聚氨酯固化道床的力學(xué)性能試驗研究

郄錄朝，王 紅，許永賢，許良善，劉海濤，曾樹谷

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

聚氨酯固化道床的力學(xué)性能試驗研究

郄錄朝1，2，王 紅2，許永賢2，許良善2，劉海濤2，曾樹谷2

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

聚氨酯固化道床是介于傳統(tǒng)碎石道床和無砟軌道整體道床之間的一種新型結(jié)構(gòu)。本文介紹了聚氨酯固化道床的國內(nèi)外現(xiàn)狀;通過聚氨酯固化道床圍壓試件的疲勞荷載、凍融試驗、實尺模型疲勞試驗和現(xiàn)場加載車測試試驗，研究聚氨酯固化道床的彈性、抗累積變形、荷載傳遞規(guī)律及軌排阻力等力學(xué)性能。試驗結(jié)果表明:聚氨酯固化道床具有良好彈性保持能力和抗累積變形能力，和普通碎石道床相比，具有更好的抵抗橫向荷載能力，同時驗證了聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)設(shè)計斷面的合理性。

聚氨酯固化道床 力學(xué)性能 試驗

1 聚氨酯固化道床及其發(fā)展現(xiàn)狀

聚氨酯固化道床是在已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定的新鋪碎石道床內(nèi)，使用高壓或低壓發(fā)泡機灌注聚氨酯發(fā)泡材料而形成的道床結(jié)構(gòu)。灌注的聚氨酯發(fā)泡材料經(jīng)道砟間的孔隙流入道床底部，材料起發(fā)后填充道砟間孔隙并將道砟柔性粘結(jié)在一起，使道床成為一個整體。聚氨酯固化道床既具有碎石道床良好的彈性和可維修性，又兼?zhèn)湔w道床穩(wěn)定性好、使用壽命長、道床維修作業(yè)少等特點，它不僅適合于高速、重載鐵路有砟軌道橋隧段，也適用我國西部人煙稀少、受風(fēng)沙侵害的線路。

聚氨酯固化道床在國內(nèi)外均處于研究階段。自2007年以來，全球范圍內(nèi)已經(jīng)建成了十條聚氨酯固化道床試驗線路，總長度約6 350 m，其中大部分集中在德國和中國。德國鐵路從2007年4月至2011年年底，鋪設(shè)了累計2 100 m長的聚氨酯固化道床，其中主要示范段為:①德鐵從漢堡至漢諾威的Uelzen客貨混運鐵路試驗段，長度為300 m;②德國Cottbus重載鐵路試驗段，用于煤炭運輸，長度為700 m;③德國科隆客貨共線鐵路試驗段，長度1 100 m。中國從2009年開始，共鋪設(shè)試驗段6處，主要包括武漢天興洲特大橋(225 m)、江岸特大橋(128 m)、鐵科院環(huán)行道試驗段(120 m)、龍廈鐵路程溪特大橋(1 322 m)、山西中南部鐵路通道跨長晉高速公路特大橋(700 m)和南嶺山隧道(1 100 m)，聚氨酯固化道床累計長度為3 595 m。

2 聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)設(shè)計

聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)設(shè)計原則:①有利于軌枕、道床及路基面的承載條件及荷載的傳遞和分布;②有利于道床自身的排水、施工及養(yǎng)護維修;③有利于減少聚氨酯固化道床材料用量，從而降低工程造價。采取以上設(shè)計原則的原因如下:首先道床的軌下斷面區(qū)段是承受和傳遞軌枕荷載的重要區(qū)段，道床搗固作業(yè)都只搗固軌下斷面區(qū)段。因此，聚氨酯固化道床僅灌注軌下斷面一定范圍內(nèi)軌枕區(qū)段，這對軌枕、道床和路基面的承載條件和荷載的傳遞及分布都是有利的;聚氨酯固化道床材料本身是不吸水、不滲水的，如果在施工時道床表面留有空洼，這些空洼就會積水，出現(xiàn)低溫凍融;如果對道床全斷面進(jìn)行灌注，聚氨酯用量很大，增加工程投資。根據(jù)以上原則及理論計算，聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)設(shè)計斷面見圖1。

聚氨酯灌注區(qū)域主要在軌下，其頂面不超過枕底，砟肩和道心不灌注。沿線路的縱向，在軌下斷面一定范圍內(nèi)形成兩條縱向的支承體，在道床底部全斷面鋪設(shè)排水墊。聚氨酯固化道床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)聚氨酯固化道床被鋸開時，其切割面穿過聚氨酯，也穿過碎石顆粒;當(dāng)聚氨酯固化道床被撕開時，其撕裂面只穿過聚氨酯材料，而不穿過碎石顆粒。

3 聚氨酯固化道床原材料

3.1 道砟材料

聚氨酯固化道床對碎石道砟的清潔度要求較高，道砟采用原有線路設(shè)計中規(guī)定的道砟材質(zhì)等級，統(tǒng)一采用一級道砟級配、特級道砟清潔度標(biāo)準(zhǔn)。道砟在生產(chǎn)、運輸、儲存及裝卸各環(huán)節(jié)采取措施，確保出廠道砟清潔度，防止道砟二次污染。

3.2 聚氨酯材料

聚氨酯材料由A組分和B組分的混合料構(gòu)成。A組分包括多羥基化合物、擴鏈劑和催化劑;B組分為異氰酸酯。聚氨酯固化道床是由A組分和B組分按一定比例混合后，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)形成的一定密度的泡沫體，粘結(jié)固化碎石道床中的道砟顆粒，使其形成整體穩(wěn)定、富有彈性的道床結(jié)構(gòu)。

聚氨酯泡沫固化材料的工作性能(起發(fā)時間、表干時間)和物理力學(xué)性能(自由發(fā)泡密度、壓縮強度、拉伸強度、斷裂伸長率、撕裂強度、壓縮永久變形、干熱老化、濕熱老化、耐紫外線老化、低溫性能恢復(fù)能力、阻燃性能)均應(yīng)滿足相應(yīng)要求。

聚氨酯原材料及產(chǎn)品應(yīng)滿足環(huán)保要求，不應(yīng)對人體、生物和環(huán)境造成有害影響。

圖1 聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)設(shè)計斷面

圖2 聚氨酯固化道床內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4 聚氨酯固化道床基本力學(xué)性能研究

通過研究固化道床結(jié)構(gòu)的物理和力學(xué)特性，可以掌握固化道床的變形規(guī)律和適應(yīng)性。試驗包括室內(nèi)圍壓試件的疲勞荷載試驗、凍融試驗和實尺模型疲勞試驗，以及現(xiàn)場加載車測試試驗。

4.1 圍壓試件的疲勞荷載和凍融試驗

聚氨酯固化道床承受著來自軌枕底面的壓力，同時周邊又承受著來自周邊道床的圍壓，因此，采用圍壓試件作為聚氨酯固化道床的材料性能試驗的試件，可以反映固化道床的基本受力情況。圍壓試件直徑為500 mm，高度取聚氨酯固化道床的厚度350 mm，由于圍壓試件周邊密度通常低于其中部密度，故要求試件總體密度為1.70 g/cm3。

1)荷載—變形試驗

荷載變形試驗的目的是探求聚氨酯固結(jié)道床材料的加載和卸載變形規(guī)律、檢測試件靜剛度及道床系數(shù)、并與碎石道床的對應(yīng)值進(jìn)行對比，評估道床彈性。

試驗荷載是根據(jù)京津城際鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試軌道動力性能試驗測試數(shù)據(jù)，將鋼軌動壓力取為50 kN，按圍壓試件受力面積進(jìn)行換算。聚氨酯試件的靜態(tài)加載和卸載曲線如圖3所示。聚氨酯試件的荷載變形規(guī)律和碎石道床的荷載變形規(guī)律完全相同，聚氨酯在碎石道床中的膨化固結(jié)并沒有改變碎石道床的基本力學(xué)性能。

圖3 試件靜載過程荷載—變形曲線

2)重復(fù)加載試驗

重復(fù)加載試驗的目的是檢驗聚氨酯固化道床材料在經(jīng)受荷載重復(fù)作用后，試件的靜剛度及其累積變形的變化情況，以評估材料抗疲勞的能力。

重復(fù)加載試驗的最大荷載同樣按鋼軌動壓力取50 kN進(jìn)行換算。由于換算壓力較小，需對2個試件同時進(jìn)行疲勞試驗。對試件施加交替循環(huán)荷載，從最小荷載5 kN到最大荷載，荷載循環(huán)次數(shù)＜5×106，加載頻率(4±1)Hz。各試件靜剛度變化曲線如圖4所示。可見，試件在承受重復(fù)荷載初期(0～100萬次)，靜剛度隨荷載作用次數(shù)的增加而有增長的趨勢，但在荷載重復(fù)作用100萬次以后，剛度趨于穩(wěn)定，持久保持彈性。

圖4 各試件靜剛度隨荷載作用次數(shù)變化曲線

試件的累積變形曲線如圖5所示。可見，4個被測試件累積變形規(guī)律基本一致，在荷載作用100萬次后基本趨于收斂。

圖5 試件累積變形曲線

圖6 凍融后靜剛度和累積變形隨荷載作用次數(shù)變化曲線

圖7 凍融后試件荷載—變形曲線

圖8 凍融后試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3)凍融試驗

凍融試驗的目的是檢驗材料經(jīng)反復(fù)凍融后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及承載能力的變化。包括材料反復(fù)凍融后，材料的吸水率變化、材質(zhì)的脆化和老化、材料彈性變化、材料整體承載能力和累積變形速率變化。首先對試件進(jìn)行吸水試驗，然后進(jìn)行凍融試驗。具體試驗步驟如下:①對每個試件灌水，靜置120 h，測試其吸水率。②將鐵桶表面積水倒掉，在(-20±2)℃冰箱中冷凍16 h，然后加熱到40℃，保持8 h。凍融循環(huán)5次，每次24 h。③對凍融后試件進(jìn)行疲勞試驗。

試件表面加水靜置120 h后，通過對試件表面及底部觀察以及吸水率測試，發(fā)現(xiàn)聚氨酯固化道床只是在表層吸水，且吸水率很小，最大沒超過0.36%。凍融后，進(jìn)行重復(fù)加載，試件靜剛度和累積變形隨荷載作用次數(shù)變化曲線見圖6。凍融后試件荷載—變形曲線見圖7。凍融后將試件從中間切開，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖8。

由圖6可見，開始時其累積變形和靜剛度有一個增長階段，隨后靜剛度與累積變形不再發(fā)生變化，這與凍融前變化趨勢一致，且試件彈性與凍融前也無明顯變化。開始時累積變形和剛度增長主要是加載板和試樣之間存在間隙，隨著荷載作用次數(shù)增加，兩者逐漸密貼，剛度和變形也不再發(fā)生變化。由圖7可見，荷載與變形曲線變化規(guī)律與凍融前一致，說明聚氨酯試件在經(jīng)過5個凍融循環(huán)后，其材料性能并未發(fā)生變化。由圖8可見，凍融后聚氨酯與道砟仍為良好的柔性聯(lián)結(jié)狀態(tài)，無任何破壞痕跡，內(nèi)部結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化。

4.2 實尺模型試驗

實尺模型一般用來模擬有砟軌道在剛性線路基礎(chǔ)上的受力狀況，通過進(jìn)行靜態(tài)加載和卸載測試試驗，研究固化道床彈性變化;通過重復(fù)荷載試驗，研究固化道床在高速和重載鐵路上的累計變形規(guī)律，評估軌道維修工作量及維修周期，比較不同軌道結(jié)構(gòu)承載能力。實尺模型疲勞試驗可較真實模擬現(xiàn)場情況。

實尺模型包括3根軌枕，道床厚度350 mm，道砟密度約1.70 g/cm3。荷載設(shè)計分別按高速和重載，高速荷載最小為10 kN，最大分別為110，130，150 kN，每個循環(huán)加載次數(shù)的比例為63∶147∶46，共加載5×106次，荷載波形為正弦簡諧波，頻率3～4 Hz;重載荷載最大分別為265，315，360 kN，每個循環(huán)加載次數(shù)的比例為28∶60∶12，共加載1×107次，荷載波形為正弦簡諧波，頻率3～4 Hz。

1)固化道床彈性試驗

對實尺模型進(jìn)行了靜態(tài)加載和卸載測試，試驗曲線見圖9。可以看出，卸載后軌道沉降變形幾乎恢復(fù)至0，說明固化道床軌下基礎(chǔ)彈性良好，能夠為軌道結(jié)構(gòu)提供彈性。

圖9 靜態(tài)荷載—變形曲線

2)高速荷載重復(fù)加載試驗

軌枕支承剛度隨高速鐵路荷載作用次數(shù)變化曲線見圖10。可以看出，軌枕支承剛度在高速鐵路荷載作用50萬次后基本不再發(fā)生變化，彈性保持較好。

實尺模型累積變形隨高速鐵路荷載作用次數(shù)的變化曲線見圖11。可以看出，道床累積變形在初期增長較快，基本上呈直線增長，隨著荷載作用次數(shù)的增加，變形趨向穩(wěn)定，說明聚氨酯固化道床在初期同樣要經(jīng)歷一個壓實、穩(wěn)定的過程。這與普通碎石道床累積變形規(guī)律一致，但其下沉量相比普通有砟軌道卻小得多。

圖10 軌枕支承剛度隨高速鐵路荷載作用次數(shù)變化曲線

圖11 實尺模型累積變形隨高速鐵路荷載作用次數(shù)變化曲線

3)重載荷載重復(fù)加載試驗

圖12為30 t軸重荷載作用1 000萬次下，聚氨酯固化道床彈性變化曲線。聚氨酯固化道床彈性曲線基本為一條水平的直線，說明即便在經(jīng)過1 000萬次荷載作用后，道床的彈性仍與初始時的彈性基本一致，并不像普通有砟道床那樣，隨著荷載作用次數(shù)增加而剛度變大，體現(xiàn)了良好的彈性保持能力。

圖12 重載荷載聚氨酯固化道床彈性變化曲線

實尺模型在30 t軸重重復(fù)荷載作用下的累積變形曲線見圖13。可見，在30 t軸重重復(fù)荷載作用下，聚氨酯固化道床模型累積變形雖然比高速鐵路荷載作用下累積變形(見圖11)要大，但絕對值也未超過3.5 mm，且作用400萬次后，累積變形已逐漸趨于收斂，說明即使在30 t軸重荷載作用下，聚氨酯固化道床也表現(xiàn)出了良好的抗累積變形能力。

圖13 實尺模型在30 t軸重重復(fù)荷載下的累積變形曲線

4.3 現(xiàn)場加載車測試

采用軌道加載車對聚氨酯固化道床和普通有砟軌道進(jìn)行加載試驗，測試加載后軌排橫向阻力和鋼軌垂向位移，對比聚氨酯固化道床和普通碎石道床軌排橫向阻力和垂向力沿縱向的分配規(guī)律和軌道狀態(tài)保持能力。加載荷載單軌垂向荷載最大145 kN、橫向荷載最大70 kN。

1)軌排橫向阻力

在鋼軌上施加橫向荷載，從0加載至70 kN測試鋼軌的橫向位移，結(jié)果見圖14。可見，在鋼軌橫移2 mm，橫向荷載達(dá)到50 kN之前，聚氨酯固化道床和普通碎石道床抗橫向荷載能力相差不大，但在橫向荷載達(dá)到50 kN之后，普通碎石道床鋼軌橫移明顯增大，而聚氨酯固化道床鋼軌橫移基本不變，說明聚氨酯固化道床相比普通碎石道床具有更好的抵抗橫向荷載能力，有利于軌道橫向穩(wěn)定性。

圖14 聚氨酯固化道床與普通碎石道床軌排橫向位移對比

2)鋼軌垂向位移

在聚氨酯固化道床和普通碎石道床連續(xù)布置4個位移傳感器，在1號傳感器位置加載，測試鋼軌垂向位移，結(jié)果見圖15。可見，聚氨酯固化道床由于縱向連成了整體，相比普通碎石道床力的分配系數(shù)小，且分配更加均勻，對軌道結(jié)構(gòu)受力更加有利。

圖15 聚氨酯固化道床與普通碎石道床鋼軌垂向位移對比

5 聚氨酯固化道床經(jīng)濟性分析

目前，采用聚氨酯固化道床增加的材料費用約為315萬元/km，施工機械及人工費增加的費用約為85萬元/km，聚氨酯固化道床比碎石道床增加的工程投資約為400萬元/km。根據(jù)聚氨酯固化道床累積變形試驗結(jié)果，擬合推算聚氨酯固化道床累積變形，普通碎石道床進(jìn)入穩(wěn)定階段后在客專運營條件下，每10年累積變形為17 mm，重載鐵路每通過1億t運量沉降為18.9 mm，而對聚氨酯固化道床來說，分別為2.2 mm和0.9 mm，其累積變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通碎石道床，重載鐵路采用聚氨酯固化道床可節(jié)約維修費用226～272萬元/km，高速鐵路采用聚氨酯固化道床可節(jié)約維修費用295～341萬元/km。可以看出，雖然采用聚氨酯固化道床初期投入比較大，但是節(jié)約的維修費用更多，而且還未考慮通貨膨脹和人工成本的上漲。另外，采用聚氨酯固化道床提高了通過能力，也能創(chuàng)造很大的經(jīng)濟效益。

聚氨酯固化道床目前還處在研發(fā)階段，成本較高，隨著聚氨酯固化道床研究不斷深入，通過聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)優(yōu)化，材料改進(jìn)，以及施工規(guī)模化之后，成本會有所降低。

6 結(jié)語

聚氨酯固化道床圍壓試件的疲勞荷載和凍融試驗、實尺模型疲勞試驗及現(xiàn)場試驗結(jié)果表明:聚氨酯固化道床有較小的殘余變形，良好的持久彈性;由于聚氨酯固化道床是縱向連續(xù)的雙梯形整體結(jié)構(gòu)，相比普通碎石道床力的分配系數(shù)小，且分配更加均勻，對軌道結(jié)構(gòu)受力更加有利，相比普通碎石道床具有更好的抵抗橫向荷載能力，從而驗證了聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

聚氨酯固化道床適用于重載鐵路橋梁及隧道、沙漠線路和多風(fēng)沙區(qū)域線路，能大大減少維修工作量，提高運輸能力，降低運輸成本。應(yīng)用于高速鐵路的高架車站、城鎮(zhèn)、郊區(qū)及長大鋼橋，將更加環(huán)保，確保線路經(jīng)常處于良好的工作狀態(tài)，提高行車安全性。應(yīng)對聚氨酯固化道床材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，降低造價。

［1］徐培林，張淑琴.聚氨酯材料手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［2］曾樹谷.鐵路散粒體道床［M］.北京:中國鐵道出版社，1997.

［3］郝瀛.鐵道工程［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.

［4］佐藤吉彥.新軌道力學(xué)［M］.徐涌，葉霞飛，馮毅杰，等，譯.北京:中國鐵道出版社，2001.

［5］曾樹谷.重載軌道結(jié)構(gòu)的破壞和設(shè)計［J］.鐵道學(xué)報，1983 (3):82-91.

［6］中國鐵道科學(xué)研究院.聚氨酯固化道床及軌道結(jié)構(gòu)減振技術(shù)的試驗研究報告［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2011.

［7］中國鐵道科學(xué)研究院.新型軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究——聚氨酯固化道床關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)研究報告［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2014.

［8］中華人民共和國鐵道部.鐵運［2006］146號鐵路線路修理規(guī)則［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［9］中國鐵道科學(xué)研究院.京津城際鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試軌道動力性能試驗分報告［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2008.

［10］王紅，許永賢，許良善，等.重載鐵路聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)形式及其合理參數(shù)的研究［J］.鐵道建筑，2014(7):129-132.

Experimental study on mechanical performance of polyurethane solidified ballast bed

QIE Luchao1，2，WANG Hong2，XU Yongxian2，XU Liangshan2，LIU Haitao2，ZENG Shugu2
(1.Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

The polyurethane solidified ballast bed is the compromise between tradition ballasted track bed and monolithic track bed of ballastless track.In this paper，the domestic and international current research of polyurethane solidified ballast bed was introduced，and the mechanical properties including elasticity，anti-accumulative deformation，load transfer law and rail resistance were studied through the experiments of con fining pressure test piece，such as fatigue load，freezing and thawing，full scale model of fatigue and field loading vehicle.The test results showed that polyurethane solidified ballast bed has good elastic maintenance ability and anti accumulative deformation ability，this type of track bed has better capacity to resist lateral load compared to tradition ballasted track bed，the rationality of section design for polyurethane solidified ballast bed structure is verified.

Polyurethane solidified ballast bed;Mechanical performance;Test

U213.7

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.24

1003-1995(2015)01-0107-06

(責(zé)任審編 葛全紅)

2014-09-10;

2014-11-28

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2013G005)

郄錄朝(1981—)，男，河北保定人，助理研究員，碩士研究生。