井國慶，謝家樂，段姝琪，郭云龍

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044; 2.包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,包頭 014060; 3.大連交通大學(xué)土木工程學(xué)院,大連 116021; 4.代爾夫特理工大學(xué)土木學(xué)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(yùn)煤船舶返航時(shí)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(shè)在鐵路路基上,并于20世紀(jì)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(nèi)學(xué)術(shù)界及規(guī)范中,道砟被定義為級(jí)配碎石,同時(shí)這些級(jí)配碎石有著特定的物理特性,包括:硬度、強(qiáng)度及復(fù)雜形狀等[1]。

道砟作為鐵路有砟軌道的主要組成部分,對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(zhì)本身需符合一定的特性,包括:顆粒尺寸、道砟形狀、顆粒級(jí)配、表面粗糙度、顆粒密度、堆積密度、強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性、耐磨性和耐候性等[2]。

本文歸納總結(jié)了各國所采用的道砟技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)際線路中道砟材質(zhì)等測(cè)試方法及測(cè)試內(nèi)容,得出了不同條件下道砟選型方法。提出了根據(jù)地質(zhì)和氣候等因素來制定道砟選型標(biāo)準(zhǔn),對(duì)現(xiàn)有方法中僅根據(jù)線路類型和線路分級(jí)的不足進(jìn)行補(bǔ)充,為我國地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、氣候多變的鐵路沿線道砟選型提供參考。

1 道砟材質(zhì)

1.1 道砟發(fā)展趨勢(shì)

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(shè)用道砟一般是由高質(zhì)量的火成巖或變質(zhì)巖經(jīng)過爆破而得到的級(jí)配碎石,雖然傳統(tǒng)意義上對(duì)道砟要求規(guī)定為級(jí)配均一、無規(guī)則形狀、堅(jiān)硬且表面粗糙,然而,母巖來源、種類、質(zhì)量、適用性、經(jīng)濟(jì)性和當(dāng)?shù)丨h(huán)境法規(guī)不同,世界各國所采用的道砟材料及規(guī)范也有著一定區(qū)別。例如,在19世紀(jì)70年代之前,有砟軌道鋪設(shè)過程中道砟材質(zhì)的選取并未重點(diǎn)考慮道砟類型和其物理特性,往往優(yōu)先考慮原材料價(jià)格及運(yùn)輸成本[3]。

目前,關(guān)于道砟物理及力學(xué)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(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求。不同國家及地區(qū)在設(shè)計(jì)選取道砟時(shí),會(huì)考慮荷載條件、運(yùn)營環(huán)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?guī)r、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(duì)于道砟材質(zhì)的要求逐漸趨向于強(qiáng)穩(wěn)定性及復(fù)雜環(huán)境適用性。早期道砟采用簡(jiǎn)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(diǎn)。而隨著列車速度提升及重載列車軸重增加,對(duì)道砟提出了級(jí)配變窄、高強(qiáng)度、高密度等要求,級(jí)配碎石開始成為當(dāng)前道砟的主要材料。城軌、高架等線路對(duì)道床承載能力要求較低,且出于環(huán)境保護(hù)原因當(dāng)前級(jí)配碎石資源匱乏,因此國內(nèi)外研究學(xué)者相繼提出了采用建筑固廢和工業(yè)固廢作為道砟材料[2]。除此之外,級(jí)配碎石用于道砟還會(huì)增大人工養(yǎng)護(hù)維修的難度,目前我國鐵路養(yǎng)護(hù)維修機(jī)械化程度較高,但一體化、智能化方面還需要進(jìn)一步加強(qiáng),將周期性養(yǎng)護(hù)維修轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳?zhǔn)的“點(diǎn)維修”。

1.2 道砟特性及測(cè)試方法

國內(nèi)外學(xué)者[1, 3-6]總結(jié)出道砟層的力學(xué)性能、物理性能、環(huán)境性能和幾何形態(tài)與道砟選型之間的關(guān)系,并總結(jié)出道砟各項(xiàng)性能的測(cè)試方法,如表1所示。

表1 道砟選型分類及測(cè)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(cè)試方法。例如,道砟強(qiáng)度或硬度可以采用洛杉磯磨耗試驗(yàn)定量分析,且此類試驗(yàn)在文獻(xiàn)中也有著較深入的研究[6]。近些年業(yè)內(nèi)學(xué)者針對(duì)各類道砟特性測(cè)試方法進(jìn)行了深入研究,例如單體道砟壓碎試驗(yàn)[7]和落錘試驗(yàn)[8]。然而仍有很多道砟性能測(cè)試方法未進(jìn)行詳細(xì)解釋說明或深入研究其可行性,多數(shù)試驗(yàn)測(cè)試方法為其他學(xué)科中骨料方法。因此,有必要研究并提出復(fù)雜運(yùn)營條件下,滿足鐵路服役需求的道砟性能評(píng)估、測(cè)試及測(cè)量方法。

1.3 國外道砟材質(zhì)規(guī)范

各國規(guī)范中也針對(duì)不同的道砟性質(zhì)采用不同的測(cè)試、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。本文總結(jié)了澳大利亞、美國、歐盟規(guī)范中關(guān)于道砟特性評(píng)估的推薦分類,如表2所示。

表2 道砟選型各國標(biāo)準(zhǔn)匯總[1-3]Table 2 Overview of standards for ballast selection in different countries

從表2中可知,歐盟標(biāo)準(zhǔn)沒有明確規(guī)定道砟密度,而是給出了密度的測(cè)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(xiàn)場(chǎng)對(duì)于堆積密度的測(cè)量方法仍然非常模糊,沒有明確的測(cè)量方法。雖然在各種室內(nèi)試驗(yàn)中可以通過計(jì)算試驗(yàn)儀器的容積估算出堆積密度,然而在現(xiàn)實(shí)鐵路線上并沒有較好方法可以快速準(zhǔn)確并且不破壞道床的方式來得到道床堆積密度[9]。歐盟標(biāo)準(zhǔn)因國家較多沒有統(tǒng)一明確標(biāo)明具體要求的數(shù)值,僅給出了測(cè)試的具體要求。表中標(biāo)注的標(biāo)號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)使用的標(biāo)號(hào),可以在標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)站查詢。

表2中還可以看出,澳大利亞針對(duì)道砟要求較為全面細(xì)致,而歐盟標(biāo)準(zhǔn)中較少給出具體數(shù)值,美國標(biāo)準(zhǔn)較為陳舊。而我國標(biāo)準(zhǔn)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(guī)范中的最高標(biāo)準(zhǔn)。固化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)容易造成額外工作量甚至工程成本,因此,歐盟標(biāo)準(zhǔn)中僅給出了標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法,世界其他各國多參照歐盟標(biāo)準(zhǔn),而各個(gè)國家根據(jù)不同的自身情況使用不同品質(zhì)等級(jí)道砟。參考上述情況,鐵路建設(shè)及養(yǎng)護(hù)時(shí)可以根據(jù)線路等級(jí)要求,根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧瞎?yīng)情況,適當(dāng)提高道砟某項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn),必要時(shí)也可降低不必要的標(biāo)準(zhǔn)[3]。

2 新型道砟材質(zhì)

2.1 傳統(tǒng)道砟材質(zhì)

傳統(tǒng)有砟軌道占世界范圍內(nèi)鐵路線路約90%[2],而目前低碳環(huán)保、碳中和及循環(huán)經(jīng)濟(jì)等全球性戰(zhàn)略部署,標(biāo)志著有砟軌道綠色發(fā)展已成為當(dāng)前主流研究方向。例如,文獻(xiàn)[10]中對(duì)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的整個(gè)生命周期進(jìn)行生命周期評(píng)估,并遵循標(biāo)準(zhǔn)(ISO14040)系列對(duì)西班牙高速鐵路的特定特征進(jìn)行了分析,選取了傳統(tǒng)有砟軌道、嵌入式無砟軌道進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果顯示,在50～60年的使用壽命時(shí),傳統(tǒng)碎石道床對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響最小,無論是經(jīng)濟(jì)性、碳排放還是維修量都具有明顯優(yōu)勢(shì)。

然而,目前針對(duì)碳中和及循環(huán)經(jīng)濟(jì)方面的關(guān)注點(diǎn)基本圍繞著如何在鐵路系統(tǒng)中利用新能源,針對(duì)道砟材質(zhì)使用的低碳環(huán)保研究較少。例如,傳統(tǒng)木枕有著價(jià)格低廉、力學(xué)性能良好及減振性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),但隨著木材過度砍伐及環(huán)境保護(hù)等原因,傳統(tǒng)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(tǒng)走向可持續(xù)發(fā)展,開發(fā)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(zhì)

如今環(huán)境問題引發(fā)了社會(huì)各界對(duì)工業(yè)廢物處理的擔(dān)憂,以歐盟為代表的群體建議盡可能將工業(yè)廢物作為一種新的副產(chǎn)品重復(fù)利用[11]。

而擠壓性火成巖(火山巖等)、變質(zhì)巖和沉積巖,作為傳統(tǒng)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(duì)鐵路可持續(xù)發(fā)展有很大影響。以工業(yè)礦渣、鋼渣等為代表的新型材料逐漸在鐵路系統(tǒng)中得到利用。工業(yè)礦渣強(qiáng)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(nèi)鋼產(chǎn)量逐年遞增,而因此產(chǎn)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(xiàn)提出對(duì)鋼渣材料物理性能的總結(jié),提出了將其應(yīng)用于鐵路道砟[14]。然而,考慮鐵路信號(hào)及導(dǎo)電問題,工業(yè)鋼渣一般在研究中或?qū)嶋H應(yīng)用中大部分當(dāng)作底砟[13]。同時(shí),也有研究將廢舊橡膠、爐渣混合來改善其作為底砟的力學(xué)性能[15]。例如,通過等比例尺縮小建立的試驗(yàn)比較鋼渣與傳統(tǒng)碎石道砟的力學(xué)性能,結(jié)果顯示,在重載鐵路上,鋼渣骨料具有更高的彈性模量,高應(yīng)力狀態(tài)下的永久變形相對(duì)更小,其抗剪強(qiáng)度也具有顯著優(yōu)勢(shì)[16]。這與YILDIRIM[17]、KOH[18]得出的結(jié)論相近,鋼渣在力學(xué)性能上能夠替代傳統(tǒng)碎石道砟。

既有研究也表明,高密度鋼渣可以提升道床穩(wěn)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(dǎo)電性,在降雨量較多、排水不暢地區(qū)或者線路,不宜應(yīng)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(guān)研究人員對(duì)此進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。諸多學(xué)者利用廢舊輪胎制作出符合鐵路運(yùn)輸需求的軌枕墊,并且提出將橡膠顆粒作為道床結(jié)構(gòu)的部分填充物,改善了道床的力學(xué)性能,可以減緩道砟粉化及破碎[24]。

近10年來,國內(nèi)外學(xué)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(lǐng)域。目前,國內(nèi)外諸多學(xué)?；蜓芯繖C(jī)構(gòu)已經(jīng)開始了探索性研究[25]。

表3針對(duì)不同新型道砟,主要是應(yīng)用廢舊材料作為道砟材料進(jìn)行概括總結(jié)。目前廢舊建筑材料已經(jīng)用于許多其他基礎(chǔ)設(shè)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(xù)廢料循環(huán)使用于鐵路系統(tǒng)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(jī)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(zhì)巖三大類,如表4所示。澳大利亞學(xué)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(zhì)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(nèi)在微觀屬性,如微裂縫、礦物粒度和軟礦物的含量,都會(huì)影響道砟的宏觀機(jī)械及力學(xué)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(duì)于缺乏巖石資源的地區(qū)而言,道砟材料相應(yīng)極度匱乏,推進(jìn)廢舊道砟循環(huán)利用也是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。室內(nèi)試驗(yàn)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(nèi)道砟標(biāo)準(zhǔn)研究

根據(jù)既有文獻(xiàn)研究及我國標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)各類工程巖石通過匯總現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)集料壓碎率CA和道砟集料壓碎率CB兩項(xiàng)指標(biāo)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?guī)r的抗壓碎性能不能滿足中國現(xiàn)行規(guī)范TB/T 2140.2—2018[28]中關(guān)于一級(jí)或特級(jí)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(duì)較高,花崗巖的合格率較低,但也能滿足CA、CB指標(biāo)。

3.3 國內(nèi)外道砟材質(zhì)對(duì)比

不同道砟母巖對(duì)道床服役性能影響非常大,且在不同地區(qū)的適用性存在巨大差異。上節(jié)中談到的石灰?guī)r在我國被禁止使用作為道砟,除其力學(xué)性能不滿足要求外,還考慮雨水沖刷會(huì)對(duì)石灰?guī)r造成破壞,難以保證道床穩(wěn)定性和耐久性。然而對(duì)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(qū),當(dāng)?shù)罔F路使用石灰石作為道砟,也可以滿足線路對(duì)于適用性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性的需求。

此外,在葡萄牙里斯本—阿爾加威區(qū)段的新建鐵路線路建設(shè)時(shí)[29],考慮當(dāng)?shù)卦牧蠀T乏問題,將原設(shè)計(jì)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?guī)r組合。在解決材料問題的同時(shí),對(duì)于工程造價(jià)也是十分有利的。如表6所示,案例中的石灰?guī)r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(biāo)準(zhǔn),但根據(jù)UIC和部分歐洲國家的相關(guān)鐵路道砟標(biāo)準(zhǔn),石灰?guī)r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(biāo)準(zhǔn)Table 6 Ballast particle material characteristics standards

無論是2008年實(shí)施的TB/T 2140—2008《鐵路碎石道砟》還是已經(jīng)棄用TB/T2140—1990《鐵路碎石道砟》,兩者對(duì)道砟原料作出了明確規(guī)定,即碎石道砟應(yīng)選擇開山塊石破碎、篩選加工生產(chǎn)得到,而美國的黑梅薩和鮑威爾湖(BMLP)鐵路在后期修復(fù)過程中,由于當(dāng)?shù)厝狈Σ墒瘓?chǎng),未按照規(guī)范規(guī)定使用新破裂的級(jí)配碎石,并進(jìn)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(guī)范中沒有明確道砟巖性,而是將道砟劃分為特級(jí)道砟和一級(jí)道砟,并根據(jù)洛杉磯磨耗率LAA、標(biāo)準(zhǔn)集料沖擊韌度IP、石料耐磨硬度系數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行限制;美國AREMA鐵路工程手冊(cè)則主要通過對(duì)洛杉磯磨耗率LAA及抗沖擊性能等參數(shù)指標(biāo)對(duì)道砟材料進(jìn)行限制,并在此基礎(chǔ)上規(guī)定了不同母巖材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則,如表7所示;UIC及包括英國在內(nèi)的CEN成員各國普遍采用洛杉磯磨耗LAA、micro-Deval磨耗率等指標(biāo)。

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

3.4 地質(zhì)、氣候條件制約

我國幅員遼闊,鐵路建設(shè)沿線地質(zhì)條件復(fù)雜,而道砟母巖開采遵循就近原則,新建鐵路附近采石場(chǎng)開采的同類道砟材料各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)不同。按照工程地質(zhì)巖性分布將我國地域劃分成5種巖石類型分布區(qū)域,明顯看到華中、東北平原、黃河流域等地區(qū)匱乏堅(jiān)硬、次堅(jiān)硬巖石,因此在這些區(qū)域進(jìn)行新建鐵路設(shè)計(jì)時(shí),尤其是受到運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)等條件制約,就近開采的巖石可能難以滿足道砟材質(zhì)要求[35]。

在道砟原材料匱乏的情況下,有石灰?guī)r被用于鐵路建設(shè)的案例,但這并不是絕對(duì)的,也會(huì)受到其他方面的制約。例如,在高寒霜凍地區(qū)線路或高運(yùn)量線路,石灰?guī)r受到凍脹后,在列車高頻荷載作用下,其破碎量遠(yuǎn)高于花崗巖或玄武巖等[36]。道砟材質(zhì)在不同氣候地區(qū)表現(xiàn)出不同適用性,因此,在進(jìn)行線路道砟材質(zhì)選型時(shí),應(yīng)該合理考慮降雨、溫度等氣候條件,有針對(duì)性地合理選擇道砟材質(zhì)。

4 結(jié)論

本文歸納總結(jié)并對(duì)比了各國道砟材質(zhì)選型方法,以及道砟性能試驗(yàn)方法,得到以下主要結(jié)論。

(1)諸多道砟性能測(cè)試方法未進(jìn)行具體詳細(xì)解釋說明或者深入研究其具體可行性,多采用其他學(xué)科中試驗(yàn)方法。因此,有必要完善復(fù)雜條件下,道砟性能評(píng)估、測(cè)試及量化方法。實(shí)現(xiàn)在多尺度、多物理場(chǎng)中模擬道砟受到的綜合環(huán)境影響。目前道砟材質(zhì)試驗(yàn)方法不能真實(shí)反映道床受力狀態(tài),如眾多研究表明,洛杉磯磨耗率與道床壽命沒有直接關(guān)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(biāo)準(zhǔn)未明確道砟母巖巖性,淘汰了潛在能夠用于線路鋪設(shè)的道砟資源,而對(duì)于實(shí)際線路設(shè)計(jì)時(shí),考慮沿線地理和氣候,可以采用新舊道砟結(jié)合、 開發(fā)潛在道砟資源及降低設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等方法選擇道砟材質(zhì)。

(3)我國規(guī)范及維修手冊(cè)中規(guī)定了道床密度具體指標(biāo),但是道床密度的測(cè)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(cè)量道床堆積密度的方法。

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