铁路有砟道床聚氨酯固化技术的发展及应用

图 4 路隧有砟—无砟轨道过渡段道砟粘结对 道床支承刚度的影响
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王 红： 铁路有砟道床聚氨酯固化技术的发展及应用
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倍、1. 6 倍和 1. 3 倍，实现了无砟轨道到有砟轨道的分 级过渡。图 5 为过渡段内钢轨垂向位移测试结果，在 有砟轨道范围内位移变化是均匀的，表明轨道的动态 刚度过渡也是均匀的，有砟和无砟轨道的差异主要是 由于其扣件刚度不同，以及无砟轨道弹性支承块下的 套靴刚度比较小。
铁路有砟道床的固化，是在碎石道床满足相关设 计施工标准后灌注或喷洒固化材料，将散粒体道床固 结成整体结构的过程。有砟道床的固化主要经历了刚 性固化和弹性固化两个阶段。刚性固化采用的是水泥 砂浆材料，已逐步被无砟轨道替代； 弹性固化主要采用 沥青、环氧树脂和聚氨酯材料。
沥青固化材料包括热沥青、乳化沥青水泥砂浆或 乳化沥青橡胶水泥砂浆等，固化深度为轨枕底 面 下 60 mm 或全部道床，固化后道床上半部分或全部为整 体，变形小，稳定性好，能防止雨水侵入，可以改善道床 工作状态，大幅度降低养护维wk.baidu.com作业。但是，沥青固化 道床改变了有砟道床的基本功能，可维修性差，服役寿 命短。
3） 聚氨酯道床和轨枕之间的协调工作状态和碎 石道床类似，轨枕和道床之间不是一种完全固结的关 系。利用道床的弹性，既可以防止轨底和道床顶面之 间的夯拍，又能够在枕底和道床顶面之间填塞或灌注 垫层使轨面抬高，进行类似于有砟轨道上的垫砟或吹 砟起道作业，因而有较方便的维修条件，满足道床的可 维修要求。 2. 2 聚氨酯固化道床的试验研究
我国对无砟—有砟轨道过渡段十分重视，对有砟 道床进行粘结时一般分为 3 个区段，邻近无砟轨道采 用全断面粘结，随后依次为粘结 2 /3 厚度及粘结 1 /3 厚度。道砟粘结长度及粘结区内 3 个区段的划分根据 运输条件确定。图 4 为在山西中南部铁路通道一隧道 内无砟轨道—路基上有砟轨道过渡段进行的道砟粘结 试验测试结果［12］，无 砟 轨 道 为 弹 性 支 承 块 式，列 车 轴 重 30 t，牵引质量 1. 2 万 t，试验速度 100 km / h，过渡段 长度 20 m 左右，3 个区段长度相同。可以看出，胶结 前散粒体道床的支承刚度 60 kN / mm 左右，胶结 2 d 后道床支承刚度明显增大，4 个月以后达到稳定，3 种 粘结厚度的道床支承刚度分别为散粒体道床的 2. 3
可以看出，聚氨酯道床具有以下特点： 1） 聚氨酯固化道床不再是散粒体结构，而是固结 的整体结构。在列车冲击、振动荷载作用下，不再有道 砟颗粒之间的相对错动及由此而引起的道床残余变 形，又因碎石颗粒之间的空隙被处于压缩状态的膨化 聚氨酯所填充，起到部分传力的作用，减小了碎石颗粒
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环氧树脂材料的应用主要是防止道砟飞散，日本 在东海道新干线开通运营后进行了试验和应用，我国 在秦沈客运专线进行了试验。但由于环氧树脂韧性和 耐冲击损伤能力差、易脆性破坏，实际应用很少［1］。
聚氨酯作为当今六大合成材料之一，其优异的物 理力学性能、良好的环境适应性和耐久性，使其在各个 领域都获得广泛的应用，也成为有砟道床固化的主要 材料和发展方向。目前用于道砟粘结和固化的聚氨酯 材料主要是由多异氰酸酯（ A 组分） 与聚合物多元醇 （ B 组分） 通过共价键形成空间网络结构，其 A 组分多 由一种或多种单、双（ 或） 多异氰酸酯单体、聚合物和 预聚体组合而成； B 组分由一种或多种聚醚（ 酯） 多元 醇、催 化 剂、发 泡 剂、扩 链 剂、抗 氧 化 剂、填 料 等 构 成。 根据目标产品的性能要求，选择不同的双组分体系，经
图 2 道砟粘结对道床沉降的影响
我国对聚氨酯道砟粘结技术开展的试验结果表 明［10］，在一定的道砟胶用量下，如果枕底、枕间及砟肩 都喷洒道砟胶，道床纵向阻力可以提高 8. 5 倍左右，横 向阻力可以提高 17. 4 倍左右，卸载后5 min 内可以恢 复轨枕位移的 90% 左右，而没有喷胶的道床轨枕位移
收稿日期： 2015-02-10； 修回日期： 2015-03-20 基金项目： 铁道部科技研究开发计划项目（ 2014G002-H） 作者简介： 王红（ 1968— ） ，女，辽宁沈阳人，副研究员。
图 1 道砟粘结机理
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根据道砟粘结的机理，道砟粘结道床主要具有以 下特点：
1） 道砟粘结以后，轨枕底部、枕间及砟肩的道砟 与轨枕粘结在一起，有利于增加道床的纵横向阻力，减 少道床变形，提高道床稳定性。
2） 道砟粘结约束了碎石道砟的位移，增加了道床 的整体性能，使道床刚度有所增加。利用这一特性，可 以在刚度过渡区域通过调整道砟粘结厚度或道砟胶用 量，实现刚度的均匀变化。
3） 道砟粘结不影响道床的排水功能。 1. 2 道砟粘结技术的试验研究
2 聚氨酯固化道床技术
2. 1 固化道床作用机理及特点 如图 7 所示，聚氨酯固化道床是在已经达到稳定
的新铺碎石道床内灌注聚氨酯材料，使其沿着碎石道 床内的空隙渗入道床底部，在道床内产生化学反应，经 发泡、膨胀后聚氨酯弹性材料挤满碎石道砟之间的空 隙所形成的膨化弹性固结整体道床结构［19］。
图 7 聚氨酯固化道床断面形貌
1 道砟粘接技术
道砟粘结起始于道床的表面粘结，目的是将道床 表面道砟粘结成一个整体，防止道砟飞散； 随后逐步发 展成提高道床稳定性和刚度均匀过渡的结构粘结。 1. 1 道砟粘结的作用机理及特点
如图 1 所示，道砟粘结技术特别强调在道砟的表 面和接触点上进行粘结，而不是注入到道砟的空隙中。 可以看出，道砟粘结的机理比较简单，当道砟胶在道床 内流动和渗透时，道床变成了由胶体网络构成的大小 不等的包裹体。包裹体既提高了道床的整体性能，使 道床的抗变形能力、支承刚度和轨道纵横向阻力均大 大增加，又能够通过包裹体内道砟颗粒和包裹体间的 微调整，改变轨道力学特性。
图 6 结构粘结在特殊地段的应用
图 5 过渡段内钢轨垂向位移测试结果
1. 3 道砟粘结技术的应用 英国研发了 XiTＲACK 技术以后，在铁路上进行了
推广应用［5-9，13-16］。2000 年在其西海岸主线的一个道 岔区进行了道砟粘结，到 2010 年还没有进行过维修， 而粘结之前 每 隔 3 个 月 就 要 维 修 一 次。2004 年，在 Purfleet 深水码头的一个道口，由于道床破坏可能导致 脱轨，因此用两层聚氨酯材料重新施工，在重载下线路 稳定，有效地减小了振动。2009 年，在东伦敦线路桥 过渡段上使用，有效解决了由于轨道刚度不连续引起 轨枕下道砟位移致使轨枕吊空的技术难题。同样在西 海岸主线，靠近 Lancaster 的 Gravel Hole 区段，由于常 遇洪水，加上基础较弱，列车通过轨道振动和钢轨位移 较大，因此限速运行，但是应用聚氨酯加强道床后，轨 道变形和振动明显减小，恢复到了设计速度值。
图 3 道砟粘结前后道床振动加速度
2 mm 后出现滑动，并且位移不可逆； 道床支承刚度与 竖向力线性相关，当竖向力为 140 kN，支承刚度可以 提高 37. 6% ，卸载后 5 min 内轨枕位移可以恢复 90% 左右。可见，道砟粘结有利于减少残余变形。大秦铁 路试验研究表 明［11］，道 砟 粘 结 以 后，道 床 的 下 沉 量 比 普通道床减少约 90% ，并使线路纵横向阻力提高 1. 5 ～ 2. 0 倍，排水性能也得到了改善； 钢轨加速度降低 5. 2% ～ 8. 7% 、轨枕加速度降低 60% 、道砟加速度降 低 30% ，钢轨、轨枕、道砟结合良好，刚度匹配均匀，改 善了道床弹性和机车车辆、钢轨、轨枕的工作条件，延 长了道砟和钢轨的使用寿命。
接触点（ 面） 上的应力，延缓了道砟颗粒的破碎和粉 化，从而减少了道床的累积变形。
2） 聚氨酯固化道床中挤入道砟颗粒之间的聚氨 酯具有弹性，使 道 砟 颗 粒 之 间 的 联 结 为 柔 性 联 结，因 此，聚氨酯固化道床的内部结构可以沿聚氨酯挤压层 撕开，而不会造成道砟颗粒的破坏，能够保证聚氨酯固 化道床在列车荷载作用下具有良好的弹性。
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文章编号： 1003-1995（ 2015） 04-0135-06
铁路有砟道床聚氨酯固化技术的发展及应用
王红
（ 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081）
摘要： 道床弹性固化技术是解决有砟轨道稳定性差、养护维修工作量大，以及高速铁路飞砟等问题的主 要技术途径。论文介绍了聚氨酯材料道砟粘结和固化道床技术的作用机理、发展历史、试验研究及应用 现状，分析了两种道砟固化技术在我国高速和重载铁路上的应用范围、前景和发展方向。 关键词： 有砟轨道 道砟粘结 固化道床 聚氨酯 中图分类号： U213. 7 文献标识码： A DOI： 10． 3969 / j． issn． 1003-1995． 2015． 04． 35
物理共混、扩链反应、凝胶 （ 或） 起泡、固化成型等过 程，借助快速反应聚氨酯（ PUＲ） 体系、反应注射成型 （ ＲIM） 法等，在道砟上或道砟间形成聚氨酯半硬质泡 沫或聚氨酯弹性体材料，实现对道砟粘结和固化［2-4］。 为此，论文不再对聚氨酯固化材料的发展情况进行介 绍，主要对国内外有砟道床聚氨酯固化技术的发展及 应用现状进行分析，对其在我国铁路中的应用前景提 出建议。
由于道砟粘结能够保证道床的稳定，减少养护维 修工作量，提高经济效益，除英国外，在日本、法国、德 国、意大利、匈牙利、克罗地亚等国获得了广泛的应用。 其中，应用最多的是线路上的特殊区段，如需改善刚度 均匀性的路桥、路隧、道岔前后的过渡段，提高道床稳 定性的道岔区，防止横向位移的小半径曲线上，改善其 稳定性和耐久性的胶结绝缘接头下（ 图 6） ［9］。在这些 区段都能够发挥道砟粘结技术的优势。
聚氨酯材料在道砟粘结技术中的应用首先出现在 英国。1999 年英国 Heriot-Watt 大学提出三维粘结概 念，2000 年申请了 XiTＲACK 相关专利技术，2005 年获 得英国国家铁路年度发明最高奖［5］。XiTＲACK 技术 成功地将固化材料与固化结构结合起来，研发了 5 根 轨枕范围内固化道床的加速疲劳试验装置［6］，建立了 三维有限元计算模型，并将其发展成为固化道床信息 化 施 工 平 台，能 够 结 合 现 场 条 件 确 定 施 工 作 业 要 求［7-9］。Heriot-Watt 大学的试验结果表明，道床在相同 密实度下，粘结道床承受的破坏荷载与粘结材料用量 呈二次多项式关系，说明粘结材料的用量有一个合理 的范围； 粘结道床的垂向刚度、钢轨传递到轨枕上的 力、道床沉降、钢轨弯矩与粘结材料用量和道床粘结厚 度呈线性关系，粘结材料用量和粘结厚度越大，道床的 垂向刚度和钢轨传递到轨枕上的力越大，道床沉降和 钢轨弯矩则越小； 道砟未粘结时在 10 万次循环荷载作 用下已发生沉降变形近 50 mm，道砟粘结以后在 50 万 次循环作用后道床几乎没有发生沉降变形（ 图 2） ； 采 用道砟粘结技术后，道床振动加速度显著降低（ 图 3） 。
我国道砟粘结技术在高速铁路无砟轨道与有砟轨 道过渡段得到全面应用，从无砟轨道结束端起，有砟轨 道的道砟粘结长度一般为 45 m，道砟粘结区段分成相 同长度的 3 个区段： 枕下、砟肩和轨枕盒内道砟全部粘 结，枕下和砟肩道砟粘结，枕下道砟粘结［17-18］。
结构粘结技术首次在高速铁路上的应用是在布鲁
塞尔—科隆 高 速 铁 路 线 上 比 利 时 列 日 （ Liege） 附 近 Chenee 桥的重建，桥分两边施工，先建一边，保持另外 一边旧桥通车； 先建的一边建好通车后，再拆除一边的 旧桥进行建设。由于新桥、旧桥都存在一边施工，一边 行车的情况，为解决列车通过时道床稳定问题，对道床 进行了结构粘结，确保了行车安全。匈牙利在布达佩 斯地铁里 进 行 了 结 构 粘 结，由 于 道 床 厚 度 只 有 5 ～ 8 cm，在小半径曲线上如此薄的道床容易产生道砟移 动和破碎，轨道几何尺寸难以保持，车辆碰撞隧道壁情 况时有发生，采用道砟粘结以后，提高了道床稳定性， 上述问题得到很好解决。