地區(qū)高鐵路基用水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石凍脹機(jī)制研究.pdf

1、近年來(lái)中國(guó)高速鐵路事業(yè)迅猛發(fā)展，尤其十八大以來(lái)，以“四縱四橫”為主骨架的高速鐵路建設(shè)正加快推進(jìn)，中國(guó)正逐漸形成世界上規(guī)模最大以及運(yùn)營(yíng)速度最快的高速鐵路網(wǎng)。越來(lái)越多的高鐵線(xiàn)路將途經(jīng)凍土廣泛分布的嚴(yán)寒地區(qū)，這些地區(qū)冬季溫度極低，凍脹問(wèn)題非常嚴(yán)重，極易造成路基變形，引起軌道不平順，從而嚴(yán)重影響高鐵運(yùn)行的安全性。路基是高鐵線(xiàn)路產(chǎn)生凍脹變形的主要來(lái)源，因此研究高鐵路基材料水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的凍脹性能及防凍脹措施具有重要的意義。
　　本文研究以

2、哈大、哈齊高鐵的建設(shè)為研究背景，以嚴(yán)寒地區(qū)高鐵路基用水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石為研究對(duì)象，開(kāi)展了材料組成設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化和機(jī)理研究等方面的工作。首先以宏觀(guān)力學(xué)性能為指標(biāo)、結(jié)合顆粒級(jí)配理論對(duì)基床表層碎石的級(jí)配作了科學(xué)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證;其次，采用超聲波原位監(jiān)測(cè)、光纖布拉格光柵(FBG)、X射線(xiàn)三維重構(gòu)(X-CT)等技術(shù)方法，研究了水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的力學(xué)性能、收縮性能、抗凍性能及其影響規(guī)律;最后，建立了以超聲波衰減為指標(biāo)的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石耐久性評(píng)估方法和

3、壽命預(yù)測(cè)模型。
　　基于試驗(yàn)和理論研究得到的主要結(jié)論如下:
　　(1)基于CBR試驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)合的方法，對(duì)路基材料進(jìn)行級(jí)配組成設(shè)計(jì)。粗集料(＞4.75mm)級(jí)配通過(guò)CBR試驗(yàn)逐級(jí)填充的方法確定，細(xì)集料(＜4.75mm)級(jí)配采用最大密度曲線(xiàn)理論計(jì)算得到。該設(shè)計(jì)級(jí)配劃分了滲透性和非滲透性級(jí)配碎石的級(jí)配區(qū)間，通過(guò)數(shù)值模擬的方法驗(yàn)證了設(shè)計(jì)級(jí)配的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，獲得了骨架良好、密實(shí)度高的級(jí)配組成。
　　(2)基于超聲波原位監(jiān)測(cè)試

4、驗(yàn)，研究了水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石早期微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，其早期微結(jié)構(gòu)發(fā)展分為三個(gè)階段——誘導(dǎo)期、加速期、減速期。水泥摻量、水灰比、養(yǎng)護(hù)溫度、碎石級(jí)配等均會(huì)影響水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石微結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展，在施工和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，控制較低的水灰比、較高養(yǎng)護(hù)溫度、良好的材料組成均有利于材料密實(shí)微結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展，提高路基材料的工作性及穩(wěn)定性。
　　(3)對(duì)比粉煤灰在級(jí)配碎石中超聲波發(fā)展規(guī)律，探究了水泥在路基級(jí)配碎石中的作用機(jī)理。前期主要表現(xiàn)為填充效應(yīng)，后期主

5、要表現(xiàn)為膠結(jié)效應(yīng)，水泥水化產(chǎn)物產(chǎn)生膠結(jié)作用的同時(shí)也填充在級(jí)配碎石空隙之間。高鐵路基用水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展，是水泥的填充效應(yīng)和膠結(jié)效應(yīng)相互聯(lián)系、共同作用的結(jié)果。
　　(4)水泥的摻入能夠明顯提高路基材料的強(qiáng)度、降低孔隙率、提高抗凍脹性能，但干燥收縮也隨之增大，從而影響路基的體積穩(wěn)定性。水泥摻量5％時(shí)，抗壓強(qiáng)度約10MPa，完全滿(mǎn)足路基材料對(duì)強(qiáng)度的要求。摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5％的水泥，路基材料凍脹率小于0.1％，防凍脹效果非常明顯

6、。綜合考慮材料的力學(xué)性能、干燥收縮、抗凍脹性以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用性等方面，提出嚴(yán)寒地區(qū)高鐵路基級(jí)配碎石中水泥摻量5％為宜，科學(xué)指導(dǎo)了工程應(yīng)用。
　　(5)基于光纖光柵原位凍脹監(jiān)測(cè)，研究了水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石凍脹過(guò)程及影響因素。水泥摻量、含水率等因素對(duì)材料的抗凍脹性能影響較大，控制較低的含水率有利于提高基床表層材料的耐久性。采用X-CT三維重構(gòu)的方法，從微觀(guān)角度分析了水泥提高路基材料抗凍性能的機(jī)理，揭示了路基產(chǎn)生宏觀(guān)凍脹的原因。
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