CN104018404B - 高速铁路无砟轨道用柔性基础结构及其铺装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速铁路无砟轨道用柔性基础结构及其铺装方法,包括由下至上依次设置的沥青基层和沥青表层,沥青基层和沥青表层之间通过中粘结层粘结,所述沥青基层为复合结构,包括至少三层改性环氧沥青混凝土层,不同改性环氧沥青混凝土层之间通过内部粘结层粘结;在沥青基层的下表面设置有下粘结层,在沥青表层的上表面设置有上粘结层。本发明提供的柔性基础结构具有足够的强度、耐久性等性能,同时,该基础结构的横向阻力、弹性系数、减振降噪效果及防水抗冻性能都优于使用水泥混凝土的刚性基础结构。

Description

高速铁路无砟轨道用柔性基础结构及其铺装方法
技术领域
本发明涉及一种高速铁路无砟轨道用柔性基础结构及其铺装方法,属于高速铁路建筑工程技术。
背景技术
传统的有砟轨道在高速列车荷载的长期作用下,会出现快速的道床累积变形、严重的道砟粉化、翻浆冒泥、压密下沉等问题,这些问题会增加高速铁路的维护成本,同时会对高速铁路的安全产生威胁。因此,高速铁路需要能保证其线路高稳定性、高平顺性及高可靠性的无砟轨道。
无砟轨道普遍采用水泥混凝土材料作为刚性基础结构,然而大量的实际工程应用经验表明,水泥混凝土由于脆性大、刚度高,相应的无砟轨道刚性基础结构存在着易开裂、适应路基变形能力差、噪声大、施工复杂及维护困难等问题,而且其设置的宽接缝处的后浇混凝土具有开裂等隐患,严重制约着高速铁路无砟轨道的长期使用性能和维护功能,严重情况下,甚至可能危害列车高速运营的安全。因此,对于高速铁路无砟轨道基础结构很有必要开展其他材料的研究。
20世纪60年代,国内外开始了沥青混凝土作为柔性基础结构的工程应用研究,主要采用各种沥青混凝土材料,特别是乳化沥青混凝土,使之成为稳定的基础结构。沥青混凝土作为柔性基础结构,克服了水泥混凝土基础结构刚度大的缺点,获得了与传统碎石道砟相接近的弹性,而它的动变形又比碎石道砟小很多。但是,由于沥青混凝土直接受钢轨和轨枕的循环冲击作用和外界温度的变化作用,必须具有足够的强度、耐久性、高温稳定性和低温抗裂性,否则会引起沥青混凝土的变形、局部变薄,上部轨枕嵌入、下部受拉开裂失去防水功能等问题,而乳化沥青等混凝土不能满足上述要求,所以,在现阶段,沥青混凝土仅仅适用于无砟轨道非结构层的防水封闭材料、无砟轨道水泥混凝土基层上的垫层材料及无砟轨道水泥混凝土道床上的面层材料等,而不能作为无砟轨道的整个柔性基础结构材料。
环氧沥青混凝土在性能上相比于一般沥青混凝土有很大提高,大量的室内试验和实际应用均证明环氧沥青混凝土具有很多优点,强度高、韧性好,高温稳定性和低温抗裂性能均明显优于其他类型的沥青混凝土,而且具有优良的抗疲劳、抗化学侵蚀以及水稳定性能。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明根据大量无砟轨道基础结构的资料,分析了普通沥青混凝土在基础结构应用的缺陷,对已有环氧沥青混凝土的沥青配方、集料物理性质及级配进行了改进,设计出一种高速铁路无砟轨道用柔性基础结构及其铺装方法,该发明中的柔性基础结构具有足够的强度、耐久性、高温稳定性和低温抗裂性,而且该基础结构的横向阻力、弹性系数、减振降噪效果及防水性能都优于使用水泥混凝土的刚性基础结构,同时,该基础结构的铺装可采用传统的公路路面或铁路施工设备,机械化程度高,操作简单方便,安装后可在短期内投入运营,使用寿命长,且维养方便。
技术方案:为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
在进行高速铁路无砟轨道用柔性基础结构设计时,需要考虑的要点包括:
a.以沥青表层作为防水层,并且直接与土工布接触,为满足要求,必须具有足够防水防腐蚀能力及一定的摩擦力,主要承受由上部结构传来的垂直力,并将力扩散到下面的底层中去,应具有良好的扩散应力的能力,同时,作为表面层应具有一定的减振降噪能力及平整度;
b.沥青基层作为柔性支承层,承受上部结构以及列车荷载的作用,应具有足够的强度及刚度,同时作为高速铁路无砟轨道用柔性基础结构,应具有足够的横向阻力及弹性系数,并且保证沥青表层的稳定性不受防冻基层水温状况变化所造成的不良影响,应具有一定的水稳定性及隔温性能;
c.粘结层作为各层之间的中间层,应具有足够的粘结强度以抵抗温度变化及列车刹车所造成的剪力,同时兼具防水能力。
综合以上要求,通过试验和计算,本发明提出了“MEA-10+MEA-13”(ModifiedEpoxyAsphaltConcrete10+ModifiedEpoxyAsphaltConcrete13)的高速铁路无砟轨道用柔性基础结构,具体为:包括由下至上依次设置的沥青基层和沥青表层,沥青基层和沥青表层之间通过中粘结层粘结,所述沥青基层为复合结构,包括至少三层改性环氧沥青混凝土层,不同改性环氧沥青混凝土层之间通过内部粘结层粘结;在沥青基层的下表面设置有下粘结层,在沥青表层的上表面设置有上粘结层。
在沥青基层的下表面设置有下粘结层,是用于粘结防冻基层;在沥青表层的上表面设置有上粘结层,是用于粘结上部结构;所述上部结构包括锚块、碾压着土工布的轨枕、扣件和钢轨等。
下面就各个部分加以具体说明。
粘结层
所述下粘结层、中粘结层、上粘结层和沥青基层中的内部粘结层均为改性环氧沥青粘结料,且每层改性环氧沥青粘结料的厚度均在0.45~0.65mm之间;所述改性环氧沥青粘结料由环氧树脂与添加固化剂的基质沥青(粘结料用)按质量比1:2.5~4.5混合而成,其中,固化剂采用长链酸酐型固化剂,其质量与环氧树脂的质量比为0.8~1.3:1。
其中,改性环氧沥青粘结料是根据已有粘结料的资料,选择合适的固化剂种类及其比例,从而使其能够满足所述柔性基础结构的要点的一种新型粘结料。
所述改性环氧沥青粘结料的制备方法为:将加热至82~92℃的环氧树脂与加热至125~135℃的添加固化剂的基质沥青(粘结料用)按质量比1:2.5~4.5混合并拌合均匀,配置完成。
沥青基层
所述沥青基层中,一般改性环氧沥青混凝土层的数量为3~4层,每层改性环氧沥青混凝土层的厚度均为60mm,改性环氧沥青混凝土层均采用改性环氧沥青混凝土MEA-13(ModifiedEpoxyAsphaltConcrete13);改性环氧沥青混凝土MEA-13由改性环氧沥青结合料与集料按质量比5~7:100混合而成,改性环氧沥青结合料由环氧树脂与添加固化剂的基质沥青(结合料用)按质量比1:2.5~4.5配置而成,固化剂采用长链酸酐型固化剂,其质量与环氧树脂的质量比为1~1.5:1;集料由玄武岩与矿质填料按质量比100:2~6配置而成,其公称最大粒径为13.2mm。
其中,改性环氧沥青混凝土MEA-13中改性环氧沥青结合料是根据已有结合料的资料,选择合适的固化剂种类及其比例,从而使其能够满足所述柔性基础结构的要点的一种新型结合料。
所述改性环氧沥青混凝土MEA-13的制备方法为:首先,将加热至82~92℃的环氧树脂与加热至125~135℃的添加固化剂的基质沥青(结合料用)按质量比1:2.5~4.5混合并拌合均匀,即配置成改性环氧沥青结合料;然后,将配置成的改性环氧沥青结合料加入预热至110~130℃的玄武岩中,拌合约20秒,之后将矿质填料加入,再次进行拌合,再次拌合的时间约为40秒,即配置成适用于沥青基层的改性环氧沥青混凝土MEA-13。
沥青表层
所述沥青表层的厚度为30~60mm,沥青表层采用改性环氧沥青混凝土MEA-10(ModifiedEpoxyAsphaltConcrete10),改性环氧沥青混凝土MEA-10由改性环氧沥青结合料与集料按质量比6~8:100混合而成,改性环氧沥青结合料由环氧树脂与添加固化剂的基质沥青(结合料用)按质量比1:2.5~4.5配置而成,固化剂采用长链酸酐型固化剂,其质量与环氧树脂的质量比为1~1.5:1;集料由玄武岩与矿质填料按质量比100:2~6配置而成,其公称最大粒径为9.5mm。
其中,改性环氧沥青混凝土MEA-10中改性环氧沥青结合料是根据已有结合料的资料,选择合适的固化剂种类及其比例,从而使其能够满足所述柔性基础结构的要点的一种新型结合料。
所述改性环氧沥青混凝土MEA-10的制备方法为:首先,将加热至82~92℃的环氧树脂与加热至125~135℃的添加固化剂的基质沥青(结合料用)按质量比1:2.5~4.5混合并拌合均匀,即配置成改性环氧沥青结合料;然后,将配置成的改性环氧沥青结合料加入预热至110~130℃的玄武岩中,拌合约20秒,之后将矿质填料加入,再次进行拌合,再次拌合的时间约为40秒,即配置成适用于沥青表层的改性环氧沥青混凝土MEA-10
高速铁路无砟轨道用柔性基础结构的铺装方法,包括如下步骤:
(1)对防冻基层进行清洁处理;
(2)洒布下粘结层的改性环氧沥青粘结料;
(3)逐层依次摊铺沥青基层中的改性环氧沥青混凝土层和内部粘结层;
(4)洒布中粘结层的改性环氧沥青粘结料;
(5)摊铺沥青表层;
(6)洒布上粘结层的改性环氧沥青粘结料;
(7)安置锚块、碾压着土工布的轨枕、扣件及钢轨等上部结构。
优选的,当步骤(5)完成后,跟踪检测路表的马歇尔强度,当马歇尔强度达到40kN后,开始步骤(6),一般需要等待20天左右。
有益效果:本发明通过研究高速铁路无砟轨道基础结构各层的性能要求,提供了一种高速铁路无砟轨道用柔性基础结构及其铺装方法,该柔性基础结构具有足够的强度、耐久性、高温稳定性和低温抗裂性,而且该基础结构的横向阻力、弹性系数、减振降噪效果及防水性能都优于使用水泥混凝土的刚性基础结构,同时该基础结构的铺装可采用传统的公路路面或铁路施工设备,机械化程度高,操作简单方便,安装后可在短期内投入运营,使用寿命长,且维养方便。
附图说明
图1为本发明高速铁路无砟轨道用柔性基础结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示,本实施例的高速铁路无砟轨道用柔性基础结构,在防冻基层10上由下至上依次设置有沥青基层30、沥青表层50和上部结构70,防冻基层10和沥青基层30之间通过下粘结层20粘结,沥青基层30和沥青表层50之间通过中粘结层40粘结,沥青表层50和上部结构70之间通过上粘结层60粘结;所述沥青基层30为复合结构,包括至少三层改性环氧沥青混凝土层(第一层改性环氧沥青混凝土层31、第二层改性环氧沥青混凝土层33和第三层改性环氧沥青混凝土层35),不同改性环氧沥青混凝土层之间通过内部粘结层粘结(第一层内部粘结层32与第二层内部粘结层34);所述上部结构70包括锚块、碾压着土工布的轨枕、扣件和钢轨等。
所述高速铁路无砟轨道用柔性基础结构的下粘结层20、中粘结层40、上粘结层60和沥青基层30中的第一层内部粘结层32与第二层内部粘结层34均采用改性环氧沥青粘结料。每层改性环氧沥青粘结料的厚度都为0.45~0.65mm,该材料由环氧树脂与添加固化剂的基质沥青(粘结料用)按质量比1:2.5~4.5混合而成,环氧树脂与添加固化剂的基质沥青(粘结料用)的技术要求如表1、表2所示。其中,改性环氧沥青粘结料是根据已有粘结料的资料,选择合适的固化剂种类及其比例,从而使其能够满足所述柔性基础结构的要点的一种新型粘结料。该改性环氧沥青粘结料中固化剂采用长链酸酐型固化剂,其质量与环氧树脂的质量比为0.8~1.3:1。
表1环氧树脂的技术要求
技术指标 技术要求 试验方法
粘度(23℃)/mPa·s 100~160 ASTM D445
环氧当量(含1克环氧的材料克数) 185~192 ASTM D1652
颜色/加德纳(Gardner) ≤4 ASTM D1544
含水量/% ≤0.05 ASTM D1744
闪点(克立夫兰敞口杯)/℃ ≥200 ASTM D92
比重(23℃) 1.16~1.17 ASTM D1475
外观 透明琥珀状 目视
表2添加固化剂的基质沥青(粘结料用)的技术要求
技术指标 技术要求 试验方法
酸值(KOH每克)/mg 110~150 ASTM D664
闪点(克立夫兰敞口杯)/℃ ≥230 ASTM D924 -->
含水量/% ≤0.05 ASTM D95
粘度(100℃)/mPa·s 900~1800 ASTM D2041
比重(23℃) 0.98~1.02 ASTM D1475
颜色 目视
其中,改性环氧沥青粘结料的制备方法为:将加热至82~92℃的环氧树脂与加热至125~135℃的添加固化剂的基质沥青按质量比1:2.5~4.5混合并拌合均匀,即配置成适用于粘结层的改性环氧沥青粘结料,其技术要求如表3所示。
表3改性环氧沥青粘结料的技术要求
技术指标 技术要求 试验方法
抗拉强度(23℃)/MPa ≥7.0 ASTM D638
断裂延伸率(23℃)/% ≥170 ASTM D638
热固性(300℃) 不熔化 试件放在热钢板上
吸水率(7天,23℃)/% ≤0.3 ASTM D570
在荷载作用下的热挠曲温度/℃ -15~-17 ASTM D648
粘度增加至1Pa·s的时间(120℃)/min ≥25 JTJ052-2000
所述的高速铁路无砟轨道用柔性基础结构沥青基层30中,改性环氧沥青混凝土层的数量为3~4层,每层改性环氧沥青混凝土层的厚度均为60mm,改性环氧沥青混凝土层均采用改性环氧沥青混凝土MEA-13(ModifiedEpoxyAsphaltConcrete13);改性环氧沥青混凝土MEA-13由改性环氧沥青结合料与集料按质量比5~7:100混合而成,改性环氧沥青结合料由环氧树脂与添加固化剂的基质沥青(结合料用)按质量比1:2.5~4.5配置而成;集料由玄武岩与矿质填料按质量比100:2~6配置而成,其公称最大粒径为13.2mm。不同改性环氧沥青混凝土层之间的内部粘结层材料相同、厚度相同。
其中,改性环氧沥青混凝土MEA-13中改性环氧沥青结合料是根据已有结合料的资料,选择合适的固化剂种类及其比例,从而使其能够满足所述柔性基础结构的要点的一种新型结合料。该改性环氧沥青结合料中固化剂采用长链酸酐型固化剂,其质量与环氧树脂的质量比为1~1.5:1。
其中,环氧树脂、添加固化剂的基质沥青(结合料用)、改性环氧沥青结合料、集料级配的技术要求分别如表4、表5、表6、表7所示。
表4环氧树脂的技术要求
技术指标 技术要求 试验方法
粘度(23℃)/mPa·s 100~160 ASTM D445
环氧当量(含1克环氧的材料克数) 185~192 ASTM D1652
颜色/加德纳(Gardner) ≤4 ASTM D1544
含水量/% ≤0.05 ASTM D1744
闪点(克立夫兰敞口杯)/℃ ≥200 ASTM D92
比重(23℃) 1.16~1.17 ASTM D1475
外观 透明琥珀状 目视
表5添加固化剂的基质沥青(结合料用)的技术要求
技术指标 技术要求 试验方法
酸值(KOH每克)/mg 70~110 ASTM D664
闪点(克立夫兰敞口杯)/℃ ≥200 ASTM D92
含水量/% ≤0.05 ASTM D95
粘度(100℃)/mPa·s ≥200 ASTM D2041
比重(23℃) 0.98~1.02 ASTM D1475
颜色 目视
表6改性环氧沥青结合料的技术要求
技术指标 技术要求 试验方法
抗拉强度(23℃)/MPa ≥1.6 ASTM D638
断裂延伸率(23℃)/% ≥180 ASTM D638
热固性(300℃) 不熔化 试件放在热钢板上
吸水率(7天,23℃)/% ≤0.3 ASTM D570
在荷载作用下的热挠曲温度/℃ -19~-26 ASTM D648
粘度增加至1Pa·s的时间(120℃)/min ≥55 JTJ052-2000
表7集料级配
其中,改性环氧沥青混凝土MEA-13的制备步骤包括:首先,将加热至82~92℃的环氧树脂与加热至125~135℃的添加固化剂的基质沥青(结合料用)按质量比1:2.5~4.5混合并拌合均匀,即配置成改性环氧沥青结合料;然后,将配置成的环氧沥青结合料加入预热至110~130℃的玄武岩中,拌合20秒,之后将矿质填料加入,再次进行拌合,再次拌合的时间为40秒,即配置成适用于沥青基层的改性环氧沥青混凝土MEA-13。
所述的高速铁路无砟轨道用柔性基础结构沥青表层50的厚度为30~60mm,沥青表层50采用改性环氧沥青混凝土MEA-10(ModifiedEpoxyAsphaltConcrete10),改性环氧沥青混凝土MEA-10由改性环氧沥青结合料与集料按质量比6~8:100混合而成,改性环氧沥青结合料由环氧树脂与添加固化剂的基质沥青(结合料用)按质量比1:2.5~4.5配置而成,集料由玄武岩与矿质填料按质量比100:2~6配置而成,其公称最大粒径为9.5mm。
其中,改性环氧沥青混凝土MEA-10中改性环氧沥青结合料是根据已有结合料的资料,选择合适的固化剂种类及其比例,从而使其能够满足所述柔性基础结构的要点的一种新型结合料。该改性环氧沥青结合料中固化剂采用长链酸酐型固化剂,其质量与环氧树脂的质量比为1~1.5:1。
其中,环氧树脂、添加固化剂的基质沥青(结合料用)、改性环氧沥青结合料的技术要求与沥青基层中的技术要求一样,集料级配如表8所示。
表8集料级配
其制备步骤包括:首先,将加热至82~92℃的环氧树脂与加热至125~135℃的添加固化剂的基质沥青(结合料用)按质量比1:2.5~4.5混合并拌合均匀,即配置成改性环氧沥青结合料;然后,将配置成的环氧沥青结合料加入预热至110~130℃的玄武岩中,拌合20秒,之后将矿质填料加入,再次进行拌合,再次拌合的时间为40秒,即配置成适用于沥青表层的改性环氧沥青混凝土MEA-10。
本例中柔性基础结构的铺装方法包括以下步骤:
(10)对防冻基层10进行清洁处理;
(20)洒布下粘结层20的改性环氧沥青粘结料;
(30)逐层依次摊铺沥青基层30中的改性环氧沥青混凝土层和内部粘结层;具体包括:
(301)摊铺沥青基层30中第一层改性环氧沥青混凝土层31的改性环氧沥青混凝土MEA-13;
(302)洒布第一层内部粘结层32的改性环氧沥青粘结料;
(303)摊铺沥青基层30中第二层改性环氧沥青混凝土层33的改性环氧沥青混凝土MEA-13;
(304)洒布第二层内部粘结层34的改性环氧沥青粘结料;
(305)摊铺沥青基层30中第三层改性环氧沥青混凝土层35的改性环氧沥青混凝土MEA-13;
(40)洒布中粘结层40的改性环氧沥青粘结料;
(50)摊铺沥青表层50的改性环氧沥青混凝土MEA-10;
(60)当步骤(50)完成后,跟踪检测路表的马歇尔强度,当马歇尔强度达到40kN后,洒布上粘结层60的改性环氧沥青粘结料;一般需要等待20天左右;
(70)安置锚块、碾压着土工布的轨枕、扣件及钢轨等上部结构70。
本实施例的测试结果如表9所示:
表9高速铁路无砟轨道用柔性基础结构测试结果
从表9中可以看出该柔性基础结构具有足够的强度、耐久性等性能,同时,该基础结构的横向阻力、弹性系数、减振降噪效果及防水抗冻性能都明显优于使用水泥混凝土的刚性基础结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.高速铁路无砟轨道用柔性基础结构,其特征在于:包括由下至上依次设置的沥青基层(30)和沥青表层(50),沥青基层(30)和沥青表层(50)之间通过中粘结层(40)粘结,所述沥青基层(30)为复合结构,包括至少三层改性环氧沥青混凝土层(31)(33)(35),相邻两层改性环氧沥青混凝土层之间通过内部粘结层(32)(34)粘结;在沥青基层(30)的下表面设置有下粘结层(20),在沥青表层(50)的上表面设置有上粘结层(60);在沥青基层(30)的下表面设置有下粘结层(20),用于粘结防冻基层(10);在沥青表层(50)的上表面设置有上粘结层(60),用于粘结上部结构(70);所述上部结构(70)包括锚块、碾压着土工布的轨枕、扣件和钢轨。
2.根据权利要求1所述的高速铁路无砟轨道用柔性基础结构,其特征在于:所述下粘结层(20)、中粘结层(40)、上粘结层(60)和沥青基层(30)中的内部粘结层(32)(34)均为改性环氧沥青粘结料,且每层改性环氧沥青粘结料的厚度均在0.45~0.65mm之间;所述改性环氧沥青粘结料由环氧树脂与添加固化剂的基质沥青按质量比1:2.5~4.5混合而成,其中,固化剂采用长链酸酐型固化剂,其质量与环氧树脂的质量比为0.8~1.3:1。
3.根据权利要求1所述的高速铁路无砟轨道用柔性基础结构,其特征在于:所述沥青基层(30)中,改性环氧沥青混凝土层的数量为3~4层,每层改性环氧沥青混凝土层的厚度均为60mm,改性环氧沥青混凝土层均采用改性环氧沥青混凝土MEA-13;改性环氧沥青混凝土MEA-13由改性环氧沥青结合料与集料按质量比5~7:100混合而成,改性环氧沥青结合料由环氧树脂与添加固化剂的基质沥青按质量比1:2.5~4.5配置而成,固化剂采用长链酸酐型固化剂,其质量与环氧树脂的质量比为1~1.5:1;集料由玄武岩与矿质填料按质量比100:2~6配置而成,其公称最大粒径为13.2mm。
4.根据权利要求1所述的高速铁路无砟轨道用柔性基础结构,其特征在于:所述沥青表层(50)的厚度为30~60mm,沥青表层(50)采用改性环氧沥青混凝土MEA-10,改性环氧沥青混凝土MEA-10由改性环氧沥青结合料与集料按质量比6~8:100混合而成,改性环氧沥青结合料由环氧树脂与添加固化剂的基质沥青按质量比1:2.5~4.5配置而成,固化剂采用长链酸酐型固化剂,其质量与环氧树脂的质量比为1~1.5:1;集料由玄武岩与矿质填料按质量比100:2~6配置而成,其公称最大粒径为9.5mm。
5.高速铁路无砟轨道用柔性基础结构的铺装方法,其特征在于:包括如下步骤:
(1)对防冻基层(10)进行清洁处理;
(2)洒布下粘结层(20)的改性环氧沥青粘结料;
(3)逐层依次摊铺沥青基层(30)中的改性环氧沥青混凝土层和内部粘结层;
(4)洒布中粘结层(40)的改性环氧沥青粘结料;
(5)摊铺沥青表层(50);
(6)洒布上粘结层(60)的改性环氧沥青粘结料;
(7)安置上部结构(70)。
6.根据权利要求5所述的高速铁路无砟轨道用柔性基础结构的铺装方法,其特征在于:当步骤(5)完成后,跟踪检测路表的马歇尔强度,当马歇尔强度达到40kN后,开始步骤(6)。
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