關(guān)于軌道板下砂漿填充層相關(guān)問(wèn)題的討論

1、關(guān)于軌道板下砂漿填充層相關(guān)問(wèn)題的討論 推進(jìn)無(wú)瀝青水泥砂漿墊層的自主創(chuàng)新1、前言Ø 最近，有關(guān)板式軌道板下砂漿填充層的功能和作用問(wèn)題，又被人們重新提起，各方十分關(guān)注。Ø 板下砂漿填充層作為板式軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它工作狀態(tài)的好壞，直接影響板式軌道的整體工作性能，還涉及到板式軌道的施工、養(yǎng)護(hù)、成本和壽命等問(wèn)題。Ø 那么，究竟應(yīng)該采用什么材料構(gòu)成板下支承填充層？是沿著既有的CAM或者BZM的老路（經(jīng)改進(jìn)）走下去，還是選擇其他支承填充材料，走出一條新路？Ø 這里的關(guān)鍵問(wèn)題是，如何定位砂漿墊層在板式軌道系統(tǒng)中的功能和作用問(wèn)題。Ø 本文，通過(guò)對(duì)板下砂漿

2、填充層相關(guān)問(wèn)題的討論分析后認(rèn)為，選擇適合我國(guó)地理氣候條件和板式軌道發(fā)展需要的無(wú)瀝青水泥砂漿材料，有可能成為新一代自主創(chuàng)新的板下支承填充層。2、關(guān)于砂漿墊層的系統(tǒng)功能定位問(wèn)題砂漿墊層作為板式軌道系統(tǒng)的重要組成部件，它位于軌道板與混凝土底座之間（圖1），其主要功能可以歸納為：圖1 板式軌道結(jié)構(gòu)（1）支承、調(diào)整Ø 全面均勻支承軌道板，消除軌道板與底座之間的間隙；Ø 調(diào)整軌道高低，便于提高施工效率和下部基礎(chǔ)變形時(shí)的可維護(hù)性。（2）承力、傳力Ø 承受由軌道板傳來(lái)的垂向力和縱橫向水平力，并把它傳遞給底座和限位裝置；Ø 分散列車(chē)載荷作用。3、關(guān)于砂漿墊層的物性指標(biāo)問(wèn)題

3、（1）現(xiàn)有及研發(fā)中的砂漿墊層類(lèi)型Ø 再創(chuàng)新的SL2與日本的CAM類(lèi)同，屬于乳化瀝青水泥砂漿范疇；Ø 再創(chuàng)新的SL1與德國(guó)的BZM類(lèi)同，也屬于乳化瀝青水泥砂漿范疇；Ø 再創(chuàng)新的SL3不含瀝青，只用水泥、粉煤灰、骨料、外加劑和調(diào)和水等材料，屬于無(wú)瀝青水泥砂漿范疇。（2）主要物性指標(biāo)（表1）表1 砂漿墊層主要物性指標(biāo)項(xiàng)目單位日本CAM再創(chuàng)新SL2德國(guó)BZM再創(chuàng)新SL1再創(chuàng)新SL3彈性模量MPa1003007000100007000100002000030000抗壓強(qiáng)度（28d）MPa1.81.82.515.015.03040流動(dòng)性s16261626120±20

4、120±20可工作時(shí)間min3030303030含氣量8128121010瀝青/水泥(A/C)1.81.90.350水灰比（W/C）0.890.60.580.3（3）對(duì)比分析Ø 三類(lèi)砂漿同作為板式軌道板下支承填充層的作用，而在彈性模量、抗壓強(qiáng)度和瀝青水泥比方面卻差別甚大。Ø 三類(lèi)砂漿對(duì)原材料的選擇與管理，配方與制備，拌合、灌注的工藝與設(shè)備，以及成本與壽命等方面都各自不同。Ø 因此，必須從理論和實(shí)踐的觀點(diǎn)，重新定位砂漿墊層在板式軌道系統(tǒng)中的地位和作用，提出符合工程實(shí)際應(yīng)用的板下支承填充層。4、關(guān)于砂漿墊層的彈性問(wèn)題4.1板式軌道系統(tǒng)剛度及其相互關(guān)系（1）軌

5、道彈性表征方法板式軌道結(jié)構(gòu)通常用質(zhì)量彈簧系統(tǒng)模擬，而軌道彈性又多用剛度參數(shù)來(lái)表征。一般表征軌道剛度的物理量有：Ø 墊層彈性系數(shù)（面剛度，kN/mm2/mm）Ø 鋼軌基礎(chǔ)彈性模量（線(xiàn)剛度，kN/mm/mm）Ø 軌下基礎(chǔ)剛度（點(diǎn)剛度，kN/mm）Ø 軌道垂向剛度（整體剛度，kN/mm）（2）板式軌道剛度板式軌道垂向剛度K為： （4.1）可見(jiàn)，在已定鋼軌類(lèi)型（EI）和扣件間距（a）的情況下，軌道剛度K就僅僅與軌下基礎(chǔ)剛度（或稱(chēng)鋼軌支座綜合剛度）Kz有關(guān)。顯然，Kz值越大，K值就越大。（3）軌下基礎(chǔ)剛度根據(jù)軌道系統(tǒng)彈簧串聯(lián)原理，軌下基礎(chǔ)剛度Kz可表征為： （4.

6、2）可見(jiàn)，軌下基礎(chǔ)剛度Kz與軌下墊板剛度Kp和砂漿墊層剛度Kc密切相關(guān)。（4）軌下基礎(chǔ)合理剛度Ø 應(yīng)用客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)動(dòng)車(chē)組動(dòng)車(chē)與板式軌道動(dòng)態(tài)匹配和耦合動(dòng)力學(xué)理論，分析了板式軌道軌下基礎(chǔ)剛度對(duì)高速輪軌系統(tǒng)動(dòng)力性能的影響（圖2）。圖2 高速客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)板式軌道軌下基礎(chǔ)合理剛度Ø 計(jì)算結(jié)果表明，隨著軌下基礎(chǔ)剛度的增大，輪軌垂向力、鋼軌支點(diǎn)壓力、輪重減載率、輪軌磨耗指數(shù)均隨之增大，而鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力、軌道變形隨之減小。Ø 從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，在降低輪軌動(dòng)作用力、保證軌道變形要求、降低輪軌磨耗、提高行車(chē)安全性等方面，應(yīng)該有一個(gè)平衡點(diǎn)，也就是軌道剛度有一個(gè)合理范圍。Ø 通過(guò)系統(tǒng)分析

7、和歸一化處理，高速客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)板式軌道結(jié)構(gòu)軌下基礎(chǔ)的合理剛度范圍，如圖2所示，應(yīng)該為Kz2030kN/mm。4.2 砂漿墊層彈性模量對(duì)軌道板荷載彎矩的影響分析（1）計(jì)算參數(shù)Ø 軌道板 結(jié)構(gòu)尺寸 4962×2400×190 mm 彈性模量 3.6×104 MPaØ 扣件間距 a629mmØ 砂漿墊層 彈性模量 10、62.5、200、10000MPa 厚度 50mmØ 混凝土底座 結(jié)構(gòu)尺寸 2800×200mm彈性模量 3.25×104 MPaØ 下部支承條件 76（路基）、1000（橋梁）、1200

8、（隧道）MPa/mØ 計(jì)算荷載 輪重 300kN 橫向力 80kN（2）計(jì)算結(jié)果采用彈性地基上梁板彎曲變形模型，不同CAM墊層彈性模量下軌道板的荷載彎矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。表2 不同砂漿墊層彈性模量下軌道板荷載彎矩計(jì)算結(jié)果下部基礎(chǔ)CA砂漿彈模（MPa）縱向下側(cè) (kN.m/m)縱向上側(cè) (kN.m/m)橫向下側(cè)(kN.m/m)橫向上側(cè)(kN.m/m)路基1027.9937.16115.67616.79162.520.6573.92716.08010.93220018.3693.59915.1827.0121000013.3183.2458.0860.980橋梁1023.4217.2861

9、5.31417.22962.515.2942.86616.19811.74620013.0922.05315.5418.351100009.2091.54510.2093.774隧道1023.2387.21315.28617.29662.514.9952.72216.18411.80220012.7461.88615.5128.371100008.8341.38510.0953.752（3）結(jié)果分析由表2的計(jì)算結(jié)果可知：Ø CAM墊層彈性模量的高低，對(duì)軌道板荷載彎矩值是有一定影響的。Ø 低彈模，彎矩大，配筋多；反之，高彈模，彎矩小，配筋少。Ø 就軌道板設(shè)計(jì)而言，彎

10、矩大小僅決定配筋量多少。Ø 一般在考慮軌道板設(shè)計(jì)荷載彎矩時(shí)，是通過(guò)使用條件并經(jīng)綜合分析后再行確定的。目前軌道板的配筋用量，既與CAM彈模有關(guān)，又關(guān)系不大，因?yàn)檐壍腊迮浣盍孔銐?，能抵抗各種支承條件下的外力作用。4.3砂漿墊層彈性模量對(duì)軌下基礎(chǔ)剛度的影響分析（1）分析前提為對(duì)比分析，將砂漿墊層彈性模量按式（4.3）換算為砂漿墊層剛度Kc ,再按式（4.2）計(jì)算軌下基礎(chǔ)剛度Kz值。 Kc=Ec /h×L/2×a=Ec /0.05×2.4/2×0.629=15Ec （4.3）(2)計(jì)算結(jié)果（表3） 表3 不同砂漿墊層彈模下軌下基礎(chǔ)剛度的計(jì)算結(jié)果砂漿墊層

11、彈性模量EC(MPa)換算墊層剛度KC(kN/mm)軌下墊板剛度Kp(kN/mm)軌下基礎(chǔ)剛度Kz(kN/mm)備注10(KC=200MN/m3)1506042.9日本減震板3025.062.5(KC=1250MN/m3)9446056.4日本CAM3029.120030006058.8再創(chuàng)新SL-23029.72019.9700O105006060.0再創(chuàng)新SL-13030.02020.0200003000006060.0再創(chuàng)新SL-33030.02020.0(3) 結(jié)果分析由表3的計(jì)算結(jié)果可知：Ø 砂漿墊層彈性模量無(wú)論是200MPa、還是7000MPa、20000 MPa，對(duì)軌下

12、基礎(chǔ)剛度或板式軌道整體剛度都沒(méi)有根本影響。換句話(huà)說(shuō)，砂漿墊層的彈性模量在板式軌道中不起實(shí)質(zhì)性作用。Ø 真正在板式軌道中起彈性作用的是扣件系統(tǒng)中的軌下墊板剛度。由表3可知，當(dāng)軌下墊板剛度從60kN/mm降低至30kN/mm時(shí)，軌下基礎(chǔ)彈性幾乎提高1倍。Ø 因此，為提高板式軌道的彈性，關(guān)鍵是采用低剛度的扣件系統(tǒng)。我國(guó)無(wú)砟軌道技術(shù)再創(chuàng)新提出的WJ7型和WJ8型扣件系統(tǒng)，對(duì)軌下墊板靜剛度指標(biāo)規(guī)定為Kp2030kN/mm是合理的。Ø 既然如此，何必再在砂漿墊層的彈性上下功夫？使用那么多昂貴的瀝青材料，還要在瀝青乳化上多費(fèi)心思？Ø 從動(dòng)力學(xué)角度分析，如果砂漿墊層的彈

13、性模量能與軌道板和底座的彈性模量相當(dāng)，那么，三者的整體工作性能將會(huì)更加合理。Ø 如此這般，從板下填充層主要是起支承和調(diào)整的功能出發(fā)，推進(jìn)無(wú)瀝青水泥砂漿墊層的自主創(chuàng)新工作是刻不容緩的。4.4 日本CAM的使用情況（1）當(dāng)初構(gòu)想Ø 當(dāng)初日本在研發(fā)板下支承填充層材料時(shí)，考慮到除能填充軌道板與底座之間的間隙和調(diào)整軌道高低外，還能具有足夠的強(qiáng)度和給板式軌道提供必要的彈性，于是決定在板下要填充緩沖材料。Ø 作為緩沖材料，日本是把水泥、砂和瀝青乳劑等摻合起漿，利用瀝青的彈性和水泥的剛性而形成的半剛性體，即水泥瀝青砂漿（CAM）作為填充墊層，一直應(yīng)用至今。（2）應(yīng)用范圍Ø

14、; 迄今為止，CAM一直作為板式軌道軌道板底下的填充層。Ø 原也用作凸形擋臺(tái)周?chē)奶畛湮?，現(xiàn)改用樹(shù)脂。（3）CAM的彈性模量Ø 日本并沒(méi)有明確規(guī)定CAM的彈性模量值。Ø 但作為CAM設(shè)計(jì)用，卻給出了CAM的彈性系數(shù)值kc1250MN/m3。Ø 若按Eckc·h換算，則日本CAM的彈性模量Ec62.5MPa。而中國(guó)CAM的Ec100300MPa，德國(guó)BZM的Ec700010000MPa，相去甚遠(yuǎn)。（4）回歸原點(diǎn)Ø 日本先前的研究報(bào)告業(yè)已指出，靠CAM墊層難以為板式軌道提供彈性。Ø 原先構(gòu)想的板下CAM緩沖墊層的作用并沒(méi)有達(dá)到預(yù)

15、期效果。Ø 因此，日本也有人多次提出，改善填充材料的性能，研發(fā)新的替代材料，擴(kuò)大支承填充層材料的選擇范圍等問(wèn)題。但時(shí)至今日，卻仍在改善CAM的性能上做文章，以適應(yīng)日本在溫暖地區(qū)和寒冷地區(qū)鋪設(shè)板式軌道的傳統(tǒng)做法。5關(guān)于砂漿墊層的強(qiáng)度問(wèn)題5.1抗壓強(qiáng)度指標(biāo)據(jù)表1，砂漿墊層的抗壓強(qiáng)度（28d）為：日本CAM 1.8MPa德國(guó)BZM 15MPa 再創(chuàng)新SL-1 15MPa再創(chuàng)新SL-2 1.82.5MPa再創(chuàng)新SL-3 3040MPa5.2日本新干線(xiàn)CAM設(shè)計(jì)強(qiáng)度（1）輪重作用下CAM的壓應(yīng)力計(jì)算式ca= kc×ymax式中 kcCAM墊層設(shè)計(jì)彈性系數(shù)（kc =1.25 N/mm3

16、）；ymax輪重下CAM墊層的最大撓度。（2）山陽(yáng)新干線(xiàn)CAM的最大壓應(yīng)力ca山陽(yáng)新干線(xiàn)的靜輪重為80kN，在疲勞檢算輪重80×1.45=116kN作用下，板中位移即CAM墊層的壓縮變形為0.061mm，若CAM的設(shè)計(jì)的彈性系數(shù)kc =1.25 N/mm3，則CAM的最大壓應(yīng)力ca為：a)疲勞檢算時(shí)（P=80×1.45=116 kN）ca = 0.061×1.25=0.076 N/mm2b)設(shè)計(jì)輪重時(shí)（P=80×3=240kN）ca =0.076×（240/116）=0.157N/mm2c)異常輪重時(shí)（P=80×4=320kN）ca

17、=0.076×（320/116）=0.210 N/mm2故CAM設(shè)計(jì)強(qiáng)度281.0 N/mm2。（3）東北、上越新干線(xiàn)（靜輪重為85kN）CAM的最大壓應(yīng)力caa)疲勞檢算時(shí)（P=124kN） ca = 0.061×(85/80)×1.25=0.081 N/mm2b)設(shè)計(jì)輪重時(shí)（P=225 kN）ca = 0.081×（255/124）=0.167 N/mm2c)異常輪重時(shí)（P=340 kN）ca = 0.081×（340/124）=0.222 N/mm2考慮到寒冷地區(qū)的使用，CAM設(shè)計(jì)強(qiáng)度281.8 N/mm2。5.3中國(guó)新廣州站試驗(yàn)段CAM

18、的設(shè)計(jì)強(qiáng)度中國(guó)高速鐵路列車(chē)靜輪重為100kN，疲勞檢算輪重145kN作用于框架軌道板時(shí)的撓度為0.074mm，從而CAM的最大壓應(yīng)力ca為：a)疲勞檢算時(shí)（P=145 kN） ca = 0.074×1.25=0.092 N/mm2b)設(shè)計(jì)輪重時(shí)（P=300 kN）ca = 0.092×（300/145）=0.190 N/mm2c)異常輪重時(shí)（P=400 kN）ca = 0.092×（400/145）=0.254 N/mm2考慮到軌道板翹曲、氣溫對(duì)CAM的影響及新干線(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)，CAM的設(shè)計(jì)強(qiáng)度281.5N/mm2。5.4 遂渝線(xiàn)板式軌道CAM墊層的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)位移測(cè)試結(jié)

19、果（1）CAM墊層的動(dòng)應(yīng)力動(dòng)車(chē)組： c max=0.260.39 MPa貨車(chē)（軸重25t）: c max =0.510.92 MPa（2）CAM墊層的動(dòng)位移動(dòng)車(chē)組： y max= 0.1mm貨車(chē)（軸重25t）: y max =0.17mm（3）測(cè)試結(jié)果分析Ø 實(shí)測(cè)CAM墊層的動(dòng)應(yīng)力不超過(guò)1 MPa，低于其抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.8 MPa。Ø 推測(cè)新廣州站試驗(yàn)段板式軌道CAM墊層的工作壓應(yīng)力也不會(huì)超過(guò)其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值。Ø 因此說(shuō)，無(wú)論是瀝青水泥砂漿墊層，還是無(wú)瀝青水泥砂漿墊層，在列車(chē)荷載和溫度力的作用下，其抗壓強(qiáng)度都不會(huì)構(gòu)成主要問(wèn)題。Ø 就CAM墊層的變形而言，設(shè)

20、計(jì)為0.074mm，實(shí)測(cè)為0.10.17mm,表明墊層變形量仍然很小，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)厚50mm的墊層而言，起不到緩沖減振作用。6、關(guān)于砂漿墊層的壽命問(wèn)題（1）使用壽命Ø 板式軌道設(shè)計(jì)使用壽命為60年，這對(duì)于軌道板和底座來(lái)說(shuō)問(wèn)題不大，而對(duì)于處在其間的砂漿墊層的壽命能不能達(dá)到60年，確實(shí)是一大疑問(wèn)。Ø 如果達(dá)不到60年使用壽命，勢(shì)必會(huì)存在修補(bǔ)或更換的問(wèn)題，經(jīng)常修補(bǔ)或更換墊層是很麻煩的，不可思議的。Ø 就砂漿墊層而言，所謂壽命主要是指其耐久性，而耐久性又主要體現(xiàn)在墊層砂漿的干燥收縮性、耐水性和耐候性等方面。（2）干燥收縮Ø 瀝青水泥砂漿或水泥砂漿的干燥收縮都是不可避免的，一般是水灰比越大，收縮也越大。Ø 日本CAM的水灰比（W/C=0.89）比德國(guó)BZM（W/C=0.6）大，比中國(guó)SL-3（W/C=0.3）更大。Ø 為補(bǔ)償收縮，