CN102503311A - 适用于膨胀岩地区铁路路基基床的水泥基防水抗裂材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于膨胀岩地区铁路路基基床的水泥基防水抗裂材料，由胶凝材料组份、改性组份和砂土体系组成，所述的胶凝材料组份、改性组份和砂土体系的质量比为1∶(0.38～0.42)∶(5.0～5.5)。本发明是一种具有较好防水性能和良好弹性变形性能的适用于膨胀岩地区铁路路基基床的水泥基防水抗裂材料。

Description

适用于膨胀岩地区铁路路基基床的水泥基防水抗裂材料

技术领域

本发明涉及一种水泥基防水抗裂材料，具体涉及一种适用于膨胀岩地区铁路路基基床上部防止地表水下渗的且能经受列车动荷载疲劳作用的低强度高弹性防水材料。

背景技术

膨胀岩属于软岩中的特殊类型，它的性状具有似岩非岩、似土非土的特点，其湿度变化时有较大体积变化，变形受约束时产生较大内应力，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定。建设在上面的基建工程产生常会出现不均匀的竖向或水平的胀缩变形，造成位移、开裂、倾斜甚至破坏，且往往成群出现，危害性很大，一般于工程完工后半年到五年出现^[1，2]。

膨胀岩广泛分布于我国西南地区，尤以我国的广西和云南最为广泛。几年来，大量的交通工程项目在我国西部地区建设。目前在我国西南地区已经完成的建设项目中，已有部分工程受到膨胀岩的影响。例如，由于南昆铁路广西段路基大部分位于膨胀岩地段，在通车使用了一段时间后，发现由于基床下部的膨胀岩在地下水和地表水的反复作用下发生的胀缩变形，加之铁路路基上部直接承受列车动力荷载作用，造成了南昆铁路路基基床的严重病害。基床病害主要有路基下沉翻浆、冒泥、基床鼓起、侧向挤压破坏(如图2所示)等。路基基床一旦出现病害将直接威胁列车的安全运行，造成列车慢行，停开，严重者会造成列车脱轨，翻车，给国家造成重大损失^[3，4]。因此研究线膨胀岩基床病害的整治方法有着重大的现实意义。

通过大量的现场调查，发现以下2个因素共同作用导致了膨胀岩基床病害的发生^[2，4]。第一，地下水和地表水在路基基床中渗透，导致了膨胀岩的膨胀和收缩变形；第二，列车行驶过程中动力荷载的反复作用。在已经建成的南昆铁路中，1998年至今南宁铁路局投入了近亿元资金整治路基病害，采用了挖除换填、全封闭等整治措施，尽管耗费巨资，基床病害问题始终未得到有效解决。既有南昆铁路膨胀土(岩)实践证明，膨胀岩具有复杂的工程地质特性，如果不采取措施或措施不当，不仅无法保证施工质量和施工工期，还会给铁路运营留下隐患，后患无穷。根据以上分析，在膨胀岩地区的路基基床施工中，最重要的是要能够隔绝地表水通过路基下渗到膨胀岩上，而且防水材料还需要具有良好的抗裂性能，能能够随着膨胀岩在地下水作用下发生轻微变形而变形。

目前，关于路基基床防水的技术措施主要是在基床下部铺设复合防水板、热拌沥青层、混凝土层，或者增大换填深度等措施^[5]。这些方法在膨胀岩表面铺设往往达不到防水的作用。试验发现复合防水板接缝往往是渗水的通道，而且下渗的地表水容易在防水板内部形成水袋，在列车动荷载作用下，形成泵击效应，造成防水失效。热拌沥青的质量控制要求非常高，而且价格不菲。混凝土是脆性材料，膨胀岩稍有胀缩，就容易开裂，失去防水作用。增大基床换填深度，建设成本将大幅增加，且严重影响工期^[6，7]。

虽然，铁路建设中有关路基基床防排水的研究已经开展了多年，但是关于膨胀岩地区路基基床防水的有效方法还鲜见报道。因此，研发一种能够有效隔断地表水向膨胀岩渗透，而且本身能够随膨胀岩的变形而发生一定的变形，具有较强抗裂性能，适合于膨胀岩地区路基基床防水结构层的水泥基防水抗裂材料，对于我国膨胀岩地区铁道工程的建设具有重要意义。

参考文献：

[1]冯玉勇，张永双，曲永新，等.南昆铁路百色盆地膨胀土路堤病害机理研究，岩土工程学报，2001，23(4)：463-469.

[2]冯俊德，杨果林，龙广成.云桂铁路膨胀岩(土)现场调查、调研和处治建议报告.成都，中铁二院；长沙，中南大学，2010.

[3]曾继杰.南宁盆地膨胀岩的工程性质及防护措施，路基工程，2001，(6)：5-10.

[4]吴志平，舒茂芳，潘焱.我局辖内南昆线膨胀(岩)土路基病害情况调查及整治分析.2003年中国交通土建工程学术暨建设成果论文集，672-677.

[5]郝瀛.铁道工程，中国铁道出版社，北京，2004.

[6]邱延峻，魏永幸.客运专线无砟轨道路基面防水型沥青混合料.铁道学报，2008，30(5)：85-90.

[7]刘宁.使用防水土工膜防治路基-路面的水因破坏.交通世界，2010，(15)：238-240.

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有较好防水性能和良好弹性变形性能的适用于膨胀岩地区铁路路基基床的水泥基防水抗裂材料。

为了解决上述技术问题，本发明提供的适用于膨胀岩地区铁路路基基床的水泥基防水抗裂材料，由胶凝材料组份、改性组份和砂土体系组成，所述的胶凝材料组份、改性组份和砂土体系的质量比为1∶(0.38～0.42)∶(5.0～5.5)。

所述的胶凝材料组份由普通硅酸盐水泥和粉煤灰组成，所述的水泥与粉煤灰的质量比为1∶(0.5～1.0)。

所述的水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥以上等级，所述的粉煤灰为I级或II级。

所述的改性组份由橡胶粉颗粒、聚丙烯纤维、乳化沥青、乳胶粉、轻质碳酸钙粉和聚羧酸型减水剂组成，所述的橡胶粉颗粒为再生橡胶粉颗粒大小介于20～60目之间，所述的聚丙烯纤维的长度在10～20mm之间，所述的橡胶粉颗粒、聚丙烯纤维、乳化沥青、乳胶粉和轻质碳酸钙粉的质量比为1∶(0.02～0.03)∶(0.6～1)∶(0.06～0.08)∶(0.3～0.5)，所述的聚羧酸型减水剂用来调节工作性能。

所述的砂土体系由河砂和低膨胀性土颗粒组成，所述的河砂和低膨胀性土颗粒的质量比为1∶(0.7～1)。

所述的河砂为中粗河砂，所述的低膨胀性土颗粒土为红粘土或者当地的中弱膨胀土，颗粒小于20mm。

本发明中水掺量与胶凝材料掺量的质量比为(0.7～1.0)∶1，通过减水剂调节工作性。

本发明的水泥基防水抗裂材料经过标准养护28d，其主要性能为：抗压强度(2.0～5.0)MPa、弹性模量≤2GPa、56d电通量≤6000C、典型应力应变曲线图4所示。

本发明的科学性、有效性及其与现有测试方法的比较：

本发明是基于对我国西南地区膨胀岩地质对铁路路基基床影响的充分现场调查以及对目前常用的路基基床防水方法后开展的，充分考虑了膨胀岩的性质和路基基床防水的特点和要求。突破了传统的路基基床防水方法，采用胶凝材料+改性组分+砂土体系构成，改性组份具有是使该材料弹性变形能力增强的作用，通过大量实验证明本发明的材料具有较好的防水性能和抗裂性能。与传统的路基基床防水方法相比，防水效果更好，变形性能更强，工程造价还略有降低。

本发明的优点和积极效果：

A、本发明主要采用胶凝材料+改性组份+砂土的混合体系，同时具备了较好的防水性能和抗裂性能，铺设在膨胀岩和路基基床之间，可以显著提高我国西南地区膨胀岩路基基床防水效果。

B、采用本发明可以减少膨胀岩地区进行铁路建设时的路基基床填挖量，减少了工程量，缩短了施工工期，具有较好的经济性。现场施工操作简单，可就地取材，价格合理，适用性强。

附图说明

图1本发明材料在膨胀岩路基基床中使用位置。

图2本发明典型应力应变曲线(采用实施例1配合比)。

图3是对比例与实施例的应力应变线(标养至28d，试件尺寸(100*100*300)mm³)。

图4是对比例与实施例的电通量测试值(标养至28d，采用ASTMC1202方法测试)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步的限定。

本发明提供的适用于膨胀岩地区铁路路基基床的水泥基防水抗裂材料，由胶凝材料组份、改性组份和砂土体系组成，所述的胶凝材料组份、改性组份和砂土体系的质量比为1∶(0.38～0.42)∶(5.0～5.5)。

胶凝材料组份由普通硅酸盐水泥和粉煤灰组成，水泥与粉煤灰的质量比为1∶(0.5～1.0)，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥以上等级，所述的粉煤灰为I级或II级。

改性组份由橡胶粉颗粒、聚丙烯纤维、乳化沥青、乳胶粉、轻质碳酸钙粉和聚羧酸型减水剂组成，橡胶粉颗粒为再生橡胶粉颗粒大小介于20～60目之间，聚丙烯纤维的长度在10～20mm之间，橡胶粉颗粒、聚丙烯纤维、乳化沥青、乳胶粉和轻质碳酸钙粉的质量比为1∶(0.02～0.03)∶(0.6～1)∶(0.06～0.08)∶(0.3～0.5)，聚羧酸型减水剂用来调节工作性能。

砂土体系由河砂和低膨胀性土颗粒组成，所述的河砂和低膨胀性土颗粒的质量比为1∶(0.7～1)，河砂为中粗河砂，低膨胀性土颗粒土为红粘土或者当地的中弱膨胀土，颗粒小于20mm。

本发明中水掺量与胶凝材料掺量的质量比为(0.7～1.0)∶1，通过减水剂调节工作性。

实施例：

	胶凝材料组份	改性组份	砂土体系	水
					对比例1	1	0	5.1	0.8
实施例1	1	0.38	5.3	0.8
					实施例2	1	0.40	5.1	0.8
实施例3	1	0.42	5.0	0.8

其中发明例改性组份中橡胶粉颗粒、聚丙烯纤维、乳化沥青、乳胶粉和轻质碳酸钙粉的质量比为1∶0.024∶0.8∶0.06∶0.34。

以实施3为例，其每立方米材料配合比如下：(单位：kg/m³)

本发明的水泥基防水抗裂材料经过标准养护28d，其主要性能为：抗压强度(2.0～5.0)MPa、弹性模量≤2GPa、56d电通量≤6000C、典型应力应变曲线图2所示。

图1本发明材料在膨胀岩路基基床中使用位置，图中：1-基床表层，2-0.7(0.6)m厚级配碎石，3-2.15(1.75)m厚A、B组填料，4-0.10m厚中粗砂(缓冲层)，5-水泥基防水抗裂材料，6-其面处理，7-膨胀岩。

图2本发明典型应力应变曲线(采用实施例1配合比)。

图3对比例与实施例的应力应变线(标养至28d，试件尺寸(100*100*300)mm³)，由图3可知，采用本发明的材料变形性能大幅增加。

图4对比例与实施例的电通量测试值(标养至28d，采用ASTMC1202方法测试)。

本发明提供的适用于膨胀岩地区铁路路基基床的水泥基防水抗裂材料在现场施工时，应按照如下步骤进行：

(1)、施工前要对膨胀岩的基面进行处理，清除基面上的浮土的杂物，在基面喷射一层厚度约3mm的水泥浆层。

(2)、按照要求准备好原材料，为便于现场施工，可以将改性组分中的乳胶粉、轻质碳酸钙粉、聚丙烯纤维按比例配置好后，拌制均匀，单独装袋。

(3)、现场可采用体积为(500～1000)L的搅拌机械进行搅拌，搅拌时首先投入砂土组份，然后投入胶凝材料组份，再投入改性组份，分别搅拌均匀，最后掺入水和适量的减水剂，搅拌时间3分钟左右。

(4)、材料搅拌好后，立刻用运输车运至处理过的膨胀岩表面，采用人工夯实或者机械碾压的方法，摊铺在膨胀岩表层，摊铺厚度(20～30)mm，摊铺完毕采用混凝土的养护方式进行养护，养护48小时后，在其表面铺设厚度为(8～10)cm的砂垫层，随后可以继续进行下一步的路基基床其它施工。

本发明是一种具有较好防水性能和良好弹性变形性能的水泥基抗裂防水材料。该材料铺设在膨胀岩地区铁路路基基床1与膨胀岩7之间(见图1所示)可有效隔断地表水和地下水在基床中的渗透，并能承受膨胀岩在地下水作用下的变形以及列车动力荷载的反复疲劳作用，为我国铁路建设时在膨胀岩地区路基基床病害提供切实可行的解决方法，从而确保铁路安全行车的要求。

本发明是一种技术成熟、施工简便、价格合理，能够就地取材的膨胀岩地区路基基床防排水结构层材料。主要针对我国西南地区铁路建设中在地下水和地表水作用下膨胀岩发生胀缩造成建在膨胀岩上部的路基基床发生病害的实际工程调查研究，并结合目前人们对铁路路基基床防排水处理方法和效果的研究，研发了一种适合于铺设在膨胀岩与路基基床之间的新型水泥基防水抗裂材料。该材料具有较好的变形性能，能够使膨胀岩在地下水作用下发生膨胀时产生变形而不会开裂，因此不会造成地表水下渗的通道，同时该材料本身具有较好的防水性能，能够阻止地表水沿路基基床下渗到膨胀岩中，从而最大程度的降低膨胀岩由于地表水渗入而造成的膨胀，保证了膨胀岩路基基床良好的防水性能，确保了列车行成安全。

Claims (6)

1.一种适用于膨胀岩地区铁路路基基床的水泥基防水抗裂材料，其特征是：由胶凝材料组份、改性组份和砂土体系组成，所述的胶凝材料组份、改性组份和砂土体系的质量比为1∶(0.38～0.42)∶(5.0～5.5)。

2.根据权利要求1所述的适用于膨胀岩地区铁路路基基床的水泥基防水抗裂材料，其特征是：所述的胶凝材料组份由普通硅酸盐水泥和粉煤灰组成，所述的水泥与粉煤灰的质量比为1∶(0.5～1.0)。

3.根据权利要求2所述的适用于膨胀岩地区铁路路基基床的水泥基防水抗裂材料，其特征是：所述的水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥以上等级，所述的粉煤灰为I级或II级。

4.根据权利要求1或2所述的适用于膨胀岩地区铁路路基基床的水泥基防水抗裂材料，其特征是：所述的改性组份由橡胶粉颗粒、聚丙烯纤维、乳化沥青、乳胶粉、轻质碳酸钙粉和聚羧酸型减水剂组成，所述的橡胶粉颗粒为再生橡胶粉颗粒大小介于20～60目之间，所述的聚丙烯纤维的长度在10～20mm之间，所述的橡胶粉颗粒、聚丙烯纤维、乳化沥青、乳胶粉和轻质碳酸钙粉的质量比为1∶(0.02～0.03)∶(0.6～1)∶(0.06～0.08)∶(0.3～0.5)，所述的聚羧酸型减水剂用来调节工作性能。

5.根据权利要求1或2所述的适用于膨胀岩地区铁路路基基床的水泥基防水抗裂材料，其特征是：所述的砂土体系由河砂和低膨胀性土颗粒组成，所述的河砂和低膨胀性土颗粒的质量比为1∶(0.7～1)。

6.根据权利要求5所述的适用于膨胀岩地区铁路路基基床的水泥基防水抗裂材料，其特征是：所述的河砂为中粗河砂，所述的低膨胀性土颗粒土为红粘土或者当地的中弱膨胀土，颗粒小于20mm。

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