凍土路基硬質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.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2.中國鐵路設計集團有限公司， 天津 300142；3.紅寶麗集團股份有限公司， 南京 211300)

硬質聚氨酯泡沫是一種性能優異的保溫隔熱材料和結構材料，具有導熱系數低、機械強度高、尺寸穩定性好、耐腐蝕、重量輕、易于施工等特點，被廣泛應用于建筑、冰箱、冷庫、集裝箱、儲罐及管道保溫等領域。凍土路基硬質聚氨酯泡沫板是針對凍土環境的特殊性、復雜性，并根據路基功能需求而專門設計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勢和結構優勢，在凍土路基建設領域有著非常重要的應用價值[1-2]。

國內外多年凍土區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，阻止上部熱量進入下部土層，降低路基高度，起到保護多年凍土、預防和減小融沉的作用，亦是預防和處理凍脹問題的有效辦法之一。當前，凍土地區常見的路基保溫材料有聚苯乙烯泡沫板(EPS)、硬質聚氨酯泡沫板(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及運營環境，對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定性的基礎。因此，本文通過模擬試驗，研究施工階段荷載作用和運營階段荷載環境條件下硬質聚氨酯泡沫板的抗壓性能，為聚氨酯保溫板路基的設計和施工提供參考。

1 試驗材料

試驗材料采用凍土路基硬質聚氨酯泡沫板，厚度5 cm，壓縮強度分別為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，即壓路機在路基面的碾壓過程，考察樣品在此過程中的耐受能力，壓路機的線載荷參數如表1所示。隔熱層路基保溫材料一般埋深40 cm，板上填土分兩層進行碾壓，每層碾壓厚度為20 cm。以碾壓速度1.5 km/h計算，每平方米碾壓時間最長為2.4 s。以此為參考，利用新真威DL-D2500型電子萬能試驗機，對尺寸為(50±1) mm×(50±1) mm×(50±1) mm的樣品施加壓力，測試試樣在試驗載荷作用下，累計施加40次的變形量。每次施壓時，保持載荷作用5 s，記錄樣品的變形量(即載荷時變形量)。同時，記錄卸載2 min后樣品的變形量。根據變形量計算應變，并繪制應變與施壓次數關系曲線，考察試樣的彈性變形恢復能力和耐壓性。

表1 三輪壓路機線載荷參數表[8]

(2)動載荷疲勞變形測試

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行時路基的受壓狀態，考慮列車設計活載、軌道結構自重等上覆作用，設計基礎荷載為40 kPa(軌道荷載加保溫板上覆約1～2 m填料荷載)，動載荷為50 kPa(表2中列車荷載上限取整值)，加載頻次為連續加載5次/s。以此研究列車動載荷長期重復作用下硬質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機進行測試，樣品大小為(100±1) mm×(100±1) mm×產品原厚。首先平行于厚度方向對樣品施加40 kPa應力，并記錄此時樣品的變形量。然后用50 kPa動載荷繼續加載進行動載荷疲勞試驗，直到樣品破壞或加載次數達到100萬次，記錄此時的累積變形量。

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變-施壓次數關系曲線圖

考察了0.8倍壓縮強度、0.9倍壓縮強度和1倍壓縮強度作用力下，P500樣品的變形情況，繪制對應的應變-施壓次數關系曲線，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，當施加載荷達到1倍壓縮強度應力即相對形變10%時的壓縮應力時，樣品在累計40次施壓時的變形量為8.2%，卸載后的累計變形量為6.3%。

圖2 載荷卸除后樣品累計應變-施壓次數關系曲線圖

同時，對比了壓縮強度為200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa和600 kPa的聚氨酯保溫板材，在1倍壓縮強度作用力下的變形情況，累計40次施壓條件下，不同壓縮強度樣品的應變如圖3所示。從圖3中可以看出，各樣品在累計40次施壓條件下的變形量均小于9%，卸載后的累計變形量均小于8%，表明該材料完全可以承受同等壓縮強度級別條件下，相應壓縮應力荷載的重復多次壓力作用。

圖3 累計40次施壓條件下不同壓縮強度樣品的應變圖

硬質聚氨酯泡沫塑料典型壓縮應力-應變曲線如圖4所示。從圖4可以看出，該材料在相對形變為10%時，壓縮應力接近屈服，但仍能抵抗漸增的壓力，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。而圖中對比樣品聚苯乙烯泡沫板(EPS)的應力-應變曲線有明顯的屈服點，且屈服點后應變軟化，在應力有所降低的情況下，即發生較大形變。因此，相比而言，凍土路基聚氨酯保溫板的耐壓性能表現優異，結合模擬試驗結果，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力-應變曲線圖

3.2 凍土路基聚氨酯保溫板在模擬運營階段的抗壓性能

分別對壓縮強度為200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa和600 kPa的聚氨酯保溫板材進行了動載荷疲勞變形試驗，各樣品在基礎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，在基礎載荷40 kPa應力作用下，5個樣品的初始荷載形變量均<1%，且壓縮強度越大的樣品形變量相對越小。當繼續施加50 kPa應力且重復作用 100萬次后，樣品的累積形變量均顯著增大，但變形程度不同。壓縮強度為200 kPa樣品的累積形變最大，為3.0%，壓縮強度為600 kPa樣品的累積形變最小，為1.8%。試驗結果表明，所有樣品的形變量均較小，且沒有出現樣品破壞現象，說明凍土路基聚氨酯保溫板能夠承受模擬運營階段的荷載環境。

圖5 凍土路基用聚氨酯保溫板在動載荷作用下的變形圖

不同壓縮強度硬質聚氨酯泡沫板的壓縮應力-應變曲線如圖6所示。從圖6可以看出，在彈性形變區域內，隨著壓縮強度的增大，其所對應的應力-應變曲線的斜率增大，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，凍土內部還會產生凍脹力，其基本參數如表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，而凍土路基聚氨酯保溫板均為壓縮強度200～600 kPa的高強度板，因此，足以對抗凍脹力。

表3 凍土的單位法向凍脹力參數表[10]

4 結論

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

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

(3)根據凍土地區路基穩定性評價體系構建需求，本文研究結論可為隔熱層路基用保溫材料的關鍵指標設計提供參考。