无砟轨道路基聚氨酯碎石联结层力学性质研究

2019-01-10黄俊杰郭源浩杨国涛

铁道标准设计 2019年1期

谢康，苏谦，2，黄俊杰，郭源浩，杨国涛，刘宝

(1.西南交通大学土木工程学院，成都 610031；2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031；3.中国铁路总公司，北京 100844)

根据高速铁路路基基床水损伤病害的发生原因和特征[1-3]，分析国外路基段无砟轨道基床表层结构形式，借鉴我国高速公路基层在水稳定性和防冲刷的设计思想，在基床表层上设计和使用具有协调层间变形和防渗功能的防水联结层[4]，是解决水损伤病害的有效途径。

聚氨酯级配碎石是用聚氨酯化学胶黏剂代替沥青或水泥，以不同粒径的碎石为骨料，按一定比例充分混合，经拌和、碾压及固化形成的一种高分子复合材料。该材料具有自重轻、黏结强度高、抗酸碱性、抗紫外线以及抗老化能力强等优点[5-7]。目前该复合材料的级配、力学性能研究成果不多见，能够直接参考的资料较少，根据对聚氨酯级配碎石联合防水层的防水能力、强度以及回弹模量的分析，为无砟轨道路基聚氨酯级配碎石联合防水层设计与施工作参考。

1 基床聚氨酯联合防水层

所设计的联合防水层结构见图1，本结构采用结构性强、黏弹性好、污染少、经久耐用的聚氨酯碎石复合材料。该复合材料作为2 cm厚的过渡层全断面铺设，聚氨酯碎石混合料的弹性模量较大，形成致密性聚氨酯碎石柔性层，不仅抗渗能力强，而且有利于分散和降低列车对路基的动应力和减轻基床内含水量的波动，同时有助于基床的受力分布，对路基翻浆冒泥整治具有较好的效果。

图1 聚氨酯级配碎石防水联结层结构

2 材料与试样制备

聚氨酯胶水：由组分A和组分B混合而成，质量比1∶1，其中组分A为胶水，呈琥珀色；组分B为固体催化剂，呈红棕色，空气中易发生氧化反应。

碎石：为了使防水联结层有较好的应力扩散和抗变形能力，并达到良好的防水能力，聚氨酯碎石混合料应形成悬浮密实结构[8]。因此，根据此要求需尽可能降低混合料的孔隙率，使其形成悬浮密实结构，综合考虑经济成本，防水联结层一般厚度为2～3 cm[9]。为达到较好的压实效果，一般认为集料的最大直径不宜超过厚度的1/2～1/3，参考连续密实细粒式沥青混合料(AC-10)的级配控制范围[10]，试样的级配设计值如图2所示，其中设计级配I和II的差异主要为II型性级配的平均粒径相对较小。

图2 碎石级配

目前国内外还缺少致密型聚氨酯碎石混合料相关试验规程可供参考，到目前为止，大多参考水泥混凝土或沥青混凝土试验规程[10]。本文研究所涉及的抗压强度、抗折强度以及回弹模量等常规试验规程均参照国家及行业现行标准和规范进行[11]。

制备的聚氨酯级配碎石：采用上述级配碎石和聚氨酯原料，按照5%，6%，7%，8%，9%，10%聚氨酯掺量先采用人工充分拌和混合料，然后采用马歇尔标准击实仪制作成型，聚氨酯级配碎石成型后常温养护48 h，利用表干法计算混合料的毛体积密度[12]，最大相对密度通过文献[12-14]中的计算法求得，并确定混合料的孔隙率，由于聚氨酯级配碎石固化后强度较大，超出实验室马歇尔仪器的量程范围，故只给出毛体积密度和孔隙率的计算结果，见图3。

图3 聚氨酯碎石毛体积密度、孔隙率

由图3可知，聚氨酯级配碎石的毛体积密度随聚氨酯掺量的增加先增加后减少，其孔隙率随着聚氨酯的掺量增加逐渐减少，根据聚氨酯级配碎石防水和封水的功能要求，按照孔隙率1%～3%为控制指标，同时考虑到成本因素，聚氨酯的合理掺量为8%，不同级配下Ⅱ型级配混合料的孔隙率相对较小，此防水性能较Ⅰ型级配更好，故后续主要针对Ⅱ型级配下混合料的力学性能开展试验。

3 试验目的

为了研究聚氨酯级配碎石在不同工况下的强度以及回弹模量的特性和影响因素，采用万能试验机对试样进行抗压、抗折以及回弹模量试验。下文中测试强度和回弹模量时，每组成型3个平行试件，取平均值作为试验结果。

4 试验结果与分析

4.1 无侧限抗压强度

抗压强度为衡量聚氨酯级配碎石力学性能最为基本力学指标，此处成型150 mm×150 mm×150 mm的立方体抗压试块。聚氨酯级配碎石抗压强度随温度变化规律见图4。

图4 抗压强度随温度的变化规律

由图4可知，相同温度下，聚氨酯级配碎石混合料的抗压强度随着用胶量的增加而增加，聚氨酯掺量在5%～7%增加不明显，掺量超过7%时抗压强度迅速增加，当聚氨酯含量达到8%时趋于平稳。可以看出，添加聚氨酯能够显著改善无黏结混合料的抗压强度。

另一方面，随着温度的升高聚氨酯级配碎石的抗压强度不断下降，但不同温度区域内其变化速率不同，在低温区时(-30～0 ℃)其下降速率较为平缓，在常温区(0～60 ℃)内抗压强度下降速度增快，而在高温区(60～80 ℃)其抗压强度下降幅度较大，主要因为在低温和常温区聚氨酯为固态，能够提供较强的物理约束和化学胶结作用，而在高温区其逐渐软化，物理约束和化学胶结作用减弱，颗粒间的物理胶结占主要作用。因此，温度达80 ℃时，各掺量混合料试块强度相同，均在9.0 MPa附近。另外，在温度80 ℃时未发现有液态聚氨酯析出，虽然聚氨酯级配碎石在高温时抗压强度降低衰减较多，但在同等高温度下远比沥青混凝土抵抗变形能力强很多，而且在不同温度区都为压碎破坏(图5)，而沥青混凝土在低温区一般为脆性破坏[8]，说明聚氨酯级配碎石具有良好的延性，不易产生裂缝，属于韧性复合材料。

图5 聚氨酯试块破坏形态

图6 浸水后聚氨酯级配碎石抗压强度变化曲线

图6为浸水48 h后聚氨酯级配碎石抗压强度的变化规律，由图6可知，随着温度的升高，聚氨酯级配碎石抗压强度不断下降，孔隙中的水由结冰状态逐渐向自由水状态转化，孔隙中的自由水含量越来越多，自由水的存在使得颗粒集合间的嵌挤力降低，导致浸水后的聚氨酯级配碎石抗压强度不断下降。但随着聚氨酯掺量的增加，聚氨酯级配碎石中孔隙减少，其下降的幅度也有所减少。同时发现，在-30 ℃和80 ℃时浸水后的聚氨酯级配碎石抗压强度基本不变，主要因为在低温时聚氨酯级配碎石中的水处于结冰状态，对颗粒集合间的润滑作用不明显。

另一方面，由图6可知，浸水后的聚氨酯级配碎石较未浸水之前强度下降，但随着掺量的增加，混合料试块强度基本不变。

4.2 抗折强度

抗折强度是检验聚氨酯级配碎石强度和抗开裂性能的指标，能够直接反映出聚氨酯级配碎石质量，因过渡层厚度2 cm，故此处成型40 mm×40 mm×160 mm的长方体抗压试块，测试聚氨酯胶凝碎石在不同掺量下的抗折强度，抗折强度的变化规律见图7。由图7可知，聚氨酯碎石的抗折强度随着聚氨酯掺量的增加呈线性增加，说明随着聚氨酯掺量的增加聚氨酯级配碎石的抗开裂性能不断提高。

图7 聚氨酯级配碎石抗折强度变化曲线

另外，可以看出，浸水后不同聚氨酯掺量下的聚氨酯级配碎石抗折强度降低幅度不同，聚氨酯掺量5%和6%时，抗折强度下降幅度接近50%，而聚氨酯掺量7%和8%时，聚氨酯级配碎石抗折强度下降幅度分别为25%和4%，当达到9%以上时，抗折强度基本不产生变化。由此可见，聚氨酯掺量的提高降低了聚氨酯级配碎石的孔隙率，能够显著改善水对聚氨酯碎石的不利影响。

4.3 回弹模量

抗压回弹模量是表征聚氨酯级配碎石抗变形能力的主要指标，此处成型150 mm×150 mm×150 mm的立方体抗压试块。因此，通过单轴循环加卸载试验确定聚氨酯级配碎石的回弹模量，根据加卸载曲线中最末的循环加载计算其回弹模量[15]，计算结果如图8所示。可以看出，在相同温度下，随着聚氨酯掺量的增加，其回弹模量基本呈逐渐增加趋势，但温度超过60 ℃时，随着聚氨酯的掺量增加回弹模量逐渐下降，主要因为聚氨酯掺量较高时成膜厚度较厚，高温时聚氨酯胶体逐渐软化，使得包裹形成的颗粒集合体间的黏聚力和摩擦力降低，造成其回弹模量降低。

另外，聚氨酯级配碎石回弹模量随着温度的增加呈降低趋势，并对不同区域的温度的敏感性不同，在低温区(-30～0 ℃)和高温区(60～80 ℃)内的变化幅度较大，主要因为在低温区，固化后的聚氨酯网状结构呈冻结状态，随温度的升高逐渐向黏弹状态发展，其回弹模量衰减幅度较大；在高温区，混合料试块化学黏结能力降低较大，故其回弹模量随温度升高衰减速度较快，而在常温区(0～60 ℃)，其回弹模量随温度的升高变化幅度比较缓和。由此可知，聚氨酯级配碎石的回弹模量与聚氨酯材料的状态密切相关。由上述试验结果可知，聚氨酯级配碎石能够较好地适用在低温和常温区，在60 ℃以上的高温区的使用性能有待进一步提高。

图8 聚氨酯级配碎石回弹模量变化曲线

图9为浸水48 h后聚氨酯级配碎石回弹模量的变化规律曲线。由图9可知，在低温时浸水后的聚氨酯级配碎石回弹模量降低幅度不明显，主要因为在低温时聚氨酯级配碎石中的水结冰状态，与聚氨酯级配碎石形成多相的结构体，随着温度的升高，结冰水逐渐转化为孔隙水，降低了颗粒集合间的嵌挤力，使得浸水后的聚氨酯级配碎石回弹模量下降。另一方面，浸水后的聚氨酯级配碎石混合料回弹模量不断下降，但随着聚氨酯掺量的增加，聚氨酯级配碎石中孔隙减少，其下降的幅度也有所减少。