CN105911083B - 一种高铁路基用水泥级配碎石冻胀性能检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高铁路基用水泥级配碎石冻胀性能的检测方法，其采用光纤光栅作为测试水泥级配碎石负温条件下冻胀性能的主要研究方法，设置空白光纤光栅对照组实验解决光纤光栅材料本身在温度变化下变形的温度补偿问题。光纤光栅测量水泥级配碎石冻胀性能，能够较好地检测光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量变化，通过不同试验可分析研究水泥级配碎石在负温条件下的变形行为，较好地得出水泥级配碎石在低温环境下的冻胀性能。相对于现有技术，本发明提供一种更高效实用更准确的高铁路基水泥级配碎石冻胀性能测试方法，具有测量精度高(可达1με)、实用性强、误差范围小等优点。

Description

一种高铁路基用水泥级配碎石冻胀性能检测方法

技术领域

本发明涉及一种高铁路基用水泥级配碎石冻胀性能的检测方法，属于高速铁路路基用水泥碎石级配性能研究领域。

背景技术

随着我国改革开发步伐的不断加快以及经济和科技的跨越，我国的铁路技术持续快速，尤其是是高铁技术快速发展，集中体现了中国铁路交通实现跨越式发展的进程，使中国铁路基础设施总体水平实现历史跨越式。

高速铁路工程系统中路基是承受轨道结构和列车荷载的基础，是铁路工程的重要组成部分，除应具备基本功能外，还应额外满足列车高速运行时冲击荷载的要求。哈大高铁一个冬季的运营经验表明，高寒地区高速铁路路基冻胀是养护维修工作量大的主要原因，是影响乘坐舒适度的主要因素。控制变形是路基设计的关键，而路基材料变形是轨道变形的主要来源，目前我国严寒地区高铁路基材料大部分使用水泥级配碎石。

冻害是我国北方地区路基常见的病害之一，尤其对于高速铁路而言，微小冻胀变形将对列车运行的安全性、稳定性带来影响。我国国土面积约有53.5％左右的地区属于季节性冻土区，特别是东北地区季节性冻土分布广泛，该地区冬夏季温差大，冻胀问题突出。而目前我国东北地区进入大规模的高速铁路建设时期，已开通运营的哈大、长吉客专，正在建设中的盘营、沈丹、哈齐、哈牡等客专，高速铁路里程超过2000km。因此如何研究高铁路基用水泥级配碎石的冻胀性能显得至关重要，能为高铁安全性和舒适性提供了有力保障。

目前，现有的高铁路基用水泥级配碎石冻胀性能的检测方法，存在实用性差、误差范围大等缺陷。

发明内容

发明目的：本发明是对现行高铁路基用水泥级配碎石冻胀性能测试方法的革新，提供一种更高效实用更准确的高铁路基水泥级配碎石及其冻胀性能测试方法，本发明具有测量精度高(可达1με)、实用性强、误差范围小等优点。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明公开了一种高铁路基用水泥级配碎石冻胀性能的检测方法，包括以下步骤：

a：用标准方孔筛进行碎石集料的筛分；将筛分好的碎石按路基施工级配曲线称取配比，将级配碎石、水泥、水均匀拌合成型，作为待测样品；

b：将步骤a中的待测样品取出，选择光纤光栅，用环氧树脂胶均匀地将光纤光栅的光栅区平整地粘贴在试样表面，作为实验组；选择另一支光纤光栅不粘贴在样品表面作为空白对照组，解决温度补偿问题，表面涂均匀厚度环氧树脂以减小误差；实验组中试样做浸水处理，得到不同饱水度的试样，完全饱水后饱水度视为100％；

c：将实验组和对照组试验样品放入调温调湿设备中，设置好温湿度控制程序，温度范围为-30～10℃，降温速率为0.01～0.1℃/min；连接光纤光栅与光纤光栅动态解调仪，实时监测记录样品随温度变化产生的微应变。

作为优选，步骤a中所述级配碎石掺量为85％～95％，水泥掺量3％～7％，水掺量为2％～8％。

作为另一种优选，步骤a中所述级配碎石符合《高速铁路路基工程施工质量验收标准》的要求，水泥为P.I.52.5硅酸盐水泥，水为自来水。

作为另一种优选，步骤a中所述标准方孔筛的筛孔尺寸为0.075mm～31.5mm连续尺寸。

作为另一种优选，步骤b中所述光纤光栅中心波长范围为1520～1580nm，波长偏差为+/-0.5nm，波长间隔≥5nm，栅区长度10～14mm。

作为另一种优选，步骤c中所述调温调湿设备为调温调湿环境箱。

本发明采用光纤光栅作为测试水泥级配碎石负温条件下冻胀性能的主要研究方法，设置空白光纤光栅对照组实验解决光纤光栅材料本身在温度变化下变形的温度补偿问题。试样模拟温度环境由调温调湿环境箱提供，该设备既能提供试验所需的温度范围，又能够设置特定的温度程序，如降温速率、保温时间等。结合使用SM130光纤光栅动态解调仪，将环境因素变化引起的光纤光栅波长变化实时调解和记录，专用光纤光栅数据处理软件能够将信号转换为温度、应变等信息。光纤光栅测量水泥级配碎石冻胀性能，能够较好地检测光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量变化，通过不同试验可分析研究水泥级配碎石在负温条件下的变形行为，较好地得出水泥级配碎石在低温环境下的冻胀性能。本发明方法简单，测量精度高(达1με)，误差小，能较准确地反映水泥级配碎石的冻胀性能，能为质量控制和工程安全提供了必要的保障。

技术效果：相对于现有技术，本发明提供一种更高效实用更准确的高铁路基水泥级配碎石冻胀性能测试方法，具有测量精度高(可达1με)、实用性强、误差范围小等优点。

附图说明

图1：实验组和对照组光纤光栅应变随温度变化规律；

图2：水泥掺量为5％时，不同饱水度试样应变随温度变化曲线；

图3：水泥掺量为7％时，不同饱水度试样应变随温度变化曲线；

图4：水泥级配碎石临界冻胀饱水度与水泥掺量的关系。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的技术解决方案。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明以满足《高速铁路路基工程施工质量验收标准》和《高速铁路设计规范》要求的水泥级配碎石为实验对象，以光纤布拉格光栅(简称光纤光栅，FBG)为主要测试方法，测量水泥级配碎石在低温环境下产生的冻胀行为，从而研究水泥级配碎石的低温冻胀规律。本发明与现有的水泥级配碎石冻胀测试方法相比较，具有测量精度高(可达1με)、使用范围广、误差小等优点。

本发明采用表面粘贴式光纤光栅作为主要测试工具，以抗低温性能较好的环氧树脂胶作为光纤光栅和水泥级配碎石之间的粘结剂。设置空白对照组光纤光栅作为温度补偿，以确保试验结果的准确性。由可以控制温度和湿度的调温调湿环境箱提供试验环境，结合SM130光纤光栅动态解调仪收集和解调数据信号，使用ENLIGHT光纤光栅数据处理软件，可以实时监测水泥级配碎石在低温下的冻胀变形量，从而分析研究水泥级配碎石的冻胀变形规律及其影响因素。

其中，水泥级配碎石的配比特征为：按其质量分数，级配碎石掺量为85％～95％，水泥掺量3％～7％，拌合水掺量为2％～8％。

其中级配碎石符合《高速铁路路基工程施工质量验收标准》的要求，水泥为P.I.52.5硅酸盐水泥，水为自来水；光纤光栅中心波长范围为1520～1580nm，波长偏差为+/-0.5nm，波长间隔≥5nm，栅区长度10～14mm，FC/APC连接头连接SM130光纤光栅动态解调仪。其中：FC/APC表示光纤连接头类型，FC表示圆型带螺纹(配线架上用的最多)接头、APC表示呈8度角并做微球面研磨抛光接头；SM130为解调仪型号。

测量高铁路基用水泥级配碎石冻胀性能的方法，包括以下步骤：

a：用标准方孔筛进行碎石集料的筛分；将筛分好的碎石按路基施工级配曲线称取配比，将级配碎石、水泥、水均匀拌合成型，作为待测样品；其中，按其质量分数，级配碎石掺量为85％～95％，水泥掺量3％～7％，拌合水掺量为2％～8％；

b：将步骤a中的待测样品取出，选择合适中心波长的光纤光栅，用环氧树脂胶均匀地将光纤光栅光栅区平整地粘贴在试样表面，作为实验组；选择另一支光纤光栅不粘贴在样品表面作为空白对照组，解决温度补偿问题，表面涂均匀厚度环氧树脂以减小误差；实验组中试样做浸水处理，得到不同饱水度的试样，完全饱水后饱水度视为100％；

c：将实验组和对照组试验样品放入调温调湿环境箱，设置好温湿度控制程序，温度范围为-30～10℃，降温速率为0.01～0.1℃/min；连接光纤光栅与SM130光纤光栅动态解调仪，运行ENLIGHT光纤光栅数据处理软件，实时监测记录样品随温度变化产生的微应变。

筛孔尺寸为0.075mm～31.5mm连续尺寸。

本发明提供一种关于高铁路基用水泥级配碎石冻胀性能测试的方法，其机理如下：光纤光栅测量水泥级配碎石冻胀性能，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。布拉格方程为λ_B＝2nΛ。其中，λ_B为光纤布拉格波长，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。试验中，将实验组的变形量减去对照组的变形量即可得试样在温度变化下的形变。水泥级配碎石在负温下的变形包括材料本身的受冷收缩和内部孔隙水分结冰引起的体积膨胀。通过不同的饱水度下水泥级配碎石的冻胀变形规律，找出不同水泥掺量的水泥级配碎石发生冻胀的临界饱水点。

实施例1

按质量分数称取原料，取级配碎石90％，水泥5％，自来水5％，充分混合后浇筑成型，养护温度为20±2℃，养护湿度90％以上,养护28d。实验组光纤光栅中心波长为1533±0.5nm，对照组光纤光栅波长为1527±0.5nm，降温速率为0.1℃/min。实验结果表明，温度达到-30℃时，实验组应变为-312με，对照组应变为-378με，即水泥级配碎石实际应变为66με。

实施例2

取相同质量的级配碎石、水泥、水，按照相同的方法成型养护。实验组光纤光栅中心波长为1531±0.5nm，降温速率为0.05℃/min。实验结果表明，温度达到-10℃时，实验组光纤光栅应变为-176με，温度降至-30℃时，应变为-368με。

实施例3

按相同的方法取级配碎石、水泥、水，水泥掺量为5％，水掺量为5％(水灰比为1)，标准成型养护。浸水处理得到饱水度分别为10％、30％、50％、80％的试样。实验组光纤光栅中心波长为1542±0.5nm，降温速率为0.01℃/min。实验结果表明，饱水度约为30％时，试样产生的收缩和冻胀应变基本相同，视为该掺量下的临界饱水度。

实施例4

按相同的方法取级配碎石、水泥、水，水泥掺量为7％，水掺量为7％(水灰比为1)，标准成型养护。浸水处理得到饱水度分别为10％、30％、50％、80％的试样。实验组光纤光栅中心波长为1553±0.5nm，降温速率为0.01℃/min。实验结果表明，饱水度约为50％时，试样产生的温度收缩和冻胀应变基本相同，视为该掺量下的临界饱水度。

实施例5

按相同的方法取级配碎石、水泥、水，水泥掺量为3～7％，标准成型养护。浸水处理得到饱水度分别为0～80％的试样，实验组光纤光栅中心波长为1558±0.5nm，降温速率为0.01℃/min。实验结果表明，水泥掺量分别为3％、4％、5％、6％、7％时，临界饱水度分别约为10％、25％、30％、45％、50％。

说明书附图1为实验组和对照组光纤光栅应变随温度变化规律。由图可以看出，两组光纤光栅应变均随温度降低而呈现负应变增大(收缩)规律，实验组(下曲线)应变较对照组(上曲线)小，原因是实验产生了冻胀变形，及两组实验应变的差值。

说明书附图2为水泥掺量为5％时，不同饱水度试样应变随温度变化曲线。由图可以看出，饱水度低(含水量少)时，试样应变随温度降低不断降低(负值)，即不断收缩；而饱水度较高时，应变随温度降低先减小后增大。主要原因是含水少时，试样主要表现为材料的受冷收缩，而含水较多时，水分结冰引起的冻胀变形大于冷缩变形。饱水度约为30％时可视为受冷收缩和冻胀变形基本相同，为临界饱水度。

说明书附图3为水泥掺量为7％时，不同饱水度试样应变随温度变化曲线。由图可以看出，不同饱水度下实验应变随温度变化规律和水泥掺量5％时基本相同。水泥掺量7％是，水泥级配碎石临界饱水度约为50％。

说明书附图4为水泥级配碎石临界冻胀饱水度与水泥掺量的关系。由图可以看出，水泥级配碎石的临界冻胀饱水度随着水泥掺量的增加而增加，主要原因是水泥掺量增加，使得级配碎石之间更加密实，抗冻胀变形性能增强。

Claims (4)

1.一种高铁路基用水泥级配碎石冻胀性能的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a：用标准方孔筛进行碎石集料的筛分；将筛分好的碎石按路基施工级配曲线称取配比，将级配碎石、水泥、水均匀拌合成型，作为待测样品；所述标准方孔筛的筛孔尺寸为0.075mm～31.5mm连续尺寸；

b：将步骤a中的待测样品取出，选择光纤光栅，用环氧树脂胶均匀地将光纤光栅的光栅区平整地粘贴在试样表面，作为实验组；选择另一支光纤光栅不粘贴在样品表面作为空白对照组，解决温度补偿问题，表面涂均匀厚度环氧树脂以减小误差；实验组中试样做浸水处理，得到不同饱水度的试样，完全饱水后饱水度视为100％；所述光纤光栅中心波长范围为1520～1580nm，波长偏差为+/-0.5nm，波长间隔≥5nm，栅区长度10～14mm；

c：将实验组和对照组试验样品放入调温调湿设备中，设置好温湿度控制程序，温度范围为-30～10℃，降温速率为0.01～0.1℃/min；连接光纤光栅与光纤光栅动态解调仪，实时监测记录样品随温度变化产生的微应变。

2.根据权利要求1所述的高铁路基用水泥级配碎石冻胀性能的检测方法，其特征在于，步骤a中所述级配碎石掺量为85％～95％，水泥掺量3％～7％，水掺量为2％～8％。

3.根据权利要求1所述的高铁路基用水泥级配碎石冻胀性能的检测方法，其特征在于，步骤a中所述级配碎石符合《高速铁路路基工程施工质量验收标准》的要求，水泥为P.I.52.5硅酸盐水泥，水为自来水。

4.根据权利要求1所述的高铁路基用水泥级配碎石冻胀性能的检测方法，其特征在于，步骤c中所述调温调湿设备为调温调湿环境箱。