王希云

國能包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古包頭014000

我國既有重載鐵路修建時期控制標(biāo)準(zhǔn)較低，隨著運營時間的增長以及列車軸重、運量、運速的提高，翻漿冒泥病害已嚴(yán)重影響鐵路運輸安全。由于材料的耐久性、防水性要求、天窗時間限制、施工影響等因素，傳統(tǒng)的整治措施始終無法徹底解決翻漿冒泥病害［1-2］。隨著高分子化學(xué)的快速發(fā)展，通過化學(xué)方法研制分子防水復(fù)合材料并用來整治鐵路路基病害已經(jīng)成為可能［3］。一些學(xué)者針對客運鐵路翻漿病害開展了聚氨酯整治材料性能試驗研究［4-5］，分析了聚氨酯材料的膠凝時間、流動性及靜力強度。重載鐵路運營荷載較大，常規(guī)客運鐵路聚氨酯整治材料的研究成果不適用。

針對重載鐵路基床翻漿特殊工程環(huán)境，結(jié)合包神重載鐵路路基翻漿冒泥整治項目，本文采用新型高分子聚合物防水材料設(shè)計一種新型高分子碎石復(fù)合半剛性防水層，并檢驗其在翻漿冒泥病害整治中的可行性以及整治效果。

1 工程背景

1.1 工程概況

磁窯灣站位于陜西神木縣大柳塔鎮(zhèn)，地形起伏破碎，沖溝發(fā)育。站場路基基床底部為煤矸石填料，其抗水性能差，遇水易變軟。在重載列車運行荷載周期振動與水共同耦合作用下，基床填料易液化成泥漿，并隨著軌枕的上下振動，通過道床向外竄出，產(chǎn)生翻漿冒泥病害（圖1），嚴(yán)重危及行車安全。

圖1 煤矸石填料路基翻漿冒泥

1.2 聚氨酯膠凝級配碎石整治技術(shù)

聚氨酯膠凝級配碎石復(fù)合半剛性層是在0.05～0.08 m聚氨酯混合料層上下各鋪設(shè)一層碎石加筋墊層，聚氨酯碎石復(fù)合半剛性層與上下加筋碎石墊層間再覆蓋一層防水土工布，實現(xiàn)上堵下截，形成全封閉結(jié)構(gòu)層，以保護(hù)聚氨酯碎石層，加強防水性能，如圖2所示。聚氨酯膠凝級配碎石復(fù)合半剛性防水層可以防止水滲入路基結(jié)構(gòu)，且具有良好的力學(xué)特性，對于上部列車動荷載傳遞有緩沖減振功能，耐久性好，可用于路基翻漿冒泥整治。

圖2 聚氨酯膠凝碎石防排水層

所用聚氨酯膠水為雙組分材料，其制備工藝為：①按照一定的質(zhì)量比，將聚醚多元醇A（簡稱聚醚A）、聚醚多元醇B（簡稱聚醚B）、擴(kuò)鏈劑和交聯(lián)劑（即1，4-丁二醇）、溶劑（二甲苯）攪拌均勻形成組分A；②根據(jù)設(shè)定的質(zhì)量比將異氰酸酯（PM200）、溶劑（二甲苯）均勻混合后，形成組分B；③組分A與組分B充分?jǐn)嚢杈鶆?，形成聚氨酯膠水。

將一定量的聚氨酯膠水與碎石攪拌均勻，在模具中攤鋪，無須碾壓，形成強度高、彈性好、固化時間快的聚氨酯膠凝級配碎石試件。

2 聚氨酯膠水改良研制

2.1 聚氨酯彈性體力學(xué)性能測試方法

聚氨酯彈性體的主要力學(xué)性能包括壓縮性能、拉伸性能和黏結(jié)性能。壓縮性能通過抗壓強度和壓縮模量來衡量；拉伸性能通過抗拉強度和斷裂伸長率來衡量；黏結(jié)性能通過拉伸黏結(jié)強度來衡量［6］。各力學(xué)參數(shù)測試試驗如圖3所示。

圖3 聚氨酯彈性體力學(xué)性能測試試驗

2.2 主要材料對聚氨酯彈性體性能的影響

通過單一控制變量試驗來分析各組分對其性能的影響，并確定各種材料的最優(yōu)質(zhì)量比。

試驗發(fā)現(xiàn)，相對其他比例，當(dāng)聚醚A與聚醚B的質(zhì)量比為3∶1時，制得的聚氨酯彈性體抗壓強度峰值為30.2 MPa，對應(yīng)的壓縮破壞變形率為56.8%，具有更大的壓縮破壞變形量；抗拉強度峰值為17.8 MPa，對應(yīng)的斷裂伸長率為77.2%，具有更大的拉伸破壞變形量。因此，該質(zhì)量比制成的聚氨酯彈性體具有更大的容許變形量，力學(xué)性能更為優(yōu)越。當(dāng)聚醚A與聚醚B的質(zhì)量比大于3∶1時，在抗壓與抗拉試驗中，聚氨酯彈性體試樣均出現(xiàn)了脆斷現(xiàn)象，其變形性能大幅降低。

以PM200用量為變量進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)PM200用量為90 g時，所制備的聚氨酯彈性體具有更為優(yōu)越的抗壓、抗拉性能。當(dāng)PM200用量少于90 g時，拉伸斷裂時及壓縮破壞時，其拉伸變形量、壓縮變形量相對較大，表明聚氨酯彈性體延展性更好，但其力學(xué)性能受到了一定程度的影響，抗拉強度與抗壓強度降低；當(dāng)PM200用量多于90 g時，聚氨酯彈性體的力學(xué)性能抗壓、抗拉強度均隨用量的增多而降低。

試驗發(fā)現(xiàn)，聚氨酯彈性體的抗拉強度及抗壓強度隨1，4-丁二醇用量呈線性增加。1，4-丁二醇用量越多，聚氨酯彈性體的抗壓強度及抗拉強度就越大。這是因為1，4-丁二醇用量增多致使聚氨酯彈性體分子鏈中形成較多的硬段，氫鍵數(shù)量與1，4-丁二醇用量成正比，增大了分子間作用力，聚氨酯彈性體的抗壓強度及抗拉強度隨之增大，斷裂伸長率也增大。但試驗結(jié)果亦表明，1，4-丁二醇用量存在最優(yōu)值，即27 g；當(dāng)1，4-丁二醇用量多于27 g時，聚氨酯彈性體的抗壓強度及抗拉強度均呈下降趨勢，這是因為當(dāng)1，4-丁二醇用量超過一定值時，聚氨酯彈性體的分子鏈中硬段分布的均勻性受到影響，降低了其力學(xué)性能。

在一定范圍內(nèi)時，二甲苯對聚氨酯灌漿料黏度降低效果顯著。當(dāng)添加量控制在25 g左右時，聚氨酯彈性體整體力學(xué)性能最好；添加量超過25 g后，聚氨酯彈性體力學(xué)性能降低，同時材料塑性降低，容易發(fā)生脆性破壞。因此，為避免聚氨酯彈性體力學(xué)性能損失過大，制作過程中將二甲苯添加量控制在25 g。

綜上所述，按照聚醚A和聚醚B的質(zhì)量比3：1制取200 g多元醇（聚醚A、聚醚B分別為150、50 g），依次添加90 g的PM200、27 g的1，4-丁二醇和25 g的二甲苯混合反應(yīng)制作聚氨酯彈性體，即聚氨酯膠水中聚醚A、聚醚B、PM200、1，4-丁二醇、二甲苯的工程應(yīng)用最優(yōu)質(zhì)量比為30.0∶10.0∶18.0∶5.4∶5.0。所制得的聚氨酯彈性體膠凝時間為30 min，2 h抗壓強度、抗拉強度分別為10.3、7.5 MPa，7 d抗壓強度、抗拉強度分別為36.6、22.9 MPa。

3 工程應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場聚氨酯膠凝級配碎石工藝性試驗

3.1.1 試驗?zāi)康?/p>

開展工藝性試驗，以確定最優(yōu)膠石比，保證施工質(zhì)量。現(xiàn)場所用級配碎石需求量大，考慮施工進(jìn)度、運輸經(jīng)濟(jì)成本等綜合因素，取瓷窯灣站試驗現(xiàn)場附近采石場碎石集料。采石場集料參數(shù)難以精確保證室內(nèi)試驗的要求，因此通過室內(nèi)篩分試驗揭示現(xiàn)場施工的碎石平均級配范圍，并開展聚氨酯膠凝級配碎石物理力學(xué)性能試驗，進(jìn)而為現(xiàn)場施工提供理論指導(dǎo)。

3.1.2 碎石級配特性

在西南交通大學(xué)鐵道大廳試驗室進(jìn)行碎石集料樣品的篩分試驗，對碎石的粒徑組成情況進(jìn)行分析。碎石級配篩分結(jié)果見表1。計算得出不均勻系數(shù)Cu=6.44，曲率系數(shù)Cc=0.93。其中Cu≥6，表明該碎石的粒徑分布范圍廣，粒徑分布不均勻程度高；Cc接近于1，表明中間粒徑碎石輕微偏少。

表1 碎石級配篩分結(jié)果

3.1.3 防水性能1）孔隙率

按照聚氨酯膠水質(zhì)量摻量（簡稱聚氨酯摻量）為5%、6%、7%、8%、9%、10%制作聚氨酯膠凝級配碎石混合料，采用馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實儀制作試件（即馬歇爾試件）［6］。常溫條件下固化48 h，測得馬歇爾試件的孔隙率，見圖4。

圖4 孔隙率隨聚氨酯摻量的變化曲線

由圖4可知：隨著聚氨酯摻量的增加，聚氨酯膠凝級配碎石試件的孔隙率逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定；當(dāng)聚氨酯摻量達(dá)到9%時，孔隙率降低至2.4%。一般地，混合料孔隙率為1%～3%時可認(rèn)為基本無滲水，考慮防水效果及經(jīng)濟(jì)成本，取聚氨酯摻量為9%。

2）滲透系數(shù)

聚氨酯膠凝級配碎石的防水性能可通過滲透系數(shù)來表示。參照瀝青混凝土滲透系數(shù)測試方法［7］，制作聚氨酯摻量分別為5%、6%、7%、8%、9%、10%的聚氨酯膠凝級配碎石試件開展?jié)B水試驗。結(jié)果見圖5。

圖5 滲透系數(shù)隨聚氨酯摻量的變化曲線

由圖5可知：隨著聚氨酯摻量的增加，聚氨酯膠凝級配碎石試件的滲透系數(shù)呈下降趨勢；在聚氨酯摻量超過7%時，滲透系數(shù)的變化緩慢；聚氨酯摻量為9%時，滲透系數(shù)為8.3×10-7m/s，屬于不透水量級，滿足防水結(jié)構(gòu)層要求。

3.1.4 力學(xué)性能

1）抗壓性能

為保證高應(yīng)力狀態(tài)下防水結(jié)構(gòu)層的正常使用性能和耐久性，抗壓強度是基本的力學(xué)指標(biāo)。開展聚氨酯膠凝級配碎石馬歇爾抗壓試件的無側(cè)限壓縮試驗，以探究抗壓強度的變化規(guī)律以及影響因素。試驗結(jié)果見圖6。

圖6 抗壓強度試驗結(jié)果

由圖6（a）可知：30℃環(huán)境中，聚氨酯膠凝級配碎石混合料凝固40 min（初凝）時，抗壓強度為5.4 MPa；凝固8 h（終凝）時，抗壓強度為15.3 MPa；初期強度形成時間短，強度高，48 h內(nèi)強度基本形成。

由圖6（b）可知：在持續(xù)浸水48 h（最不利浸水狀態(tài)）和自然放置2個月（外界環(huán)境干濕交替作用）后抗壓強度有一定幅度的折減，最大下降幅度為2.7 MPa。

2）回彈模量

聚氨酯膠凝級配碎石抗變形能力指標(biāo)可通過回彈模量表征。根據(jù)加卸載曲線中最末的循環(huán)加載計算不同試驗溫度下的馬歇爾試件的回彈模量［8］。試驗結(jié)果見圖7。由圖7（a）可知：30℃環(huán)境中，凝固40 min（初凝）時，試件回彈模量為200 MPa；凝固8 h（終凝）時，回彈模量為560 MPa；凝固48 h時，回彈模量達(dá)到800 MPa，可見試件回彈模量形成速度快，后期強度高。由圖7（b）可知：試件回彈模量隨著溫度的升高呈降低趨勢，對低溫區(qū)（-30～0℃）和高溫區(qū)（30～80℃）的溫度的敏感性較大；當(dāng)溫度達(dá)到30℃時試件回彈模量降低至560 MPa，可見聚氨酯膠凝級配碎石能夠較好地適用于低溫區(qū)和常溫區(qū)。

圖7 回彈模量試驗結(jié)果

3.2 聚氨酯半剛性防水層現(xiàn)場測試

3.2.1 現(xiàn)場行車測試

現(xiàn)場測試時，選取瓷窯灣下行線K158+146.80—K158+175.89，采用C80002型神華自備列車貨車（軸重20 t，載重80 t，行車速度80 km/h）。主要儀器設(shè)備為TST5916堅固型動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（圖8）。

圖8 TST5916堅固型動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在嚴(yán)重翻漿地段（軌縫處）、正常地段（土工布整治）分別選取一處，測試不同狀態(tài)的線路在不同車速下軌枕的振動響應(yīng)，結(jié)果見表2。其中工況1、工況2分別對應(yīng)車速45、80 km/h。

表2 軌枕振動響應(yīng)測試結(jié)果

由表2可知：聚氨酯膠凝級配碎石層增強了路基結(jié)構(gòu)的減振效果，整治效果整體上優(yōu)于土工布；車速在80 km/h工況下，設(shè)聚氨酯膠凝級配碎石層并同時清篩更換道砟后，軌枕振動加速度為1.25 m/s2，比原設(shè)土工布層正常路段軌枕縮小了50%，線路穩(wěn)定性較好；同時，采用土工布與聚氨酯膠凝碎石整治后，軌枕振動速度響應(yīng)明顯變?nèi)?，聚氨酯膠凝級配碎石層的整治效果比土工布更佳，其振動速度為10.4 mm/s，約為土工布整治后的速度響應(yīng)值的50%。隨著重載貨車的軸重日趨增大，速度越來越快，在路基基床上增設(shè)聚氨酯膠凝級配碎石加強層，可增加列車行駛的平順性，延長鐵路的使用壽命。

3.2.2 長期沉降觀測

施工過程中于聚氨酯結(jié)構(gòu)層頂部和底部設(shè)置沉降觀測點，采用高精度水準(zhǔn)儀開展結(jié)構(gòu)層長期沉降監(jiān)測。結(jié)果顯示：設(shè)聚氨酯防水層后，路基總沉降為17.89 mm，其中聚氨酯結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生13.21 mm的壓縮變形；發(fā)現(xiàn)聚氨酯結(jié)構(gòu)層沉降主要發(fā)生在施工后7 d之內(nèi)，但后期沉降保持穩(wěn)定；經(jīng)過數(shù)月雨季后，根據(jù)現(xiàn)場工務(wù)人員反饋，沒有產(chǎn)生翻漿病害，可見增設(shè)聚氨酯膠凝級配碎石加強層可有效整治翻漿病害。

4 結(jié)論

1）配制聚氨酯膠水的原材料有聚醚A、聚醚B、PM200、1，4-丁二醇、二甲苯等；通過單因素控制變量試驗得到最優(yōu)質(zhì)量比為30.0∶10.0∶18.0∶5.4∶5.0。

2）采石場碎石集料工藝性試驗表明，聚氨酯膠水質(zhì)量摻量為9%時，碎石混合料孔隙率低，滲透系數(shù)小，固化時間快，力學(xué)性能好，滿足作為防水結(jié)構(gòu)層的防水性能及穩(wěn)定性要求。

3）現(xiàn)場行車測試試驗表明，采用聚氨酯膠凝級配碎石整治后的翻漿冒泥地段軌枕振動加速度幅值降低幅度明顯。

4）長期沉降監(jiān)測顯示，試驗地段路基總沉降為17.89 mm，后期沉降趨于穩(wěn)定。這表明聚氨酯碎石在瓷窯灣站翻漿冒泥整治項目中取得了較好的成效。