运营高速铁路路基无砟轨道抬升注浆材料性能研究

李　杰

(上海铁路局，上海　200071)



运营高速铁路路基无砟轨道抬升注浆材料性能研究

李杰

(上海铁路局，上海200071)

摘要：为保证运营线高速铁路路基段沉降无砟轨道抬升用高聚物注浆材料的性能满足工程要求，并确保其不会对环境造成污染，通过系统的疲劳性、耐久性以及浸水后有害离子测试试验对无砟轨道抬升用高聚物注浆材料的抗疲劳性能、耐化学侵蚀、耐老化性等耐久性能和环保性能开展系统研究，并进行工程应用效果验证。研究结果表明：高聚物注浆材料在疲劳荷载作用下残余变形小，具有良好的尺寸稳定性；耐化学侵蚀性和耐老化性优良，强度保持率70%以上，环保性能好，高聚物注浆材料长期埋入地下时不会对环境造成影响；工程实体取样验证表明高聚物注浆材料耐久性能与环保性能均满足设计要求，有效保持了抬升后无砟轨道结构的稳定性。

关键词：高速铁路；无砟轨道；路基；抬升；注浆材料

1概述

无砟轨道以其良好的整体性和稳定性在高速铁路建设中备受青睐，是高速铁路最为重要的轨道结构形式。但是，随着运营时间的增长，在复杂地质情况下，基于地基/路基不均匀沉降引起的轨道沉降问题在我国高速铁路无砟轨道运营线路上逐渐开始显现。部分地段无砟轨道结构沉降量已远远超出扣件系统的有限调整量，线路平顺性无法恢复，只能限速运营，这对我国高速铁路无砟轨道线路的正常运营带来了严重影响[1-9]。

为解决这一难题，沪杭客专公司与中国铁道科学研究院铁道建筑研究所联合对常规无砟轨道线路、道岔以及抬升约束阻力大的含端梁等特殊无砟轨道的整体精确抬升材料、工艺及工装设备开展系统研究，形成了适用于不同无砟轨道结构的成套高聚物注浆抬升修复技术[10-13]。但相比水泥基材料，该技术所用注浆材料为一种高分子聚合物化学浆液，因而其耐久性能直接关系到抬升后无砟轨道的长期稳定性，而其高聚物固结体的环保性能直接关系到该项技术是否可能对土体、水体等环境造成污染[14-16]。

因此，对高聚物注浆材料的抗疲劳性能、耐化学侵蚀、耐老化性等一系列耐久性能和环保性能开展了系统研究，并进行了工程应用效果验证，以期为我国高速铁路无砟轨道沉降病害的修复整治提供借鉴和参考。

2高聚物注浆材料耐久性能

2.1抗疲劳性能

在服役中，高聚物注浆材料结构体除了承受上部结构的静荷载之外，还要承受列车运营产生的动荷载(实际运营中一般不超过0.1 MPa)，对于多孔结构的高聚物注浆材料，其动荷载下的尺寸稳定性至关重要。采用MTS疲劳试验机对高聚物注浆材料进行不同应力下的疲劳试验。试样尺寸为(φ150 mm×50 mm)，加载频率为4 Hz，疲劳次数1 000万次。疲劳试验见图1。试验结果见表1。

图1　疲劳试验测试

序号1234最大应力值/MPa0.040.100.20.3对应的动变形/mm0.10.150.30.3残余变形/mm0.060.080.080.12

从表1可以看出，随着最大应力提高，对应的动变形略有增加。对于高聚物注浆材料来说，即使采用高于实际运营所承受的荷载2倍以上，其疲劳1 000万次后残余变形也较小。

2.2耐化学侵蚀性能

(1)耐酸碱腐蚀性

试验室配制了不同pH值的溶液，酸性溶液的pH值为2.0，碱性溶液的pH值为14.0，对比溶液为中性溶液，pH值为7.0，试样成型3 d之后，裁成标准试件，试件尺寸为100 mm×100 mm×50 mm，然后浸泡到不同pH值的酸碱溶液中，并保证试件在溶液液面下5 cm。参照《聚合物乳液建筑防水涂料》(JC-T864—2008)计算某龄期的压缩强度保持率φT(式(1))，所得的高聚物注浆材料的压缩强度保持率如图2所示。

(1)

式中σT——某龄期的压缩强度，MPa；

σ0——酸碱腐蚀前的压缩强度，MPa。

图2　不同pH值溶液浸泡下高聚物注浆材料压缩强度保持率

由图2可以看出，随着酸碱溶液浸泡龄期的延长，不同pH值溶液中高聚物注浆材料的压缩强度保持率有所降低，不同pH值溶液中注浆材料压缩强度保持率的排序为中性溶液>酸性溶液>碱性溶液，pH值为7.0的中性溶液中，浸泡240 d后，压缩强度保持率在90%以上；pH值为2.0的酸性溶液中，浸泡240 d后，压缩强度保持率在85%以上；pH值为14.0的碱性溶液中，浸泡240 d后，压缩强度保持率在75%以上，因而，无论酸碱溶液还是中性溶液，高聚物注浆材料的压缩强度保持率均在75%以上。

(2)耐土壤腐蚀性

为模拟高聚物注浆材料在级配碎石中服役的环境特点，将试件尺寸为100 mm×100 mm×50 mm的标准试样埋入具有一定含水率的级配碎石中，分别埋藏30、90、120、180 d后测试试件的压缩强度，压缩强度保持率如图3所示。

图3　高聚物注浆材料耐土壤腐蚀压缩强度保持率

由图3可以看出，高聚物注浆材料具有优异的耐土壤腐蚀能力，在级配碎石中埋藏240 d后，压缩强度保持率在90%以上，这说明，注入到级配碎石中的高聚物注浆材料具有优异的耐腐蚀性，满足设计要求。

2.3耐老化性能

高聚物注浆材料属于高分子材料，耐老化性能的优劣直接影响其耐久性能。本文采用湿热老化试验检验了高聚物注浆材料的耐老化性能，试验时，参照《聚合物乳液建筑防水涂料》(JC-T864—2008)，试验温度为(85 ℃±3) ℃，湿度≥95%，养护至一定龄期后测试其压缩强度和拉伸强度，试验结果如图4所示。

图4　高聚物注浆材料的耐湿热老化性能

由图4可以看出，随着湿热老化龄期的延长，高聚物注浆材料的压缩强度和拉伸强度均逐渐降低。当龄期分别为14 d和56 d时，压缩强度保持率为93%、82%；拉伸强度保持率为92%、83%，这说明，湿热老化影响高聚物注浆材料的性能。本研究制备的高聚物注浆材料湿热老化90 d，压缩强度和拉伸强度保持率均在70%以上。

3环保性能

将聚合反应硬化后的高聚物材料浸泡于蒸馏水中，按照《生活饮用水卫生标准检验方法》(GB5750—2006)检测高聚物泡水后水溶液中各离子的浓度，试验结果如表2所示。

表2　高聚物注浆材料泡水后的水溶液离子浓度

由表2高聚物注浆材料浸泡水滤出液的成分分析结果表明，滤出液当中并不含高聚物材料成分，证明高聚物结构体在长期被水浸泡的情况下，不会降解或者腐烂。通过高聚物浸泡水质检验结果与生活饮用水卫生标准对比分析，高聚物材料不会对水质造成污染，这表明高聚物注浆材料长期埋入地下时不会对环境造成影响。

4工程应用效果验证

将本文所用的高聚物注浆材料应用在某高铁K45+000～K45+400路基段沉降无砟轨道结构的注浆抬升施工，上行线最大抬升量82 mm，下行线最大抬升量106 mm。抬升后线形如图5、图6所示。

图5　上行线抬升后线路线形

图6　下行线抬升后线路线形

抬升过程中，采用高聚物注浆材料的抬升精度控制较好(均在±1 mm范围内)，轨道结构线形控制良好，均满足当日列车开通条件；经动态监测，线路120 m弦左、右高低峰值显著降低(均低于2 mm)，线路垂向加速度也明显降低，线路几何状态得到显著改善。经精确抬升整治后，限速区段得以及时恢复常速运营。

抬升完成1年后，该区段线路高程几乎无变化，于抬升地段现场取样后进行了高聚物注浆材料的性能测试，经测试发现，高聚物注浆材料耐久性能与环保性能等各项指标均满足设计要求，强度保持率98%以上，因而，可有效保持抬升后无砟轨道结构的长期稳定性。

5结语

对高聚物注浆材料的抗疲劳性能、耐化学侵蚀、耐老化性等耐久性能和环保性能开展了系统研究，并进行了工程应用效果验证，主要结论如下。

(1)不同密度高聚物注浆材料，循环加载1 000万次后基本无残余变形，动荷载下高聚物注浆材料具有良好的尺寸稳定性和抗疲劳性能。

(2)高聚物注浆材料在酸碱溶液浸泡240 d后的压缩强度保持率均在75%以上，具有一定的抗酸碱性。

(3)高聚物注浆材料湿热老化90 d，其压缩强度和拉伸强度保持率均在70%以上，高聚物注浆材料具有较好的抗湿热老化性能。

(4)高聚物材料不会对水质造成污染，这表明高聚物注浆材料长期埋入地下时不会对环境造成影响。

(5)通过工程实体取样进行高聚物注浆材料的性能验证，表明高聚物注浆材料耐久性能与环保性能等各项指标均满足设计要求，强度保持率98%以上，可有效保持抬升后无砟轨道结构的长期稳定性。

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Research on Properties of Grouting Material for Uplifting Ballastless Track Structure of Operational High-speed Railway

LI Jie

(Shanghai Railway Administration Bureau， Shanghai 200071， China)

Abstract：To ensure the properties of the high polymer grouting material to meet the requirements of practical engineering and pollution-free environment， the fatigue， durability and environmental properties of the high polymer grouting material are studied in terms of the fatigue property， chemical resistance， aging durability and environmental performance with systematic anti-fatigue test， durability test and harmful ion content of soaking water test. The properties are verified by engineering application. The results show that the hardened polymer grouting materials has small residual deformation， high dimensional stability， high chemical resistance and aging resistance with over 70% of strength retention. Moreover， the polymer grouting materials embedded long in the ground will not affect the environment. The engineering application indicates that the properties of high polymer grouting materials meet the design requirements and the stability of ballastless track structure is secured effectively.

Key words：High-speed railway; Ballastless track; Roadbed; Uplift; Grouting material

文章编号：1004-2954(2016)05-0034-03

收稿日期：2015-12-30； 修回日期：2016-02-24

基金项目：上海铁路局科研项目(HHKZ2013-01)

作者简介：李杰(1966—)，男，高级工程师，工学学士，E-mail：13701871722@163.com。

中图分类号：U238

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.008