中韩铁路沥青混凝土结构标准对比研究

石越峰 蔡德钩 楼梁伟 闫宏业 吕宋 李竹庆

1.北京铁科特种工程技术有限公司，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081

标准差异和知识产权问题导致中国高速铁路部分技术向全球市场推进过程受阻［1］。因此，对于适用性强、经济附加值高的技术，亟待开展与其他国家同类技术标准的对比研究。

韩国规定新建线路和既有线路运行速度须分别达到250、230 km/h。根据这一政策，为了增强高速、重载列车运行下轨道结构的耐久性，在Gyeongbu、Honam 等新建高速铁路线路广泛采用混凝土轨道结构［2］。与有砟轨道相比，混凝土道床会产生较高的噪声和振动，且养护维修较为困难［3］。自2012 年起，韩国开始开展沥青混凝土轨道结构的研究工作，发现沥青混凝土轨道结构既可满足列车运行速度要求，也可实现轨道结构的减振降噪，且历经各类运营环境后服役状态良好［2］。中国于2008 年开始将沥青混凝土引入铁路工程领域，主要解决路基防水封闭长效性难题，并先后提出了路基面防水沥青混合料、路基自密实沥青混凝土防水层、全断面沥青混凝土防水封闭结构等，其中以全断面沥青混凝土防水封闭结构应用最为广泛［4］。然而，对中国与韩国在铁路沥青混凝土结构应用与标准差异的研究较少。本文从结构形式、材料性能、铁路沥青混凝土结构带来的有益效果等方面，开展中韩两国铁路沥青混凝土结构的对比研究，以促进中韩两国标准的相互借鉴与融合。

1 结构形式

1.1 韩国沥青混凝土轨道结构

为防止雨水渗入基床、降低线路维护费用，韩国铁道科学研究院（Korea Railroad Research Institute，KRRI）提出了沥青混凝土轨道结构［5］。根据韩国铁路设计标准，沥青混凝土轨道结构自上至下依次为钢轨、扣件、轨道结构（含沥青混凝土）和路基，如图1所示。

图1 韩国沥青混凝土轨道结构典型横断面

有砟轨道采用2.4 m（长）× 0.5 m（宽）× 0.18 m（高），混凝土抗压强度标准值fck= 50 MPa 的宽轨枕，并在宽轨枕中设置水平限位装置。对于有砟轨道，根据列车运行速度，在轨枕与沥青混凝土道床之间设置0 ～ 0.4 m 厚的道砟层［2，6］，沥青混凝土采用代替部分底砟和直接用作道床两种形式。无砟轨道由预制混凝土轨道板、无收缩水泥基灌浆料填充层和沥青混凝土道床组成，通过预制板内设置的缓冲装置和剪力键提供限位［7］。沥青混凝土道床按表面层、中间层和底基层分三层设置，其厚度推荐采用300 mm，表面层、中间层和底基层厚度分别为50、100、150 mm，对应沥青混凝土的骨料最大公称粒径分别为13、20、25 mm。根据对列车荷载的影响，路基结构可分为基床表层和基床底层，其设计厚度通常大于3.0 m。基床表层应保证Ev2≥80 MPa（Ev2为静态2 次变形模量），Ev2/Ev1＜2.3（Ev1为静态1 次变形模量），压实系数K≥0.95；基床底层应保证Ev2≥60 MPa，Ev2/Ev1＜2.7，K≥0.90［6］。

1.2 中国全断面沥青混凝土防水封闭结构

鉴于沥青混凝土良好的黏弹性和抗渗性，中国提出在铁路路基基床顶部全断面铺设沥青混凝土进行路基防水封闭的方案，如图2 所示。全断面沥青混凝土防水封闭结构可等厚度代替基床表层级配碎石，其设计厚度通常为80 ～150 mm。当全断面沥青混凝土防水封闭结构厚度小于100 mm 时，采用单层设计，且选用骨料最大粒径为13、16 mm 的沥青混凝土；反之，则采用双层设计，对应沥青混凝土的骨料最大粒径可选择16、20、25 mm。轨道与路基结构仍按TB 10621—2014《高速铁路设计规范》进行设计，未设置任何限位装置［8］。

图2 中国全断面沥青混凝土防水封闭结构典型横断面

中韩两国在沥青混凝土及其下卧层之间设置透层乳化沥青，在多层设置的沥青混凝土层间洒布黏层沥青［9］。韩国将沥青混凝土视为轨道结构的一部分，代替有砟道床的部分底砟或用作无砟轨道的底座基础，而中国则将全断面沥青混凝土防水封闭结构与级配碎石共同视为基床表层的组成部分。

2 材料性能

沥青混凝土是主要由沥青胶结料（石油沥青、改性沥青）、矿料（粗骨料、细骨料和矿粉）和外加剂（抗剥离剂、抗老化剂等）组成的复合材料。作为具有空间网络结构的多相分散体系，沥青混凝土的力学强度主要由矿质颗粒之间的内摩阻力和嵌挤力、沥青胶结料之间的黏结力以及沥青胶结料与矿料之间的黏结力共同构成，并根据组成材料质量的差异和各组分比例的不同，表现出不同的力学性能。

2.1 沥青胶结料

韩国为满足夏季高温条件下沥青混凝土的强度使用要求，选用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（Styrene‐Butadiene‐Styrene，SBS）对石油沥青进行改性，并利用美国公路战略研究计划（Strategic Highway Research Program，SHRP）的性能等级（Performance Grade，PG）对其性能进行评价［6］。SHRP 的 PG 分级体系规定，利用动态剪切流变仪试验测量的车辙因子来表征沥青胶结料在高温下的刚度或抗变形能力，未老化和旋转薄膜烘箱试验后沥青胶结料的车辙因子分别不低于1.0 kPa 和2.2 kPa 时所对应的试验温度为高温等级；利用弯曲梁流变仪试验测量的蠕变速率m和蠕变劲度模量S来表征沥青胶结料在低温下的抗开裂能力，压力老化容器试验后沥青胶结料60 s 的m≥ 0.3 且S≤ 300 MPa 时所对应的试验温度为低温等级［10-11］。在韩国沥青混凝土多层结构中，面层选用SBS 改性沥青，简称Railpahlt‐A；中间层和基层则选用普通基质沥青，简称Railpahlt。

中国四季分明且气候跨度大，在采用SBS 对沥青进行改性的基础上，引入橡胶粉（Crumb Rubber，CR）对沥青胶结料进行复合改性。SBS+CR复合改性技术具有以下优势：①提高了复合改性沥青的高温抗变形、低温抗开裂、抗疲劳开裂等性能；②橡胶粉中的碳黑具有紫外光屏蔽剂的作用，提高复合改性沥青的耐热氧老化和抗紫外线老化性能；③橡胶粉可部分代替沥青，且实现废旧橡胶粉的再利用，具有明显的经济和社会效益。中国采用针入度分级体系评价沥青胶结料的性能。为便于对比分析，采用针入度分级和SHRP 的PG 分级体系共同评价中韩两国常用沥青胶结料性能，结果见表1。可知，SBS+CR 复合改性沥青具有较高的针入度和软化点，较低的黏度，说明其具有更优异的高温稳定性与施工和易性［12］。基于浅度裂解技术掺加的橡胶粉，使得复合改性沥青提高了两个低温等级，可满足-34 ℃条件下的使用要求。

表1 中国与韩国铁路沥青混凝土用沥青胶结料性能对比

2.2 矿料

韩国对于矿料选择没有明确限制，石灰岩、玄武岩、花岗岩等均可使用，并控制其表面密度、吸水率、磨耗值等。中国从保证骨料与沥青胶结料黏附性的角度，明确规定细骨料不应使用与沥青黏附性很差的天然砂、石屑或使用花岗岩、石英岩等酸性石料破碎的机制砂，同时对骨料的颗粒级配、洁净程度、强度与坚固性等均做出明确规定［12］。

2.3 配合比设计

目前主流的沥青混凝土配合比设计方法分为三类：①经验法，如Marshall 设计方法；②基于某些性能（模量和抗疲劳），如法国EME 设计方法；③基于路用性能，如Superpave设计方法［13］。

无论哪种设计方法，体积分析是沥青混凝土配合比设计的基础。在铁路沥青混凝土配合比设计方面，韩国采用Marshall 设计方法，并提出了马歇尔稳定度（Marshall Stability，MS）、流值（Flow，FL）、矿料间隙率（Voids in Mineral Aggregate，VMA）、沥青饱和度（Voids Filled with Asphalt，VFA）等体积参数技术要求。韩国最佳沥青用量条件下Marshall 试验结果见表2。中国则综合了Marshall 和Superpave 设计方法，即利用马歇尔稳定度试验体系确定沥青混凝土的最佳沥青用量，并未提出马歇尔体积参数的技术要求，最终以沥青混凝土的使用性能作为最终评判标准。

表2 韩国最佳沥青用量条件下Marshall试验结果

在矿料级配方面，考虑沥青混凝土的防水功能，韩国与中国均选用连续密级配。按照骨料最大公称粒径划分，韩国主要选用AC‐13、AC‐16 以及 AC‐20 三种级配，中国则选用TC‐16、TC‐20和TC‐25。以中韩两国共同推荐使用的骨料公称最大粒径为16 mm 的矿料级配进行对比分析，见图3。可知，韩国常用的矿料级配均在中国TC‐16 级配上下限范围内，且在TC‐16级配中值之上，级配偏细［12，14］。此外，中韩两国铁路沥青混凝土常用的最佳沥青用量大多集中在4.3% ～5.6%［15］。

图3 中韩两国骨料公称粒径为16 mm的矿料级配对比

2.4 沥青混凝土性能

铁路沥青混凝土结构不仅受上部轨道结构传递的列车荷载作用，还受水分、温度等环境因素耦合作用。因此，沥青混凝土的性能要求主要包括功能性要求和结构性要求，其中功能性要求包括防水抗渗性、抗水损害性能、低温抗开裂性能等，结构性要求包括高温稳定性、承载能力、界面安全性等。区别于韩国，中国全断面沥青混凝土主要适用于寒冷、严寒、多雨地区，膨胀岩土、湿陷性黄土等特殊土地段的高速铁路路基的防水封闭。鉴于中国高速铁路规划覆盖南北全域，结合工程应用特点和可操作性，按照近30年极端最低气温T30将中国分为严寒区（T30＜-37.0 ℃）、寒区（-37.0 ℃ ≤T30＜-21.5 ℃）、冷区（-21.5 ℃≤T30≤-9.0 °C）和温区（T30＞-9 ℃）四个分区，不同气候分区下沥青混凝土的性能要求不同［16］。中韩两国铁路沥青混凝土性能指标体系与技术要求对比情况见表3。

表3 中韩铁路沥青混凝土性能指标体系与技术要求对比

2.4.1 防水抗渗性能

沥青混凝土本身应致密不透水，利于表面水在自然状态快速排入边沟或线间集水井。韩国利用美国佛罗里达州运输部开发的渗透仪测量沥青混凝土的渗透系数，并提出不透水沥青混凝土的渗透系数应不超过0.1 cm/s。同时发现沥青混凝土的渗透性主要受空隙率及其分布的影响，并规定面层、中间层和基层沥青混凝土的设计空隙率分别为1%～3%、2%～4%、3% ～5%，工程选用沥青混凝土的空隙率大多集中在3.5%～4.0%［18］。基于达西定律，在建立渗透系数与沥青混凝土空隙率关系的基础上，中国以划分高速铁路基床表层Ⅰ型和Ⅱ型级配碎石的渗透系数10-6m/s为不透水的限值，确定沥青混凝土的空隙率不应超过4%［19］。

2.4.2 抗水损害性能

韩国通过测试干燥和浸水状态下沥青混凝土的间接拉伸强度比来评价沥青混凝土的水稳定性，并规定浸水残留强度比的最小值为80%［20］。中国考虑了沥青混凝土浸水和冻融两种服役环境，分别采用浸水残留强度比和抗冻残留强度比进行表征，其限值分别为85%和80%。

2.4.3 低温抗开裂性能

韩国主要按照工程所在地的低温设计温度选取对应的沥青胶结料，沥青胶结料主要根据其低温等级确定，并从沥青混凝土的层面提出相应的指标。经广泛调研，低温开裂是中国北方地区沥青路面主要病害类型之一。中国在提出沥青胶结料低温柔性指标的同时，根据不同气候分区，提出低温弯拉强度和低温弯曲应变两个指标评价沥青混凝土的低温性能。此外，考虑到有砟轨道沥青混凝土结构受到道砟的覆盖，其工作温度较为温和，故有砟轨道沥青混凝土的低温弯曲应变限值较小。

2.4.4 高温抗变形性能

韩国将沥青混凝土试件水浴加热至60 ℃，测试其马歇尔稳定度，参考德国铁路（不小于8 kN）和日本铁路（不小于5 kN）的技术要求，韩国规定铁路沥青混凝土的马歇尔稳定度应不小于7.5 kN［20］。中国同样采用60 ℃的试验温度，加载轮以压强0.7 MPa 往复运行，以60 min 和45 min 时沥青混凝土变形量的差值来评价高温抗变形性能。相比于有砟轨道，中国对无砟轨道变形控制更严格，故在相同气候分区无砟轨道沥青混凝土的高温变形允许值较小。

2.4.5 承载能力

沥青混凝土的弹性模量随温度的升高而降低。韩国规定沥青混凝土的弹性模量需满足日本《铁路结构设计标准（土工结构）》中的规定［17］。中国采用弹性模量和抗压强度双指标进行控制，以保证沥青混凝土的承载能力满足要求，并规定20 ℃弹性模量不小于1 000 MPa，抗压强度不小于4 MPa。

2.4.6 界面安全性

韩国在宽轨枕或预制轨道板与沥青混凝土结构之间设置水平限位装置，以保证轨道结构的横向稳定性。中国通过现场足尺推板试验、室内直剪试验等手段，发现在级配良好状态下沥青混凝土-无砟轨道的界面强度高于级配碎石-无砟轨道，故无砟轨道可在不设置限位装置的情况下直接铺设于沥青混凝土的表面［21］。为保证沥青混凝土表面的粗糙程度，规定在配合比设计阶段无砟轨道-沥青混凝土的综合摩擦因数应不小于0.6，在实体质量验收阶段沥青混凝土的构造深度应不小于0.55 mm。

2.4.7 其他

除上述性能要求外，韩国还利用四点弯曲试验评价沥青混凝土的抗疲劳性能，通常工程选用的沥青混凝土的疲劳允许作用次数在40 万～60 万次。中国并未提出沥青混凝土疲劳性能要求，原因如下：①中国沥青混凝土结构代替基床表层，沥青混凝土所承受的弯拉应变在40×10-6之内，其应力环境优于韩国；②中国铁路按照低空隙率、高沥青用量的原则配制沥青混凝土，加之选用高黏弹的改性沥青，使得沥青混凝土自然具有很高的疲劳寿命；③中国在结构设计时已考虑底层弯拉损伤，并进行相关验算［22］。此外，中国部分无砟轨道底座采用长大单元结构，在单元式底座伸缩缝处存在应力集中现象，为保证该位置沥青混凝土的抗拉性能，提出适用于不同气候分区的表层被动拉伸作用次数［12，23］。

3 有益效果评价

KRRI 建立了室内足尺模型试验装置，加载装置通过钢轨进行逐级加载，静态荷载由0 至200 kN，以20 kN 为步距逐级施加，测试沥青混凝土结构层下方基床的应力水平，测试结果见图4。可知：随着沥青混凝土厚度的增加，基床顶面的应力水平降低，沥青混凝土厚度大于50 cm 时基床表面的压应力显著降低至10 kPa 以下；增加沥青混凝土厚度带来的基床应力减小效果逐步减弱。

图4 不同静荷载时基床顶面压应力测试结果（KRRI）

根据韩国铁路设计指南和手册中的规定，基床表面允许压应力不应超过133 kPa，该限值按照式（1）计算确定。值得注意，当静荷载超过160 kN 且沥青混凝土厚度小于20 cm 时，基床顶面压应力会超过容许限值要求。

式 中 ：δallow为 路 基 表 面 允 许 压 应 力 ，kN/m2；Ev2取120 MPa；N为循环荷载作用次数，取200万次。

依托京张（北京—张家口）高速铁路实车动态检测，采用CRH380AJ‐0203 综合检测列车对动车组通过有砟轨道时的动力参数进行了测试，列车运行速度由180 km/h 逐级提升至385 km/h，有砟轨道和路基动态力学参数见表4。可知：沥青混凝土段内的各项测试参数均小于标准路基段，说明设置沥青混凝土结构后列车运行稳定性、轨道结构刚度、轨道结构横向稳定性、轨道结构振动特性、路基结构受力状态均得到明显改善。这主要是由于沥青混凝土的弹性模量远高于级配碎石，采用10 cm 厚沥青混凝土结构代替等厚度基床表层级配碎石，可为轨道结构提供更好的支撑，并吸收与分散了列车荷载的传递，改善了基床的受力状态；加之沥青混凝土属于黏弹性材料，降低了轨道与路基结构的振动。

表4 京张高速铁路有砟轨道区段实车动态检测结果

基于上述对比分析，虽然中韩两国在铁路沥青混凝土结构的应用层位存在明显差异，但沥青混凝土结构带来的有益效果基本相同［24-25］，主要可概括为以下三点：①作为防水层，防止雨水渗入，降低路基强度的下降与软化风险；②作为强化层，通过分散列车荷载提高轨道与路基结构承载能力；③作为隔离层，沥青混凝土整体性强，可阻止泥浆与水分迁移，避免路基翻浆冒泥、冻胀等病害，降低运维成本。

4 结论

1）韩国利用沥青混凝土代替有砟轨道底砟或作为无砟轨道底座，并在轨道与沥青混凝土结构之间设置限位装置，以满足韩国铁路提速运营要求；中国则采用沥青混凝土代替部分基床表层级配碎石，以充分发挥沥青混凝土防水性好、弹性好等优点。结合两国工程实践，后续可从基于沥青混凝土结构的轨道与路基结构优化与性能提升开展研究。

2）尽管中韩两国采用不同方法进行沥青混凝土的配合比设计，但两国均选用连续密实级配的类型，且矿料级配没有明显区别；在性能指标方面，两国均从防水抗渗、抗水损害、低温抗开裂、高温抗变形等方面提出相应的指标体系，但在技术要求上差异较大。总体来说，中国气候跨度大，加之配合比设计阶段更关注沥青混凝土的使用性能，沥青混凝土性能的技术要求高于韩国。

3）韩国铁路沥青混凝土结构推荐采用30 cm 厚的多层体系，考虑表面层受列车和环境影响最为显著，故选用改性沥青，其他结构层则选用普通基质沥青。该设计思路为完善中国铁路沥青混凝土结构技术体系提供了新思路，为提升铁路沥青混凝土结构技术经济性研究指明了方向，同时也将促进两国标准的相互借鉴与融合。

4）虽然中韩两国在沥青混凝土结构形式、材料性能方面存在明显差异，但由沥青混凝土结构带来的有益效果基本相同，沥青混凝土结构可作为防水层、强化层和隔离层，提升轨道与路基结构的服役品质。