聚氨酯固化道床的力学性能试验研究_郄录朝

1 聚氨酯固化道床及其发展现状
2 聚氨酯固化道床结构设计
聚氨酯固化道床是在已经达到稳定的新铺碎石道 床内，使用高压或低压发泡机灌注聚氨酯发泡材料而 形成的道床结构。灌注的聚氨酯发泡材料经道砟间的 孔隙流入道床底部，材料起发后填充道砟间孔隙并将 道砟柔性粘结在一起，使道床成为一个整体。聚氨酯 固化道床既具有碎石道床良好的弹性和可维修性，又 兼备整体道床稳定性好、使用寿命长、道床维修作业少 等特点，它 不 仅 适 合 于 高 速、重 载 铁 路 有 砟 轨 道 桥 隧 段，也适用我国西部人烟稀少、受风沙侵害的线路。
1） 固化道床弹性试验 对实尺模型进行了静态加载和卸载测试，试验曲 线见图 9。可以看出，卸载后轨道沉降变形几乎恢复 至 0，说明固化道床轨下基础弹性良好，能够为轨道结 构提供弹性。
图 10 轨枕支承刚度随高速铁路荷载作用次数变化曲线
图 11 实尺模型累积变形随高速铁路荷载作用次数变化曲线
3） 重载荷载重复加载试验 图 12 为 30 t 轴重荷载作用 1 000 万次下，聚氨酯 固化道床弹性变化曲线。聚氨酯固化道床弹性曲线基 本为一条水平的直线，说明即便在经过1 000 万次荷载 作用后，道床的弹性仍与初始时的弹性基本一致，并不 像普通有砟道床那样，随着荷载作用次数增加而刚度 变大，体现了良好的弹性保持能力。
铁道建筑
2015 年第 1 期
Ｒailway Engineering
107
文章编号： 1003-1995（ 2015） 01-0107-06
聚氨酯固化道床的力学性能试验研究
郄录朝1，2 ，王 红2 ，许永贤2 ，许良善2 ，刘海涛2 ，曾树谷2
（ 1． 中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081； 2． 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081）
图 3 试件静载过程荷载—变形曲线
2） 重复加载试验 重复加载试验的目的是检验聚氨酯固化道床材料 在经受荷载重复作用后，试件的静刚度及其累积变形 的变化情况，以评估材料抗疲劳的能力。 重复加载试验的最大荷载同样按钢轨动压力取 50 kN 进行换算。由于换算压力较小，需对 2 个试件 同时进行疲劳试验。对试件施加交替循环荷载，从最 小荷载 5 kN 到最大荷载，荷载循环次数 ＜ 5 × 106 ，加 载频率（ 4 ± 1） Hz。各试件静刚度变化曲线如图 4 所 示。可见，试件在承受重复荷载初期（ 0 ～ 100 万次） ，
实尺模型一般用来模拟有砟轨道在刚性线路基础 上的受力状况，通过进行静态加载和卸载测试试验，研 究固化道床弹性变化； 通过重复荷载试验，研究固化道 床在高速和重载铁路上的累计变形规律，评估轨道维 修工作量 及 维 修 周 期，比 较 不 同 轨 道 结 构 承 载 能 力。 实尺模型疲劳试验可较真实模拟现场情况。
聚氨ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ固化道床承受着来自轨枕底面的压力，同 时周边又承受着来自周边道床的围压，因此，采用围压 试件作为聚氨酯固化道床的材料性能试验的试件，可 以反映固化道床的基本受力情况。围压试件直径为 500 mm，高度取聚氨酯固化道床的厚度 350 mm，由于 围压试件周边密度通常低于其中部密度，故要求试件 总体密度为 1. 70 g / cm3 。
图 6 冻融后静刚度和累积变形随荷载作用次数变化曲线
图 5 试件累积变形曲线
3） 冻融试验 冻融试验的目的是检验材料经反复冻融后，内部 结构及承载能力的变化。包括材料反复冻融后，材料 的吸水率变化、材质的脆化和老化、材料弹性变化、材 料整体承载能力和累积变形速率变化。首先对试件进 行吸水试验，然后进行冻融试验。具体试验步骤如下： ①对每个试件灌水，静置 120 h，测试其吸水率。②将 铁桶表面积水倒掉，在（ － 20 ± 2） ℃ 冰箱中冷冻 16 h， 然后 加 热 到 40 ℃ ，保 持 8 h。冻 融 循 环 5 次，每 次 24 h。③对冻融后试件进行疲劳试验。 试件表面加水静置 120 h 后，通过对试件表面及 底部观察以及吸水率测试，发现聚氨酯固化道床只是 在表层吸水，且吸水率很小，最大没超过 0. 36% 。冻 融后，进行重复加载，试件静刚度和累积变形随荷载作 用次数变化曲线见图 6。冻融后试件荷载—变形曲线 见图 7。冻 融 后 将 试 件 从 中 间 切 开，其 内 部 结 构 见 图 8。 由图 6 可见，开始时其累积变形和静刚度有一个 增长阶段，随后静刚度与累积变形不再发生变化，这与 冻融前变化趋势一致，且试件弹性与冻融前也无明显
聚氨酯灌注区域主要在轨下，其顶面不超过枕底， 砟肩和道心不灌注。沿线路的纵向，在轨下断面一定 范围内形成两条纵向的支承体，在道床底部全断面铺 设排水垫。聚氨酯固化道床的内部结构如图 2 所示。 当聚氨酯固化道床被锯开时，其切割面穿过聚氨酯，也 穿过碎石颗粒； 当聚氨酯固化道床被撕开时，其撕裂面 只穿过聚氨酯材料，而不穿过碎石颗粒。
摘要： 聚氨酯固化道床是介于传统碎石道床和无砟轨道整体道床之间的一种新型结构。本文介绍了聚 氨酯固化道床的国内外现状； 通过聚氨酯固化道床围压试件的疲劳荷载、冻融试验、实尺模型疲劳试验 和现场加载车测试试验，研究聚氨酯固化道床的弹性、抗累积变形、荷载传递规律及轨排阻力等力学性 能。试验结果表明： 聚氨酯固化道床具有良好弹性保持能力和抗累积变形能力，和普通碎石道床相比， 具有更好的抵抗横向荷载能力，同时验证了聚氨酯固化道床结构设计断面的合理性。 关键词： 聚氨酯固化道床 力学性能 试验 中图分类号： U213． 7 文献标识码： A DOI： 10． 3969 / j． issn． 1003-1995． 2015． 01． 24
聚氨酯固化道床在国内外均处于研究阶段。自 2007 年以来，全球范围内已经建成了十条聚氨酯固化 道床试验线路，总长度约 6 350 m，其中大部分集中在 德国和中国。德国铁路从 2007 年 4 月至 2011 年年 底，铺设了累计2 100 m 长的聚氨酯固化道床，其中主 要示范段为： ①德铁从汉堡至汉诺威的 Uelzen 客货混 运铁路试验段，长度为 300 m； ②德国 Cottbus 重载铁 路试验段，用于煤炭运输，长度为 700 m； ③德国科隆 客货共线铁路试验段，长度 1 100 m。中国从 2009 年 开始，共铺设试验段 6 处，主要包括武汉天兴洲特大桥 （ 225 m） 、江岸特大桥（ 128 m） 、铁科院环行道试验段 （ 120 m） 、龙厦铁路程溪特大桥（ 1 322 m） 、山西中南 部铁路通道跨长晋高速公路特大桥（ 700 m） 和南岭山 隧道（ 1 100 m） ，聚氨酯固化道床累计长度为3 595 m。
1） 荷载—变形试验 荷载变形试验的目的是探求聚氨酯固结道床材料 的加载和卸载变形规律、检测试件静刚度及道床系数、 并与碎石道床的对应值进行对比，评估道床弹性。 试验荷载是根据京津城际铁路联调联试轨道动力 性能试验测试数据，将钢轨动压力取为 50 kN，按围压 试件受力面积进行换算。聚氨酯试件的静态加载和卸 载曲线如图 3 所示。聚氨酯试件的荷载变形规律和碎 石道床的荷载变形规律完全相同，聚氨酯在碎石道床 中的膨化固结并没有改变碎石道床的基本力学性能。
图 7 冻融后试件荷载—变形曲线
图 8 冻融后试件内部结构
变化。开始时累积变形和刚度增长主要是加载板和试 样之间存在间隙，随着荷载作用次数增加，两者逐渐密 贴，刚度和变形也不再发生变化。由图 7 可见，荷载与
110
铁道建筑
January，2015
变形曲线变化规律与冻融前一致，说明聚氨酯试件在 经过 5 个冻融循环后，其材料性能并未发生变化。由 图 8 可见，冻融后聚氨酯与道砟仍为良好的柔性联结 状态，无任何破坏痕迹，内部结构未发生变化。 4. 2 实尺模型试验
3 聚氨酯固化道床原材料
3. 1 道砟材料 聚氨酯固化道床对碎石道砟的清洁度要求较高，
道砟采用原有线路设计中规定的道砟材质等级，统一 采用一级道砟级配、特级道砟清洁度标准。道砟在生
108
铁道建筑
January，2015
图 1 聚氨酯固化道床结构设计断面
4 聚氨酯固化道床基本力学性能研究
通过研究固化道床结构的物理和力学特性，可以 掌握固化道床的变形规律和适应性。试验包括室内围 压试件的疲劳荷载试验、冻融试验和实尺模型疲劳试 验，以及现场加载车测试试验。 4. 1 围压试件的疲劳荷载和冻融试验
图 9 静态荷载—变形曲线
2） 高速荷载重复加载试验 轨枕支承刚度随高速铁路荷载作用次数变化曲线 见图 10。可以看出，轨枕支承刚度在高速铁路荷载作 用 50 万次后基本不再发生变化，弹性保持较好。 实尺模型累积变形随高速铁路荷载作用次数的变 化曲线见图 11。可以看出，道床累积变形在初期增长 较快，基本上呈直线增长，随 着 荷 载 作 用 次 数 的 增 加 ， 变形趋向稳 定，说 明 聚 氨 酯 固 化 道 床 在 初 期 同 样 要 经历一个 压 实、稳 定 的 过 程。这 与 普 通 碎 石 道 床 累 积变形规律 一 致，但 其 下 沉 量 相 比 普 通 有 砟 轨 道 却 小得多。
2015 年第 1 期
郄录朝等： 聚氨酯固化道床的力学性能试验研究
109
静刚度随荷载作用次数的增加而有增长的趋势，但在 荷载重复作用 100 万次以后，刚度趋于稳定，持久保持 弹性。
图 4 各试件静刚度随荷载作用次数变化曲线
试件的累积变形曲线如图 5 所示。可见，4 个被 测试件累积变形规律基本一致，在荷载作用 100 万次 后基本趋于收敛。
图 2 聚氨酯固化道床内部结构
产、运输、储存及装卸各环节采取措施，确保出厂道砟 清洁度，防止道砟二次污染。 3. 2 聚氨酯材料
聚氨酯材料由 A 组分和 B 组分的混合料构成。A 组分包括多羟基化合物、扩链剂和催化剂； B 组分为异 氰酸酯。聚氨酯固化道床是由 A 组分和 B 组分按一 定比例混合后，经化学反应形成的一定密度的泡沫体， 粘结固化碎石道床中的道砟颗粒，使其形成整体稳定、 富有弹性的道床结构。