鐵路道砟材質(zhì)選型分析與建議

井國慶，謝家樂，段姝琪，郭云龍

(1.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044; 2.包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學院,包頭 014060; 3.大連交通大學土木工程學院,大連 116021; 4.代爾夫特理工大學土木學院,荷蘭代爾夫特 2628CN)

引言

道砟(道碴)一詞起初來源于壓艙石,即英國運煤船舶返航時用于配重的各類碎石和礫石,使用過后廢棄在港口附近,因其承載效果良好而開始被鋪設(shè)在鐵路路基上,并于20世紀30年代逐漸普及,道砟也成為有砟軌道重要組成部分。在國內(nèi)學術(shù)界及規(guī)范中,道砟被定義為級配碎石,同時這些級配碎石有著特定的物理特性,包括:硬度、強度及復(fù)雜形狀等[1]。

道砟作為鐵路有砟軌道的主要組成部分,對軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、耐久度及韌性有決定性影響。為滿足道砟服役性能,道砟材質(zhì)本身需符合一定的特性,包括:顆粒尺寸、道砟形狀、顆粒級配、表面粗糙度、顆粒密度、堆積密度、強度、硬度、沖擊韌性、耐磨性和耐候性等[2]。

本文歸納總結(jié)了各國所采用的道砟技術(shù)標準、實際線路中道砟材質(zhì)等測試方法及測試內(nèi)容,得出了不同條件下道砟選型方法。提出了根據(jù)地質(zhì)和氣候等因素來制定道砟選型標準,對現(xiàn)有方法中僅根據(jù)線路類型和線路分級的不足進行補充,為我國地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、氣候多變的鐵路沿線道砟選型提供參考。

1 道砟材質(zhì)

1.1 道砟發(fā)展趨勢

道砟層也稱為有砟道床,通常是由道砟顆粒組成的散體顆粒層,厚度在250～350 mm之間。我國鐵路建設(shè)用道砟一般是由高質(zhì)量的火成巖或變質(zhì)巖經(jīng)過爆破而得到的級配碎石,雖然傳統(tǒng)意義上對道砟要求規(guī)定為級配均一、無規(guī)則形狀、堅硬且表面粗糙,然而,母巖來源、種類、質(zhì)量、適用性、經(jīng)濟性和當?shù)丨h(huán)境法規(guī)不同,世界各國所采用的道砟材料及規(guī)范也有著一定區(qū)別。例如,在19世紀70年代之前,有砟軌道鋪設(shè)過程中道砟材質(zhì)的選取并未重點考慮道砟類型和其物理特性,往往優(yōu)先考慮原材料價格及運輸成本[3]。

目前,關(guān)于道砟物理及力學特性,如顆粒尺寸、形狀、硬度、摩擦力、耐磨性和礦物成分等,在國際上并沒有統(tǒng)一的標準要求。不同國家及地區(qū)在設(shè)計選取道砟時,會考慮荷載條件、運營環(huán)境和地基條件,選擇不同類型的母巖材料,如玄武巖、花崗巖、石灰?guī)r、白云巖、流紋巖、片麻巖和石英巖等[1]。

道砟成為鐵路有砟道床重要組成部分以來,對于道砟材質(zhì)的要求逐漸趨向于強穩(wěn)定性及復(fù)雜環(huán)境適用性。早期道砟采用簡單的砂石、礦石或者卵石,有易破碎粉化、承載能力差等明顯缺點。而隨著列車速度提升及重載列車軸重增加,對道砟提出了級配變窄、高強度、高密度等要求,級配碎石開始成為當前道砟的主要材料。城軌、高架等線路對道床承載能力要求較低,且出于環(huán)境保護原因當前級配碎石資源匱乏,因此國內(nèi)外研究學者相繼提出了采用建筑固廢和工業(yè)固廢作為道砟材料[2]。除此之外,級配碎石用于道砟還會增大人工養(yǎng)護維修的難度,目前我國鐵路養(yǎng)護維修機械化程度較高,但一體化、智能化方面還需要進一步加強,將周期性養(yǎng)護維修轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳实摹包c維修”。

1.2 道砟特性及測試方法

國內(nèi)外學者[1, 3-6]總結(jié)出道砟層的力學性能、物理性能、環(huán)境性能和幾何形態(tài)與道砟選型之間的關(guān)系,并總結(jié)出道砟各項性能的測試方法,如表1所示。

表1 道砟選型分類及測試方法[1,3]Table 1 Ballast selection classification and test methodology

從表1中可以看出,部分道砟特征有著明確的測試方法。例如,道砟強度或硬度可以采用洛杉磯磨耗試驗定量分析,且此類試驗在文獻中也有著較深入的研究[6]。近些年業(yè)內(nèi)學者針對各類道砟特性測試方法進行了深入研究,例如單體道砟壓碎試驗[7]和落錘試驗[8]。然而仍有很多道砟性能測試方法未進行詳細解釋說明或深入研究其可行性,多數(shù)試驗測試方法為其他學科中骨料方法。因此,有必要研究并提出復(fù)雜運營條件下,滿足鐵路服役需求的道砟性能評估、測試及測量方法。

1.3 國外道砟材質(zhì)規(guī)范

各國規(guī)范中也針對不同的道砟性質(zhì)采用不同的測試、測量標準。本文總結(jié)了澳大利亞、美國、歐盟規(guī)范中關(guān)于道砟特性評估的推薦分類,如表2所示。

表2 道砟選型各國標準匯總[1-3]Table 2 Overview of standards for ballast selection in different countries

從表2中可知,歐盟標準沒有明確規(guī)定道砟密度,而是給出了密度的測量方法,此外澳大利亞和美國給出了道砟顆粒密度和堆積密度的最低要求。然而,目前現(xiàn)場對于堆積密度的測量方法仍然非常模糊,沒有明確的測量方法。雖然在各種室內(nèi)試驗中可以通過計算試驗儀器的容積估算出堆積密度,然而在現(xiàn)實鐵路線上并沒有較好方法可以快速準確并且不破壞道床的方式來得到道床堆積密度[9]。歐盟標準因國家較多沒有統(tǒng)一明確標明具體要求的數(shù)值,僅給出了測試的具體要求。表中標注的標號為標準使用的標號,可以在標準網(wǎng)站查詢。

表2中還可以看出,澳大利亞針對道砟要求較為全面細致,而歐盟標準中較少給出具體數(shù)值,美國標準較為陳舊。而我國標準采用道砟選型較為保守,尤其是高速鐵路用道砟,一般選取諸多規(guī)范中的最高標準。固化技術(shù)標準容易造成額外工作量甚至工程成本,因此,歐盟標準中僅給出了標準的測試方法,世界其他各國多參照歐盟標準,而各個國家根據(jù)不同的自身情況使用不同品質(zhì)等級道砟。參考上述情況,鐵路建設(shè)及養(yǎng)護時可以根據(jù)線路等級要求,根據(jù)當?shù)夭牧瞎?yīng)情況,適當提高道砟某項標準,必要時也可降低不必要的標準[3]。

2 新型道砟材質(zhì)

2.1 傳統(tǒng)道砟材質(zhì)

傳統(tǒng)有砟軌道占世界范圍內(nèi)鐵路線路約90%[2],而目前低碳環(huán)保、碳中和及循環(huán)經(jīng)濟等全球性戰(zhàn)略部署,標志著有砟軌道綠色發(fā)展已成為當前主流研究方向。例如,文獻[10]中對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的整個生命周期進行生命周期評估,并遵循標準(ISO14040)系列對西班牙高速鐵路的特定特征進行了分析,選取了傳統(tǒng)有砟軌道、嵌入式無砟軌道進行對比,結(jié)果顯示,在50～60年的使用壽命時,傳統(tǒng)碎石道床對環(huán)境產(chǎn)生的影響最小,無論是經(jīng)濟性、碳排放還是維修量都具有明顯優(yōu)勢。

然而,目前針對碳中和及循環(huán)經(jīng)濟方面的關(guān)注點基本圍繞著如何在鐵路系統(tǒng)中利用新能源,針對道砟材質(zhì)使用的低碳環(huán)保研究較少。例如,傳統(tǒng)木枕有著價格低廉、力學性能良好及減振性強等優(yōu)勢,但隨著木材過度砍伐及環(huán)境保護等原因,傳統(tǒng)木枕逐漸被混凝土軌枕所取代。而鐵路道砟作為有砟軌道的重要組成部分,屬于非可再生資源且消耗量龐大,為使鐵路系統(tǒng)走向可持續(xù)發(fā)展,開發(fā)替代品來取代道砟這類自然資源已迫在眉睫。

2.2 新型道砟材質(zhì)

如今環(huán)境問題引發(fā)了社會各界對工業(yè)廢物處理的擔憂,以歐盟為代表的群體建議盡可能將工業(yè)廢物作為一種新的副產(chǎn)品重復(fù)利用[11]。

而擠壓性火成巖(火山巖等)、變質(zhì)巖和沉積巖,作為傳統(tǒng)鐵路道砟材料來源的母巖,屬于自然原材料,其不可再生性對鐵路可持續(xù)發(fā)展有很大影響。以工業(yè)礦渣、鋼渣等為代表的新型材料逐漸在鐵路系統(tǒng)中得到利用。工業(yè)礦渣強度一般較低,這類礦渣可作為非正線鐵路道砟材料。

近年來,世界范圍內(nèi)鋼產(chǎn)量逐年遞增,而因此產(chǎn)生的鋼渣在美國、中國、澳大利亞以及部分歐洲國家是十分豐富的材料[12-13]。諸多文獻提出對鋼渣材料物理性能的總結(jié),提出了將其應(yīng)用于鐵路道砟[14]。然而,考慮鐵路信號及導(dǎo)電問題,工業(yè)鋼渣一般在研究中或?qū)嶋H應(yīng)用中大部分當作底砟[13]。同時,也有研究將廢舊橡膠、爐渣混合來改善其作為底砟的力學性能[15]。例如,通過等比例尺縮小建立的試驗比較鋼渣與傳統(tǒng)碎石道砟的力學性能,結(jié)果顯示,在重載鐵路上,鋼渣骨料具有更高的彈性模量,高應(yīng)力狀態(tài)下的永久變形相對更小,其抗剪強度也具有顯著優(yōu)勢[16]。這與YILDIRIM[17]、KOH[18]得出的結(jié)論相近,鋼渣在力學性能上能夠替代傳統(tǒng)碎石道砟。

既有研究也表明,高密度鋼渣可以提升道床穩(wěn)定性,提高道床橫向阻力27%[19],增加垂向彈性模量64%[20]。這也可以極大地降低高速鐵路中飛砟概率[21]。需要注意的是,鋼渣具有一定導(dǎo)電性,在降雨量較多、排水不暢地區(qū)或者線路,不宜應(yīng)用在線路表層道床。

除此之外,再生磚渣、再生混凝土骨料[22-23]也能用于碎石道床的填充,相關(guān)研究人員對此進行了大量的現(xiàn)場試驗。諸多學者利用廢舊輪胎制作出符合鐵路運輸需求的軌枕墊,并且提出將橡膠顆粒作為道床結(jié)構(gòu)的部分填充物,改善了道床的力學性能,可以減緩道砟粉化及破碎[24]。

近10年來,國內(nèi)外學者研究利用瀝青將散體道床粘接成為整體軌道,包括底砟層或道砟層。瀝青作為石油煉制后的廢料,過去主要用于公路領(lǐng)域。目前,國內(nèi)外諸多學?；蜓芯繖C構(gòu)已經(jīng)開始了探索性研究[25]。

表3針對不同新型道砟,主要是應(yīng)用廢舊材料作為道砟材料進行概括總結(jié)。目前廢舊建筑材料已經(jīng)用于許多其他基礎(chǔ)設(shè)施中,但仍未用于道床中,在此列舉了建筑固廢用于路基填料以及混凝土中的例子,可為后續(xù)廢料循環(huán)使用于鐵路系統(tǒng)中提供了一定新思路。

表3 新型道砟材料[14-15,22-24]Table 3 Novel ballast materials

3 道砟母巖種類

3.1 道砟母巖

在工程中使用的道砟一般來源于機械破碎的天然巖石,母巖按形成條件可分為火成巖、沉積巖和變質(zhì)巖三大類,如表4所示。澳大利亞學者INDRARATNA[1]指出,用于制作道砟的主要母巖材料為火成巖或變質(zhì)巖,道砟通常由以下礦物組成:流紋巖、白云巖、玄武巖、片麻巖、石英巖和花崗巖。巖石的內(nèi)在微觀屬性,如微裂縫、礦物粒度和軟礦物的含量,都會影響道砟的宏觀機械及力學性能[6]。

表4 自然界常見巖石分類[26]Table 4 Classification of common rocks in nature

母巖開采自礦山,然而這對于缺乏巖石資源的地區(qū)而言,道砟材料相應(yīng)極度匱乏,推進廢舊道砟循環(huán)利用也是當前研究熱點。室內(nèi)試驗表明:廢舊道砟混入新道砟不超過30%,仍具備較好的服役性能[27]。

3.2 國內(nèi)道砟標準研究

根據(jù)既有文獻研究及我國標準中對各類工程巖石通過匯總現(xiàn)場試驗標準集料壓碎率CA和道砟集料壓碎率CB兩項指標判斷其是否符合成為道砟的條件,巖性判斷如表5所示。從表5中可以看出,石灰?guī)r的抗壓碎性能不能滿足中國現(xiàn)行規(guī)范TB/T 2140.2—2018[28]中關(guān)于一級或特級道砟的要求,不具備成為鐵路碎石道砟母巖的條件。而玄武巖、安山石母巖的合格率相對較高,花崗巖的合格率較低,但也能滿足CA、CB指標。

3.3 國內(nèi)外道砟材質(zhì)對比

不同道砟母巖對道床服役性能影響非常大,且在不同地區(qū)的適用性存在巨大差異。上節(jié)中談到的石灰?guī)r在我國被禁止使用作為道砟,除其力學性能不滿足要求外,還考慮雨水沖刷會對石灰?guī)r造成破壞,難以保證道床穩(wěn)定性和耐久性。然而對于利用石灰石作為鐵路道砟,國外卻有許多案例,例如在美國、中東等氣候較為干燥少雨(沙漠)地區(qū),當?shù)罔F路使用石灰石作為道砟,也可以滿足線路對于適用性、耐久性、經(jīng)濟性的需求。

此外,在葡萄牙里斯本—阿爾加威區(qū)段的新建鐵路線路建設(shè)時[29],考慮當?shù)卦牧蠀T乏問題,將原設(shè)計方案中30 mm厚花崗巖底砟改為兩部分:15 mm厚花崗巖和15 mm厚石灰?guī)r組合。在解決材料問題的同時,對于工程造價也是十分有利的。如表6所示,案例中的石灰?guī)r最大洛杉磯磨耗率為27%,micro-Deval磨耗率為12%,不滿足于IT.GEO.006標準,但根據(jù)UIC和部分歐洲國家的相關(guān)鐵路道砟標準,石灰?guī)r可以滿足洛杉磯磨耗率和Micro-Deval磨耗率的要求。

表6 道砟顆粒材料特性標準Table 6 Ballast particle material characteristics standards

無論是2008年實施的TB/T 2140—2008《鐵路碎石道砟》還是已經(jīng)棄用TB/T2140—1990《鐵路碎石道砟》,兩者對道砟原料作出了明確規(guī)定,即碎石道砟應(yīng)選擇開山塊石破碎、篩選加工生產(chǎn)得到,而美國的黑梅薩和鮑威爾湖(BMLP)鐵路在后期修復(fù)過程中,由于當?shù)厝狈Σ墒瘓?未按照規(guī)范規(guī)定使用新破裂的級配碎石,并進行了如下處理:允許老化的道砟占比總道砟的5%,并從附近的科羅拉多河獲得圓形粗粒河礫石作為道砟來源[30]。

我國道砟規(guī)范中沒有明確道砟巖性,而是將道砟劃分為特級道砟和一級道砟,并根據(jù)洛杉磯磨耗率LAA、標準集料沖擊韌度IP、石料耐磨硬度系數(shù)等指標進行限制;美國AREMA鐵路工程手冊則主要通過對洛杉磯磨耗率LAA及抗沖擊性能等參數(shù)指標對道砟材料進行限制,并在此基礎(chǔ)上規(guī)定了不同母巖材質(zhì)的標準細則,如表7所示;UIC及包括英國在內(nèi)的CEN成員各國普遍采用洛杉磯磨耗LAA、micro-Deval磨耗率等指標。

表7 美國AREMA鐵路工程手冊道砟物理參數(shù)指標及試驗指標[34]Table 7 Physical parameters and test indicators of ballast (Manual for railway engineering of AREMA)

3.4 地質(zhì)、氣候條件制約

我國幅員遼闊,鐵路建設(shè)沿線地質(zhì)條件復(fù)雜,而道砟母巖開采遵循就近原則,新建鐵路附近采石場開采的同類道砟材料各項指標表現(xiàn)不同。按照工程地質(zhì)巖性分布將我國地域劃分成5種巖石類型分布區(qū)域,明顯看到華中、東北平原、黃河流域等地區(qū)匱乏堅硬、次堅硬巖石,因此在這些區(qū)域進行新建鐵路設(shè)計時,尤其是受到運輸、經(jīng)濟等條件制約,就近開采的巖石可能難以滿足道砟材質(zhì)要求[35]。

在道砟原材料匱乏的情況下,有石灰?guī)r被用于鐵路建設(shè)的案例,但這并不是絕對的,也會受到其他方面的制約。例如,在高寒霜凍地區(qū)線路或高運量線路,石灰?guī)r受到凍脹后,在列車高頻荷載作用下,其破碎量遠高于花崗巖或玄武巖等[36]。道砟材質(zhì)在不同氣候地區(qū)表現(xiàn)出不同適用性,因此,在進行線路道砟材質(zhì)選型時,應(yīng)該合理考慮降雨、溫度等氣候條件,有針對性地合理選擇道砟材質(zhì)。

4 結(jié)論

本文歸納總結(jié)并對比了各國道砟材質(zhì)選型方法,以及道砟性能試驗方法,得到以下主要結(jié)論。

(1)諸多道砟性能測試方法未進行具體詳細解釋說明或者深入研究其具體可行性,多采用其他學科中試驗方法。因此,有必要完善復(fù)雜條件下,道砟性能評估、測試及量化方法。實現(xiàn)在多尺度、多物理場中模擬道砟受到的綜合環(huán)境影響。目前道砟材質(zhì)試驗方法不能真實反映道床受力狀態(tài),如眾多研究表明,洛杉磯磨耗率與道床壽命沒有直接關(guān)系,而使用洛杉磯磨耗率和Mill磨耗率(LAA+5MA)最為有效。

(2)目前我國道砟標準未明確道砟母巖巖性,淘汰了潛在能夠用于線路鋪設(shè)的道砟資源,而對于實際線路設(shè)計時,考慮沿線地理和氣候,可以采用新舊道砟結(jié)合、 開發(fā)潛在道砟資源及降低設(shè)計標準等方法選擇道砟材質(zhì)。

(3)我國規(guī)范及維修手冊中規(guī)定了道床密度具體指標,但是道床密度的測量方法主要采用道床開挖取樣等破壞性手段,目前仍然缺乏非破壞、高效測量道床堆積密度的方法。

(4)為實現(xiàn)雙碳目標,我國目前鐵路道砟規(guī)范并不包括工業(yè)或者建筑固廢道砟和廢舊道砟,與歐盟道砟規(guī)范包容度有一定差異。