運(yùn)營高速鐵路路基無砟軌道抬升注漿材料性能研究

李　杰

(上海鐵路局，上?！?00071)

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運(yùn)營高速鐵路路基無砟軌道抬升注漿材料性能研究

李杰

(上海鐵路局，上海200071)

摘要：為保證運(yùn)營線高速鐵路路基段沉降無砟軌道抬升用高聚物注漿材料的性能滿足工程要求，并確保其不會對環(huán)境造成污染，通過系統(tǒng)的疲勞性、耐久性以及浸水后有害離子測試試驗(yàn)對無砟軌道抬升用高聚物注漿材料的抗疲勞性能、耐化學(xué)侵蝕、耐老化性等耐久性能和環(huán)保性能開展系統(tǒng)研究，并進(jìn)行工程應(yīng)用效果驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：高聚物注漿材料在疲勞荷載作用下殘余變形小，具有良好的尺寸穩(wěn)定性；耐化學(xué)侵蝕性和耐老化性優(yōu)良，強(qiáng)度保持率70%以上，環(huán)保性能好，高聚物注漿材料長期埋入地下時不會對環(huán)境造成影響；工程實(shí)體取樣驗(yàn)證表明高聚物注漿材料耐久性能與環(huán)保性能均滿足設(shè)計(jì)要求，有效保持了抬升后無砟軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；無砟軌道；路基；抬升；注漿材料

1概述

無砟軌道以其良好的整體性和穩(wěn)定性在高速鐵路建設(shè)中備受青睞，是高速鐵路最為重要的軌道結(jié)構(gòu)形式。但是，隨著運(yùn)營時間的增長，在復(fù)雜地質(zhì)情況下，基于地基/路基不均勻沉降引起的軌道沉降問題在我國高速鐵路無砟軌道運(yùn)營線路上逐漸開始顯現(xiàn)。部分地段無砟軌道結(jié)構(gòu)沉降量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出扣件系統(tǒng)的有限調(diào)整量，線路平順性無法恢復(fù)，只能限速運(yùn)營，這對我國高速鐵路無砟軌道線路的正常運(yùn)營帶來了嚴(yán)重影響[1-9]。

為解決這一難題，滬杭客專公司與中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所聯(lián)合對常規(guī)無砟軌道線路、道岔以及抬升約束阻力大的含端梁等特殊無砟軌道的整體精確抬升材料、工藝及工裝設(shè)備開展系統(tǒng)研究，形成了適用于不同無砟軌道結(jié)構(gòu)的成套高聚物注漿抬升修復(fù)技術(shù)[10-13]。但相比水泥基材料，該技術(shù)所用注漿材料為一種高分子聚合物化學(xué)漿液，因而其耐久性能直接關(guān)系到抬升后無砟軌道的長期穩(wěn)定性，而其高聚物固結(jié)體的環(huán)保性能直接關(guān)系到該項(xiàng)技術(shù)是否可能對土體、水體等環(huán)境造成污染[14-16]。

因此，對高聚物注漿材料的抗疲勞性能、耐化學(xué)侵蝕、耐老化性等一系列耐久性能和環(huán)保性能開展了系統(tǒng)研究，并進(jìn)行了工程應(yīng)用效果驗(yàn)證，以期為我國高速鐵路無砟軌道沉降病害的修復(fù)整治提供借鑒和參考。

2高聚物注漿材料耐久性能

2.1抗疲勞性能

在服役中，高聚物注漿材料結(jié)構(gòu)體除了承受上部結(jié)構(gòu)的靜荷載之外，還要承受列車運(yùn)營產(chǎn)生的動荷載(實(shí)際運(yùn)營中一般不超過0.1 MPa)，對于多孔結(jié)構(gòu)的高聚物注漿材料，其動荷載下的尺寸穩(wěn)定性至關(guān)重要。采用MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)對高聚物注漿材料進(jìn)行不同應(yīng)力下的疲勞試驗(yàn)。試樣尺寸為(φ150 mm×50 mm)，加載頻率為4 Hz，疲勞次數(shù)1 000萬次。疲勞試驗(yàn)見圖1。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖1　疲勞試驗(yàn)測試

序號1234最大應(yīng)力值/MPa0.040.100.20.3對應(yīng)的動變形/mm0.10.150.30.3殘余變形/mm0.060.080.080.12

從表1可以看出，隨著最大應(yīng)力提高，對應(yīng)的動變形略有增加。對于高聚物注漿材料來說，即使采用高于實(shí)際運(yùn)營所承受的荷載2倍以上，其疲勞1 000萬次后殘余變形也較小。

2.2耐化學(xué)侵蝕性能

(1)耐酸堿腐蝕性

試驗(yàn)室配制了不同pH值的溶液，酸性溶液的pH值為2.0，堿性溶液的pH值為14.0，對比溶液為中性溶液，pH值為7.0，試樣成型3 d之后，裁成標(biāo)準(zhǔn)試件，試件尺寸為100 mm×100 mm×50 mm，然后浸泡到不同pH值的酸堿溶液中，并保證試件在溶液液面下5 cm。參照《聚合物乳液建筑防水涂料》(JC-T864—2008)計(jì)算某齡期的壓縮強(qiáng)度保持率φT(式(1))，所得的高聚物注漿材料的壓縮強(qiáng)度保持率如圖2所示。

(1)

式中σT——某齡期的壓縮強(qiáng)度，MPa；

σ0——酸堿腐蝕前的壓縮強(qiáng)度，MPa。

圖2　不同pH值溶液浸泡下高聚物注漿材料壓縮強(qiáng)度保持率

由圖2可以看出，隨著酸堿溶液浸泡齡期的延長，不同pH值溶液中高聚物注漿材料的壓縮強(qiáng)度保持率有所降低，不同pH值溶液中注漿材料壓縮強(qiáng)度保持率的排序?yàn)橹行匀芤?酸性溶液>堿性溶液，pH值為7.0的中性溶液中，浸泡240 d后，壓縮強(qiáng)度保持率在90%以上；pH值為2.0的酸性溶液中，浸泡240 d后，壓縮強(qiáng)度保持率在85%以上；pH值為14.0的堿性溶液中，浸泡240 d后，壓縮強(qiáng)度保持率在75%以上，因而，無論酸堿溶液還是中性溶液，高聚物注漿材料的壓縮強(qiáng)度保持率均在75%以上。

(2)耐土壤腐蝕性

為模擬高聚物注漿材料在級配碎石中服役的環(huán)境特點(diǎn)，將試件尺寸為100 mm×100 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣埋入具有一定含水率的級配碎石中，分別埋藏30、90、120、180 d后測試試件的壓縮強(qiáng)度，壓縮強(qiáng)度保持率如圖3所示。

圖3　高聚物注漿材料耐土壤腐蝕壓縮強(qiáng)度保持率

由圖3可以看出，高聚物注漿材料具有優(yōu)異的耐土壤腐蝕能力，在級配碎石中埋藏240 d后，壓縮強(qiáng)度保持率在90%以上，這說明，注入到級配碎石中的高聚物注漿材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3耐老化性能

高聚物注漿材料屬于高分子材料，耐老化性能的優(yōu)劣直接影響其耐久性能。本文采用濕熱老化試驗(yàn)檢驗(yàn)了高聚物注漿材料的耐老化性能，試驗(yàn)時，參照《聚合物乳液建筑防水涂料》(JC-T864—2008)，試驗(yàn)溫度為(85 ℃±3) ℃，濕度≥95%，養(yǎng)護(hù)至一定齡期后測試其壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4　高聚物注漿材料的耐濕熱老化性能

由圖4可以看出，隨著濕熱老化齡期的延長，高聚物注漿材料的壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均逐漸降低。當(dāng)齡期分別為14 d和56 d時，壓縮強(qiáng)度保持率為93%、82%；拉伸強(qiáng)度保持率為92%、83%，這說明，濕熱老化影響高聚物注漿材料的性能。本研究制備的高聚物注漿材料濕熱老化90 d，壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度保持率均在70%以上。

3環(huán)保性能

將聚合反應(yīng)硬化后的高聚物材料浸泡于蒸餾水中，按照《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》(GB5750—2006)檢測高聚物泡水后水溶液中各離子的濃度，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　高聚物注漿材料泡水后的水溶液離子濃度

由表2高聚物注漿材料浸泡水濾出液的成分分析結(jié)果表明，濾出液當(dāng)中并不含高聚物材料成分，證明高聚物結(jié)構(gòu)體在長期被水浸泡的情況下，不會降解或者腐爛。通過高聚物浸泡水質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果與生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)對比分析，高聚物材料不會對水質(zhì)造成污染，這表明高聚物注漿材料長期埋入地下時不會對環(huán)境造成影響。

4工程應(yīng)用效果驗(yàn)證

將本文所用的高聚物注漿材料應(yīng)用在某高鐵K45+000～K45+400路基段沉降無砟軌道結(jié)構(gòu)的注漿抬升施工，上行線最大抬升量82 mm，下行線最大抬升量106 mm。抬升后線形如圖5、圖6所示。

圖5　上行線抬升后線路線形

圖6　下行線抬升后線路線形

抬升過程中，采用高聚物注漿材料的抬升精度控制較好(均在±1 mm范圍內(nèi))，軌道結(jié)構(gòu)線形控制良好，均滿足當(dāng)日列車開通條件；經(jīng)動態(tài)監(jiān)測，線路120 m弦左、右高低峰值顯著降低(均低于2 mm)，線路垂向加速度也明顯降低，線路幾何狀態(tài)得到顯著改善。經(jīng)精確抬升整治后，限速區(qū)段得以及時恢復(fù)常速運(yùn)營。

抬升完成1年后，該區(qū)段線路高程幾乎無變化，于抬升地段現(xiàn)場取樣后進(jìn)行了高聚物注漿材料的性能測試，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，高聚物注漿材料耐久性能與環(huán)保性能等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)度保持率98%以上，因而，可有效保持抬升后無砟軌道結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。

5結(jié)語

對高聚物注漿材料的抗疲勞性能、耐化學(xué)侵蝕、耐老化性等耐久性能和環(huán)保性能開展了系統(tǒng)研究，并進(jìn)行了工程應(yīng)用效果驗(yàn)證，主要結(jié)論如下。

(1)不同密度高聚物注漿材料，循環(huán)加載1 000萬次后基本無殘余變形，動荷載下高聚物注漿材料具有良好的尺寸穩(wěn)定性和抗疲勞性能。

(2)高聚物注漿材料在酸堿溶液浸泡240 d后的壓縮強(qiáng)度保持率均在75%以上，具有一定的抗酸堿性。

(3)高聚物注漿材料濕熱老化90 d，其壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度保持率均在70%以上，高聚物注漿材料具有較好的抗?jié)駸崂匣阅堋?/p>

(4)高聚物材料不會對水質(zhì)造成污染，這表明高聚物注漿材料長期埋入地下時不會對環(huán)境造成影響。

(5)通過工程實(shí)體取樣進(jìn)行高聚物注漿材料的性能驗(yàn)證，表明高聚物注漿材料耐久性能與環(huán)保性能等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)度保持率98%以上，可有效保持抬升后無砟軌道結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫立，陳秀方.雙塊式無砟軌道軌枕的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2009(8):1-3.

[2]徐慶元，李斌，周智輝.CRTSⅠ型板式無砟軌道線路路基不均勻沉降限值研究[J].中國鐵道科學(xué)，2012(2):2-5.

[3]程志強(qiáng).板式無砟軌道結(jié)構(gòu)受力影響分析[J].鐵道建筑技術(shù)，2011(7):4-6.

[4]李昌寧，戴宇. 鄭徐鐵路客運(yùn)專線CRTSⅡ型板式無砟軌道施工關(guān)鍵技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2015(9):25-28.

[5]張珍珍.CRTSⅠ型板式無砟軌道路基沉降抬板維修技術(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2015(4):13-15.

[6]張國紅.高速鐵路無砟軌道倒T型端刺施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2010(1):1-3.

[7]吳紹利，王鑫，吳智強(qiáng)，陸方斌.高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)病害類型及快速維修方法[J].中國鐵路， 2013(1):42-44.

[8]劉觀，胡佳，杜華楊. CRTSⅠ型板式無砟軌道CA砂漿疲勞壽命分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014(5):5-7.

[9]周萌，宮全美，王炳龍. 路基不均勻沉降值對板式軌道動力響應(yīng)的影響[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)計(jì),2010(10):1-4.

[10]張家海.CRTSⅠ型板式無砟軌道抬升修復(fù)技術(shù)研究[J].上海鐵道科技，2013(4):71-73.

[11]易小明，張頂立，逄鐵錚，駱建軍.房屋注漿抬升實(shí)踐與監(jiān)測分析[J].巖土力學(xué)，2009(12):3776-3778.

[12]石明生.高聚物注漿材料特性與堤壩定向劈裂注漿機(jī)理研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2011:1-50.

[13]邊學(xué)成，程翀，王復(fù)明，蔣建群，陳云敏.高速鐵路路基沉降高聚物注漿修復(fù)后動力性能及長期耐久性的試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報，2014，36(3):562-568.

[14]石明生，于冬梅，王復(fù)明.高聚物注漿材料的彎曲性能[J].材料科學(xué)與工程，2010(4):514-517.

[15]Brent Barron，Kansas.DOT decides to go with Polyurethane to correct 50 miles of Highway[J]. Roads & Bridges， 2004(12):24-26.

[16]F. O. Aramide1， P. O. Atanda， E. O. Olorunniwo. Optimizing the Properties of Polyether Based Polyurethane Foam[J]. Open Journal of Polymer Chemistry, 2013(3):86-91.

Research on Properties of Grouting Material for Uplifting Ballastless Track Structure of Operational High-speed Railway

LI Jie

(Shanghai Railway Administration Bureau， Shanghai 200071， China)

Abstract：To ensure the properties of the high polymer grouting material to meet the requirements of practical engineering and pollution-free environment， the fatigue， durability and environmental properties of the high polymer grouting material are studied in terms of the fatigue property， chemical resistance， aging durability and environmental performance with systematic anti-fatigue test， durability test and harmful ion content of soaking water test. The properties are verified by engineering application. The results show that the hardened polymer grouting materials has small residual deformation， high dimensional stability， high chemical resistance and aging resistance with over 70% of strength retention. Moreover， the polymer grouting materials embedded long in the ground will not affect the environment. The engineering application indicates that the properties of high polymer grouting materials meet the design requirements and the stability of ballastless track structure is secured effectively.

Key words：High-speed railway; Ballastless track; Roadbed; Uplift; Grouting material

文章編號：1004-2954(2016)05-0034-03

收稿日期：2015-12-30； 修回日期：2016-02-24

基金項(xiàng)目：上海鐵路局科研項(xiàng)目(HHKZ2013-01)

作者簡介：李杰(1966—)，男，高級工程師，工學(xué)學(xué)士，E-mail：13701871722@163.com。

中圖分類號：U238

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.008