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在我国东北、西北高寒地区,冬季低温和春季冻融循环极易造成铁路及公路路基损害。水泥级配碎石作为高速铁路路基材料,其透水性、低温下的体积稳定性和力学性能关系着高铁的冬季运营安全。为此,本文综合考虑水泥级配碎石的性能要求,通过试验系统研究了水泥级配碎石的级配设计、基本物理力学性能、透水性能以及抗冻性能,为水泥级配碎石在高速铁路上的应用与进一步优化提供实验与理论依据。研究的主要结论如下:1.利用逐级填充理论,基于振动压实密度与空隙率,经过四级填充,设计了符合规范要求的碎石级配,确定水泥级配碎石室内成型的最佳振动时间为120s。2.水泥级配碎石无侧限抗压强度随着水泥掺量增加而增大,随着粉煤灰替代率增大而减小;设计级配的抗压强度明显高于两组对比级配,水泥掺量大于5%时,三种级配都能达到抗压强度要求,但考虑的经济环保要求,建议采用5%以下含量水泥或者用少量粉煤灰替代部分水泥用量。3.随着水泥掺量增加,水泥级配碎石的透水系数逐渐减小,设计级配的透水系数都在0.01~0.1之间,且空隙率均大于13%,排水效果良好;粉煤灰取代率的增加不改变水泥级配碎石的透水性能;水泥级配碎石的透水系数与空隙率之间存在着二次多项式关系。4.冻融环境下,水泥级配碎石的失重率随水泥掺量增加而减小,随粉煤灰替代率增大而增大,设计级配的抗冻效果最好。9个冻胀循环后,水泥级配碎石失重率要比快速冻融高60%以上;设计级配在三个冻胀循环后强度降低了19.88%~41.49%。水泥级配碎石毛细吸水率随着冻胀循环次数的增加而增大,相同冻胀循环次数下,毛细吸水率随着水泥掺量增大而减小,随着粉煤灰替代率增大而增大。5.低温环境下,随着水泥掺量的增加水泥级配碎石的冻胀率逐渐减小,用粉煤灰替代部分水泥不能改善水泥级配碎石的抗冻性能。温度降低可以增大水泥级配碎石的冻胀率,但-12℃后,最大冻胀率基本保持不变。相同低温环境中,水泥级配碎石在全浸没环境下冻胀率最大,设计级配最大冻胀率为0.24%。6.掺加P.O42.5水泥的级配碎石虽然在透水性能上不如掺加P.O32.5水泥的级配碎石,但其抗压强度比掺加P.O32.5水泥的级配碎石高7.5%,且抗冻性能更好,低温膨胀率低12.86%。