反壓成型高聚物注漿材料膨脹特性及其固結(jié)體力學(xué)性能研究

鄭新國

(中國鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室， 北京　100081)

高聚物注漿材料是一種由A和B雙組份漿液組成的高分子材料，其雙組份漿液混合后在高壓條件下可快速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，體積迅速膨脹并固化[1-3]。該材料具有化學(xué)反應(yīng)迅速、體積膨脹率大、耐久性好且環(huán)保安全的特性，已在國內(nèi)外民用建筑以及公路基礎(chǔ)的加固和抬升中得到應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果[4-5]。近年來，以高聚物注漿材料為核心的高聚物注漿技術(shù)在我國高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)抬升中得到了初步應(yīng)用，以解決由于地基/路基工后沉降過大造成的線路不平順問題。

在無砟軌道結(jié)構(gòu)抬升的實施過程中，高聚物注漿材料一般被注入到無砟軌道結(jié)構(gòu)下部的基床表層中(由級配碎石組成)，通過高聚物注漿材料的膨脹力實現(xiàn)對上部無砟軌道結(jié)構(gòu)的抬升，同時，高聚物注漿材料在反壓下形成了具有一定力學(xué)性能的固結(jié)體，保證抬升后軌道結(jié)構(gòu)的支撐穩(wěn)定[6]。

我國高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)型式多樣，在重量和剛度上存在較大差異，在抬升過程中形成不同的約束阻力，選擇何種膨脹性能的高聚物注漿材料是保證軌道結(jié)構(gòu)抬升的關(guān)鍵。此外，在不同反壓約束下，高聚物注漿材料形成的固結(jié)體的力學(xué)性能差異也較大，其對無砟軌道結(jié)構(gòu)正常使用的影響也是人們關(guān)注的問題。目前，國內(nèi)外研究主要集中在自由狀態(tài)下成型的高聚物注漿材料固結(jié)體的力學(xué)性能及變形性能方面[7-8]，對于反壓約束條件下高聚物注漿材料的膨脹特性及其固結(jié)體力學(xué)性能的試驗研究相對較少。本文對高聚物注漿材料的膨脹特性，以及在反壓下成型的高聚物注漿材料固結(jié)體的力學(xué)性能特點進(jìn)行了研究，以期為實現(xiàn)不同類型高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)的精確抬升提供理論參考。

1　試驗

1.1　物理性能測試

開啟注漿設(shè)備，將注漿材料A料的溫度調(diào)整為35 ℃，B料的溫度調(diào)整為30 ℃，將A和B材料以100∶110的比例通過高壓混合槍頭后形成的注漿材料，注入透明的、體積為1 L內(nèi)開口塑料杯內(nèi)，注漿材料的注入量為320 g，觀察混合后漿液的起發(fā)時間和表干時間，放置3 h后脫模，脫模后將固結(jié)體放入溫度為(23±3) ℃、濕度為50%±5%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d，然后取出，再將固結(jié)體裁成100 mm×100 mm×50 mm的試樣，按照GB/T 6343—2009《泡沫塑料及橡膠表觀密度的測定》測試固結(jié)體試樣的表觀密度。自由發(fā)泡高聚物注漿材料的物理性能見表1。

表1　自由發(fā)泡高聚物注漿材料的物理性能

1.2　力學(xué)性能測試

1)反壓裝置

反壓裝置設(shè)計為底部密封、頂部可自由移動的半封閉空腔。反壓裝置由鋼桶、法蘭盤和螺栓組成，如圖1所示。鋼桶的內(nèi)徑為150 mm，外徑為160 mm，高度為150 mm，鋼桶上設(shè)置有注漿孔，鋼桶底部與內(nèi)徑為160 mm的法蘭盤焊接在一起，頂部法蘭盤與鋼桶形成活動連接。底部和頂部的法蘭盤均與法蘭盲板通過螺栓連接在一起。測試前在鋼模內(nèi)側(cè)墊1層牛皮紙，在法蘭盤與法蘭盲板間設(shè)置石棉墊片。

圖1　反壓裝置

2)膨脹力測試方法

將反壓裝置放置在電子萬能試驗機的壓盤間。調(diào)整上壓盤，使上壓盤接觸反壓裝置頂部法蘭盤，并給一定的初始預(yù)壓力300 N。安裝注漿管，將注漿設(shè)備的混合槍連接到注漿管上，如圖2所示。將一定量的注漿材料注入反壓裝置的鋼桶內(nèi)，用電子萬能試驗機測試其膨脹力，注漿后3 h，待膨脹力穩(wěn)定后再脫模，脫模后的試樣如圖3所示。脫模后將固結(jié)體放入溫度為(23±3) ℃、濕度為50%±5%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d，以備后續(xù)試驗用。

反壓成型高聚物注漿材料固結(jié)體的壓縮強度和壓縮彈性模量按照GB/T 8813—2008《硬質(zhì)泡沫塑料壓縮性能試驗方法》測試，加載速率為5 mm·min-1。彈性模量為固結(jié)體壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線直線段的斜率，如圖4所示。

圖2　膨脹力測試

圖3　脫模后高聚物注漿材料固結(jié)體

圖4　高聚物注漿材料固結(jié)體的壓縮彈性模量

1.3　微觀形貌分析

取反壓成型高聚物注漿材料固結(jié)體芯部試樣裁成立方體試件，試件的長、寬、高均為3 mm左右。將試件放入液氮中驟冷，用裁紙刀沿中部切開試件，取切開后的一部分試樣，切割面朝上，在切割面上噴金后固定到樣品座上，將樣品座放入JEOLS-6700F型掃描電子顯微鏡下觀察其斷面形態(tài)。

2　結(jié)果與討論

1)密度

通過調(diào)整注入時間控制注入反壓裝置中高聚物注漿材料的量，形成不同密度的固結(jié)體，注漿量與反壓成型高聚物注漿材料固結(jié)體密度的關(guān)系如圖5所示。

圖5　注漿量與固結(jié)體密度的關(guān)系

由圖5可以看出：隨著注漿量的增加，高聚物注漿材料固結(jié)體的密度呈線性增長，二者具有較好的相關(guān)性，當(dāng)注漿量分別為0.765，1.395和2.024 kg時，固結(jié)體的密度分別為267，493和715 kg·m-3。與自由發(fā)泡固結(jié)體的密度相比，反壓下形成的固結(jié)體的密度有較大的增加，這主要是由于反壓作用下，注漿材料的發(fā)泡受到約束造成的，注漿時間越長，注入量越多，反壓約束越大，形成固結(jié)體的密度越大。但總體來說，反壓成型高聚物注漿材料固結(jié)體的密度仍小于水泥基注漿材料的密度。水泥基注漿材料的密度通常為2 400 kg·m-3左右，而固結(jié)體基本不增加結(jié)構(gòu)的重量，可有效避免結(jié)構(gòu)由于自重增加而加劇沉降的風(fēng)險。

2)膨脹特性

不同注漿量時，高聚物注漿材料的膨脹力隨時間的變化如圖6所示。

圖6　不同注漿量時高聚物注漿材料膨脹力

由圖6可以看出：在不同注漿量時，高聚物注漿材料膨脹力的發(fā)展規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)為3個階段的變化規(guī)律：第1階段為0～10 s，在此階段，高聚物注漿材料反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹力基本為零；第2階段為10～20 s，在此階段，高聚物注漿材料的膨脹力急劇增大，并達(dá)到極值；第3階段為20 s以后，在此階段，高聚物注漿材料的膨脹力基本趨于穩(wěn)定。從膨脹力的發(fā)展規(guī)律可以看出，反壓成型條件下高聚物注漿材料的膨脹特性與自由發(fā)泡時的反應(yīng)特性密切相關(guān)，在第1階段，對應(yīng)于注漿材料自由發(fā)泡時的起發(fā)時間，此時注漿材料雖發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但由于反應(yīng)產(chǎn)物沒有完全填滿反壓裝置的空間，未能形成膨脹力；在第2階段，對應(yīng)于自由發(fā)泡時起發(fā)和表干時間之間的時間段，此階段注漿材料發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，體積急劇膨脹，在受到約束后膨脹力迅速增加；在第3階段，對應(yīng)于自由發(fā)泡的表干時間之后，此時高聚物注漿材料成為固態(tài)，形成固結(jié)體，體積膨脹結(jié)束，膨脹力趨于穩(wěn)定。結(jié)合高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)注漿抬升工程，高聚物注漿材料膨脹力的不同發(fā)展階段對應(yīng)不同的抬升過程，在第1階段，高聚物注漿材料處于可流動的液態(tài)，在注漿壓力作用下，注漿材料擴(kuò)散并填充周圍級配碎石的空隙，此階段不形成抬升；在第2階段，注漿材料發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)形成較大的膨脹力，當(dāng)膨脹力超過了軌道結(jié)構(gòu)的約束阻力時，軌道結(jié)構(gòu)被抬升；在第3階段，注漿材料的膨脹力基本趨于穩(wěn)定，軌道結(jié)構(gòu)抬升也基本結(jié)束，注漿材料成為具有一定力學(xué)強度的固結(jié)體，由固結(jié)體支撐起被抬升的無砟軌道結(jié)構(gòu)。從高聚物注漿材料的膨脹特性可以看出，注漿材料的化學(xué)反應(yīng)在較短的時間內(nèi)能夠產(chǎn)生較大的膨脹力，并迅速形成體積穩(wěn)定的固結(jié)體，這有利于精確控制無砟軌道結(jié)構(gòu)的抬升。

由圖6還可以看出，隨著高聚物注漿材料固結(jié)體密度的增加，注漿材料膨脹力逐漸增大。

圖7為高聚物注漿材料膨脹力與固結(jié)體密度的關(guān)系。由圖7可見，二者具有較好的線性相關(guān)性，當(dāng)固結(jié)體的密度分別為267，493和715 kg·m-3時，膨脹力分別為0.27，0.81 和0.90 MPa。這表

圖7　固結(jié)體密度與膨脹力的關(guān)系

明對于不同重量及剛度的無砟軌道結(jié)構(gòu)而言，可以通過調(diào)整高聚物注漿材料用量提供不同的膨脹力，從而達(dá)到抬升具有不同約束阻力的無砟軌道結(jié)構(gòu)的目的。

3)力學(xué)特性

反壓成型的不同密度高聚物注漿材料固結(jié)體的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖8所示。

圖8　不同密度固結(jié)體壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線

由圖8可以看出：反壓成型的不同密度高聚物注漿材料固結(jié)體的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變呈現(xiàn)出3個階段的變化特征。第1階段，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力呈線性增長，且隨著固結(jié)體密度的增加，應(yīng)力的線性增長率逐漸增大，固結(jié)體呈現(xiàn)彈性變化特征；第2階段，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力基本不增加，呈現(xiàn)屈服變化特征，且隨著固結(jié)體密度的增加，屈服階段經(jīng)歷的時間越短；第3階段，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力緩慢增加，呈現(xiàn)壓實變化特征，且隨著固結(jié)體密度的增加，應(yīng)力增長率稍有增大。反壓成型高聚物注漿材料固結(jié)體具有良好的韌性，壓縮應(yīng)變達(dá)到0.35時，仍然具有較好的承載能力。

反壓成型的不同密度高聚物注漿材料固結(jié)體的壓縮強度和彈性模量如圖9所示。

圖9　不同密度固結(jié)體的壓縮強度和彈性模量

由圖9可以看出：隨著密度的增加，反壓成型的高聚物注漿材料固結(jié)體的壓縮強度和彈性模量均呈線性增長，且均具有較好的相關(guān)性。當(dāng)密度分別為267，493和715 kg·m-3時，反壓成型高聚物注漿材料的壓縮強度分別為5.1，13.3和25 MPa；彈性模量分別為116，200和327 MPa。這表明，反壓成型條件下高聚物注漿材料的表觀密度對形成固結(jié)體的壓縮強度和彈性模量影響較大，在體積一定的空腔中注入的高聚物注漿材料越多，形成固結(jié)體的表觀密度越大，材料的壓縮強度和彈性模量越高。

在進(jìn)行無砟軌道結(jié)構(gòu)注漿抬升時，高聚物注漿材料注入到路基表層級配碎石層中，與級配碎石形成1個多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合體，如圖10所示。通常在高速鐵路無砟軌道路基基床設(shè)計中，表層最大應(yīng)力不超過0.185 MPa[9-10]，彈性模量一般取180 MPa[11-12]，可以看出，反壓成型高聚物注漿材料固結(jié)體的壓縮強度遠(yuǎn)大于高速鐵路路基基床表層的最大應(yīng)力，服役中固結(jié)體處于彈性階段，在該階段固結(jié)體基本不發(fā)生殘余變形，這對于抬升后無砟軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定至關(guān)重要；固結(jié)體的彈性模量與級配碎石的彈性模量相當(dāng)，這有利于服役中固結(jié)體與級配碎石形成的復(fù)合體能夠更好地協(xié)同受力。

圖10　高聚物注漿材料與級配碎石形成的復(fù)合體

4)微觀形貌

反壓成型的不同密度高聚物注漿材料固結(jié)體的微觀形貌如圖11所示。

由圖11可以看出：反壓成型高聚物注漿材料固結(jié)體是一種多孔結(jié)構(gòu)，并且這些孔大部分為封閉孔，即固結(jié)體中存在著大量的封閉氣泡，反壓約束下這些封閉的氣泡類似于約束條件下的氣球，當(dāng)氣球的體積膨脹受到約束時，就會產(chǎn)生與約束力方向相反的作用力，這是在約束環(huán)境下高聚物注漿材料能夠產(chǎn)生膨脹力的原因。由圖11還可以看出，隨著固結(jié)體密度的增加，固結(jié)體的泡孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，固結(jié)體的密度越大，單位體積內(nèi)氣泡的數(shù)量越少，氣泡的泡壁越厚，產(chǎn)生的膨脹力越大。固結(jié)體的這種多孔結(jié)構(gòu)與其壓縮應(yīng)力—應(yīng)變的變化特性也密切相關(guān)。在彈性階段，固結(jié)體主要依靠泡壁的壓縮強度提供承載力，當(dāng)壓縮應(yīng)力達(dá)到泡壁的壓縮強度時，泡孔發(fā)生破壞，泡沫發(fā)生塑性變形，進(jìn)入屈服階段；隨著壓縮應(yīng)變的增加，泡孔被壓縮變形，而壓縮應(yīng)力基本不變，當(dāng)泡孔完全被壓縮，進(jìn)入壓實階段，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力會有所增加，并且隨著固結(jié)體密度的增加，單位體積內(nèi)泡孔的數(shù)量越少，對應(yīng)的壓縮屈服階段越短，越接近彈性體的受力特征[13]，相應(yīng)的壓實階段應(yīng)力的增加也越顯著。

圖11　反壓成型的不同密度高聚物注漿材料固結(jié)體的微觀形貌

3　結(jié)　論

(1)在反壓成型條件下，高聚物注漿材料在起發(fā)時間以前(0～10 s)，膨脹力基本為0，在起發(fā)與表干時間之間(10～20 s)，膨脹力快速發(fā)展并達(dá)到最大值，之后逐漸趨于穩(wěn)定。高聚物注漿材料的膨脹特性有利于精確控制軌道結(jié)構(gòu)的抬升。

(2)在一定體積的空腔內(nèi)注入的高聚物注漿材料越多，注漿材料產(chǎn)生的膨脹力越大，固結(jié)體的密度也越大，且密度與膨脹力呈線性相關(guān)。在進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)抬升時，可通過調(diào)整注漿材料的注入量實現(xiàn)不同約束阻力下的無砟軌道結(jié)構(gòu)抬升。

(3)反壓成型高聚物注漿材料的固結(jié)體的壓縮強度和彈性模量隨密度的增加呈線性增長。固結(jié)體的彈性模量與基床表層級配碎石的彈性模量相當(dāng)，因此，采用高聚物注漿材料對軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行抬升不會影響軌道結(jié)構(gòu)的受力和變形。

(4)反壓成型高聚物注漿材料固結(jié)體在壓縮變形時依次經(jīng)歷彈性階段、屈服階段和壓實階段。固結(jié)體的密度越大，屈服階段越短，壓實階段的應(yīng)力增加率越大。

(5)反壓成型高聚物注漿材料固結(jié)體為多孔結(jié)構(gòu)，且大多數(shù)孔為閉孔。隨著固結(jié)體密度的增加，泡孔數(shù)量及泡孔體積減小，泡壁增厚，固結(jié)體的強度增大。

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