無砟軌道路基翻漿整治用聚氨酯固結體的性能

葉盛 王迅 靳靜 梁小勇 李棟

1.中國鐵路濟南局集團有限公司 科學技術研究所， 濟南 250031； 2.西南交通大學 土木工程學院， 成都 610031；3.河北科技大學 建筑工程學院， 石家莊 050018； 4.中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063

我國地域廣闊，高速鐵路沿線地質條件復雜，路基填料性質差異較大，加之受高頻動荷載等因素影響，有的無砟軌道路基產生了翻漿冒泥病害。無砟軌道路基翻漿會劣化基床表層與軌道結構的接觸狀態，改變列車動荷載沿路基深度方向的傳遞路徑，從而影響高速鐵路線路的平順性、列車運行的安全性和舒適性，因此需要采取有效措施整治［1-2］。

聚氨酯注漿是整治無砟軌道路基翻漿病害的有效措施。對于注漿工藝、聚氨酯固結體力學性能和注漿效果有一些研究。文獻［3-4］通過分析無砟軌道路基翻漿原因和整治效果，給出了鉆孔間距、鉆孔深度、注漿壓力等參數的建議值。文獻［5-6］基于現有注漿技術，提出注漿整治優化方案。文獻［7-9］通過室內抗拉、抗壓試驗分析了不同配合比聚氨酯固結體的力學性能，提出了基床翻漿整治用聚氨酯配合比參數。文獻［10］建立無砟軌道路基室內注漿試驗模型，分析了基床表層處于正常狀態、浸水飽和和翻漿注膠加固后無砟軌道路基動力響應規律。

既有研究很少考慮環境因素對聚氨酯固結體力學性能的影響，而水與溫度均會影響聚氨酯固結體的物理形態及力學性能［11-16］。因此，本文通過室內試驗，研究水和高低溫循環作用對聚氨酯固結體表觀性能和力學性能的影響。

1 試驗方案

設計了水混合、水浸泡及高低溫循環三種工況。各工況控制參數和測試項目見表1。其中，摻水率是水與聚氨酯漿體的質量比。

表1 各工況控制參數和測試項目

2 試樣制備與測試

2.1 聚氨酯漿體制備

制備聚氨酯漿體的配合比為PM-200 型多亞甲基多苯基異氰酸酯∶聚醚多元醇A∶聚醚多元醇B∶1，4-丁二醇∶二甲苯=150∶50∶90∶27∶25。

制備過程：①根據設計配合比，稱量聚醚多元醇A與聚醚多元醇B，并加熱至110 ～ 120 ℃，冷卻至室溫，然后加入1，4-丁二醇，攪拌均勻，標記為組分A；②根據設計配合比，稱量PM-200 型多亞甲基多苯基異氰酸酯與二甲苯，攪拌均勻，標記為組分B；③將組分A和組分B混合并攪拌均勻，即為聚氨酯漿體，用于力學性能測試試樣的制備。

2.2 試樣制備與測試

根據表1，量取一定量的水加入漿體中。按照JC/ T 2041—2020《聚氨酯灌漿材料》制備并養護不同摻水率試樣，用于水混合工況聚氨酯固結體體積膨脹率的測試。按照GB/ T 2567—2021《樹脂澆鑄體性能實驗方法》制備并養護試樣，用于水混合工況聚氨酯固結體抗壓強度、彈性模量和抗拉強度測試。按照JC/ T 1041—2007《混凝土裂縫用環氧樹脂灌漿材料》制備并養護試樣，用于水混合工況聚氨酯固結體黏結強度測試。

按照GB/ T 2567—2021 制備并養護試樣，用于水浸泡工況和高低溫循環工況聚氨酯固結體質量增長率、體積膨脹率以及抗壓強度、彈性模量和抗拉強度測試。按照JC/ T 1041—2007制作并養護試樣，用于水浸泡工況和高低溫循環工況聚氨酯固結體黏結強度測試。具體方法為：將養護成型的試樣分別放入水箱中浸泡或放入高低溫循環試驗箱中進行高低溫循環，達到設定的控制參數后取出，用于相應指標測試。用于水浸泡工況聚氨酯固結體質量增長率、體積膨脹率測試，浸泡3 個月的試樣標記為A 組，浸泡6 個月的試樣標記為B組。

不同工況抗壓強度試樣、彈性模量試樣均為邊長20 mm的淺黃色立方體。不同工況抗拉強度試樣尺寸均一致，見圖1。不同工況聚氨酯固結體黏結強度試樣的厚度設置1、3 mm兩種，見圖2。

圖1 聚氨酯固結體抗拉強度試樣（單位：m）

圖2 聚氨酯固結體黏結強度試樣

不同工況抗壓強度試樣組數見表2。彈性模量試樣、抗拉強度試樣、黏結強度試樣組數均與抗壓強度試樣相同。每組制備3 個試樣，取其測試結果的算術平均值作為試驗值。

表2 不同工況抗壓強度試樣制備數量

3 試驗結果與分析

3.1 水混合工況聚氨酯固結體性能

1）表觀性能

高齡產婦因為懷孕的時候年齡偏大，卵子分裂的過程中容易發生染色體異常，導致胎兒染色體類疾病，也就是先天缺陷的機會明顯增高，而且胎兒染色體畸形的發病率呈指數升高，其中21—三體的發病率升高尤為突出。

水混合工況聚氨酯固結體的體積膨脹率變化曲線見圖3。可知：隨摻水率增加，聚氨酯固結體體積膨脹率逐漸增大，且體積膨脹率與摻水率近似呈二次函數關系。摻水率小于等于0.3%時，隨摻水率增加，體積膨脹率增長較緩慢；摻水率大于0.3%時，體積膨脹率增長變快。摻水率0.1%時體積膨脹率僅4.5%，摻水率0.3%時體積膨脹率32.9%，摻水率1.0%時體積膨脹率達到最大值，為1.62。

圖3 水混合工況聚氨酯固結體體積膨脹率

為進一步探究體積膨脹機理，在兩個塑料杯中分別加入等量的聚氨酯漿體（漿體體積為塑料杯容積的1/2），然后在其中一個塑料杯中摻入1%（水與聚氨酯漿體的質量比）的水，充分攪拌均勻，觀察聚氨酯漿體的變化。最終形態見圖4。

圖4 聚氨酯漿體遇水表觀變化

通過觀察發現：與未摻水時相比，摻水后聚氨酯漿體化學反應速度加快，有明顯的膨脹現象。化學反應完成后，分別按壓聚氨酯固結體表面，發現摻水后固結體松軟。這是因為水與異氰酸酯發生化合反應生成脲和二氧化碳，部分二氧化碳沒有被排出，從而在聚氨酯固結體內部形成不均勻氣泡，使其體積膨脹，降低了聚氨酯固結體的硬度。

2）力學性能

不同摻水率時聚氨酯固結體的抗壓強度、抗拉強度和彈性模量見圖5。

圖5 聚氨酯固結體抗壓強度、抗拉強度和彈性模量隨摻水率變化曲線

由圖5可知：隨摻水率增加，聚氨酯固結體的抗壓強度、抗拉強度和彈性模量均逐漸減小，且減幅隨摻水率增加而增大。摻水率0.1%時聚氨酯固結體的抗壓強度、抗拉強度和彈性模量分別為34.1、19.4、62.4 MPa，摻水率0.5%時聚氨酯固結體抗壓強度、抗拉強度和彈性模量分別為5.3、4.8、14.5 MPa。與未摻水時相比，摻水率0.1%時聚氨酯固結體的抗壓強度、抗拉強度及彈性模量分別減小6.1%、15.3%、9.4%，摻水率0.5%時聚氨酯固結體的抗壓強度、抗拉強度和彈性模量分別減小85.4%、79.0%、79.0%。原因是：①水與異氰酸酯發生化學反應，產生二氧化碳氣體，從而在聚氨酯固結體內部形成大小不一的氣泡；②聚氨酯固結體強度與固結體軟硬段比例正相關，其中硬段是由異氰酸酯與擴鏈劑（本文中為1，4-丁二醇）化合反應形成，而水量的增加會減少聚氨酯固結體中硬段占比，從而降低聚氨酯固結體的強度，因此摻水率越多，聚氨酯固結體強度越低。

不同摻水率和厚度下聚氨酯固結體黏結強度見表3。可知：聚氨酯固結體厚度相同時，隨摻水率增加，聚氨酯固結體黏結強度逐漸降低，且降幅隨摻水率增大而增大。摻水率相同時，聚氨酯固結體厚度越大，黏結強度越小。與未摻水時相比，摻水率0.1%時，厚度為1、3 mm 的聚氨酯固結體黏結強度分別減小5.7%、23.5%，摻水率0.5%時，厚度為1、3 mm的聚氨酯固結體黏結強度分別減小17.1%、50.0%。

表3 不同摻水率和厚度下聚氨酯固結體黏結強度

3.2 水浸泡工況聚氨酯固結體性能

1）表觀性能

不同浸泡時間下聚氨酯固結體的質量和體積對比分別見表4、表5。

表4 浸泡前與浸泡3個月聚氨酯固結體質量和體積對比

表5 浸泡前與浸泡6個月聚氨酯固結體質量和體積對比

由表4、表5 可知：與浸水前相比，浸泡3 個月時試樣A1、A2、A3 質 量 分 別 增 長 了0.36%、0.47% 和0.35%，體積分別增長了0.74%、0.79%、0.80%；浸泡6 個月時試樣B1、B2、B3 質量分別增長了0.59%、0.47%、0.47%，體積分別增長了1.21%、1.28%、1.19%。這說明：①水浸泡后因吸收水分聚氨酯質量增加，但增幅很小；②從總體上看，水浸泡的時間越久，聚氨酯固結體的質量增長率與體積膨脹率越大，但增幅很小，因此可認為水浸泡對聚氨酯固結體的體積和質量影響很小。

2）力學性能

不同浸泡時間下聚氨酯固結體抗壓強度、抗拉強度和彈性模量對比見表6。可知：與未浸水時相比，浸水3 個月時聚氨酯固結體的抗壓強度、彈性模量分別減少0.28%、0.58%，而抗拉強度保持不變；浸水6 個月聚氨酯固結體的抗壓強度保持不變，抗拉強度和彈性模量分別減少了0.44%、0.87%。

表6 不同浸泡時間下聚氨酯固結體抗壓強度、抗拉強度和彈性模量對比

不同浸泡時間和厚度下聚氨酯固結體黏結強度對比見表7。可知，與未浸水時相比，厚度為1、3 mm的聚氨酯固結體，不論是浸泡3 個月還是浸泡6 個月，其黏結強度基本保持不變。

表7 不同浸泡時間和厚度下聚氨酯固結體黏結強度對比

綜上，水浸泡對聚氨酯固結體力學性能影響很小。這說明注漿完成后，外部水的侵入或長時間浸潤不會降低無砟軌道底座板與基床表層間聚氨酯固結體的表觀性能和力學性能。

3.3 高低溫工況聚氨酯固結體力學性能

不同高低溫循環次數下聚氨酯固結體抗拉強度和抗壓強度見表8。可知：隨高低溫循環次數增加，聚氨酯固結體的抗壓強度和抗拉強度均下降，但降幅很小。與未進行高低溫循環時相比，高低溫循環10、20、30 次時聚氨酯固結體抗壓強度分別減小1.38%、2.20%、4.96%，抗拉強度分別減小3.49%、4.80%、6.99%。本次試驗高溫50 ℃，低溫-30 ℃。因此可認為，底座板與基床表層間溫度在-30 ～ 50 ℃波動時，聚氨酯固結體可以保持良好的力學性能。

表8 不同高低溫循環次數下聚氨酯固結體抗拉強度和抗壓強度

4 結論

1）水與聚氨酯漿體直接混合時，聚氨酯固結體的體積膨脹率隨摻水率增加而逐漸增大，摻水率不大于0.3%時聚氨酯固結體的體積膨脹率變化幅度較小。聚氨酯固結體力學性能指標隨摻水率增加而逐漸減少，與未摻水時相比，摻水率0.1%時聚氨酯固結體力學性能指標變化幅度較小，抗壓強度、抗拉強度、黏結強度和彈性模量分別減小6.1%、15.3%、5.7%（厚度1 mm）、9.4%，摻水率大于0.1%時聚氨酯固結體力學性能指標明顯下降。

2）從總體上看，隨水浸泡時間增加，聚氨酯固結體的質量增長率與體積膨脹率增大，但增幅很小。水浸泡對聚氨酯固結體力學性能指標影響不大。

3）隨高低溫循環次數增加，聚氨酯固結體的抗壓強度和抗拉強度逐漸減小，但減幅很小。高低溫循環30 次后聚氨酯固結體的抗壓強度、抗拉強度分別減小4.96%、6.99%。環境溫度在-30 ～ 50 ℃波動時，聚氨酯固結體可以保持良好的力學性能。