中韓鐵路瀝青混凝土結構標準對比研究

石越峰 蔡德鉤 樓梁偉 閆宏業 呂宋 李竹慶

1.北京鐵科特種工程技術有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081

標準差異和知識產權問題導致中國高速鐵路部分技術向全球市場推進過程受阻［1］。因此，對于適用性強、經濟附加值高的技術，亟待開展與其他國家同類技術標準的對比研究。

韓國規定新建線路和既有線路運行速度須分別達到250、230 km/h。根據這一政策，為了增強高速、重載列車運行下軌道結構的耐久性，在Gyeongbu、Honam 等新建高速鐵路線路廣泛采用混凝土軌道結構［2］。與有砟軌道相比，混凝土道床會產生較高的噪聲和振動，且養護維修較為困難［3］。自2012 年起，韓國開始開展瀝青混凝土軌道結構的研究工作，發現瀝青混凝土軌道結構既可滿足列車運行速度要求，也可實現軌道結構的減振降噪，且歷經各類運營環境后服役狀態良好［2］。中國于2008 年開始將瀝青混凝土引入鐵路工程領域，主要解決路基防水封閉長效性難題，并先后提出了路基面防水瀝青混合料、路基自密實瀝青混凝土防水層、全斷面瀝青混凝土防水封閉結構等，其中以全斷面瀝青混凝土防水封閉結構應用最為廣泛［4］。然而，對中國與韓國在鐵路瀝青混凝土結構應用與標準差異的研究較少。本文從結構形式、材料性能、鐵路瀝青混凝土結構帶來的有益效果等方面，開展中韓兩國鐵路瀝青混凝土結構的對比研究，以促進中韓兩國標準的相互借鑒與融合。

1 結構形式

1.1 韓國瀝青混凝土軌道結構

為防止雨水滲入基床、降低線路維護費用，韓國鐵道科學研究院（Korea Railroad Research Institute，KRRI）提出了瀝青混凝土軌道結構［5］。根據韓國鐵路設計標準，瀝青混凝土軌道結構自上至下依次為鋼軌、扣件、軌道結構（含瀝青混凝土）和路基，如圖1所示。

圖1 韓國瀝青混凝土軌道結構典型橫斷面

有砟軌道采用2.4 m（長）× 0.5 m（寬）× 0.18 m（高），混凝土抗壓強度標準值fck= 50 MPa 的寬軌枕，并在寬軌枕中設置水平限位裝置。對于有砟軌道，根據列車運行速度，在軌枕與瀝青混凝土道床之間設置0 ～ 0.4 m 厚的道砟層［2，6］，瀝青混凝土采用代替部分底砟和直接用作道床兩種形式。無砟軌道由預制混凝土軌道板、無收縮水泥基灌漿料填充層和瀝青混凝土道床組成，通過預制板內設置的緩沖裝置和剪力鍵提供限位［7］。瀝青混凝土道床按表面層、中間層和底基層分三層設置，其厚度推薦采用300 mm，表面層、中間層和底基層厚度分別為50、100、150 mm，對應瀝青混凝土的骨料最大公稱粒徑分別為13、20、25 mm。根據對列車荷載的影響，路基結構可分為基床表層和基床底層，其設計厚度通常大于3.0 m?；脖韺討ＷCEv2≥80 MPa（Ev2為靜態2 次變形模量），Ev2/Ev1＜2.3（Ev1為靜態1 次變形模量），壓實系數K≥0.95；基床底層應保證Ev2≥60 MPa，Ev2/Ev1＜2.7，K≥0.90［6］。

1.2 中國全斷面瀝青混凝土防水封閉結構

鑒于瀝青混凝土良好的黏彈性和抗滲性，中國提出在鐵路路基基床頂部全斷面鋪設瀝青混凝土進行路基防水封閉的方案，如圖2 所示。全斷面瀝青混凝土防水封閉結構可等厚度代替基床表層級配碎石，其設計厚度通常為80 ～150 mm。當全斷面瀝青混凝土防水封閉結構厚度小于100 mm 時，采用單層設計，且選用骨料最大粒徑為13、16 mm 的瀝青混凝土；反之，則采用雙層設計，對應瀝青混凝土的骨料最大粒徑可選擇16、20、25 mm。軌道與路基結構仍按TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》進行設計，未設置任何限位裝置［8］。

圖2 中國全斷面瀝青混凝土防水封閉結構典型橫斷面

中韓兩國在瀝青混凝土及其下臥層之間設置透層乳化瀝青，在多層設置的瀝青混凝土層間灑布黏層瀝青［9］。韓國將瀝青混凝土視為軌道結構的一部分，代替有砟道床的部分底砟或用作無砟軌道的底座基礎，而中國則將全斷面瀝青混凝土防水封閉結構與級配碎石共同視為基床表層的組成部分。

2 材料性能

瀝青混凝土是主要由瀝青膠結料（石油瀝青、改性瀝青）、礦料（粗骨料、細骨料和礦粉）和外加劑（抗剝離劑、抗老化劑等）組成的復合材料。作為具有空間網絡結構的多相分散體系，瀝青混凝土的力學強度主要由礦質顆粒之間的內摩阻力和嵌擠力、瀝青膠結料之間的黏結力以及瀝青膠結料與礦料之間的黏結力共同構成，并根據組成材料質量的差異和各組分比例的不同，表現出不同的力學性能。

2.1 瀝青膠結料

韓國為滿足夏季高溫條件下瀝青混凝土的強度使用要求，選用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（Styrene‐Butadiene‐Styrene，SBS）對石油瀝青進行改性，并利用美國公路戰略研究計劃（Strategic Highway Research Program，SHRP）的性能等級（Performance Grade，PG）對其性能進行評價［6］。SHRP 的 PG 分級體系規定，利用動態剪切流變儀試驗測量的車轍因子來表征瀝青膠結料在高溫下的剛度或抗變形能力，未老化和旋轉薄膜烘箱試驗后瀝青膠結料的車轍因子分別不低于1.0 kPa 和2.2 kPa 時所對應的試驗溫度為高溫等級；利用彎曲梁流變儀試驗測量的蠕變速率m和蠕變勁度模量S來表征瀝青膠結料在低溫下的抗開裂能力，壓力老化容器試驗后瀝青膠結料60 s 的m≥ 0.3 且S≤ 300 MPa 時所對應的試驗溫度為低溫等級［10-11］。在韓國瀝青混凝土多層結構中，面層選用SBS 改性瀝青，簡稱Railpahlt‐A；中間層和基層則選用普通基質瀝青，簡稱Railpahlt。

中國四季分明且氣候跨度大，在采用SBS 對瀝青進行改性的基礎上，引入橡膠粉（Crumb Rubber，CR）對瀝青膠結料進行復合改性。SBS+CR復合改性技術具有以下優勢：①提高了復合改性瀝青的高溫抗變形、低溫抗開裂、抗疲勞開裂等性能；②橡膠粉中的碳黑具有紫外光屏蔽劑的作用，提高復合改性瀝青的耐熱氧老化和抗紫外線老化性能；③橡膠粉可部分代替瀝青，且實現廢舊橡膠粉的再利用，具有明顯的經濟和社會效益。中國采用針入度分級體系評價瀝青膠結料的性能。為便于對比分析，采用針入度分級和SHRP 的PG 分級體系共同評價中韓兩國常用瀝青膠結料性能，結果見表1。可知，SBS+CR 復合改性瀝青具有較高的針入度和軟化點，較低的黏度，說明其具有更優異的高溫穩定性與施工和易性［12］?；跍\度裂解技術摻加的橡膠粉，使得復合改性瀝青提高了兩個低溫等級，可滿足-34 ℃條件下的使用要求。

表1 中國與韓國鐵路瀝青混凝土用瀝青膠結料性能對比

2.2 礦料

韓國對于礦料選擇沒有明確限制，石灰巖、玄武巖、花崗巖等均可使用，并控制其表面密度、吸水率、磨耗值等。中國從保證骨料與瀝青膠結料黏附性的角度，明確規定細骨料不應使用與瀝青黏附性很差的天然砂、石屑或使用花崗巖、石英巖等酸性石料破碎的機制砂，同時對骨料的顆粒級配、潔凈程度、強度與堅固性等均做出明確規定［12］。

2.3 配合比設計

目前主流的瀝青混凝土配合比設計方法分為三類：①經驗法，如Marshall 設計方法；②基于某些性能（模量和抗疲勞），如法國EME 設計方法；③基于路用性能，如Superpave設計方法［13］。

無論哪種設計方法，體積分析是瀝青混凝土配合比設計的基礎。在鐵路瀝青混凝土配合比設計方面，韓國采用Marshall 設計方法，并提出了馬歇爾穩定度（Marshall Stability，MS）、流值（Flow，FL）、礦料間隙率（Voids in Mineral Aggregate，VMA）、瀝青飽和度（Voids Filled with Asphalt，VFA）等體積參數技術要求。韓國最佳瀝青用量條件下Marshall 試驗結果見表2。中國則綜合了Marshall 和Superpave 設計方法，即利用馬歇爾穩定度試驗體系確定瀝青混凝土的最佳瀝青用量，并未提出馬歇爾體積參數的技術要求，最終以瀝青混凝土的使用性能作為最終評判標準。

表2 韓國最佳瀝青用量條件下Marshall試驗結果

在礦料級配方面，考慮瀝青混凝土的防水功能，韓國與中國均選用連續密級配。按照骨料最大公稱粒徑劃分，韓國主要選用AC‐13、AC‐16 以及 AC‐20 三種級配，中國則選用TC‐16、TC‐20和TC‐25。以中韓兩國共同推薦使用的骨料公稱最大粒徑為16 mm 的礦料級配進行對比分析，見圖3?？芍n國常用的礦料級配均在中國TC‐16 級配上下限范圍內，且在TC‐16級配中值之上，級配偏細［12，14］。此外，中韓兩國鐵路瀝青混凝土常用的最佳瀝青用量大多集中在4.3% ～5.6%［15］。

圖3 中韓兩國骨料公稱粒徑為16 mm的礦料級配對比

2.4 瀝青混凝土性能

鐵路瀝青混凝土結構不僅受上部軌道結構傳遞的列車荷載作用，還受水分、溫度等環境因素耦合作用。因此，瀝青混凝土的性能要求主要包括功能性要求和結構性要求，其中功能性要求包括防水抗滲性、抗水損害性能、低溫抗開裂性能等，結構性要求包括高溫穩定性、承載能力、界面安全性等。區別于韓國，中國全斷面瀝青混凝土主要適用于寒冷、嚴寒、多雨地區，膨脹巖土、濕陷性黃土等特殊土地段的高速鐵路路基的防水封閉。鑒于中國高速鐵路規劃覆蓋南北全域，結合工程應用特點和可操作性，按照近30年極端最低氣溫T30將中國分為嚴寒區（T30＜-37.0 ℃）、寒區（-37.0 ℃ ≤T30＜-21.5 ℃）、冷區（-21.5 ℃≤T30≤-9.0 °C）和溫區（T30＞-9 ℃）四個分區，不同氣候分區下瀝青混凝土的性能要求不同［16］。中韓兩國鐵路瀝青混凝土性能指標體系與技術要求對比情況見表3。

表3 中韓鐵路瀝青混凝土性能指標體系與技術要求對比

2.4.1 防水抗滲性能

瀝青混凝土本身應致密不透水，利于表面水在自然狀態快速排入邊溝或線間集水井。韓國利用美國佛羅里達州運輸部開發的滲透儀測量瀝青混凝土的滲透系數，并提出不透水瀝青混凝土的滲透系數應不超過0.1 cm/s。同時發現瀝青混凝土的滲透性主要受空隙率及其分布的影響，并規定面層、中間層和基層瀝青混凝土的設計空隙率分別為1%～3%、2%～4%、3% ～5%，工程選用瀝青混凝土的空隙率大多集中在3.5%～4.0%［18］?；谶_西定律，在建立滲透系數與瀝青混凝土空隙率關系的基礎上，中國以劃分高速鐵路基床表層Ⅰ型和Ⅱ型級配碎石的滲透系數10-6m/s為不透水的限值，確定瀝青混凝土的空隙率不應超過4%［19］。

2.4.2 抗水損害性能

韓國通過測試干燥和浸水狀態下瀝青混凝土的間接拉伸強度比來評價瀝青混凝土的水穩定性，并規定浸水殘留強度比的最小值為80%［20］。中國考慮了瀝青混凝土浸水和凍融兩種服役環境，分別采用浸水殘留強度比和抗凍殘留強度比進行表征，其限值分別為85%和80%。

2.4.3 低溫抗開裂性能

韓國主要按照工程所在地的低溫設計溫度選取對應的瀝青膠結料，瀝青膠結料主要根據其低溫等級確定，并從瀝青混凝土的層面提出相應的指標。經廣泛調研，低溫開裂是中國北方地區瀝青路面主要病害類型之一。中國在提出瀝青膠結料低溫柔性指標的同時，根據不同氣候分區，提出低溫彎拉強度和低溫彎曲應變兩個指標評價瀝青混凝土的低溫性能。此外，考慮到有砟軌道瀝青混凝土結構受到道砟的覆蓋，其工作溫度較為溫和，故有砟軌道瀝青混凝土的低溫彎曲應變限值較小。

2.4.4 高溫抗變形性能

韓國將瀝青混凝土試件水浴加熱至60 ℃，測試其馬歇爾穩定度，參考德國鐵路（不小于8 kN）和日本鐵路（不小于5 kN）的技術要求，韓國規定鐵路瀝青混凝土的馬歇爾穩定度應不小于7.5 kN［20］。中國同樣采用60 ℃的試驗溫度，加載輪以壓強0.7 MPa 往復運行，以60 min 和45 min 時瀝青混凝土變形量的差值來評價高溫抗變形性能。相比于有砟軌道，中國對無砟軌道變形控制更嚴格，故在相同氣候分區無砟軌道瀝青混凝土的高溫變形允許值較小。

2.4.5 承載能力

瀝青混凝土的彈性模量隨溫度的升高而降低。韓國規定瀝青混凝土的彈性模量需滿足日本《鐵路結構設計標準（土工結構）》中的規定［17］。中國采用彈性模量和抗壓強度雙指標進行控制，以保證瀝青混凝土的承載能力滿足要求，并規定20 ℃彈性模量不小于1 000 MPa，抗壓強度不小于4 MPa。

2.4.6 界面安全性

韓國在寬軌枕或預制軌道板與瀝青混凝土結構之間設置水平限位裝置，以保證軌道結構的橫向穩定性。中國通過現場足尺推板試驗、室內直剪試驗等手段，發現在級配良好狀態下瀝青混凝土-無砟軌道的界面強度高于級配碎石-無砟軌道，故無砟軌道可在不設置限位裝置的情況下直接鋪設于瀝青混凝土的表面［21］。為保證瀝青混凝土表面的粗糙程度，規定在配合比設計階段無砟軌道-瀝青混凝土的綜合摩擦因數應不小于0.6，在實體質量驗收階段瀝青混凝土的構造深度應不小于0.55 mm。

2.4.7 其他

除上述性能要求外，韓國還利用四點彎曲試驗評價瀝青混凝土的抗疲勞性能，通常工程選用的瀝青混凝土的疲勞允許作用次數在40 萬～60 萬次。中國并未提出瀝青混凝土疲勞性能要求，原因如下：①中國瀝青混凝土結構代替基床表層，瀝青混凝土所承受的彎拉應變在40×10-6之內，其應力環境優于韓國；②中國鐵路按照低空隙率、高瀝青用量的原則配制瀝青混凝土，加之選用高黏彈的改性瀝青，使得瀝青混凝土自然具有很高的疲勞壽命；③中國在結構設計時已考慮底層彎拉損傷，并進行相關驗算［22］。此外，中國部分無砟軌道底座采用長大單元結構，在單元式底座伸縮縫處存在應力集中現象，為保證該位置瀝青混凝土的抗拉性能，提出適用于不同氣候分區的表層被動拉伸作用次數［12，23］。

3 有益效果評價

KRRI 建立了室內足尺模型試驗裝置，加載裝置通過鋼軌進行逐級加載，靜態荷載由0 至200 kN，以20 kN 為步距逐級施加，測試瀝青混凝土結構層下方基床的應力水平，測試結果見圖4。可知：隨著瀝青混凝土厚度的增加，基床頂面的應力水平降低，瀝青混凝土厚度大于50 cm 時基床表面的壓應力顯著降低至10 kPa 以下；增加瀝青混凝土厚度帶來的基床應力減小效果逐步減弱。

圖4 不同靜荷載時基床頂面壓應力測試結果（KRRI）

根據韓國鐵路設計指南和手冊中的規定，基床表面允許壓應力不應超過133 kPa，該限值按照式（1）計算確定。值得注意，當靜荷載超過160 kN 且瀝青混凝土厚度小于20 cm 時，基床頂面壓應力會超過容許限值要求。

式 中 ：δallow為 路 基 表 面 允 許 壓 應 力 ，kN/m2；Ev2取120 MPa；N為循環荷載作用次數，取200萬次。

依托京張（北京—張家口）高速鐵路實車動態檢測，采用CRH380AJ‐0203 綜合檢測列車對動車組通過有砟軌道時的動力參數進行了測試，列車運行速度由180 km/h 逐級提升至385 km/h，有砟軌道和路基動態力學參數見表4。可知：瀝青混凝土段內的各項測試參數均小于標準路基段，說明設置瀝青混凝土結構后列車運行穩定性、軌道結構剛度、軌道結構橫向穩定性、軌道結構振動特性、路基結構受力狀態均得到明顯改善。這主要是由于瀝青混凝土的彈性模量遠高于級配碎石，采用10 cm 厚瀝青混凝土結構代替等厚度基床表層級配碎石，可為軌道結構提供更好的支撐，并吸收與分散了列車荷載的傳遞，改善了基床的受力狀態；加之瀝青混凝土屬于黏彈性材料，降低了軌道與路基結構的振動。

表4 京張高速鐵路有砟軌道區段實車動態檢測結果

基于上述對比分析，雖然中韓兩國在鐵路瀝青混凝土結構的應用層位存在明顯差異，但瀝青混凝土結構帶來的有益效果基本相同［24-25］，主要可概括為以下三點：①作為防水層，防止雨水滲入，降低路基強度的下降與軟化風險；②作為強化層，通過分散列車荷載提高軌道與路基結構承載能力；③作為隔離層，瀝青混凝土整體性強，可阻止泥漿與水分遷移，避免路基翻漿冒泥、凍脹等病害，降低運維成本。

4 結論

1）韓國利用瀝青混凝土代替有砟軌道底砟或作為無砟軌道底座，并在軌道與瀝青混凝土結構之間設置限位裝置，以滿足韓國鐵路提速運營要求；中國則采用瀝青混凝土代替部分基床表層級配碎石，以充分發揮瀝青混凝土防水性好、彈性好等優點。結合兩國工程實踐，后續可從基于瀝青混凝土結構的軌道與路基結構優化與性能提升開展研究。

2）盡管中韓兩國采用不同方法進行瀝青混凝土的配合比設計，但兩國均選用連續密實級配的類型，且礦料級配沒有明顯區別；在性能指標方面，兩國均從防水抗滲、抗水損害、低溫抗開裂、高溫抗變形等方面提出相應的指標體系，但在技術要求上差異較大。總體來說，中國氣候跨度大，加之配合比設計階段更關注瀝青混凝土的使用性能，瀝青混凝土性能的技術要求高于韓國。

3）韓國鐵路瀝青混凝土結構推薦采用30 cm 厚的多層體系，考慮表面層受列車和環境影響最為顯著，故選用改性瀝青，其他結構層則選用普通基質瀝青。該設計思路為完善中國鐵路瀝青混凝土結構技術體系提供了新思路，為提升鐵路瀝青混凝土結構技術經濟性研究指明了方向，同時也將促進兩國標準的相互借鑒與融合。

4）雖然中韓兩國在瀝青混凝土結構形式、材料性能方面存在明顯差異，但由瀝青混凝土結構帶來的有益效果基本相同，瀝青混凝土結構可作為防水層、強化層和隔離層，提升軌道與路基結構的服役品質。