重載鐵路路基聚氨酯防水層工藝性試驗(yàn)研究

王希云

國(guó)能包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古包頭014000

我國(guó)既有重載鐵路修建時(shí)期控制標(biāo)準(zhǔn)較低，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)以及列車(chē)軸重、運(yùn)量、運(yùn)速的提高，翻漿冒泥病害已嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸安全。由于材料的耐久性、防水性要求、天窗時(shí)間限制、施工影響等因素，傳統(tǒng)的整治措施始終無(wú)法徹底解決翻漿冒泥病害［1-2］。隨著高分子化學(xué)的快速發(fā)展，通過(guò)化學(xué)方法研制分子防水復(fù)合材料并用來(lái)整治鐵路路基病害已經(jīng)成為可能［3］。一些學(xué)者針對(duì)客運(yùn)鐵路翻漿病害開(kāi)展了聚氨酯整治材料性能試驗(yàn)研究［4-5］，分析了聚氨酯材料的膠凝時(shí)間、流動(dòng)性及靜力強(qiáng)度。重載鐵路運(yùn)營(yíng)荷載較大，常規(guī)客運(yùn)鐵路聚氨酯整治材料的研究成果不適用。

針對(duì)重載鐵路基床翻漿特殊工程環(huán)境，結(jié)合包神重載鐵路路基翻漿冒泥整治項(xiàng)目，本文采用新型高分子聚合物防水材料設(shè)計(jì)一種新型高分子碎石復(fù)合半剛性防水層，并檢驗(yàn)其在翻漿冒泥病害整治中的可行性以及整治效果。

1 工程背景

1.1 工程概況

磁窯灣站位于陜西神木縣大柳塔鎮(zhèn)，地形起伏破碎，沖溝發(fā)育。站場(chǎng)路基基床底部為煤矸石填料，其抗水性能差，遇水易變軟。在重載列車(chē)運(yùn)行荷載周期振動(dòng)與水共同耦合作用下，基床填料易液化成泥漿，并隨著軌枕的上下振動(dòng)，通過(guò)道床向外竄出，產(chǎn)生翻漿冒泥病害（圖1），嚴(yán)重危及行車(chē)安全。

圖1 煤矸石填料路基翻漿冒泥

1.2 聚氨酯膠凝級(jí)配碎石整治技術(shù)

聚氨酯膠凝級(jí)配碎石復(fù)合半剛性層是在0.05～0.08 m聚氨酯混合料層上下各鋪設(shè)一層碎石加筋墊層，聚氨酯碎石復(fù)合半剛性層與上下加筋碎石墊層間再覆蓋一層防水土工布，實(shí)現(xiàn)上堵下截，形成全封閉結(jié)構(gòu)層，以保護(hù)聚氨酯碎石層，加強(qiáng)防水性能，如圖2所示。聚氨酯膠凝級(jí)配碎石復(fù)合半剛性防水層可以防止水滲入路基結(jié)構(gòu)，且具有良好的力學(xué)特性，對(duì)于上部列車(chē)動(dòng)荷載傳遞有緩沖減振功能，耐久性好，可用于路基翻漿冒泥整治。

圖2 聚氨酯膠凝碎石防排水層

所用聚氨酯膠水為雙組分材料，其制備工藝為：①按照一定的質(zhì)量比，將聚醚多元醇A（簡(jiǎn)稱聚醚A）、聚醚多元醇B（簡(jiǎn)稱聚醚B）、擴(kuò)鏈劑和交聯(lián)劑（即1，4-丁二醇）、溶劑（二甲苯）攪拌均勻形成組分A；②根據(jù)設(shè)定的質(zhì)量比將異氰酸酯（PM200）、溶劑（二甲苯）均勻混合后，形成組分B；③組分A與組分B充分?jǐn)嚢杈鶆颍纬删郯滨ツz水。

將一定量的聚氨酯膠水與碎石攪拌均勻，在模具中攤鋪，無(wú)須碾壓，形成強(qiáng)度高、彈性好、固化時(shí)間快的聚氨酯膠凝級(jí)配碎石試件。

2 聚氨酯膠水改良研制

2.1 聚氨酯彈性體力學(xué)性能測(cè)試方法

聚氨酯彈性體的主要力學(xué)性能包括壓縮性能、拉伸性能和黏結(jié)性能。壓縮性能通過(guò)抗壓強(qiáng)度和壓縮模量來(lái)衡量；拉伸性能通過(guò)抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率來(lái)衡量；黏結(jié)性能通過(guò)拉伸黏結(jié)強(qiáng)度來(lái)衡量［6］。各力學(xué)參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)如圖3所示。

圖3 聚氨酯彈性體力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)

2.2 主要材料對(duì)聚氨酯彈性體性能的影響

通過(guò)單一控制變量試驗(yàn)來(lái)分析各組分對(duì)其性能的影響，并確定各種材料的最優(yōu)質(zhì)量比。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)其他比例，當(dāng)聚醚A與聚醚B的質(zhì)量比為3∶1時(shí)，制得的聚氨酯彈性體抗壓強(qiáng)度峰值為30.2 MPa，對(duì)應(yīng)的壓縮破壞變形率為56.8%，具有更大的壓縮破壞變形量；抗拉強(qiáng)度峰值為17.8 MPa，對(duì)應(yīng)的斷裂伸長(zhǎng)率為77.2%，具有更大的拉伸破壞變形量。因此，該質(zhì)量比制成的聚氨酯彈性體具有更大的容許變形量，力學(xué)性能更為優(yōu)越。當(dāng)聚醚A與聚醚B的質(zhì)量比大于3∶1時(shí)，在抗壓與抗拉試驗(yàn)中，聚氨酯彈性體試樣均出現(xiàn)了脆斷現(xiàn)象，其變形性能大幅降低。

以PM200用量為變量進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)PM200用量為90 g時(shí)，所制備的聚氨酯彈性體具有更為優(yōu)越的抗壓、抗拉性能。當(dāng)PM200用量少于90 g時(shí)，拉伸斷裂時(shí)及壓縮破壞時(shí)，其拉伸變形量、壓縮變形量相對(duì)較大，表明聚氨酯彈性體延展性更好，但其力學(xué)性能受到了一定程度的影響，抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度降低；當(dāng)PM200用量多于90 g時(shí)，聚氨酯彈性體的力學(xué)性能抗壓、抗拉強(qiáng)度均隨用量的增多而降低。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚氨酯彈性體的抗拉強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度隨1，4-丁二醇用量呈線性增加。1，4-丁二醇用量越多，聚氨酯彈性體的抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度就越大。這是因?yàn)?，4-丁二醇用量增多致使聚氨酯彈性體分子鏈中形成較多的硬段，氫鍵數(shù)量與1，4-丁二醇用量成正比，增大了分子間作用力，聚氨酯彈性體的抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度隨之增大，斷裂伸長(zhǎng)率也增大。但試驗(yàn)結(jié)果亦表明，1，4-丁二醇用量存在最優(yōu)值，即27 g；當(dāng)1，4-丁二醇用量多于27 g時(shí)，聚氨酯彈性體的抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)1，4-丁二醇用量超過(guò)一定值時(shí)，聚氨酯彈性體的分子鏈中硬段分布的均勻性受到影響，降低了其力學(xué)性能。

在一定范圍內(nèi)時(shí)，二甲苯對(duì)聚氨酯灌漿料黏度降低效果顯著。當(dāng)添加量控制在25 g左右時(shí)，聚氨酯彈性體整體力學(xué)性能最好；添加量超過(guò)25 g后，聚氨酯彈性體力學(xué)性能降低，同時(shí)材料塑性降低，容易發(fā)生脆性破壞。因此，為避免聚氨酯彈性體力學(xué)性能損失過(guò)大，制作過(guò)程中將二甲苯添加量控制在25 g。

綜上所述，按照聚醚A和聚醚B的質(zhì)量比3：1制取200 g多元醇（聚醚A、聚醚B分別為150、50 g），依次添加90 g的PM200、27 g的1，4-丁二醇和25 g的二甲苯混合反應(yīng)制作聚氨酯彈性體，即聚氨酯膠水中聚醚A、聚醚B、PM200、1，4-丁二醇、二甲苯的工程應(yīng)用最優(yōu)質(zhì)量比為30.0∶10.0∶18.0∶5.4∶5.0。所制得的聚氨酯彈性體膠凝時(shí)間為30 min，2 h抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別為10.3、7.5 MPa，7 d抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別為36.6、22.9 MPa。

3 工程應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場(chǎng)聚氨酯膠凝級(jí)配碎石工藝性試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

開(kāi)展工藝性試驗(yàn)，以確定最優(yōu)膠石比，保證施工質(zhì)量。現(xiàn)場(chǎng)所用級(jí)配碎石需求量大，考慮施工進(jìn)度、運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)成本等綜合因素，取瓷窯灣站試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)附近采石場(chǎng)碎石集料。采石場(chǎng)集料參數(shù)難以精確保證室內(nèi)試驗(yàn)的要求，因此通過(guò)室內(nèi)篩分試驗(yàn)揭示現(xiàn)場(chǎng)施工的碎石平均級(jí)配范圍，并開(kāi)展聚氨酯膠凝級(jí)配碎石物理力學(xué)性能試驗(yàn)，進(jìn)而為現(xiàn)場(chǎng)施工提供理論指導(dǎo)。

3.1.2 碎石級(jí)配特性

在西南交通大學(xué)鐵道大廳試驗(yàn)室進(jìn)行碎石集料樣品的篩分試驗(yàn)，對(duì)碎石的粒徑組成情況進(jìn)行分析。碎石級(jí)配篩分結(jié)果見(jiàn)表1。計(jì)算得出不均勻系數(shù)Cu=6.44，曲率系數(shù)Cc=0.93。其中Cu≥6，表明該碎石的粒徑分布范圍廣，粒徑分布不均勻程度高；Cc接近于1，表明中間粒徑碎石輕微偏少。

表1 碎石級(jí)配篩分結(jié)果

3.1.3 防水性能1）孔隙率

按照聚氨酯膠水質(zhì)量摻量（簡(jiǎn)稱聚氨酯摻量）為5%、6%、7%、8%、9%、10%制作聚氨酯膠凝級(jí)配碎石混合料，采用馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀制作試件（即馬歇爾試件）［6］。常溫條件下固化48 h，測(cè)得馬歇爾試件的孔隙率，見(jiàn)圖4。

圖4 孔隙率隨聚氨酯摻量的變化曲線

由圖4可知：隨著聚氨酯摻量的增加，聚氨酯膠凝級(jí)配碎石試件的孔隙率逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定；當(dāng)聚氨酯摻量達(dá)到9%時(shí)，孔隙率降低至2.4%。一般地，混合料孔隙率為1%～3%時(shí)可認(rèn)為基本無(wú)滲水，考慮防水效果及經(jīng)濟(jì)成本，取聚氨酯摻量為9%。

2）滲透系數(shù)

聚氨酯膠凝級(jí)配碎石的防水性能可通過(guò)滲透系數(shù)來(lái)表示。參照瀝青混凝土滲透系數(shù)測(cè)試方法［7］，制作聚氨酯摻量分別為5%、6%、7%、8%、9%、10%的聚氨酯膠凝級(jí)配碎石試件開(kāi)展?jié)B水試驗(yàn)。結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 滲透系數(shù)隨聚氨酯摻量的變化曲線

由圖5可知：隨著聚氨酯摻量的增加，聚氨酯膠凝級(jí)配碎石試件的滲透系數(shù)呈下降趨勢(shì)；在聚氨酯摻量超過(guò)7%時(shí)，滲透系數(shù)的變化緩慢；聚氨酯摻量為9%時(shí)，滲透系數(shù)為8.3×10-7m/s，屬于不透水量級(jí)，滿足防水結(jié)構(gòu)層要求。

3.1.4 力學(xué)性能

1）抗壓性能

為保證高應(yīng)力狀態(tài)下防水結(jié)構(gòu)層的正常使用性能和耐久性，抗壓強(qiáng)度是基本的力學(xué)指標(biāo)。開(kāi)展聚氨酯膠凝級(jí)配碎石馬歇爾抗壓試件的無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)，以探究抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律以及影響因素。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖6（a）可知：30℃環(huán)境中，聚氨酯膠凝級(jí)配碎石混合料凝固40 min（初凝）時(shí)，抗壓強(qiáng)度為5.4 MPa；凝固8 h（終凝）時(shí)，抗壓強(qiáng)度為15.3 MPa；初期強(qiáng)度形成時(shí)間短，強(qiáng)度高，48 h內(nèi)強(qiáng)度基本形成。

由圖6（b）可知：在持續(xù)浸水48 h（最不利浸水狀態(tài)）和自然放置2個(gè)月（外界環(huán)境干濕交替作用）后抗壓強(qiáng)度有一定幅度的折減，最大下降幅度為2.7 MPa。

2）回彈模量

聚氨酯膠凝級(jí)配碎石抗變形能力指標(biāo)可通過(guò)回彈模量表征。根據(jù)加卸載曲線中最末的循環(huán)加載計(jì)算不同試驗(yàn)溫度下的馬歇爾試件的回彈模量［8］。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7（a）可知：30℃環(huán)境中，凝固40 min（初凝）時(shí)，試件回彈模量為200 MPa；凝固8 h（終凝）時(shí)，回彈模量為560 MPa；凝固48 h時(shí)，回彈模量達(dá)到800 MPa，可見(jiàn)試件回彈模量形成速度快，后期強(qiáng)度高。由圖7（b）可知：試件回彈模量隨著溫度的升高呈降低趨勢(shì)，對(duì)低溫區(qū)（-30～0℃）和高溫區(qū)（30～80℃）的溫度的敏感性較大；當(dāng)溫度達(dá)到30℃時(shí)試件回彈模量降低至560 MPa，可見(jiàn)聚氨酯膠凝級(jí)配碎石能夠較好地適用于低溫區(qū)和常溫區(qū)。

圖7 回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

3.2 聚氨酯半剛性防水層現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)行車(chē)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，選取瓷窯灣下行線K158+146.80—K158+175.89，采用C80002型神華自備列車(chē)貨車(chē)（軸重20 t，載重80 t，行車(chē)速度80 km/h）。主要儀器設(shè)備為T(mén)ST5916堅(jiān)固型動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（圖8）。

圖8 TST5916堅(jiān)固型動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在嚴(yán)重翻漿地段（軌縫處）、正常地段（土工布整治）分別選取一處，測(cè)試不同狀態(tài)的線路在不同車(chē)速下軌枕的振動(dòng)響應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)表2。其中工況1、工況2分別對(duì)應(yīng)車(chē)速45、80 km/h。

表2 軌枕振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

由表2可知：聚氨酯膠凝級(jí)配碎石層增強(qiáng)了路基結(jié)構(gòu)的減振效果，整治效果整體上優(yōu)于土工布；車(chē)速在80 km/h工況下，設(shè)聚氨酯膠凝級(jí)配碎石層并同時(shí)清篩更換道砟后，軌枕振動(dòng)加速度為1.25 m/s2，比原設(shè)土工布層正常路段軌枕縮小了50%，線路穩(wěn)定性較好；同時(shí)，采用土工布與聚氨酯膠凝碎石整治后，軌枕振動(dòng)速度響應(yīng)明顯變?nèi)酰郯滨ツz凝級(jí)配碎石層的整治效果比土工布更佳，其振動(dòng)速度為10.4 mm/s，約為土工布整治后的速度響應(yīng)值的50%。隨著重載貨車(chē)的軸重日趨增大，速度越來(lái)越快，在路基基床上增設(shè)聚氨酯膠凝級(jí)配碎石加強(qiáng)層，可增加列車(chē)行駛的平順性，延長(zhǎng)鐵路的使用壽命。

3.2.2 長(zhǎng)期沉降觀測(cè)

施工過(guò)程中于聚氨酯結(jié)構(gòu)層頂部和底部設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，采用高精度水準(zhǔn)儀開(kāi)展結(jié)構(gòu)層長(zhǎng)期沉降監(jiān)測(cè)。結(jié)果顯示：設(shè)聚氨酯防水層后，路基總沉降為17.89 mm，其中聚氨酯結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生13.21 mm的壓縮變形；發(fā)現(xiàn)聚氨酯結(jié)構(gòu)層沉降主要發(fā)生在施工后7 d之內(nèi)，但后期沉降保持穩(wěn)定；經(jīng)過(guò)數(shù)月雨季后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工務(wù)人員反饋，沒(méi)有產(chǎn)生翻漿病害，可見(jiàn)增設(shè)聚氨酯膠凝級(jí)配碎石加強(qiáng)層可有效整治翻漿病害。

4 結(jié)論

1）配制聚氨酯膠水的原材料有聚醚A、聚醚B、PM200、1，4-丁二醇、二甲苯等；通過(guò)單因素控制變量試驗(yàn)得到最優(yōu)質(zhì)量比為30.0∶10.0∶18.0∶5.4∶5.0。

2）采石場(chǎng)碎石集料工藝性試驗(yàn)表明，聚氨酯膠水質(zhì)量摻量為9%時(shí)，碎石混合料孔隙率低，滲透系數(shù)小，固化時(shí)間快，力學(xué)性能好，滿足作為防水結(jié)構(gòu)層的防水性能及穩(wěn)定性要求。

3）現(xiàn)場(chǎng)行車(chē)測(cè)試試驗(yàn)表明，采用聚氨酯膠凝級(jí)配碎石整治后的翻漿冒泥地段軌枕振動(dòng)加速度幅值降低幅度明顯。

4）長(zhǎng)期沉降監(jiān)測(cè)顯示，試驗(yàn)地段路基總沉降為17.89 mm，后期沉降趨于穩(wěn)定。這表明聚氨酯碎石在瓷窯灣站翻漿冒泥整治項(xiàng)目中取得了較好的成效。