关于轨道板下砂浆填充层相关问题的讨论

1关于轨道板下砂浆填充层相关问题的讨论推进无沥青水泥砂浆垫层的自主创新1、前言最近，有关板式轨道板下砂浆填充层的功能和作用问题，又被人们重新提起，各方十分关注。板下砂浆填充层作为板式轨道结构的重要组成部分，它工作状态的好坏，直接影响板式轨道的整体工作性能，还涉及到板式轨道的施工、养护、成本和寿命等问题。那么，究竟应该采用什么材料构成板下支承填充层？是沿着既有的CAM或者BZM的老路（经改进）走下去，还是选择其他支承填充材料，走出一条新路？这里的关键问题是，如何定位砂浆垫层在板式轨道系统中的功能和作用问题。本文，通过对板下砂浆填充层相关问题的讨论分析后认为，选择适合我国地理气候条件和板式轨道发展需要的无沥青水泥砂浆材料，有可能成为新一代自主创新的板下支承填充层。2、关于砂浆垫层的系统功能定位问题砂浆垫层作为板式轨道系统的重要组成部件，它位于轨道板与混凝土底座之间（图1），其主要功能可以归纳为：路基基床表层桥梁保护层梁体隧底填充层C40C50钢轨176扣件40轨道板190CAM层50底座300(路隧)200(桥)756(路隧)656（桥）2400～2600（路桥隧）3000～3200（路）2600～3000（桥隧）I型板式无碴轨道横断面图图1板式轨道结构（1）支承、调整全面均匀支承轨道板，消除轨道板与底座之间的间隙；调整轨道高低，便于提高施工效率和下部基础变形时的可维护性。（2）承力、传力承受由轨道板传来的垂向力和纵横向水平力，并把它传递给底座和限位装置；分散列车载荷作用。3、关于砂浆垫层的物性指标问题（1）现有及研发中的砂浆垫层类型再创新的SL－2与日本的CAM类同，属于乳化沥青水泥砂浆范畴；再创新的SL－1与德国的BZM类同，也属于乳化沥青水泥砂浆范畴；再创新的SL－3不含沥青，只用水泥、粉煤灰、骨料、外加剂和调和水等材料，属于无沥青水泥砂浆范畴。（2）主要物性指标（表1）表1砂浆垫层主要物性指标2项目单位日本CAM再创新SL－2德国BZM再创新SL－1再创新SL－3弹性模量MPa－100~3007000~100007000~1000020000~30000抗压强度（28d）MPa1.81.8~2.5≥15.0≥15.030~40流动性s16~2616~26120±20120±20可工作时间min≥30≥30≥30≥30≥30含气量％8～128～12≥10≥10沥青/水泥(A/C)1.8~1.9≥0.350水灰比（W/C）0.890.60.580.3（3）对比分析三类砂浆同作为板式轨道板下支承填充层的作用，而在弹性模量、抗压强度和沥青水泥比方面却差别甚大。三类砂浆对原材料的选择与管理，配方与制备，拌合、灌注的工艺与设备，以及成本与寿命等方面都各自不同。因此，必须从理论和实践的观点，重新定位砂浆垫层在板式轨道系统中的地位和作用，提出符合工程实际应用的板下支承填充层。4、关于砂浆垫层的弹性问题4.1板式轨道系统刚度及其相互关系（1）轨道弹性表征方法板式轨道结构通常用质量－弹簧系统模拟，而轨道弹性又多用刚度参数来表征。一般表征轨道刚度的物理量有：垫层弹性系数（面刚度，kN/mm2/mm）钢轨基础弹性模量（线刚度，kN/mm/mm）轨下基础刚度（点刚度，kN/mm）轨道垂向刚度（整体刚度，kN/mm）（2）板式轨道刚度板式轨道垂向刚度K为：413))4((EIaKKz（4.1）可见，在已定钢轨类型（EI）和扣件间距（a）的情况下，轨道刚度K就仅仅与轨下基础刚度（或称钢轨支座综合刚度）Kz有关。显然，Kz值越大，K值就越大。（3）轨下基础刚度根据轨道系统弹簧串联原理，轨下基础刚度Kz可表征为：)/(cpcpzKKKKK（4.2）可见，轨下基础刚度Kz与轨下垫板刚度Kp和砂浆垫层刚度Kc密切相关。（4）轨下基础合理刚度应用客运专线动车组动车与板式轨道动态匹配和耦合动力学理论，分析了3板式轨道轨下基础刚度对高速轮轨系统动力性能的影响（图2）。图2高速客运专线板式轨道轨下基础合理刚度计算结果表明，随着轨下基础刚度的增大，轮轨垂向力、钢轨支点压力、轮重减载率、轮轨磨耗指数均随之增大，而钢轨动弯应力、轨道变形随之减小。从动力学角度来看，在降低轮轨动作用力、保证轨道变形要求、降低轮轨磨耗、提高行车安全性等方面，应该有一个平衡点，也就是轨道刚度有一个合理范围。通过系统分析和归一化处理，高速客运专线板式轨道结构轨下基础的合理刚度范围，如图2所示，应该为Kz＝20～30kN/mm。4.2砂浆垫层弹性模量对轨道板荷载弯矩的影响分析（1）计算参数轨道板结构尺寸4962×2400×190mm弹性模量3.6×104MPa扣件间距a＝629mm砂浆垫层弹性模量10、62.5、200、10000MPa厚度50mm混凝土底座结构尺寸2800×200mm弹性模量3.25×104MPa下部支承条件76（路基）、1000（桥梁）、1200（隧道）MPa/m4计算荷载轮重300kN横向力80kN（2）计算结果采用弹性地基上梁板弯曲变形模型，不同CAM垫层弹性模量下轨道板的荷载弯矩计算结果见表2。表2不同砂浆垫层弹性模量下轨道板荷载弯矩计算结果下部基础CA砂浆弹模（MPa）纵向下侧(kN.m/m)纵向上侧(kN.m/m)横向下侧(kN.m/m)横向上侧(kN.m/m)路基1027.9937.16115.67616.79162.520.6573.92716.08010.93220018.3693.59915.1827.0121000013.3183.2458.0860.980桥梁1023.4217.28615.31417.22962.515.2942.86616.19811.74620013.0922.05315.5418.351100009.2091.54510.2093.774隧道1023.2387.21315.28617.29662.514.9952.72216.18411.80220012.7461.88615.5128.371100008.8341.38510.0953.752（3）结果分析由表2的计算结果可知：CAM垫层弹性模量的高低，对轨道板荷载弯矩值是有一定影响的。低弹模，弯矩大，配筋多；反之，高弹模，弯矩小，配筋少。就轨道板设计而言，弯矩大小仅决定配筋量多少。一般在考虑轨道板设计荷载弯矩时，是通过使用条件并经综合分析后再行确定的。目前轨道板的配筋用量，既与CAM弹模有关，又关系不大，因为轨道板配筋量足够，能抵抗各种支承条件下的外力作用。4.3砂浆垫层弹性模量对轨下基础刚度的影响分析（1）分析前提为对比分析，将砂浆垫层弹性模量按式（4.3）换算为砂浆垫层刚度Kc,再按式（4.2）计算轨下基础刚度Kz值。Kc=Ec/h×L/2×a=Ec/0.05×2.4/2×0.629=15Ec（4.3）(2)计算结果（表3）表3不同砂浆垫层弹模下轨下基础刚度的计算结果砂浆垫层弹性模量EC(MPa)换算垫层刚度KC(kN/mm)轨下垫板刚度Kp(kN/mm)轨下基础刚度Kz(kN/mm)备注10(KC=200MN/m3)1506042.9日本减震板3025.062.5(KC=1250MN/m3)9446056.4日本CAM3029.120030006058.8再创新SL-253029.72019.9700O105006060.0再创新SL-13030.02020.0200003000006060.0再创新SL-33030.02020.0(3)结果分析由表3的计算结果可知：砂浆垫层弹性模量无论是200MPa、还是7000MPa、20000MPa，对轨下基础刚度或板式轨道整体刚度都没有根本影响。换句话说，砂浆垫层的弹性模量在板式轨道中不起实质性作用。真正在板式轨道中起弹性作用的是扣件系统中的轨下垫板刚度。由表3可知，当轨下垫板刚度从60kN/mm降低至30kN/mm时，轨下基础弹性几乎提高1倍。因此，为提高板式轨道的弹性，关键是采用低刚度的扣件系统。我国无砟轨道技术再创新提出的WJ－7型和WJ－8型扣件系统，对轨下垫板静刚度指标规定为Kp＝20～30kN/mm是合理的。既然如此，何必再在砂浆垫层的弹性上下功夫？使用那么多昂贵的沥青材料，还要在沥青乳化上多费心思？从动力学角度分析，如果砂浆垫层的弹性模量能与轨道板和底座的弹性模量相当，那么，三者的整体工作性能将会更加合理。如此这般，从板下填充层主要是起支承和调整的功能出发，推进无沥青水泥砂浆垫层的自主创新工作是刻不容缓的。4.4日本CAM的使用情况（1）当初构想当初日本在研发板下支承填充层材料时，考虑到除能填充轨道板与底座之间的间隙和调整轨道高低外，还能具有足够的强度和给板式轨道提供必要的弹性，于是决定在板下要填充缓冲材料。作为缓冲材料，日本是把水泥、砂和沥青乳剂等掺合起浆，利用沥青的弹性和水泥的刚性而形成的半刚性体，即水泥沥青砂浆（CAM）作为填充垫层，一直应用至今。（2）应用范围迄今为止，CAM一直作为板式轨道轨道板底下的填充层。原也用作凸形挡台周围的填充物，现改用树脂。（3）CAM的弹性模量日本并没有明确规定CAM的弹性模量值。但作为CAM设计用，却给出了CAM的弹性系数值kc＝1250MN/m3。若按Ec＝kc·h换算，则日本CAM的弹性模量Ec＝62.5MPa。而中国CAM的Ec＝100～300MPa，德国BZM的Ec＝7000～10000MPa，相去甚远。（4）回归原点日本先前的研究报告业已指出，靠CAM垫层难以为板式轨道提供弹性。6原先构想的板下CAM缓冲垫层的作用并没有达到预期效果。因此，日本也有人多次提出，改善填充材料的性能，研发新的替代材料，扩大支承填充层材料的选择范围等问题。但时至今日，却仍在改善CAM的性能上做文章，以适应日本在温暖地区和寒冷地区铺设板式轨道的传统做法。5．关于砂浆垫层的强度问题5.1抗压强度指标据表1，砂浆垫层的抗压强度（28d）为：日本CAM1.8MPa德国BZM15MPa再创新SL-115MPa再创新SL-21.8~2.5MPa再创新SL-330~40MPa5.2日本新干线CAM设计强度（1）轮重作用下CAM的压应力计算式σca=kc×ymax式中kc――CAM垫层设计弹性系数（kc=1.25N/mm3）；ymax――轮重下CAM垫层的最大挠度。（2）山阳新干线CAM的最大压应力σca山阳新干线的静轮重为80kN，在疲劳检算轮重80×1.45=116kN作用下，板中位移即CAM垫层的压缩变形为0.061mm，若CAM的设计的弹性系数kc=1.25N/mm3，则CAM的最大压应力σca为：a)疲劳检算时（P=80×1.45=116kN）σca=0.061×1.25=0.076N/mm2b)设计轮重时（P=80×3=240kN）σca=0.076×（240/116）=0.157N/mm2c)异常轮重时（P=80×4=320kN）σca=0.076×（320/116）=0.210N/mm2故CAM设计强度σ28≥1.0N/mm2。（3）东北、上越新干线（静轮重为85kN）CAM的最大压应力σcaa)疲劳检算时（P=124kN）σca=0.061×(85/80)×1.25=0.081N/mm2b)设计轮重时（P=225kN）σca=0.081×（255/124）=0.167N/mm2c)异常轮重时（P=340kN）σca=0.081×（340/124）=0.222N/mm2考虑到寒冷地区的使用，CAM设计强度σ28≥1.8N/mm2。5.3中国新广州站试验段CAM的设计强度中国高速铁路列车静轮重为100kN，疲劳检算轮重145kN作用于框架轨道板时的挠度为0.074mm，从而CAM的最大压应力σca为：a)疲劳检算时（P=145kN）σca=0.074×1.25=0.092N/mm2b)设计轮重时（P=300kN）σca=0.092×（300/145）=0.190N/mm2c)