鐵路道砟材質選型分析與建議

井國慶，謝家樂，段姝琪，郭云龍

(1.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044; 2.包頭鐵道職業技術學院,包頭 014060; 3.大連交通大學土木工程學院,大連 116021; 4.代爾夫特理工大學土木學院,荷蘭代爾夫特 2628CN)

引言

道砟(道碴)一詞起初來源于壓艙石,即英國運煤船舶返航時用于配重的各類碎石和礫石,使用過后廢棄在港口附近,因其承載效果良好而開始被鋪設在鐵路路基上,并于20世紀30年代逐漸普及,道砟也成為有砟軌道重要組成部分。在國內學術界及規范中,道砟被定義為級配碎石,同時這些級配碎石有著特定的物理特性,包括:硬度、強度及復雜形狀等[1]。

道砟作為鐵路有砟軌道的主要組成部分,對軌道結構的穩定性、耐久度及韌性有決定性影響。為滿足道砟服役性能,道砟材質本身需符合一定的特性,包括:顆粒尺寸、道砟形狀、顆粒級配、表面粗糙度、顆粒密度、堆積密度、強度、硬度、沖擊韌性、耐磨性和耐候性等[2]。

本文歸納總結了各國所采用的道砟技術標準、實際線路中道砟材質等測試方法及測試內容,得出了不同條件下道砟選型方法。提出了根據地質和氣候等因素來制定道砟選型標準,對現有方法中僅根據線路類型和線路分級的不足進行補充,為我國地質環境復雜、氣候多變的鐵路沿線道砟選型提供參考。

1 道砟材質

1.1 道砟發展趨勢

道砟層也稱為有砟道床,通常是由道砟顆粒組成的散體顆粒層,厚度在250～350 mm之間。我國鐵路建設用道砟一般是由高質量的火成巖或變質巖經過爆破而得到的級配碎石,雖然傳統意義上對道砟要求規定為級配均一、無規則形狀、堅硬且表面粗糙,然而,母巖來源、種類、質量、適用性、經濟性和當地環境法規不同,世界各國所采用的道砟材料及規范也有著一定區別。例如,在19世紀70年代之前,有砟軌道鋪設過程中道砟材質的選取并未重點考慮道砟類型和其物理特性,往往優先考慮原材料價格及運輸成本[3]。

目前,關于道砟物理及力學特性,如顆粒尺寸、形狀、硬度、摩擦力、耐磨性和礦物成分等,在國際上并沒有統一的標準要求。不同國家及地區在設計選取道砟時,會考慮荷載條件、運營環境和地基條件,選擇不同類型的母巖材料,如玄武巖、花崗巖、石灰巖、白云巖、流紋巖、片麻巖和石英巖等[1]。

道砟成為鐵路有砟道床重要組成部分以來,對于道砟材質的要求逐漸趨向于強穩定性及復雜環境適用性。早期道砟采用簡單的砂石、礦石或者卵石,有易破碎粉化、承載能力差等明顯缺點。而隨著列車速度提升及重載列車軸重增加,對道砟提出了級配變窄、高強度、高密度等要求,級配碎石開始成為當前道砟的主要材料。城軌、高架等線路對道床承載能力要求較低,且出于環境保護原因當前級配碎石資源匱乏,因此國內外研究學者相繼提出了采用建筑固廢和工業固廢作為道砟材料[2]。除此之外,級配碎石用于道砟還會增大人工養護維修的難度,目前我國鐵路養護維修機械化程度較高,但一體化、智能化方面還需要進一步加強,將周期性養護維修轉變為精準的“點維修”。

1.2 道砟特性及測試方法

國內外學者[1, 3-6]總結出道砟層的力學性能、物理性能、環境性能和幾何形態與道砟選型之間的關系,并總結出道砟各項性能的測試方法,如表1所示。

表1 道砟選型分類及測試方法[1,3]Table 1 Ballast selection classification and test methodology

從表1中可以看出,部分道砟特征有著明確的測試方法。例如,道砟強度或硬度可以采用洛杉磯磨耗試驗定量分析,且此類試驗在文獻中也有著較深入的研究[6]。近些年業內學者針對各類道砟特性測試方法進行了深入研究,例如單體道砟壓碎試驗[7]和落錘試驗[8]。然而仍有很多道砟性能測試方法未進行詳細解釋說明或深入研究其可行性,多數試驗測試方法為其他學科中骨料方法。因此,有必要研究并提出復雜運營條件下,滿足鐵路服役需求的道砟性能評估、測試及測量方法。

1.3 國外道砟材質規范

各國規范中也針對不同的道砟性質采用不同的測試、測量標準。本文總結了澳大利亞、美國、歐盟規范中關于道砟特性評估的推薦分類,如表2所示。

表2 道砟選型各國標準匯總[1-3]Table 2 Overview of standards for ballast selection in different countries

從表2中可知,歐盟標準沒有明確規定道砟密度,而是給出了密度的測量方法,此外澳大利亞和美國給出了道砟顆粒密度和堆積密度的最低要求。然而,目前現場對于堆積密度的測量方法仍然非常模糊,沒有明確的測量方法。雖然在各種室內試驗中可以通過計算試驗儀器的容積估算出堆積密度,然而在現實鐵路線上并沒有較好方法可以快速準確并且不破壞道床的方式來得到道床堆積密度[9]。歐盟標準因國家較多沒有統一明確標明具體要求的數值,僅給出了測試的具體要求。表中標注的標號為標準使用的標號,可以在標準網站查詢。

表2中還可以看出,澳大利亞針對道砟要求較為全面細致,而歐盟標準中較少給出具體數值,美國標準較為陳舊。而我國標準采用道砟選型較為保守,尤其是高速鐵路用道砟,一般選取諸多規范中的最高標準。固化技術標準容易造成額外工作量甚至工程成本,因此,歐盟標準中僅給出了標準的測試方法,世界其他各國多參照歐盟標準,而各個國家根據不同的自身情況使用不同品質等級道砟。參考上述情況,鐵路建設及養護時可以根據線路等級要求,根據當地材料供應情況,適當提高道砟某項標準,必要時也可降低不必要的標準[3]。

2 新型道砟材質

2.1 傳統道砟材質

傳統有砟軌道占世界范圍內鐵路線路約90%[2],而目前低碳環保、碳中和及循環經濟等全球性戰略部署,標志著有砟軌道綠色發展已成為當前主流研究方向。例如,文獻[10]中對鐵路基礎設施的整個生命周期進行生命周期評估,并遵循標準(ISO14040)系列對西班牙高速鐵路的特定特征進行了分析,選取了傳統有砟軌道、嵌入式無砟軌道進行對比,結果顯示,在50～60年的使用壽命時,傳統碎石道床對環境產生的影響最小,無論是經濟性、碳排放還是維修量都具有明顯優勢。

然而,目前針對碳中和及循環經濟方面的關注點基本圍繞著如何在鐵路系統中利用新能源,針對道砟材質使用的低碳環保研究較少。例如,傳統木枕有著價格低廉、力學性能良好及減振性強等優勢,但隨著木材過度砍伐及環境保護等原因,傳統木枕逐漸被混凝土軌枕所取代。而鐵路道砟作為有砟軌道的重要組成部分,屬于非可再生資源且消耗量龐大,為使鐵路系統走向可持續發展,開發替代品來取代道砟這類自然資源已迫在眉睫。

2.2 新型道砟材質

如今環境問題引發了社會各界對工業廢物處理的擔憂,以歐盟為代表的群體建議盡可能將工業廢物作為一種新的副產品重復利用[11]。

而擠壓性火成巖(火山巖等)、變質巖和沉積巖,作為傳統鐵路道砟材料來源的母巖,屬于自然原材料,其不可再生性對鐵路可持續發展有很大影響。以工業礦渣、鋼渣等為代表的新型材料逐漸在鐵路系統中得到利用。工業礦渣強度一般較低,這類礦渣可作為非正線鐵路道砟材料。

近年來,世界范圍內鋼產量逐年遞增,而因此產生的鋼渣在美國、中國、澳大利亞以及部分歐洲國家是十分豐富的材料[12-13]。諸多文獻提出對鋼渣材料物理性能的總結,提出了將其應用于鐵路道砟[14]。然而,考慮鐵路信號及導電問題,工業鋼渣一般在研究中或實際應用中大部分當作底砟[13]。同時,也有研究將廢舊橡膠、爐渣混合來改善其作為底砟的力學性能[15]。例如,通過等比例尺縮小建立的試驗比較鋼渣與傳統碎石道砟的力學性能,結果顯示,在重載鐵路上,鋼渣骨料具有更高的彈性模量,高應力狀態下的永久變形相對更小,其抗剪強度也具有顯著優勢[16]。這與YILDIRIM[17]、KOH[18]得出的結論相近,鋼渣在力學性能上能夠替代傳統碎石道砟。

既有研究也表明,高密度鋼渣可以提升道床穩定性,提高道床橫向阻力27%[19],增加垂向彈性模量64%[20]。這也可以極大地降低高速鐵路中飛砟概率[21]。需要注意的是,鋼渣具有一定導電性,在降雨量較多、排水不暢地區或者線路,不宜應用在線路表層道床。

除此之外,再生磚渣、再生混凝土骨料[22-23]也能用于碎石道床的填充,相關研究人員對此進行了大量的現場試驗。諸多學者利用廢舊輪胎制作出符合鐵路運輸需求的軌枕墊,并且提出將橡膠顆粒作為道床結構的部分填充物,改善了道床的力學性能,可以減緩道砟粉化及破碎[24]。

近10年來,國內外學者研究利用瀝青將散體道床粘接成為整體軌道,包括底砟層或道砟層。瀝青作為石油煉制后的廢料,過去主要用于公路領域。目前,國內外諸多學校或研究機構已經開始了探索性研究[25]。

表3針對不同新型道砟,主要是應用廢舊材料作為道砟材料進行概括總結。目前廢舊建筑材料已經用于許多其他基礎設施中,但仍未用于道床中,在此列舉了建筑固廢用于路基填料以及混凝土中的例子,可為后續廢料循環使用于鐵路系統中提供了一定新思路。

表3 新型道砟材料[14-15,22-24]Table 3 Novel ballast materials

3 道砟母巖種類

3.1 道砟母巖

在工程中使用的道砟一般來源于機械破碎的天然巖石,母巖按形成條件可分為火成巖、沉積巖和變質巖三大類,如表4所示。澳大利亞學者INDRARATNA[1]指出,用于制作道砟的主要母巖材料為火成巖或變質巖,道砟通常由以下礦物組成:流紋巖、白云巖、玄武巖、片麻巖、石英巖和花崗巖。巖石的內在微觀屬性,如微裂縫、礦物粒度和軟礦物的含量,都會影響道砟的宏觀機械及力學性能[6]。

表4 自然界常見巖石分類[26]Table 4 Classification of common rocks in nature

母巖開采自礦山,然而這對于缺乏巖石資源的地區而言,道砟材料相應極度匱乏,推進廢舊道砟循環利用也是當前研究熱點。室內試驗表明:廢舊道砟混入新道砟不超過30%,仍具備較好的服役性能[27]。

3.2 國內道砟標準研究

根據既有文獻研究及我國標準中對各類工程巖石通過匯總現場試驗標準集料壓碎率CA和道砟集料壓碎率CB兩項指標判斷其是否符合成為道砟的條件,巖性判斷如表5所示。從表5中可以看出,石灰巖的抗壓碎性能不能滿足中國現行規范TB/T 2140.2—2018[28]中關于一級或特級道砟的要求,不具備成為鐵路碎石道砟母巖的條件。而玄武巖、安山石母巖的合格率相對較高,花崗巖的合格率較低,但也能滿足CA、CB指標。

3.3 國內外道砟材質對比

不同道砟母巖對道床服役性能影響非常大,且在不同地區的適用性存在巨大差異。上節中談到的石灰巖在我國被禁止使用作為道砟,除其力學性能不滿足要求外,還考慮雨水沖刷會對石灰巖造成破壞,難以保證道床穩定性和耐久性。然而對于利用石灰石作為鐵路道砟,國外卻有許多案例,例如在美國、中東等氣候較為干燥少雨(沙漠)地區,當地鐵路使用石灰石作為道砟,也可以滿足線路對于適用性、耐久性、經濟性的需求。

此外,在葡萄牙里斯本—阿爾加威區段的新建鐵路線路建設時[29],考慮當地原材料匱乏問題,將原設計方案中30 mm厚花崗巖底砟改為兩部分:15 mm厚花崗巖和15 mm厚石灰巖組合。在解決材料問題的同時,對于工程造價也是十分有利的。如表6所示,案例中的石灰巖最大洛杉磯磨耗率為27%,micro-Deval磨耗率為12%,不滿足于IT.GEO.006標準,但根據UIC和部分歐洲國家的相關鐵路道砟標準,石灰巖可以滿足洛杉磯磨耗率和Micro-Deval磨耗率的要求。

表6 道砟顆粒材料特性標準Table 6 Ballast particle material characteristics standards

無論是2008年實施的TB/T 2140—2008《鐵路碎石道砟》還是已經棄用TB/T2140—1990《鐵路碎石道砟》,兩者對道砟原料作出了明確規定,即碎石道砟應選擇開山塊石破碎、篩選加工生產得到,而美國的黑梅薩和鮑威爾湖(BMLP)鐵路在后期修復過程中,由于當地缺乏采石場,未按照規范規定使用新破裂的級配碎石,并進行了如下處理:允許老化的道砟占比總道砟的5%,并從附近的科羅拉多河獲得圓形粗粒河礫石作為道砟來源[30]。

我國道砟規范中沒有明確道砟巖性,而是將道砟劃分為特級道砟和一級道砟,并根據洛杉磯磨耗率LAA、標準集料沖擊韌度IP、石料耐磨硬度系數等指標進行限制;美國AREMA鐵路工程手冊則主要通過對洛杉磯磨耗率LAA及抗沖擊性能等參數指標對道砟材料進行限制,并在此基礎上規定了不同母巖材質的標準細則,如表7所示;UIC及包括英國在內的CEN成員各國普遍采用洛杉磯磨耗LAA、micro-Deval磨耗率等指標。

表7 美國AREMA鐵路工程手冊道砟物理參數指標及試驗指標[34]Table 7 Physical parameters and test indicators of ballast (Manual for railway engineering of AREMA)

3.4 地質、氣候條件制約

我國幅員遼闊,鐵路建設沿線地質條件復雜,而道砟母巖開采遵循就近原則,新建鐵路附近采石場開采的同類道砟材料各項指標表現不同。按照工程地質巖性分布將我國地域劃分成5種巖石類型分布區域,明顯看到華中、東北平原、黃河流域等地區匱乏堅硬、次堅硬巖石,因此在這些區域進行新建鐵路設計時,尤其是受到運輸、經濟等條件制約,就近開采的巖石可能難以滿足道砟材質要求[35]。

在道砟原材料匱乏的情況下,有石灰巖被用于鐵路建設的案例,但這并不是絕對的,也會受到其他方面的制約。例如,在高寒霜凍地區線路或高運量線路,石灰巖受到凍脹后,在列車高頻荷載作用下,其破碎量遠高于花崗巖或玄武巖等[36]。道砟材質在不同氣候地區表現出不同適用性,因此,在進行線路道砟材質選型時,應該合理考慮降雨、溫度等氣候條件,有針對性地合理選擇道砟材質。

4 結論

本文歸納總結并對比了各國道砟材質選型方法,以及道砟性能試驗方法,得到以下主要結論。

(1)諸多道砟性能測試方法未進行具體詳細解釋說明或者深入研究其具體可行性,多采用其他學科中試驗方法。因此,有必要完善復雜條件下,道砟性能評估、測試及量化方法。實現在多尺度、多物理場中模擬道砟受到的綜合環境影響。目前道砟材質試驗方法不能真實反映道床受力狀態,如眾多研究表明,洛杉磯磨耗率與道床壽命沒有直接關系,而使用洛杉磯磨耗率和Mill磨耗率(LAA+5MA)最為有效。

(2)目前我國道砟標準未明確道砟母巖巖性,淘汰了潛在能夠用于線路鋪設的道砟資源,而對于實際線路設計時,考慮沿線地理和氣候,可以采用新舊道砟結合、 開發潛在道砟資源及降低設計標準等方法選擇道砟材質。

(3)我國規范及維修手冊中規定了道床密度具體指標,但是道床密度的測量方法主要采用道床開挖取樣等破壞性手段,目前仍然缺乏非破壞、高效測量道床堆積密度的方法。

(4)為實現雙碳目標,我國目前鐵路道砟規范并不包括工業或者建筑固廢道砟和廢舊道砟,與歐盟道砟規范包容度有一定差異。