聚氨酯固化道床的力学性能试验研究

郄录朝，王 红，许永贤，许良善，刘海涛，曾树谷

(1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

聚氨酯固化道床的力学性能试验研究

郄录朝1，2，王 红2，许永贤2，许良善2，刘海涛2，曾树谷2

(1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

聚氨酯固化道床是介于传统碎石道床和无砟轨道整体道床之间的一种新型结构。本文介绍了聚氨酯固化道床的国内外现状;通过聚氨酯固化道床围压试件的疲劳荷载、冻融试验、实尺模型疲劳试验和现场加载车测试试验，研究聚氨酯固化道床的弹性、抗累积变形、荷载传递规律及轨排阻力等力学性能。试验结果表明:聚氨酯固化道床具有良好弹性保持能力和抗累积变形能力，和普通碎石道床相比，具有更好的抵抗横向荷载能力，同时验证了聚氨酯固化道床结构设计断面的合理性。

聚氨酯固化道床 力学性能 试验

1 聚氨酯固化道床及其发展现状

聚氨酯固化道床是在已经达到稳定的新铺碎石道床内，使用高压或低压发泡机灌注聚氨酯发泡材料而形成的道床结构。灌注的聚氨酯发泡材料经道砟间的孔隙流入道床底部，材料起发后填充道砟间孔隙并将道砟柔性粘结在一起，使道床成为一个整体。聚氨酯固化道床既具有碎石道床良好的弹性和可维修性，又兼备整体道床稳定性好、使用寿命长、道床维修作业少等特点，它不仅适合于高速、重载铁路有砟轨道桥隧段，也适用我国西部人烟稀少、受风沙侵害的线路。

聚氨酯固化道床在国内外均处于研究阶段。自2007年以来，全球范围内已经建成了十条聚氨酯固化道床试验线路，总长度约6 350 m，其中大部分集中在德国和中国。德国铁路从2007年4月至2011年年底，铺设了累计2 100 m长的聚氨酯固化道床，其中主要示范段为:①德铁从汉堡至汉诺威的Uelzen客货混运铁路试验段，长度为300 m;②德国Cottbus重载铁路试验段，用于煤炭运输，长度为700 m;③德国科隆客货共线铁路试验段，长度1 100 m。中国从2009年开始，共铺设试验段6处，主要包括武汉天兴洲特大桥(225 m)、江岸特大桥(128 m)、铁科院环行道试验段(120 m)、龙厦铁路程溪特大桥(1 322 m)、山西中南部铁路通道跨长晋高速公路特大桥(700 m)和南岭山隧道(1 100 m)，聚氨酯固化道床累计长度为3 595 m。

2 聚氨酯固化道床结构设计

聚氨酯固化道床结构设计原则:①有利于轨枕、道床及路基面的承载条件及荷载的传递和分布;②有利于道床自身的排水、施工及养护维修;③有利于减少聚氨酯固化道床材料用量，从而降低工程造价。采取以上设计原则的原因如下:首先道床的轨下断面区段是承受和传递轨枕荷载的重要区段，道床捣固作业都只捣固轨下断面区段。因此，聚氨酯固化道床仅灌注轨下断面一定范围内轨枕区段，这对轨枕、道床和路基面的承载条件和荷载的传递及分布都是有利的;聚氨酯固化道床材料本身是不吸水、不渗水的，如果在施工时道床表面留有空洼，这些空洼就会积水，出现低温冻融;如果对道床全断面进行灌注，聚氨酯用量很大，增加工程投资。根据以上原则及理论计算，聚氨酯固化道床结构设计断面见图1。

聚氨酯灌注区域主要在轨下，其顶面不超过枕底，砟肩和道心不灌注。沿线路的纵向，在轨下断面一定范围内形成两条纵向的支承体，在道床底部全断面铺设排水垫。聚氨酯固化道床的内部结构如图2所示。当聚氨酯固化道床被锯开时，其切割面穿过聚氨酯，也穿过碎石颗粒;当聚氨酯固化道床被撕开时，其撕裂面只穿过聚氨酯材料，而不穿过碎石颗粒。

3 聚氨酯固化道床原材料

3.1 道砟材料

聚氨酯固化道床对碎石道砟的清洁度要求较高，道砟采用原有线路设计中规定的道砟材质等级，统一采用一级道砟级配、特级道砟清洁度标准。道砟在生产、运输、储存及装卸各环节采取措施，确保出厂道砟清洁度，防止道砟二次污染。

3.2 聚氨酯材料

聚氨酯材料由A组分和B组分的混合料构成。A组分包括多羟基化合物、扩链剂和催化剂;B组分为异氰酸酯。聚氨酯固化道床是由A组分和B组分按一定比例混合后，经化学反应形成的一定密度的泡沫体，粘结固化碎石道床中的道砟颗粒，使其形成整体稳定、富有弹性的道床结构。

聚氨酯泡沫固化材料的工作性能(起发时间、表干时间)和物理力学性能(自由发泡密度、压缩强度、拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度、压缩永久变形、干热老化、湿热老化、耐紫外线老化、低温性能恢复能力、阻燃性能)均应满足相应要求。

聚氨酯原材料及产品应满足环保要求，不应对人体、生物和环境造成有害影响。

图1 聚氨酯固化道床结构设计断面

图2 聚氨酯固化道床内部结构

4 聚氨酯固化道床基本力学性能研究

通过研究固化道床结构的物理和力学特性，可以掌握固化道床的变形规律和适应性。试验包括室内围压试件的疲劳荷载试验、冻融试验和实尺模型疲劳试验，以及现场加载车测试试验。

4.1 围压试件的疲劳荷载和冻融试验

聚氨酯固化道床承受着来自轨枕底面的压力，同时周边又承受着来自周边道床的围压，因此，采用围压试件作为聚氨酯固化道床的材料性能试验的试件，可以反映固化道床的基本受力情况。围压试件直径为500 mm，高度取聚氨酯固化道床的厚度350 mm，由于围压试件周边密度通常低于其中部密度，故要求试件总体密度为1.70 g/cm3。

1)荷载—变形试验

荷载变形试验的目的是探求聚氨酯固结道床材料的加载和卸载变形规律、检测试件静刚度及道床系数、并与碎石道床的对应值进行对比，评估道床弹性。

试验荷载是根据京津城际铁路联调联试轨道动力性能试验测试数据，将钢轨动压力取为50 kN，按围压试件受力面积进行换算。聚氨酯试件的静态加载和卸载曲线如图3所示。聚氨酯试件的荷载变形规律和碎石道床的荷载变形规律完全相同，聚氨酯在碎石道床中的膨化固结并没有改变碎石道床的基本力学性能。

图3 试件静载过程荷载—变形曲线

2)重复加载试验

重复加载试验的目的是检验聚氨酯固化道床材料在经受荷载重复作用后，试件的静刚度及其累积变形的变化情况，以评估材料抗疲劳的能力。

重复加载试验的最大荷载同样按钢轨动压力取50 kN进行换算。由于换算压力较小，需对2个试件同时进行疲劳试验。对试件施加交替循环荷载，从最小荷载5 kN到最大荷载，荷载循环次数＜5×106，加载频率(4±1)Hz。各试件静刚度变化曲线如图4所示。可见，试件在承受重复荷载初期(0～100万次)，静刚度随荷载作用次数的增加而有增长的趋势，但在荷载重复作用100万次以后，刚度趋于稳定，持久保持弹性。

图4 各试件静刚度随荷载作用次数变化曲线

试件的累积变形曲线如图5所示。可见，4个被测试件累积变形规律基本一致，在荷载作用100万次后基本趋于收敛。

图5 试件累积变形曲线

图6 冻融后静刚度和累积变形随荷载作用次数变化曲线

图7 冻融后试件荷载—变形曲线

图8 冻融后试件内部结构

3)冻融试验

冻融试验的目的是检验材料经反复冻融后，内部结构及承载能力的变化。包括材料反复冻融后，材料的吸水率变化、材质的脆化和老化、材料弹性变化、材料整体承载能力和累积变形速率变化。首先对试件进行吸水试验，然后进行冻融试验。具体试验步骤如下:①对每个试件灌水，静置120 h，测试其吸水率。②将铁桶表面积水倒掉，在(-20±2)℃冰箱中冷冻16 h，然后加热到40℃，保持8 h。冻融循环5次，每次24 h。③对冻融后试件进行疲劳试验。

试件表面加水静置120 h后，通过对试件表面及底部观察以及吸水率测试，发现聚氨酯固化道床只是在表层吸水，且吸水率很小，最大没超过0.36%。冻融后，进行重复加载，试件静刚度和累积变形随荷载作用次数变化曲线见图6。冻融后试件荷载—变形曲线见图7。冻融后将试件从中间切开，其内部结构见图8。

由图6可见，开始时其累积变形和静刚度有一个增长阶段，随后静刚度与累积变形不再发生变化，这与冻融前变化趋势一致，且试件弹性与冻融前也无明显变化。开始时累积变形和刚度增长主要是加载板和试样之间存在间隙，随着荷载作用次数增加，两者逐渐密贴，刚度和变形也不再发生变化。由图7可见，荷载与变形曲线变化规律与冻融前一致，说明聚氨酯试件在经过5个冻融循环后，其材料性能并未发生变化。由图8可见，冻融后聚氨酯与道砟仍为良好的柔性联结状态，无任何破坏痕迹，内部结构未发生变化。

4.2 实尺模型试验

实尺模型一般用来模拟有砟轨道在刚性线路基础上的受力状况，通过进行静态加载和卸载测试试验，研究固化道床弹性变化;通过重复荷载试验，研究固化道床在高速和重载铁路上的累计变形规律，评估轨道维修工作量及维修周期，比较不同轨道结构承载能力。实尺模型疲劳试验可较真实模拟现场情况。

实尺模型包括3根轨枕，道床厚度350 mm，道砟密度约1.70 g/cm3。荷载设计分别按高速和重载，高速荷载最小为10 kN，最大分别为110，130，150 kN，每个循环加载次数的比例为63∶147∶46，共加载5×106次，荷载波形为正弦简谐波，频率3～4 Hz;重载荷载最大分别为265，315，360 kN，每个循环加载次数的比例为28∶60∶12，共加载1×107次，荷载波形为正弦简谐波，频率3～4 Hz。

1)固化道床弹性试验

对实尺模型进行了静态加载和卸载测试，试验曲线见图9。可以看出，卸载后轨道沉降变形几乎恢复至0，说明固化道床轨下基础弹性良好，能够为轨道结构提供弹性。

图9 静态荷载—变形曲线

2)高速荷载重复加载试验

轨枕支承刚度随高速铁路荷载作用次数变化曲线见图10。可以看出，轨枕支承刚度在高速铁路荷载作用50万次后基本不再发生变化，弹性保持较好。

实尺模型累积变形随高速铁路荷载作用次数的变化曲线见图11。可以看出，道床累积变形在初期增长较快，基本上呈直线增长，随着荷载作用次数的增加，变形趋向稳定，说明聚氨酯固化道床在初期同样要经历一个压实、稳定的过程。这与普通碎石道床累积变形规律一致，但其下沉量相比普通有砟轨道却小得多。

图10 轨枕支承刚度随高速铁路荷载作用次数变化曲线

图11 实尺模型累积变形随高速铁路荷载作用次数变化曲线

3)重载荷载重复加载试验

图12为30 t轴重荷载作用1 000万次下，聚氨酯固化道床弹性变化曲线。聚氨酯固化道床弹性曲线基本为一条水平的直线，说明即便在经过1 000万次荷载作用后，道床的弹性仍与初始时的弹性基本一致，并不像普通有砟道床那样，随着荷载作用次数增加而刚度变大，体现了良好的弹性保持能力。

图12 重载荷载聚氨酯固化道床弹性变化曲线

实尺模型在30 t轴重重复荷载作用下的累积变形曲线见图13。可见，在30 t轴重重复荷载作用下，聚氨酯固化道床模型累积变形虽然比高速铁路荷载作用下累积变形(见图11)要大，但绝对值也未超过3.5 mm，且作用400万次后，累积变形已逐渐趋于收敛，说明即使在30 t轴重荷载作用下，聚氨酯固化道床也表现出了良好的抗累积变形能力。

图13 实尺模型在30 t轴重重复荷载下的累积变形曲线

4.3 现场加载车测试

采用轨道加载车对聚氨酯固化道床和普通有砟轨道进行加载试验，测试加载后轨排横向阻力和钢轨垂向位移，对比聚氨酯固化道床和普通碎石道床轨排横向阻力和垂向力沿纵向的分配规律和轨道状态保持能力。加载荷载单轨垂向荷载最大145 kN、横向荷载最大70 kN。

1)轨排横向阻力

在钢轨上施加横向荷载，从0加载至70 kN测试钢轨的横向位移，结果见图14。可见，在钢轨横移2 mm，横向荷载达到50 kN之前，聚氨酯固化道床和普通碎石道床抗横向荷载能力相差不大，但在横向荷载达到50 kN之后，普通碎石道床钢轨横移明显增大，而聚氨酯固化道床钢轨横移基本不变，说明聚氨酯固化道床相比普通碎石道床具有更好的抵抗横向荷载能力，有利于轨道横向稳定性。

图14 聚氨酯固化道床与普通碎石道床轨排横向位移对比

2)钢轨垂向位移

在聚氨酯固化道床和普通碎石道床连续布置4个位移传感器，在1号传感器位置加载，测试钢轨垂向位移，结果见图15。可见，聚氨酯固化道床由于纵向连成了整体，相比普通碎石道床力的分配系数小，且分配更加均匀，对轨道结构受力更加有利。

图15 聚氨酯固化道床与普通碎石道床钢轨垂向位移对比

5 聚氨酯固化道床经济性分析

目前，采用聚氨酯固化道床增加的材料费用约为315万元/km，施工机械及人工费增加的费用约为85万元/km，聚氨酯固化道床比碎石道床增加的工程投资约为400万元/km。根据聚氨酯固化道床累积变形试验结果，拟合推算聚氨酯固化道床累积变形，普通碎石道床进入稳定阶段后在客专运营条件下，每10年累积变形为17 mm，重载铁路每通过1亿t运量沉降为18.9 mm，而对聚氨酯固化道床来说，分别为2.2 mm和0.9 mm，其累积变形远远小于普通碎石道床，重载铁路采用聚氨酯固化道床可节约维修费用226～272万元/km，高速铁路采用聚氨酯固化道床可节约维修费用295～341万元/km。可以看出，虽然采用聚氨酯固化道床初期投入比较大，但是节约的维修费用更多，而且还未考虑通货膨胀和人工成本的上涨。另外，采用聚氨酯固化道床提高了通过能力，也能创造很大的经济效益。

聚氨酯固化道床目前还处在研发阶段，成本较高，随着聚氨酯固化道床研究不断深入，通过聚氨酯固化道床结构优化，材料改进，以及施工规模化之后，成本会有所降低。

6 结语

聚氨酯固化道床围压试件的疲劳荷载和冻融试验、实尺模型疲劳试验及现场试验结果表明:聚氨酯固化道床有较小的残余变形，良好的持久弹性;由于聚氨酯固化道床是纵向连续的双梯形整体结构，相比普通碎石道床力的分配系数小，且分配更加均匀，对轨道结构受力更加有利，相比普通碎石道床具有更好的抵抗横向荷载能力，从而验证了聚氨酯固化道床结构设计合理。

聚氨酯固化道床适用于重载铁路桥梁及隧道、沙漠线路和多风沙区域线路，能大大减少维修工作量，提高运输能力，降低运输成本。应用于高速铁路的高架车站、城镇、郊区及长大钢桥，将更加环保，确保线路经常处于良好的工作状态，提高行车安全性。应对聚氨酯固化道床材料和结构进行深入研究，降低造价。

［1］徐培林，张淑琴.聚氨酯材料手册［M］.北京:化学工业出版社，2011.

［2］曾树谷.铁路散粒体道床［M］.北京:中国铁道出版社，1997.

［3］郝瀛.铁道工程［M］.北京:中国铁道出版社，1999.

［4］佐藤吉彦.新轨道力学［M］.徐涌，叶霞飞，冯毅杰，等，译.北京:中国铁道出版社，2001.

［5］曾树谷.重载轨道结构的破坏和设计［J］.铁道学报，1983 (3):82-91.

［6］中国铁道科学研究院.聚氨酯固化道床及轨道结构减振技术的试验研究报告［R］.北京:中国铁道科学研究院，2011.

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［10］王红，许永贤，许良善，等.重载铁路聚氨酯固化道床结构形式及其合理参数的研究［J］.铁道建筑，2014(7):129-132.

Experimental study on mechanical performance of polyurethane solidified ballast bed

QIE Luchao1，2，WANG Hong2，XU Yongxian2，XU Liangshan2，LIU Haitao2，ZENG Shugu2
(1.Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

The polyurethane solidified ballast bed is the compromise between tradition ballasted track bed and monolithic track bed of ballastless track.In this paper，the domestic and international current research of polyurethane solidified ballast bed was introduced，and the mechanical properties including elasticity，anti-accumulative deformation，load transfer law and rail resistance were studied through the experiments of con fining pressure test piece，such as fatigue load，freezing and thawing，full scale model of fatigue and field loading vehicle.The test results showed that polyurethane solidified ballast bed has good elastic maintenance ability and anti accumulative deformation ability，this type of track bed has better capacity to resist lateral load compared to tradition ballasted track bed，the rationality of section design for polyurethane solidified ballast bed structure is verified.

Polyurethane solidified ballast bed;Mechanical performance;Test

U213.7

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.24

1003-1995(2015)01-0107-06

(责任审编 葛全红)

2014-09-10;

2014-11-28

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2013G005)

郄录朝(1981—)，男，河北保定人，助理研究员，硕士研究生。