無砟軌道路基聚氨酯碎石聯(lián)結(jié)層力學(xué)性質(zhì)研究

謝 康，蘇 謙，2，黃俊杰，郭源浩，楊國濤，劉 寶

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031；2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；3.中國鐵路總公司，北京 100844)

根據(jù)高速鐵路路基基床水損傷病害的發(fā)生原因和特征[1-3]，分析國外路基段無砟軌道基床表層結(jié)構(gòu)形式，借鑒我國高速公路基層在水穩(wěn)定性和防沖刷的設(shè)計(jì)思想，在基床表層上設(shè)計(jì)和使用具有協(xié)調(diào)層間變形和防滲功能的防水聯(lián)結(jié)層[4]，是解決水損傷病害的有效途徑。

聚氨酯級配碎石是用聚氨酯化學(xué)膠黏劑代替瀝青或水泥，以不同粒徑的碎石為骨料，按一定比例充分混合，經(jīng)拌和、碾壓及固化形成的一種高分子復(fù)合材料。該材料具有自重輕、黏結(jié)強(qiáng)度高、抗酸堿性、抗紫外線以及抗老化能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。目前該復(fù)合材料的級配、力學(xué)性能研究成果不多見，能夠直接參考的資料較少，根據(jù)對聚氨酯級配碎石聯(lián)合防水層的防水能力、強(qiáng)度以及回彈模量的分析，為無砟軌道路基聚氨酯級配碎石聯(lián)合防水層設(shè)計(jì)與施工作參考。

1 基床聚氨酯聯(lián)合防水層

所設(shè)計(jì)的聯(lián)合防水層結(jié)構(gòu)見圖1，本結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、黏彈性好、污染少、經(jīng)久耐用的聚氨酯碎石復(fù)合材料。該復(fù)合材料作為2 cm厚的過渡層全斷面鋪設(shè)，聚氨酯碎石混合料的彈性模量較大，形成致密性聚氨酯碎石柔性層，不僅抗?jié)B能力強(qiáng)，而且有利于分散和降低列車對路基的動應(yīng)力和減輕基床內(nèi)含水量的波動，同時(shí)有助于基床的受力分布，對路基翻漿冒泥整治具有較好的效果。

圖1 聚氨酯級配碎石防水聯(lián)結(jié)層結(jié)構(gòu)

2 材料與試樣制備

聚氨酯膠水：由組分A和組分B混合而成，質(zhì)量比1∶1，其中組分A為膠水，呈琥珀色；組分B為固體催化劑，呈紅棕色，空氣中易發(fā)生氧化反應(yīng)。

碎石：為了使防水聯(lián)結(jié)層有較好的應(yīng)力擴(kuò)散和抗變形能力，并達(dá)到良好的防水能力，聚氨酯碎石混合料應(yīng)形成懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)[8]。因此，根據(jù)此要求需盡可能降低混合料的孔隙率，使其形成懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本，防水聯(lián)結(jié)層一般厚度為2～3 cm[9]。為達(dá)到較好的壓實(shí)效果，一般認(rèn)為集料的最大直徑不宜超過厚度的1/2～1/3，參考連續(xù)密實(shí)細(xì)粒式瀝青混合料(AC-10)的級配控制范圍[10]，試樣的級配設(shè)計(jì)值如圖2所示，其中設(shè)計(jì)級配I和II的差異主要為II型性級配的平均粒徑相對較小。

圖2 碎石級配

目前國內(nèi)外還缺少致密型聚氨酯碎石混合料相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程可供參考，到目前為止，大多參考水泥混凝土或?yàn)r青混凝土試驗(yàn)規(guī)程[10]。本文研究所涉及的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及回彈模量等常規(guī)試驗(yàn)規(guī)程均參照國家及行業(yè)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行[11]。

制備的聚氨酯級配碎石：采用上述級配碎石和聚氨酯原料，按照5%，6%，7%，8%，9%，10%聚氨酯摻量先采用人工充分拌和混合料，然后采用馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀制作成型，聚氨酯級配碎石成型后常溫養(yǎng)護(hù)48 h，利用表干法計(jì)算混合料的毛體積密度[12]，最大相對密度通過文獻(xiàn)[12-14]中的計(jì)算法求得，并確定混合料的孔隙率，由于聚氨酯級配碎石固化后強(qiáng)度較大，超出實(shí)驗(yàn)室馬歇爾儀器的量程范圍，故只給出毛體積密度和孔隙率的計(jì)算結(jié)果，見圖3。

圖3 聚氨酯碎石毛體積密度、孔隙率

由圖3可知，聚氨酯級配碎石的毛體積密度隨聚氨酯摻量的增加先增加后減少，其孔隙率隨著聚氨酯的摻量增加逐漸減少，根據(jù)聚氨酯級配碎石防水和封水的功能要求，按照孔隙率1%～3%為控制指標(biāo)，同時(shí)考慮到成本因素，聚氨酯的合理摻量為8%，不同級配下Ⅱ型級配混合料的孔隙率相對較小，此防水性能較Ⅰ型級配更好，故后續(xù)主要針對Ⅱ型級配下混合料的力學(xué)性能開展試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

為了研究聚氨酯級配碎石在不同工況下的強(qiáng)度以及回彈模量的特性和影響因素，采用萬能試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行抗壓、抗折以及回彈模量試驗(yàn)。下文中測試強(qiáng)度和回彈模量時(shí)，每組成型3個(gè)平行試件，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度為衡量聚氨酯級配碎石力學(xué)性能最為基本力學(xué)指標(biāo)，此處成型150 mm×150 mm×150 mm的立方體抗壓試塊。聚氨酯級配碎石抗壓強(qiáng)度隨溫度變化規(guī)律見圖4。

圖4 抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律

由圖4可知，相同溫度下，聚氨酯級配碎石混合料的抗壓強(qiáng)度隨著用膠量的增加而增加，聚氨酯摻量在5%～7%增加不明顯，摻量超過7%時(shí)抗壓強(qiáng)度迅速增加，當(dāng)聚氨酯含量達(dá)到8%時(shí)趨于平穩(wěn)。可以看出，添加聚氨酯能夠顯著改善無黏結(jié)混合料的抗壓強(qiáng)度。

另一方面，隨著溫度的升高聚氨酯級配碎石的抗壓強(qiáng)度不斷下降，但不同溫度區(qū)域內(nèi)其變化速率不同，在低溫區(qū)時(shí)(-30～0 ℃)其下降速率較為平緩，在常溫區(qū)(0～60 ℃)內(nèi)抗壓強(qiáng)度下降速度增快，而在高溫區(qū)(60～80 ℃)其抗壓強(qiáng)度下降幅度較大，主要因?yàn)樵诘蜏睾统貐^(qū)聚氨酯為固態(tài)，能夠提供較強(qiáng)的物理約束和化學(xué)膠結(jié)作用，而在高溫區(qū)其逐漸軟化，物理約束和化學(xué)膠結(jié)作用減弱，顆粒間的物理膠結(jié)占主要作用。因此，溫度達(dá)80 ℃時(shí)，各摻量混合料試塊強(qiáng)度相同，均在9.0 MPa附近。另外，在溫度80 ℃時(shí)未發(fā)現(xiàn)有液態(tài)聚氨酯析出，雖然聚氨酯級配碎石在高溫時(shí)抗壓強(qiáng)度降低衰減較多，但在同等高溫度下遠(yuǎn)比瀝青混凝土抵抗變形能力強(qiáng)很多，而且在不同溫度區(qū)都為壓碎破壞(圖5)，而瀝青混凝土在低溫區(qū)一般為脆性破壞[8]，說明聚氨酯級配碎石具有良好的延性，不易產(chǎn)生裂縫，屬于韌性復(fù)合材料。

圖5 聚氨酯試塊破壞形態(tài)

圖6 浸水后聚氨酯級配碎石抗壓強(qiáng)度變化曲線

圖6為浸水48 h后聚氨酯級配碎石抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，由圖6可知，隨著溫度的升高，聚氨酯級配碎石抗壓強(qiáng)度不斷下降，孔隙中的水由結(jié)冰狀態(tài)逐漸向自由水狀態(tài)轉(zhuǎn)化，孔隙中的自由水含量越來越多，自由水的存在使得顆粒集合間的嵌擠力降低，導(dǎo)致浸水后的聚氨酯級配碎石抗壓強(qiáng)度不斷下降。但隨著聚氨酯摻量的增加，聚氨酯級配碎石中孔隙減少，其下降的幅度也有所減少。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在-30 ℃和80 ℃時(shí)浸水后的聚氨酯級配碎石抗壓強(qiáng)度基本不變，主要因?yàn)樵诘蜏貢r(shí)聚氨酯級配碎石中的水處于結(jié)冰狀態(tài)，對顆粒集合間的潤滑作用不明顯。

另一方面，由圖6可知，浸水后的聚氨酯級配碎石較未浸水之前強(qiáng)度下降，但隨著摻量的增加，混合料試塊強(qiáng)度基本不變。

4.2 抗折強(qiáng)度

抗折強(qiáng)度是檢驗(yàn)聚氨酯級配碎石強(qiáng)度和抗開裂性能的指標(biāo)，能夠直接反映出聚氨酯級配碎石質(zhì)量，因過渡層厚度2 cm，故此處成型40 mm×40 mm×160 mm的長方體抗壓試塊，測試聚氨酯膠凝碎石在不同摻量下的抗折強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律見圖7。由圖7可知，聚氨酯碎石的抗折強(qiáng)度隨著聚氨酯摻量的增加呈線性增加，說明隨著聚氨酯摻量的增加聚氨酯級配碎石的抗開裂性能不斷提高。

圖7 聚氨酯級配碎石抗折強(qiáng)度變化曲線

另外，可以看出，浸水后不同聚氨酯摻量下的聚氨酯級配碎石抗折強(qiáng)度降低幅度不同，聚氨酯摻量5%和6%時(shí)，抗折強(qiáng)度下降幅度接近50%，而聚氨酯摻量7%和8%時(shí)，聚氨酯級配碎石抗折強(qiáng)度下降幅度分別為25%和4%，當(dāng)達(dá)到9%以上時(shí)，抗折強(qiáng)度基本不產(chǎn)生變化。由此可見，聚氨酯摻量的提高降低了聚氨酯級配碎石的孔隙率，能夠顯著改善水對聚氨酯碎石的不利影響。

4.3 回彈模量

抗壓回彈模量是表征聚氨酯級配碎石抗變形能力的主要指標(biāo)，此處成型150 mm×150 mm×150 mm的立方體抗壓試塊。因此，通過單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)確定聚氨酯級配碎石的回彈模量，根據(jù)加卸載曲線中最末的循環(huán)加載計(jì)算其回彈模量[15]，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。可以看出，在相同溫度下，隨著聚氨酯摻量的增加，其回彈模量基本呈逐漸增加趨勢，但溫度超過60 ℃時(shí)，隨著聚氨酯的摻量增加回彈模量逐漸下降，主要因?yàn)榫郯滨搅枯^高時(shí)成膜厚度較厚，高溫時(shí)聚氨酯膠體逐漸軟化，使得包裹形成的顆粒集合體間的黏聚力和摩擦力降低，造成其回彈模量降低。

另外，聚氨酯級配碎石回彈模量隨著溫度的增加呈降低趨勢，并對不同區(qū)域的溫度的敏感性不同，在低溫區(qū)(-30～0 ℃)和高溫區(qū)(60～80 ℃)內(nèi)的變化幅度較大，主要因?yàn)樵诘蜏貐^(qū)，固化后的聚氨酯網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)呈凍結(jié)狀態(tài)，隨溫度的升高逐漸向黏彈狀態(tài)發(fā)展，其回彈模量衰減幅度較大；在高溫區(qū)，混合料試塊化學(xué)黏結(jié)能力降低較大，故其回彈模量隨溫度升高衰減速度較快，而在常溫區(qū)(0～60 ℃)，其回彈模量隨溫度的升高變化幅度比較緩和。由此可知，聚氨酯級配碎石的回彈模量與聚氨酯材料的狀態(tài)密切相關(guān)。由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，聚氨酯級配碎石能夠較好地適用在低溫和常溫區(qū)，在60 ℃以上的高溫區(qū)的使用性能有待進(jìn)一步提高。

圖8 聚氨酯級配碎石回彈模量變化曲線

圖9為浸水48 h后聚氨酯級配碎石回彈模量的變化規(guī)律曲線。由圖9可知，在低溫時(shí)浸水后的聚氨酯級配碎石回彈模量降低幅度不明顯，主要因?yàn)樵诘蜏貢r(shí)聚氨酯級配碎石中的水結(jié)冰狀態(tài)，與聚氨酯級配碎石形成多相的結(jié)構(gòu)體，隨著溫度的升高，結(jié)冰水逐漸轉(zhuǎn)化為孔隙水，降低了顆粒集合間的嵌擠力，使得浸水后的聚氨酯級配碎石回彈模量下降。另一方面，浸水后的聚氨酯級配碎石混合料回彈模量不斷下降，但隨著聚氨酯摻量的增加，聚氨酯級配碎石中孔隙減少，其下降的幅度也有所減少。

圖9 浸水聚氨酯級配碎石回彈模量變化曲線

5 結(jié)論

針對無砟軌道基床翻漿病害，提出了聚氨酯級配碎石聯(lián)合防水層結(jié)構(gòu)，并對其的防水能力、強(qiáng)度以及回彈模量進(jìn)行試驗(yàn)分析，得到如下結(jié)論。

(1)聚氨酯級配碎石的毛體積密度隨聚氨酯摻量的增加先增加后減少，其孔隙率隨著聚氨酯的摻量增加逐漸減少。

(2)隨著聚氨酯膠水摻量的增加，混合料的強(qiáng)度和回彈模量得到提高，當(dāng)達(dá)到8%的膠水摻量時(shí)，增長趨勢漸緩。

(3)隨著溫度的增加，混合料的強(qiáng)度和回彈模量下降，且在不同的溫度區(qū)間敏感度不同，但是遠(yuǎn)大于同等溫度下的瀝青混凝土強(qiáng)度。

(4)浸水48 h后，混合料強(qiáng)度下降，當(dāng)摻量達(dá)到8%時(shí)，強(qiáng)度和回彈模量基本不變，且在不同溫度區(qū)間下，下降趨勢不同，抗壓強(qiáng)度在低溫(-30～0 ℃)和高溫(60～80 ℃)變化幅度較小，而回彈模量在常溫下(0～60 ℃)變化較小。