凍土路基硬質(zhì)聚氨酯泡沫板抗壓性能研究

薛 元 冷景巖 袁海順 肖朝乾 祝麗娟

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031；2.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300142；3.紅寶麗集團(tuán)股份有限公司， 南京 211300)

硬質(zhì)聚氨酯泡沫是一種性能優(yōu)異的保溫隔熱材料和結(jié)構(gòu)材料，具有導(dǎo)熱系數(shù)低、機(jī)械強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好、耐腐蝕、重量輕、易于施工等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑、冰箱、冷庫、集裝箱、儲(chǔ)罐及管道保溫等領(lǐng)域。凍土路基硬質(zhì)聚氨酯泡沫板是針對(duì)凍土環(huán)境的特殊性、復(fù)雜性，并根據(jù)路基功能需求而專門設(shè)計(jì)的一種特殊用途的聚氨酯泡沫板，它兼顧了聚氨酯板材的絕熱優(yōu)勢和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，在凍土路基建設(shè)領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值[1-2]。

國內(nèi)外多年凍土區(qū)工程通常使用隔熱層路基法(即保溫法)作為凍土路基病害防治的主要措施[3-4]。隔熱層路基就是在路基內(nèi)加鋪一層保溫材料，利用保溫材料的隔熱性能，阻止上部熱量進(jìn)入下部土層，降低路基高度，起到保護(hù)多年凍土、預(yù)防和減小融沉的作用，亦是預(yù)防和處理凍脹問題的有效辦法之一。當(dāng)前，凍土地區(qū)常見的路基保溫材料有聚苯乙烯泡沫板(EPS)、硬質(zhì)聚氨酯泡沫板(PU)和聚苯乙烯擠塑板(XPS)等[5-7]。

考慮到凍土路基的施工特點(diǎn)及運(yùn)營環(huán)境，對(duì)保溫材料抗壓性能的研究十分重要，抗壓性是保障隔熱層路基穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。因此，本文通過模擬試驗(yàn)，研究施工階段荷載作用和運(yùn)營階段荷載環(huán)境條件下硬質(zhì)聚氨酯泡沫板的抗壓性能，為聚氨酯保溫板路基的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用凍土路基硬質(zhì)聚氨酯泡沫板，厚度5 cm，壓縮強(qiáng)度分別為200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa和600 kPa，用P200、P300、P400、P500和P600表示。

2 測試方法

(1)耐壓性能測試

模擬施工階段荷載作用特點(diǎn)，即壓路機(jī)在路基面的碾壓過程，考察樣品在此過程中的耐受能力，壓路機(jī)的線載荷參數(shù)如表1所示。隔熱層路基保溫材料一般埋深40 cm，板上填土分兩層進(jìn)行碾壓，每層碾壓厚度為20 cm。以碾壓速度1.5 km/h計(jì)算，每平方米碾壓時(shí)間最長為2.4 s。以此為參考，利用新真威DL-D2500型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)尺寸為(50±1) mm×(50±1) mm×(50±1) mm的樣品施加壓力，測試試樣在試驗(yàn)載荷作用下，累計(jì)施加40次的變形量。每次施壓時(shí)，保持載荷作用5 s，記錄樣品的變形量(即載荷時(shí)變形量)。同時(shí)，記錄卸載2 min后樣品的變形量。根據(jù)變形量計(jì)算應(yīng)變，并繪制應(yīng)變與施壓次數(shù)關(guān)系曲線，考察試樣的彈性變形恢復(fù)能力和耐壓性。

表1 三輪壓路機(jī)線載荷參數(shù)表[8]

(2)動(dòng)載荷疲勞變形測試

高速鐵路路基面豎向均布荷載取值如表2所示。本文模擬高速鐵路運(yùn)行時(shí)路基的受壓狀態(tài)，考慮列車設(shè)計(jì)活載、軌道結(jié)構(gòu)自重等上覆作用，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)荷載為40 kPa(軌道荷載加保溫板上覆約1～2 m填料荷載)，動(dòng)載荷為50 kPa(表2中列車荷載上限取整值)，加載頻次為連續(xù)加載5次/s。以此研究列車動(dòng)載荷長期重復(fù)作用下硬質(zhì)聚氨酯泡沫板的疲勞耐受程度。

采用MTS100T電液伺服荷疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，樣品大小為(100±1) mm×(100±1) mm×產(chǎn)品原厚。首先平行于厚度方向?qū)悠肥┘?0 kPa應(yīng)力，并記錄此時(shí)樣品的變形量。然后用50 kPa動(dòng)載荷繼續(xù)加載進(jìn)行動(dòng)載荷疲勞試驗(yàn)，直到樣品破壞或加載次數(shù)達(dá)到100萬次，記錄此時(shí)的累積變形量。

表2 軌道、列車均布豎向荷載取值表[9](kN/m2)

3 結(jié)果分析

3.1 凍土路基聚氨酯保溫板在模擬施工階段的抗壓性能

圖1 不同載荷作用下樣品應(yīng)變-施壓次數(shù)關(guān)系曲線圖

考察了0.8倍壓縮強(qiáng)度、0.9倍壓縮強(qiáng)度和1倍壓縮強(qiáng)度作用力下，P500樣品的變形情況，繪制對(duì)應(yīng)的應(yīng)變-施壓次數(shù)關(guān)系曲線，如圖1、圖2所示。從圖中可以看出，隨著施加載荷的增加，樣品變形量增大，當(dāng)施加載荷達(dá)到1倍壓縮強(qiáng)度應(yīng)力即相對(duì)形變10%時(shí)的壓縮應(yīng)力時(shí)，樣品在累計(jì)40次施壓時(shí)的變形量為8.2%，卸載后的累計(jì)變形量為6.3%。

圖2 載荷卸除后樣品累計(jì)應(yīng)變-施壓次數(shù)關(guān)系曲線圖

同時(shí)，對(duì)比了壓縮強(qiáng)度為200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa和600 kPa的聚氨酯保溫板材，在1倍壓縮強(qiáng)度作用力下的變形情況，累計(jì)40次施壓條件下，不同壓縮強(qiáng)度樣品的應(yīng)變?nèi)鐖D3所示。從圖3中可以看出，各樣品在累計(jì)40次施壓條件下的變形量均小于9%，卸載后的累計(jì)變形量均小于8%，表明該材料完全可以承受同等壓縮強(qiáng)度級(jí)別條件下，相應(yīng)壓縮應(yīng)力荷載的重復(fù)多次壓力作用。

圖3 累計(jì)40次施壓條件下不同壓縮強(qiáng)度樣品的應(yīng)變圖

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料典型壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。從圖4可以看出，該材料在相對(duì)形變?yōu)?0%時(shí)，壓縮應(yīng)力接近屈服，但仍能抵抗?jié)u增的壓力，且隨后在不增加外力作用的情況下，材料的塑性形變不增大。而圖中對(duì)比樣品聚苯乙烯泡沫板(EPS)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯的屈服點(diǎn)，且屈服點(diǎn)后應(yīng)變軟化，在應(yīng)力有所降低的情況下，即發(fā)生較大形變。因此，相比而言，凍土路基聚氨酯保溫板的耐壓性能表現(xiàn)優(yōu)異，結(jié)合模擬試驗(yàn)結(jié)果，其材料性能完全能夠承受施工階段的模擬碾壓過程。

圖4 凍土路基用聚氨酯保溫板的典型壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

3.2 凍土路基聚氨酯保溫板在模擬運(yùn)營階段的抗壓性能

分別對(duì)壓縮強(qiáng)度為200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa和600 kPa的聚氨酯保溫板材進(jìn)行了動(dòng)載荷疲勞變形試驗(yàn)，各樣品在基礎(chǔ)荷載作用后的形變量及加載100萬次后的形變量如圖5所示。從圖5中可以看出，在基礎(chǔ)載荷40 kPa應(yīng)力作用下，5個(gè)樣品的初始荷載形變量均<1%，且壓縮強(qiáng)度越大的樣品形變量相對(duì)越小。當(dāng)繼續(xù)施加50 kPa應(yīng)力且重復(fù)作用 100萬次后，樣品的累積形變量均顯著增大，但變形程度不同。壓縮強(qiáng)度為200 kPa樣品的累積形變最大，為3.0%，壓縮強(qiáng)度為600 kPa樣品的累積形變最小，為1.8%。試驗(yàn)結(jié)果表明，所有樣品的形變量均較小，且沒有出現(xiàn)樣品破壞現(xiàn)象，說明凍土路基聚氨酯保溫板能夠承受模擬運(yùn)營階段的荷載環(huán)境。

圖5 凍土路基用聚氨酯保溫板在動(dòng)載荷作用下的變形圖

不同壓縮強(qiáng)度硬質(zhì)聚氨酯泡沫板的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。從圖6可以看出，在彈性形變區(qū)域內(nèi)，隨著壓縮強(qiáng)度的增大，其所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率增大，即樣品的壓縮彈性模量增大。由此表明，樣品的疲勞變形量與彈性模量間存在著一定的聯(lián)系。

3.3 凍土路基聚氨酯保溫板基本性能

除外界壓力影響外，凍土內(nèi)部還會(huì)產(chǎn)生凍脹力，其基本參數(shù)如表3所示。由表3可知，凍土的單位法向凍脹力基本在200 kPa以內(nèi)，而凍土路基聚氨酯保溫板均為壓縮強(qiáng)度200～600 kPa的高強(qiáng)度板，因此，足以對(duì)抗凍脹力。

表3 凍土的單位法向凍脹力參數(shù)表[10]

4 結(jié)論

(1)保溫材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在一定程度上能夠反映出材料的耐壓性能和耐動(dòng)載荷疲勞性能。

(2)凍土路基聚氨酯保溫板抗壓性能表現(xiàn)優(yōu)異，在模擬施工階段，該材料完全可以承受同等壓縮強(qiáng)度級(jí)別條件下，相應(yīng)壓縮應(yīng)力荷載的重復(fù)多次壓力作用。在模擬工后運(yùn)營階段，加載100萬次后的累積形變≤3.0%，能夠承受工后運(yùn)營階段的模擬荷載作用。

(3)根據(jù)凍土地區(qū)路基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系構(gòu)建需求，本文研究結(jié)論可為隔熱層路基用保溫材料的關(guān)鍵指標(biāo)設(shè)計(jì)提供參考。