無砟軌道結(jié)構(gòu)抬升用高聚物注漿材料剪切黏結(jié)性能研究

曾志 李書明 鄭新國 劉競(jìng) 謝永江 馮仲偉 樓梁偉

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

高速鐵路地基、路基的不均勻工后沉降變形是無砟軌道線路運(yùn)營過程中面臨的主要問題之一［1］。針對(duì)較小的沉降變形，可通過調(diào)整扣件的軌下墊板進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)于沉降量超過扣件可調(diào)范圍的無砟軌道線路，主要通過高聚物注漿抬升技術(shù)恢復(fù)線路的平順性。近年來，以高聚物注漿材料為核心的注漿技術(shù)在我國高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)抬升中得到了有效應(yīng)用［2］。

高聚物注漿抬升技術(shù)是采用高壓注漿設(shè)備向無砟軌道結(jié)構(gòu)下方路基基床表層級(jí)配碎石中注入膨脹性雙組分聚氨酯高聚物注漿材料，借助高聚物注漿材料的膨脹力和高壓注漿設(shè)備的液壓傳動(dòng)力提供抬升力，抬升無砟軌道結(jié)構(gòu)［3］。高聚物注漿材料以層狀的形式存在于無砟軌道結(jié)構(gòu)與級(jí)配碎石之間，該材料在結(jié)構(gòu)中主要起抬升軌道、承力、傳力和使上部無砟軌道結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定等作用［4］。

高聚物注漿材料具有快速反應(yīng)、膨脹性高、輕質(zhì)高強(qiáng)、韌性好等特點(diǎn)，并且其性能與其表觀密度密切相關(guān)。王娟等［5］研究表明高聚物注漿材料的密度對(duì)高聚物碎石混合料的變形和強(qiáng)度有較大影響，隨著高聚物密度的增加，高聚物碎石混合料脆性增加，強(qiáng)度提高。鄭新國等［6］指出高聚物注漿材料結(jié)構(gòu)體的彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度隨高聚物密度的增加而增大，彎曲變形能力隨密度的增加而降低，并擬合出相應(yīng)的關(guān)系曲線。高翔等［7］研究了不同密度高聚物注漿材料的單軸抗壓強(qiáng)度，并基于Gibson?Ashby模型較好地?cái)M合了材料強(qiáng)度。顏行等［8］研究表明高聚物注漿材料膨脹比和豎向壓應(yīng)力對(duì)其強(qiáng)度和剪脹特性影響較大，高聚物的剪應(yīng)力-位移變化規(guī)律與黏土和砂土較為類似，剪切位移較小時(shí)剪應(yīng)力快速上升，隨后保持穩(wěn)定。

由高聚物注漿材料固結(jié)體的服役特征可知，固結(jié)體除了承受豎向荷載之外，還要承受高速列車行車作用下的橫向水平荷載，尤其對(duì)于曲線區(qū)段，高聚物注漿材料固結(jié)體與無砟軌道結(jié)構(gòu)之間能否形成良好的剪切黏結(jié)，直接影響無砟軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。然而，已有理論成果主要針對(duì)高聚物注漿材料固結(jié)體的抗壓、抗彎、抗拉性能，針對(duì)高聚物注漿材料與無砟軌道結(jié)構(gòu)混凝土之間剪切黏結(jié)性能的研究較少。為此，本文以無砟軌道結(jié)構(gòu)抬升后高聚物注漿材料固結(jié)體的密度分布為基礎(chǔ)，模擬無砟軌道結(jié)構(gòu)混凝土與相應(yīng)密度下高聚物注漿材料之間的黏結(jié)，對(duì)比高聚物注漿材料結(jié)構(gòu)體以及級(jí)配碎石的剪切黏結(jié)性能，并對(duì)固結(jié)體和級(jí)配碎石的壓縮性能進(jìn)行研究，分析高聚物注漿抬升后無砟軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為無砟軌道結(jié)構(gòu)高聚物注漿抬升技術(shù)的工程應(yīng)用提供理論支撐。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 高聚物注漿材料

高聚物注漿材料為自主研發(fā)的雙組分聚氨酯。其中，A組分為異氰酸酯，呈棕黃色；B組分為多元醇，呈淡黃色。二者的體積比為1∶1。A，B雙組分混合攪拌均勻后發(fā)生發(fā)泡膨脹反應(yīng)，起發(fā)時(shí)間為7 s，表干時(shí)間為26 s。表干后膨脹基本完成，形成具有獨(dú)立閉孔結(jié)構(gòu)的白色固結(jié)體，15 min后強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的95%以上。通過調(diào)整發(fā)泡劑的用量調(diào)節(jié)高聚物注漿材料固結(jié)體的密度。

1.2 無砟軌道實(shí)尺模型抬升試驗(yàn)

采用CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，自上往下依次為鋼軌、扣件、CRTS型無砟軌道板、水泥乳化瀝青砂漿和C30混凝土支承層。下部基礎(chǔ)模擬路基，基床底層為A，B組填料，基床表層為級(jí)配碎石，基床底層和表層均通過機(jī)械碾壓密實(shí)。采用自主研發(fā)的高聚物注漿抬升工藝，在線路中線上設(shè)置抬升孔，注漿孔間距為4.0 m，抬升高度為20 mm，抬升完成后進(jìn)行揭板試驗(yàn)，測(cè)試高聚物注漿材料的擴(kuò)展范圍和固結(jié)體密度。

1.3 剪切黏結(jié)試驗(yàn)

模擬高聚物注漿材料與支承層混凝土之間的黏結(jié)，采用C30混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。待混凝土養(yǎng)護(hù)至28 d之后，采用鉆機(jī)在試件中心鉆取直徑為105 mm的圓柱體，接著在混凝土試件中灌注高聚物注漿材料。待高聚物注漿材料固結(jié)并養(yǎng)護(hù)3 d以后，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上用直徑為100 mm的混凝土試塊沿豎直方向壓高聚物注漿材料固結(jié)體，進(jìn)行剪切黏結(jié)試驗(yàn)，加載速率為5 mm/min。級(jí)配碎石剪切黏結(jié)成型方法與高聚物注漿材料類似，采用人工搗實(shí)的方式進(jìn)行級(jí)配碎石搗固密實(shí)。所用級(jí)配碎石的最大粒徑為30 mm，最優(yōu)含水率為4.35%，最大干密度為2.27 g/cm3。

1.4 壓縮性能試驗(yàn)

將高聚物注漿材料固結(jié)體試件切割成尺寸為100 mm×100 mm×50 mm的試樣，采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮性能試驗(yàn)，加載速率為5 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高聚物注漿材料固結(jié)體密度分布

無砟軌道結(jié)構(gòu)抬升完成后進(jìn)行揭板檢驗(yàn)。揭板后高聚物注漿材料固結(jié)體以抬升注漿孔為中心呈橢圓形擴(kuò)展（圖1），其中沿線路縱向?yàn)殚L(zhǎng)軸方向，固結(jié)體基本全部黏附在支承層混凝土底部，與無砟軌道結(jié)構(gòu)支承層混凝土形成良好黏結(jié)。

取離抬升孔不同距離固結(jié)體測(cè)試其密度。當(dāng)距離抬升孔分別為0.3，0.6，0.9 m時(shí)，高聚物注漿材料固結(jié)體密度分別為240，190，96 kg/m3。可知，與抬升孔的距離不同，高聚物注漿材料固結(jié)體的密度也不同，距離抬升孔越近固結(jié)體密度越大。這主要是因?yàn)椋赘浇墓探Y(jié)體為最先注入的高聚物注漿材料，開始抬升時(shí)，無砟軌道結(jié)構(gòu)與級(jí)配碎石間縫隙較小，高聚物注漿材料在狹小空間中承受巨大的上部反壓才能抬升上部軌道結(jié)構(gòu)，反壓情況下形成的固結(jié)體密度也較大。隨著抬升的進(jìn)行，無砟軌道結(jié)構(gòu)與碎石間的縫隙逐漸加大，高聚物注漿材料逐漸向外圍擴(kuò)展，填充無砟軌道結(jié)構(gòu)下方空隙，填充時(shí)遇到的反壓相對(duì)較小，形成固結(jié)體的密度也較小。

圖1 高聚物注漿材料固結(jié)體分布形態(tài)

2.2 高聚物注漿材料固結(jié)體剪切黏結(jié)性能

采用密度分別為96，190，240 kg/m3的高聚物注漿材料成型剪切黏結(jié)試樣開展試驗(yàn)，得到的剪切黏結(jié)應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2。

圖2 固結(jié)體剪切黏結(jié)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2可知，在剪切荷載作用下，高聚物注漿材料固結(jié)體剪切黏結(jié)應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出2個(gè)階段變化特征。在第1階段，隨著應(yīng)變?cè)黾蛹羟叙そY(jié)應(yīng)力呈線性增長(zhǎng)，且固結(jié)體密度越大剪切黏結(jié)應(yīng)力增長(zhǎng)越快，呈現(xiàn)彈性變化特征。在此階段固結(jié)體與混凝土黏結(jié)良好，并未發(fā)生剪切破壞。產(chǎn)生剪切彈性應(yīng)變主要是因?yàn)楣探Y(jié)體是多孔材料，固結(jié)體密度越小，固結(jié)體中的氣泡含量越多，越容易發(fā)生剪切彈性變形。在第2階段，隨著應(yīng)變的增加，密度小于190 kg/m3的低密度高聚物注漿材料固結(jié)體剪切黏結(jié)應(yīng)力基本不變，呈現(xiàn)屈服特征，而對(duì)于密度為240 kg/m3的高密度固結(jié)體剪切黏結(jié)應(yīng)力逐漸增加。這主要是因?yàn)榈兔芏裙探Y(jié)體剪切黏結(jié)強(qiáng)度相對(duì)較低，在較高的剪切應(yīng)力作用下，固結(jié)體發(fā)生剪切破壞，但固結(jié)體與混凝土仍具有較高的摩擦阻力，發(fā)生了屈服現(xiàn)象。對(duì)于高密度固結(jié)體，由于剪切黏結(jié)強(qiáng)度相對(duì)較高，固結(jié)體很難被剪切破壞，在較高的剪應(yīng)力下泡沫逐漸被壓縮密實(shí)，表現(xiàn)為隨著應(yīng)變?cè)黾樱羟叙そY(jié)應(yīng)力有所增加，但增加的幅度逐漸降低。高聚物注漿材料固結(jié)體的這種剪應(yīng)力下屈服黏結(jié)特性對(duì)于維持無砟軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。雖然橫向剪切應(yīng)力達(dá)到了剪切屈服強(qiáng)度，但是高聚物注漿材料固結(jié)體仍然能夠提供較高的橫向摩擦阻力。與高聚物注漿材料固結(jié)體相比，級(jí)配碎石剪切黏結(jié)應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)彈性變化規(guī)律，隨著應(yīng)變?cè)黾蛹羟叙そY(jié)應(yīng)力逐漸增大，但當(dāng)達(dá)到剪切強(qiáng)度時(shí)，級(jí)配碎石與混凝土試件之間產(chǎn)生滑移，造成剪切黏結(jié)應(yīng)力迅速降低。

對(duì)于高聚物注漿材料固結(jié)體的剪切黏結(jié)模量和剪切黏結(jié)強(qiáng)度，由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著固結(jié)體密度的增加剪切黏結(jié)模量略有增加，剪切黏結(jié)強(qiáng)度迅速增加。當(dāng)固結(jié)體密度分別為96，190，240 kg/m3時(shí)，固結(jié)體與混凝土間的剪切黏結(jié)模量分別為0.09，0.16，0.25 MPa，剪切黏結(jié)強(qiáng)度分別為0.19，0.30，0.88 MPa?？梢缘玫?，高聚物注漿材料固結(jié)體的剪切黏結(jié)模量與級(jí)配碎石相當(dāng)，而高聚物注漿材料固結(jié)體與支承層混凝土間的剪切黏結(jié)強(qiáng)度顯著高于級(jí)配碎石與支承層混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度。

2.3 高聚物注漿材料固結(jié)體壓縮性能

不同密度固結(jié)體及級(jí)配碎石的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3?？梢姡趬嚎s荷載下，高聚物注漿材料抬升后形成固結(jié)體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)2個(gè)階段變化特征。第1階段為彈性變形階段，在此階段隨著應(yīng)變的增加應(yīng)力呈線性增加，且隨著固結(jié)體密度增加線性增加的趨勢(shì)更加顯著；第2階段為屈服變形階段，當(dāng)達(dá)到最大承載力時(shí)，隨著應(yīng)變的持續(xù)增加，應(yīng)力基本不變。這主要是因?yàn)楣探Y(jié)體為多孔材料，主要依靠孔壁承受荷載，當(dāng)達(dá)到最大荷載時(shí)已達(dá)到孔壁的最大承載力，孔壁發(fā)生塑性變形，泡孔被壓縮，表現(xiàn)為屈服現(xiàn)象。另外，與固結(jié)體不同，級(jí)配碎石為顆粒堆積密實(shí)體，依靠顆粒之間的鑲嵌及摩擦提供承載力，當(dāng)壓縮荷載較小時(shí)級(jí)配碎石主要發(fā)生彈性變形，當(dāng)荷載持續(xù)增加超過級(jí)配碎石顆粒間的作用力后，級(jí)配碎石顆粒間發(fā)生滑動(dòng)變形，承載力降低。

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著固結(jié)體密度的增加，高聚物注漿材料固結(jié)體的彈性模量略有增加，而壓縮強(qiáng)度顯著增加；級(jí)配碎石的彈性模量與固結(jié)體的相當(dāng)，而固結(jié)體的壓縮強(qiáng)度顯著高于級(jí)配碎石。當(dāng)固結(jié)體密度分別為96，190，240 kg/m3時(shí)，高聚物注漿材料固結(jié)體的彈性模量分別為186，254，303 kPa，級(jí)配碎石的彈性模量為173 kPa；固結(jié)體的壓縮強(qiáng)度分別為0.88，1.17，1.58 MPa，級(jí)配碎石的壓縮強(qiáng)度為0.12 MPa。級(jí)配碎石的研究結(jié)果與已有研究測(cè)試結(jié)果基本一致［9-10］。

高聚物注漿材料抬升后與級(jí)配碎石形成復(fù)合結(jié)構(gòu)［11］，由試驗(yàn)結(jié)果可知，抬升后形成固結(jié)體的彈性模量、剪切黏結(jié)模量與級(jí)配碎石的相當(dāng)，固結(jié)體的壓縮強(qiáng)度、剪切黏結(jié)強(qiáng)度明顯高于級(jí)配碎石。這表明，在服役過程中，固結(jié)體與級(jí)配碎石能夠同步變形，協(xié)同受力，抬升后形成的固結(jié)體能夠提供較高的橫向抗剪力和豎向支撐力，從而保證抬升后無砟軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖3 級(jí)配碎石及固結(jié)體的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

1）無砟軌道結(jié)構(gòu)抬升后，高聚物注漿材料在無砟軌道下方呈橢圓形擴(kuò)展，其固結(jié)體與無砟軌道結(jié)構(gòu)支承層混凝土形成良好黏結(jié)。距抬升孔越近高聚物注漿材料固結(jié)體的密度越大。

2）在剪切和壓縮荷載下，高聚物注漿材料固結(jié)體均呈現(xiàn)先彈性變形后屈服變形的現(xiàn)象，且固結(jié)體密度越高其壓縮強(qiáng)度、剪切黏結(jié)強(qiáng)度越高；級(jí)配碎石主要呈現(xiàn)彈性變形現(xiàn)象。無砟軌道結(jié)構(gòu)抬升形成固結(jié)體的強(qiáng)度顯著高于級(jí)配碎石強(qiáng)度。

3）高聚物注漿材料固結(jié)體的彈性模量、剪切黏結(jié)模量與級(jí)配碎石的相當(dāng)，且隨著固結(jié)體密度的增加，其彈性模量和剪切黏結(jié)模量變化不大。

4）無砟軌道結(jié)構(gòu)抬升后高聚物注漿材料固結(jié)體與級(jí)配碎石形成復(fù)合體，在服役過程中固結(jié)體與級(jí)配碎石能夠同步變形，協(xié)同受力，抬升后形成的固結(jié)體能夠提供較高的橫向抗剪力和豎向支撐力，能夠保證抬升后無砟軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。