一种基于高铁路基强化层的废轮胎胶粉改性复合基床结构

摘要

本发明公开了一种基于高铁路基强化层的废轮胎胶粉改性复合基床结构，包括强化层和改性水稳层，强化层和改性水稳层相对应的面结合在一起，轨道设置在强化层上，改性水稳层位于基床底层上，基床底层位于路基上部。本发明的改性水稳层和强化层共同构成了废旧轮胎胶粉改性复合基床表层结构，兼具防水功能、抵抗冻融循环损伤性能，削弱冻胀融沉变形病害发生程度，材料的疲劳性能得到了提高，由于均经过废旧轮胎胶粉改性，材料的刚度性能可调可控，可缓解路基结构层模量突变带来的应力集中问题，有利于改善层间结构受力状态，层间抗剪强度的提升可提高路基结构整体稳定性。本发明适用于高速铁路路基工程的技术领域。

说明书

技术领域

本发明属于高速铁路路基工程的技术领域，具体的说，涉及一种基于高铁路基强化层的废轮胎胶粉改性复合基床结构。

背景技术

废旧轮胎的堆积、焚烧或者填埋，不仅会占用大量的土地资源，还会对环境造成严重的污染。因此，废旧轮胎循环再利用有其现实迫切性。高铁路基基床表层结构常采用级配碎石强化的层状结构体系，含少量细粒土及连续级配是其明显的材料特征。由于细粒土的水稳性差，在列车动载和大气降水的共同作用下，容易产生翻浆冒泥等病害，病害恶性循环可能造成路基失稳。同时，细粒土的簇团特征及粒径大小也会对填料的冻胀特性产生明显的影响。若能将1.7mm以下细颗粒部分去除，可削弱水泥稳定碎石材料的冻胀敏感性。同时，由于路基刚度较小，与较高模量的基床表层之间形成模量突变，层与层之间变形不协调，对水泥稳定碎石基层底面受力状态极为不利，容易产生应力集中问题。尤其在季节性冻土地区，高铁路基结构需要兼顾防排水、抗冻融、变形小，以及层状路基结构稳定等性能。

发明内容

本发明提供一种基于高铁路基强化层的废轮胎胶粉改性复合基床结构，用以提高基床表层结构在季冻区环境下服役性能，兼具防水功能、抵抗冻融循环损伤性能、削弱冻胀融沉病害发生程度、改善层间接触受力状态提高路基稳定性，同时材料的疲劳性能得到大幅度提高，并提出一种废旧轮胎工业固废循环再利用的潜在途径。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于高铁路基强化层的废轮胎胶粉改性复合基床结构，包括自上而下依次设置的强化层和改性水稳层，所述强化层包括废旧轮胎胶粉、基质沥青及碎石，所述废旧轮胎胶粉和基质沥青发育改性，形成废旧轮胎胶粉改性沥青，废旧轮胎胶粉改性沥青与碎石混合搅拌而形成强化层，所述改性水稳层包括废旧轮胎胶粉、水泥及碎石，所述废旧轮胎胶粉的胶粒粒径为12目、20目、40目、60目和80目，按照等体积混合而成，颗粒相对密度1.13；所述水泥为P.O42.5级普通硅酸盐水泥，其初凝时间为150min，终凝时间为240min；所述碎石由石灰岩开山块石经破碎筛选而成，且强化层和改性水稳层相对应的面相互结合在一起，轨道设置在强化层上，所述改性水稳层位于基床底层上，且所述基床底层位于路基上部。

进一步的，强化层所用废旧轮胎胶粉粒径为40~80目；粒径在40~80目的废旧轮胎胶粉占基质沥青质量的12%~18%；所述基质沥青包括90#道路石油沥青。

进一步的，所述废旧轮胎胶粉改性沥青和碎石的质量比为5.5%，所述强化层的孔隙率为3%。

进一步的，所述改性水稳层的级配的不均匀系数Cu＞15，水泥的掺量为5%。

进一步的，以粒径为1.7mm以下的废旧轮胎胶粉等体积替换同粒径集料，废旧轮胎胶粉替换量分别为该粒径集料总体积的30%~45%，占总质量的4.0%~6.17%，压实度为97%。

进一步的，于所述改性水稳层的上表面且位于强化层的两侧处分别开设有多个泄水孔，且泄水孔沿轨道的延伸方向间隔设置；于改性水稳层的上端的两侧处分别设置有电缆槽，所述强化层的下端面覆盖电缆槽的上表面。

进一步的，所述轨道的下端依次设置有轨道板和底座板，且底座板设置于强化层上表面上。

本发明由于采用了上述的结构，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：本发明的改性水稳层改善了水泥稳定碎石的疲劳性能，而且改性水稳层在季节性冻土地区具备较好的抗冻性能、疲劳性能，明显改善基床表层材料冻胀融沉变形现象，强化层能够有效提高沥青混凝土的延性和抗干缩、抗温缩性能，降低沥青混凝土的导热性，提高防水性能，与高速铁路基床表层强化层的多目标需求特别吻合。综上可知，本发明的改性水稳层和强化层共同构成了废旧轮胎胶粉改性复合基床表层结构，其兼具了防水功能、抵抗冻融循环损伤性能、削弱冻胀融沉变形病害发生程度，同时材料的疲劳性能也得到了一定程度的提高，由改性水稳层和强化层构成的新型复合基床表层结构由于均经过废旧轮胎胶粉改性，材料的刚度性能可调可控，缓解了路基结构层模量突变带来的应力集中问题，有利于改善层间结构受力状态。由于废旧轮胎胶粉和沥青的粘结性明显优于碎石，复合基床表层结构的层间剪切力得到了一定的提升，提高了层状路基结构的稳定性，对于季节性冻土地区铁路工程构建传荷式耐久性路基结构具有重要意义。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例改性水稳层的模量改善效果图；

图3为本发明实施例改性水稳层结合后的抗冻融评价指标矩形图；

图4为本发明实施例改性水稳层结合后的无侧限抗压强度的矩形图；

图5为本发明实施例斜剪试验的示意图；

图6为本发明实施例强化层和改性水稳层层结合后层间接触的抗剪强度变化矩形图。

标注部件：1-强化层，2-改性水稳层，3-基床底层，4-路基，5-泄水孔，6-电缆槽，7-轨道板，8-底座板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开了一种基于高铁路基强化层的废轮胎胶粉改性复合基床结构，如图1所示，包括自上而下依次设置并分别添加有废旧轮胎胶粉的强化层1和改性水稳层2，而且强化层1和改性水稳层2相对应的面相互结合在一起，轨道设置在强化层1上，改性水稳层2位于基床底层3上，而且基床底层3位于路基4上部。本发明的优势在于：本发明的改性水稳层2改善了水泥稳定碎石的疲劳性能，而且改性水稳层2在季节性冻土地区具备较好的抗冻性能、疲劳性能，明显改善基床表层材料冻胀融沉变形现象，强化层1能够有效提高沥青混凝土的延性和抗干缩、抗温缩性能，降低沥青混凝土的导热性，提高防水性能，与高速铁路基床表层强化层1的多目标需求特别吻合；综上可知，本发明的改性水稳层2和强化层1共同构成了废旧轮胎胶粉改性复合基床表层结构，其兼具了防水功能、抵抗冻融循环损伤性能、削弱冻胀融沉病害发生程度，同时材料的疲劳性能也得到了一定程度的提高，改善层间接触受力状态提高路基稳定性，由改性水稳层2和强化层1构成的新型复合基床表层结构由于均经过胶粉改性，材料的刚度性能可调可控，缓解了路基4结构层模量突变带来的应力集中问题，有利于改善层间结构受力状态，由于废旧轮胎胶粉和沥青的粘结性明显优于碎石，复合基床表层结构的层间剪切力得到了一定的提升，提高了层状路基结构的稳定性，对于季节性冻土地区铁路工程构建传荷式耐久性路基结构具有重要意义。

作为本发明一个优选的实施例，强化层1包括废旧轮胎胶粉、基质沥青及碎石，废旧轮胎胶粉和基质沥青发育改性，并与碎石混合搅拌而形成强化层1。其中，废旧轮胎胶粉粒径为40~80目，占基质沥青质量的12%~18%；所述基质沥青包括90#道路石油沥青。废旧轮胎胶粉改性沥青和碎石的质量比为5.5%，所述强化层1的孔隙率为3%。在搅拌罐中完成废旧轮胎胶粉、基质沥青以及添加剂按比例混合均匀，经过高速搅拌后送到发育罐完成发育过程，这其中废旧轮胎胶粉粒径、废旧轮胎胶粉掺量、搅拌时间、储存时间、搅拌与储存温度是其核心控制参数。因此，以废旧轮胎胶粉粒径、废旧轮胎胶粉掺量为主要试验变量，并选择合适的搅拌与储存时间、温度参数，如表1所示，

表1 强化层1方案（基于90#沥青）

级配如表2所示

表2沥青混合料级配特征

本发明强化层1的防水密封性如下表3所示，

表3强化层1的防水密封性

本发明强化层1的低温抗裂性，JTG F40-2004评价密级配沥青混合料低温抗裂性能采用-10℃的破坏应变。以胶粉目数60目，胶粉掺量18%为目标配比为例。结果显示低温抗裂性能相比未改性前较好。如下表4所示

表4低温抗裂性能

作为本发明一个优选的实施例，本发明的改性水稳层2包括废旧轮胎胶粉、水泥及碎石，废旧轮胎胶粉的胶粒粒径为12目、20目、40目、60目和80目，按照等体积混合而成，颗粒相对密度1.13。水泥为P.O42.5级普通硅酸盐水泥，其初凝时间为150min，终凝时间为240min。碎石由石灰岩开山块石经破碎筛选而成。其中，改性水稳层2的级配的不均匀系数Cu＞15，水泥的掺量为5%。以粒径为1.7mm以下的废旧轮胎胶粉等体积替换同粒径集料，废旧轮胎胶粉替换量分别为该粒径集料总体积的30%~45%，占总质量的4.0%~6.17%，压实度为97%。

表5 水泥稳定碎石试样粒径级配(C5P0.1)

注：

如图2所示，本发明改性水稳层2的模量实现可调可控，可改善层间模量相差较大 问题。图2中E

本发明的改性水稳层2，由于废旧轮胎胶粉的加入改善了水泥稳定碎石的疲劳性能；作为一种柔性憎水材料，胶粉部分替代水泥稳定碎石中的细粒土，可改善细粒土的水稳定性以及簇团特征。该材料在季节性冻土地区具备较好的抗冻性能、疲劳性能，明显改善基床表层材料冻胀融沉变形现象。强化层1能够有效提高沥青混凝土的延性和抗干缩、抗温缩性能，降低沥青混凝土的导热性，提高防水性能，与高速铁路基床表层强化层1的多目标需求特别吻合。

本发明废旧轮胎胶粉改性复合基床表层为强化层1+粘结层+改性水稳层2，即强化层1和改性水稳层2通过粘结层结合在一起。考虑到各层综合试验结果，改性水稳层2 中1.7mm细颗粒替换量为30%~45%；强化层1中，改性沥青配比为胶粉目数60目，胶粉掺量18%；粘结层：在废旧轮胎胶粉改性水稳层2上撒布乳化沥青450g/m

作为本发明一个优选的实施例，如图1所示，在改性水稳层2的上表面且位于强化层1的两侧处分别开设有多个泄水孔5，而且泄水孔5沿轨道的延伸方向间隔设置。在改性水稳层2的上端的两侧处分别设置有电缆槽6，强化层1的下端面覆盖电缆槽6的上表面。轨道的下端依次设置有轨道板7和底座板8，并且底座板8设置在强化层1上表面上。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。