運營高速鐵路路基無砟軌道抬升注漿材料性能研究

李　杰

(上海鐵路局，上海　200071)

?

運營高速鐵路路基無砟軌道抬升注漿材料性能研究

李杰

(上海鐵路局，上海200071)

摘要：為保證運營線高速鐵路路基段沉降無砟軌道抬升用高聚物注漿材料的性能滿足工程要求，并確保其不會對環境造成污染，通過系統的疲勞性、耐久性以及浸水后有害離子測試試驗對無砟軌道抬升用高聚物注漿材料的抗疲勞性能、耐化學侵蝕、耐老化性等耐久性能和環保性能開展系統研究，并進行工程應用效果驗證。研究結果表明：高聚物注漿材料在疲勞荷載作用下殘余變形小，具有良好的尺寸穩定性；耐化學侵蝕性和耐老化性優良，強度保持率70%以上，環保性能好，高聚物注漿材料長期埋入地下時不會對環境造成影響；工程實體取樣驗證表明高聚物注漿材料耐久性能與環保性能均滿足設計要求，有效保持了抬升后無砟軌道結構的穩定性。

關鍵詞：高速鐵路；無砟軌道；路基；抬升；注漿材料

1概述

無砟軌道以其良好的整體性和穩定性在高速鐵路建設中備受青睞，是高速鐵路最為重要的軌道結構形式。但是，隨著運營時間的增長，在復雜地質情況下，基于地基/路基不均勻沉降引起的軌道沉降問題在我國高速鐵路無砟軌道運營線路上逐漸開始顯現。部分地段無砟軌道結構沉降量已遠遠超出扣件系統的有限調整量，線路平順性無法恢復，只能限速運營，這對我國高速鐵路無砟軌道線路的正常運營帶來了嚴重影響[1-9]。

為解決這一難題，滬杭客專公司與中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所聯合對常規無砟軌道線路、道岔以及抬升約束阻力大的含端梁等特殊無砟軌道的整體精確抬升材料、工藝及工裝設備開展系統研究，形成了適用于不同無砟軌道結構的成套高聚物注漿抬升修復技術[10-13]。但相比水泥基材料，該技術所用注漿材料為一種高分子聚合物化學漿液，因而其耐久性能直接關系到抬升后無砟軌道的長期穩定性，而其高聚物固結體的環保性能直接關系到該項技術是否可能對土體、水體等環境造成污染[14-16]。

因此，對高聚物注漿材料的抗疲勞性能、耐化學侵蝕、耐老化性等一系列耐久性能和環保性能開展了系統研究，并進行了工程應用效果驗證，以期為我國高速鐵路無砟軌道沉降病害的修復整治提供借鑒和參考。

2高聚物注漿材料耐久性能

2.1抗疲勞性能

在服役中，高聚物注漿材料結構體除了承受上部結構的靜荷載之外，還要承受列車運營產生的動荷載(實際運營中一般不超過0.1 MPa)，對于多孔結構的高聚物注漿材料，其動荷載下的尺寸穩定性至關重要。采用MTS疲勞試驗機對高聚物注漿材料進行不同應力下的疲勞試驗。試樣尺寸為(φ150 mm×50 mm)，加載頻率為4 Hz，疲勞次數1 000萬次。疲勞試驗見圖1。試驗結果見表1。

圖1　疲勞試驗測試

序號1234最大應力值/MPa0.040.100.20.3對應的動變形/mm0.10.150.30.3殘余變形/mm0.060.080.080.12

從表1可以看出，隨著最大應力提高，對應的動變形略有增加。對于高聚物注漿材料來說，即使采用高于實際運營所承受的荷載2倍以上，其疲勞1 000萬次后殘余變形也較小。

2.2耐化學侵蝕性能

(1)耐酸堿腐蝕性

試驗室配制了不同pH值的溶液，酸性溶液的pH值為2.0，堿性溶液的pH值為14.0，對比溶液為中性溶液，pH值為7.0，試樣成型3 d之后，裁成標準試件，試件尺寸為100 mm×100 mm×50 mm，然后浸泡到不同pH值的酸堿溶液中，并保證試件在溶液液面下5 cm。參照《聚合物乳液建筑防水涂料》(JC-T864—2008)計算某齡期的壓縮強度保持率φT(式(1))，所得的高聚物注漿材料的壓縮強度保持率如圖2所示。

(1)

式中σT——某齡期的壓縮強度，MPa；

σ0——酸堿腐蝕前的壓縮強度，MPa。

圖2　不同pH值溶液浸泡下高聚物注漿材料壓縮強度保持率

由圖2可以看出，隨著酸堿溶液浸泡齡期的延長，不同pH值溶液中高聚物注漿材料的壓縮強度保持率有所降低，不同pH值溶液中注漿材料壓縮強度保持率的排序為中性溶液>酸性溶液>堿性溶液，pH值為7.0的中性溶液中，浸泡240 d后，壓縮強度保持率在90%以上；pH值為2.0的酸性溶液中，浸泡240 d后，壓縮強度保持率在85%以上；pH值為14.0的堿性溶液中，浸泡240 d后，壓縮強度保持率在75%以上，因而，無論酸堿溶液還是中性溶液，高聚物注漿材料的壓縮強度保持率均在75%以上。

(2)耐土壤腐蝕性

為模擬高聚物注漿材料在級配碎石中服役的環境特點，將試件尺寸為100 mm×100 mm×50 mm的標準試樣埋入具有一定含水率的級配碎石中，分別埋藏30、90、120、180 d后測試試件的壓縮強度，壓縮強度保持率如圖3所示。

圖3　高聚物注漿材料耐土壤腐蝕壓縮強度保持率

由圖3可以看出，高聚物注漿材料具有優異的耐土壤腐蝕能力，在級配碎石中埋藏240 d后，壓縮強度保持率在90%以上，這說明，注入到級配碎石中的高聚物注漿材料具有優異的耐腐蝕性，滿足設計要求。

2.3耐老化性能

高聚物注漿材料屬于高分子材料，耐老化性能的優劣直接影響其耐久性能。本文采用濕熱老化試驗檢驗了高聚物注漿材料的耐老化性能，試驗時，參照《聚合物乳液建筑防水涂料》(JC-T864—2008)，試驗溫度為(85 ℃±3) ℃，濕度≥95%，養護至一定齡期后測試其壓縮強度和拉伸強度，試驗結果如圖4所示。

圖4　高聚物注漿材料的耐濕熱老化性能

由圖4可以看出，隨著濕熱老化齡期的延長，高聚物注漿材料的壓縮強度和拉伸強度均逐漸降低。當齡期分別為14 d和56 d時，壓縮強度保持率為93%、82%；拉伸強度保持率為92%、83%，這說明，濕熱老化影響高聚物注漿材料的性能。本研究制備的高聚物注漿材料濕熱老化90 d，壓縮強度和拉伸強度保持率均在70%以上。

3環保性能

將聚合反應硬化后的高聚物材料浸泡于蒸餾水中，按照《生活飲用水衛生標準檢驗方法》(GB5750—2006)檢測高聚物泡水后水溶液中各離子的濃度，試驗結果如表2所示。

表2　高聚物注漿材料泡水后的水溶液離子濃度

由表2高聚物注漿材料浸泡水濾出液的成分分析結果表明，濾出液當中并不含高聚物材料成分，證明高聚物結構體在長期被水浸泡的情況下，不會降解或者腐爛。通過高聚物浸泡水質檢驗結果與生活飲用水衛生標準對比分析，高聚物材料不會對水質造成污染，這表明高聚物注漿材料長期埋入地下時不會對環境造成影響。

4工程應用效果驗證

將本文所用的高聚物注漿材料應用在某高鐵K45+000～K45+400路基段沉降無砟軌道結構的注漿抬升施工，上行線最大抬升量82 mm，下行線最大抬升量106 mm。抬升后線形如圖5、圖6所示。

圖5　上行線抬升后線路線形

圖6　下行線抬升后線路線形

抬升過程中，采用高聚物注漿材料的抬升精度控制較好(均在±1 mm范圍內)，軌道結構線形控制良好，均滿足當日列車開通條件；經動態監測，線路120 m弦左、右高低峰值顯著降低(均低于2 mm)，線路垂向加速度也明顯降低，線路幾何狀態得到顯著改善。經精確抬升整治后，限速區段得以及時恢復常速運營。

抬升完成1年后，該區段線路高程幾乎無變化，于抬升地段現場取樣后進行了高聚物注漿材料的性能測試，經測試發現，高聚物注漿材料耐久性能與環保性能等各項指標均滿足設計要求，強度保持率98%以上，因而，可有效保持抬升后無砟軌道結構的長期穩定性。

5結語

對高聚物注漿材料的抗疲勞性能、耐化學侵蝕、耐老化性等耐久性能和環保性能開展了系統研究，并進行了工程應用效果驗證，主要結論如下。

(1)不同密度高聚物注漿材料，循環加載1 000萬次后基本無殘余變形，動荷載下高聚物注漿材料具有良好的尺寸穩定性和抗疲勞性能。

(2)高聚物注漿材料在酸堿溶液浸泡240 d后的壓縮強度保持率均在75%以上，具有一定的抗酸堿性。

(3)高聚物注漿材料濕熱老化90 d，其壓縮強度和拉伸強度保持率均在70%以上，高聚物注漿材料具有較好的抗濕熱老化性能。

(4)高聚物材料不會對水質造成污染，這表明高聚物注漿材料長期埋入地下時不會對環境造成影響。

(5)通過工程實體取樣進行高聚物注漿材料的性能驗證，表明高聚物注漿材料耐久性能與環保性能等各項指標均滿足設計要求，強度保持率98%以上，可有效保持抬升后無砟軌道結構的長期穩定性。

參考文獻：

[1]孫立，陳秀方.雙塊式無砟軌道軌枕的優化設計研究[J].鐵道建筑技術，2009(8):1-3.

[2]徐慶元，李斌，周智輝.CRTSⅠ型板式無砟軌道線路路基不均勻沉降限值研究[J].中國鐵道科學，2012(2):2-5.

[3]程志強.板式無砟軌道結構受力影響分析[J].鐵道建筑技術，2011(7):4-6.

[4]李昌寧，戴宇. 鄭徐鐵路客運專線CRTSⅡ型板式無砟軌道施工關鍵技術[J].鐵道標準設計，2015(9):25-28.

[5]張珍珍.CRTSⅠ型板式無砟軌道路基沉降抬板維修技術研究[J].鐵道標準設計，2015(4):13-15.

[6]張國紅.高速鐵路無砟軌道倒T型端刺施工技術[J].鐵道建筑技術，2010(1):1-3.

[7]吳紹利，王鑫，吳智強，陸方斌.高速鐵路無砟軌道結構病害類型及快速維修方法[J].中國鐵路， 2013(1):42-44.

[8]劉觀，胡佳，杜華楊. CRTSⅠ型板式無砟軌道CA砂漿疲勞壽命分析[J].鐵道標準設計，2014(5):5-7.

[9]周萌，宮全美，王炳龍. 路基不均勻沉降值對板式軌道動力響應的影響[J].鐵道標準計,2010(10):1-4.

[10]張家海.CRTSⅠ型板式無砟軌道抬升修復技術研究[J].上海鐵道科技，2013(4):71-73.

[11]易小明，張頂立，逄鐵錚，駱建軍.房屋注漿抬升實踐與監測分析[J].巖土力學，2009(12):3776-3778.

[12]石明生.高聚物注漿材料特性與堤壩定向劈裂注漿機理研究[D].大連：大連理工大學，2011:1-50.

[13]邊學成，程翀，王復明，蔣建群，陳云敏.高速鐵路路基沉降高聚物注漿修復后動力性能及長期耐久性的試驗研究[J].巖土工程學報，2014，36(3):562-568.

[14]石明生，于冬梅，王復明.高聚物注漿材料的彎曲性能[J].材料科學與工程，2010(4):514-517.

[15]Brent Barron，Kansas.DOT decides to go with Polyurethane to correct 50 miles of Highway[J]. Roads & Bridges， 2004(12):24-26.

[16]F. O. Aramide1， P. O. Atanda， E. O. Olorunniwo. Optimizing the Properties of Polyether Based Polyurethane Foam[J]. Open Journal of Polymer Chemistry, 2013(3):86-91.

Research on Properties of Grouting Material for Uplifting Ballastless Track Structure of Operational High-speed Railway

LI Jie

(Shanghai Railway Administration Bureau， Shanghai 200071， China)

Abstract：To ensure the properties of the high polymer grouting material to meet the requirements of practical engineering and pollution-free environment， the fatigue， durability and environmental properties of the high polymer grouting material are studied in terms of the fatigue property， chemical resistance， aging durability and environmental performance with systematic anti-fatigue test， durability test and harmful ion content of soaking water test. The properties are verified by engineering application. The results show that the hardened polymer grouting materials has small residual deformation， high dimensional stability， high chemical resistance and aging resistance with over 70% of strength retention. Moreover， the polymer grouting materials embedded long in the ground will not affect the environment. The engineering application indicates that the properties of high polymer grouting materials meet the design requirements and the stability of ballastless track structure is secured effectively.

Key words：High-speed railway; Ballastless track; Roadbed; Uplift; Grouting material

文章編號：1004-2954(2016)05-0034-03

收稿日期：2015-12-30； 修回日期：2016-02-24

基金項目：上海鐵路局科研項目(HHKZ2013-01)

作者簡介：李杰(1966—)，男，高級工程師，工學學士，E-mail：13701871722@163.com。

中圖分類號：U238

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.008