CN113277774A

CN113277774A - 一种弹性固化道床材料及其室内试件成型制作方法

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Publication number: CN113277774A
Application number: CN202110424618.0A
Authority: CN
Inventors: 杨军; 张泓; 黄卫; 石晨光; 王添令; 孙肖寅; 王建伟; 闵召辉; 王晓; 陈先华; 张磊; 刘嵩
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2021-04-20
Filing date: 2021-04-20
Publication date: 2021-08-20

Abstract

本发明公开了一种弹性固化道床材料及其室内试件成型制作方法，属于轨道交通材料技术领域。弹性固化道床材料包括以下质量份数的组分：石灰岩100份；矿粉6~8份；橡胶颗粒8~12份；环氧沥青9~12份。本发明的弹性固化道床材料，采用环氧沥青作为主要固化材料，对石灰岩进行固化，能得到强度高且性能优越的道床材料，且通过特定组分橡胶颗粒的添加，提升了道床材料的弹性，本发明原材料的选材环保经济，能很好地降低弹性固化道床的造价，通过本发明的成型方法得到的试件经疲劳重复加载试验验证，性能均能满足聚氨酯固化道床块性能要求，能更低成本的得到性能不弱于聚氨酯固化道床的道床结构，且施工工艺简单，适于在轨道交通领域推广应用。

Description

一种弹性固化道床材料及其室内试件成型制作方法

技术领域

本发明属于轨道交通材料技术领域，更具体地说，涉及一种弹性固化道床材料及其室内试件成型制作方法。

背景技术

随着铁路运营速度的不断提高，传统有砟轨道出现了不少问题，例如稳定性差、道床易板结、翻浆、养护维修工作量大、道砟易粉化，以及高速铁路飞砟等，与有砟轨道相对应的无砟轨道问题也很明显，初期投资巨大，且高速列车运行时噪声大，同时后期运营阶段维修十分困难。

近年来，针对特殊地段需求以及已有的道砟粘结技术，国内有关专家研发出了一种铁路道床弹性固化技术，弹性固化技术主要采用沥青和聚氨酯材料，沥青固化材料包括热沥青、乳化沥青水泥砂浆或乳化沥青橡胶水泥砂浆等，固化深度为轨枕底面下60mm或全部道床，固化后道床上半部分或全部为整体，变形小，稳定性好，能防止雨水侵入，可以改善道床工作状态，大幅度降低养护维修作业，目前使用比较普遍的固化材料是聚氨酯，其有益的物理力学性能、良好的环境适应性和耐久性，使其在各个领域都获得广泛的应用，成为有砟道床固化的主要材料和发展方向，但聚氨酯固化道床技术在人工、材料以及机械等方面消耗十分庞大，仅聚氨酯材料每公里单线需花费86吨，固化道床烘干冷却及浇注设备费用同样惊人，据测算聚氨酯固化道床每铺轨公里的造价指标为585万元，远远超过传统轨道铺设费用。

因此，目前亟需一种材料能替代聚氨酯在道床固化中的作用，达到固化道床需要的力学性质，并且能很好地降低其造价。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，根据本发明的一方面，提供了一种弹性固化道床材料，包括以下质量份数的组分：

石灰岩100份；

矿粉6～8份；

橡胶颗粒8～12份；

环氧沥青9～12份。

采用聚氨酯作为固化材料固化道床是目前使用比较普遍的技术，但这种技术成本高、消耗大，针对此问题，本方案设计了一种新的弹性固化道床材料，采用石灰岩作为被固化材料，本方案的石灰岩为路用石灰岩集料，来源十分广泛，且价格低廉，并拥有良好的物理力学性能；采用环氧沥青作为固化材料，能将特定级配的集料固化，可有效降低固化道床的每铺轨公里造价，并能明显提升固化道床的强度；而橡胶颗粒可以对环氧沥青固化石灰岩时带来的柔韧性下降、导致抗裂性不足、低温变形能力下降等缺陷进行改善，本方案的橡胶颗粒为废弃回收的橡胶破碎处理后制成，绿色环保，在掺入特定比例的橡胶颗粒后，增加了道床材料的整体弹性，从而保证其弹性模量满足固化道床技术条件要求；矿粉为道床材料中常添加的一种物料，加入本方案所示质量份数的矿粉能有效填充于原料的间隙中，形成密堆积，改善道床材料的强度及耐久性能。

进一步地，针对本方案的弹性固化道床材料的各组分，采用9.5～31.5mm的大粒径石灰岩级配采用铁路道砟1/2缩尺级配组成主骨架结构，0.075～4.75mm粒径的石灰岩细集料、粒径在0.075mm以下的矿粉及橡胶颗粒掺量采用粗骨料空隙填充法进行设计掺入，并采用马歇尔试验确定环氧沥青混合料的最佳沥青掺量。

根据本发明实施例的弹性固化道床材料，可选地，所述环氧沥青包括以下质量份数的组分：

SBS改性沥青或70#基质沥青5～7份；

环氧树脂与固化剂共4～5份。

本方案的环氧沥青为环氧树脂与固化剂掺入SBS改性沥青或70#基质沥青中形成，在本方案所示的质量份数的配比下，环氧树脂与固化剂发生固化反应形成热固性材料，特定配比的SBS改性沥青或70#基质沥青分散并稳定于热固性材料中，从而使SBS改性沥青或70#基质沥青的热塑性转变为热固性，产生全新的物理力学性能，在对本方案所示的质量份数的石灰岩进行固化后，能使其具有强度高、疲劳性能优越、良好的层间结合能力、耐腐蚀性和温度稳定性等特点，而特定质量份数配比的橡胶颗粒则将强度大幅度提高所带来的韧性下降等缺陷进行弥补。

根据本发明实施例的弹性固化道床材料，可选地，环氧树脂与固化剂质量之比为1:1。

此质量比能使添加的环氧树脂与固化剂充分有效的发生固化反应。

进一步地，本方案中的固化剂为胺类固化剂。

根据本发明实施例的弹性固化道床材料，可选地，包括以下质量份数的组分：

石灰岩100份；

矿粉8份；

橡胶颗粒12份；

SBS改性沥青7份；

环氧树脂2.5份；

固化剂2.5份。

采用此质量份数的组分配比的弹性固化道床材料，在相同条件下具备最优的性能。

根据本发明的另一方面，提供了一种弹性固化道床材料的室内试件成型制作方法，步骤如下：

一、配料，按各组分对应的质量份数称取原料；

二、加热，将石灰岩烘干；将SBS改性沥青或70#基质沥青加热软化；

三、搅拌，按顺序将确定质量份数的石灰岩、橡胶颗粒、SBS改性沥青或70#基质沥青、环氧树脂与固化剂混合物和矿粉依次加入搅拌机中，充分搅拌后，将搅拌完毕的混合料放入烘箱中养护；

四、成型，将部分养护好的混合料倒入模具中，充分碾压至该层混合料表面平整，然后套入另一层模具，倒入养护好的混合料，继续往返碾压，直到满足室内试件高度要求的混合料碾压完毕；

五、脱模，在室温下冷却1天，然后将结构件脱模取出，放入60℃养生箱中养生3～4天，即得到室内试件。

本申请针对道床材料设计了对应的成型制作方法，用于制得能充分发挥材料性能的结构件，而本方案的室内试件成型制作方法与道床结构件成型制作方法基本相同，不同之处在于步骤四中成型的结构件尺寸要求不同；本方案采用制作道床结构件时所采用的工艺步骤及参数，制得能充分发挥道床材料性能的室内试件，方便通过室内试验来验证结构件实际使用过程中的性能。

在混料过程中特定质量份数的各原料组分按步骤三的顺序加入会使混料效果更好，先将石灰岩加入搅拌机，然后加入橡胶颗粒，此时橡胶颗粒与石灰岩较容易混合，然后加入SBS 改性沥青或70#基质沥青，与之前加入的石灰岩和橡胶颗粒进行混合，在环氧树脂与固化剂混合物加入时，石灰岩、橡胶颗粒与SBS改性沥青或70#基质沥青已经进行了初步较充分混合，加入的环氧树脂与固化剂混合物发生固化反应形成一种热固性材料，在搅拌过程中，热固性材料与已经分散开来的SBS改性沥青或70#基质沥青结合，从而使得SBS改性沥青或70# 基质沥青的热塑性转变为环氧沥青体系的热固性，进而使得道床材料具有强度高、疲劳性能优越、良好的层间结合能力、耐腐蚀性和温度稳定性的特点，而之前已混合均匀在集料中的橡胶颗粒则提高材料的整体柔韧性，克服环氧沥青固化反应带来的柔韧性下降、导致抗裂性不足、低温变形能力下降等缺陷，最后加入的矿粉在搅拌过程中填充于原料的间隙中，形成密堆积，改善道床材料的强度及耐久性能。

根据本发明实施例的弹性固化道床材料的室内试件制作方法，可选地，步骤二中，石灰岩在170～175℃的烘箱中烘干；SBS改性沥青或70#基质沥青在160～165℃的烘箱中加热软化。

170～175℃是烘干石灰岩的最佳温度，在这个温度下，能节省电量且快速将石灰岩表面及内部水分蒸发；加热沥青的温度控制在160～165℃，温度过低，沥青无法化开，会仍呈固体状，无法转入搅拌机进行后续操作，而温度过高，沥青会出现老化现象，导致沥青各方面性能降低，因此160～165℃是沥青最佳加热软化温度。

根据本发明实施例的弹性固化道床材料的室内试件制作方法，可选地，步骤三中，搅拌过程的温度控制在160～175℃，充分搅拌2～3次。

在160～175℃范围内，沥青和集料、矿粉能很好地充分拌和，且此温度下沥青能保证最佳性能，温度过高或过低均对混料过程中沥青拌和效果有不良影响。

根据本发明实施例的弹性固化道床材料的室内试件制作方法，可选地，步骤三中，搅拌完毕的混合料放入140～170℃的烘箱中养护140～160min。

步骤三中的养护温度及养护时间均是本方案的特定组分配比的道床材料通过正交试验，验证确定的养护最佳参数，在此温度和时间下，成型出的结构件的膨胀率、空隙率、矿料间隙率、抗压强度和劈裂抗拉强度为最佳。

根据本发明实施例的弹性固化道床材料的室内试件制作方法，可选地，对每层模具中倒入的混合料，均采用滚轮往返充分碾压100～150次，即可将该层模具中的混合料压实且表面压制平整。

进一步地，步骤五中，压制成指定高度的结构件后，需要先在室温环境中冷却1～2小时，本申请配方的道床材料初始成型后强度较低，需要冷却1～2小时后方可固化成型，然后进行脱模可保证结构件结构不会损坏，脱模后经过一定条件的养生，即可得到性能结构稳定的结构件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的弹性固化道床材料，采用环氧沥青作为主要固化材料，对石灰岩进行固化，能得到强度高且性能优越的道床材料，且通过特定组分橡胶颗粒的添加，提升了道床材料的弹性韧性，本发明原材料的选材环保经济，能很好地降低弹性固化道床的造价，通过本发明的成型方法得到的试件经疲劳重复加载试验验证，性能均能满足聚氨酯固化道床块性能要求，能更低成本的得到性能不弱于聚氨酯固化道床的道床结构，且施工工艺亦简单，适于在轨道交通领域推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1示出了实施例1的室内试件在循环载荷作用下的力学特性；

图2示出了实施例2的室内试件在循环载荷作用下的力学特性；

图3示出了实施例3的室内试件在循环载荷作用下的力学特性。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

本实施例的弹性固化道床材料，包括以下质量份数的组分：

石灰岩100份；

矿粉6份；

橡胶颗粒8份；

70#基质沥青5份；

环氧树脂2份；

胺类固化剂2份。

将上述组分的原材料制作成型为结构件，步骤如下：

一、配料，按各组分对应的质量份数称取原料；

二、加热，将石灰岩在170℃的烘箱中烘干；将70#基质沥青在160℃的烘箱中加热软化；

三、搅拌，启动搅拌机，搅拌机温度控制在160℃，按顺序将确定质量份数的石灰岩、橡胶颗粒、70#基质沥青、环氧树脂与固化剂混合物和矿粉依次加入搅拌机中，充分搅拌3次后，将搅拌完毕的混合料放入140℃烘箱中养护140min；

四、成型，将养护好的混合料倒入立方体模具中，立方体模具由多层构成，先倒入第一层模具中，采用滚轮往返充分碾压100次，至该层混合料表面平整，然后套入另一层模具，再次倒入养护好的混合料，继续往返碾压，直到呈立方体结构的混合料碾压完毕；

五、脱模，在室温下冷却1天，然后将结构件脱模取出，放入60℃养生箱中养生3天，即得到结构件。

得到的结构件作为室内试件进行300万次疲劳试验，本实施例的室内试件在循环载荷作用下的力学特性如图1所示。

实施例2

本实施例的弹性固化道床材料，包括以下质量份数的组分：

石灰岩100份；

矿粉8份；

橡胶颗粒12份；

SBS改性沥青7份；

环氧树脂2.5份；

胺类固化剂2.5份。

将上述组分的原材料制作成型为结构件，步骤如下：

一、配料，按各组分对应的质量份数称取原料；

二、加热，将石灰岩在175℃的烘箱中烘干；将SBS改性沥青在165℃的烘箱中加热软化；

三、搅拌，启动搅拌机，搅拌机温度控制在170℃，按顺序将确定质量份数的石灰岩、橡胶颗粒、SBS改性沥青、环氧树脂与固化剂混合物和矿粉依次加入搅拌机中，充分搅拌2 次后，将搅拌完毕的混合料放入170℃烘箱中养护150min；

四、成型，将养护好的混合料倒入立方体模具中，立方体模具由多层构成，先倒入第一层模具中，采用滚轮往返充分碾压150次，至该层混合料表面平整，然后套入另一层模具，再次倒入养护好的混合料，继续往返碾压，直到呈立方体结构的混合料碾压完毕；

五、脱模，在室温下冷却1天，然后将结构件脱模取出，放入60℃养生箱中养生4天，即得到结构件。

得到的结构件作为室内试件进行300万次疲劳试验，本实施例的室内试件在循环载荷作用下的力学特性如图2所示。

实施例3

本实施例的弹性固化道床材料，包括以下质量份数的组分：

石灰岩100份；

矿粉7份；

橡胶颗粒10份；

SBS改性沥青6份；

环氧树脂2份；

胺类固化剂2份。

将上述组分的原材料制作成型为结构件，步骤如下：

一、配料，按各组分对应的质量份数称取原料；

二、加热，将石灰岩在175℃的烘箱中烘干；将SBS改性沥青在160℃的烘箱中加热软化；

三、搅拌，启动搅拌机，搅拌机温度控制在170℃，按顺序将确定质量份数的石灰岩、橡胶颗粒、SBS改性沥青、环氧树脂与固化剂混合物和矿粉依次加入搅拌机中，充分搅拌3 次后，将搅拌完毕的混合料放入150℃烘箱中养护160min；

四、成型，将养护好的混合料倒入立方体模具中，立方体模具由多层构成，先倒入第一层模具中，采用滚轮往返充分碾压120次，至该层混合料表面平整，然后套入另一层模具，再次倒入养护好的混合料，继续往返碾压，直到呈立方体结构的混合料碾压完毕；

得到的结构件作为室内试件进行300万次疲劳试验，本实施例的室内试件在循环载荷作用下的力学特性如图3所示。

现有技术中，采用聚氨酯材料进行固化的聚氨酯结构体力学性能要求如表1。

表1、聚氨酯结构体力学性能要求

项目	技术要求
		0～3×10<sup>6</sup>次累计变形(mm)	≤3
1×10<sup>6</sup>次累计变形(mm)	≤0.5
		0～3×10<sup>6</sup>次静态模量变化率	≤50％
1×10<sup>6</sup>次～3×10<sup>6</sup>次静态模量变化率	≤15％

结合图1、图2和图3中各实施例室内试件的循环载荷作用下的力学特性，发现实施例1、实施例2和实施例3的结构件的力学性能完全能满足表1中对聚氨酯结构体的力学性能要求，说明本申请的道床材料成型的力学性能不弱于采用聚氨酯材料进行固化的聚氨酯结构体力学性能。

而在制作相同尺寸的结构件时，本申请所采用的的原材料，石灰岩、矿粉、橡胶颗粒均为低成本易采集的材料，环氧沥青的添加量也远小于现有技术中采用聚氨酯进行固化时聚氨酯的添加量，且本申请环氧沥青的成本也远低于聚氨酯材料成本，因此在制作相同尺寸的结构件时，采用本申请的配方及方法，最终成品造价要远低于聚氨酯固化道床技术的造价，且性能上不会弱于聚氨酯技术固化道床性能，完全能替代聚氨酯在道床固化中的作用。

进一步地，实施例2中的弹性固化道床材料组分及对应的成型制作方法参数下得到的道床结构件具有最佳性能。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种弹性固化道床材料，其特征在于，包括以下质量份数的组分：

石灰岩100份；

矿粉6～8份；

橡胶颗粒8～12份；

环氧沥青9～12份。

2.根据权利要求1所述的一种弹性固化道床材料，其特征在于：所述环氧沥青包括以下质量份数的组分：

SBS改性沥青或70#基质沥青5～7份；

环氧树脂与固化剂共4～5份。

3.根据权利要求2所述的一种弹性固化道床材料，其特征在于：环氧树脂与固化剂质量之比为1:1。

4.根据权利要求3所述的一种弹性固化道床材料，其特征在于，包括以下质量份数的组分：

石灰岩100份；

矿粉8份；

橡胶颗粒12份；

SBS改性沥青7份；

环氧树脂2.5份；

固化剂2.5份。

5.一种弹性固化道床材料的室内试件成型制作方法，其特征在于，步骤如下：

一、配料，按各组分对应的质量份数称取原料；

6.根据权利要求5所述的一种弹性固化道床材料的室内试件成型制作方法，其特征在于：步骤二中，石灰岩在170～175℃的烘箱中烘干；SBS改性沥青或70#基质沥青在160～165℃的烘箱中加热软化。

7.根据权利要求5所述的一种弹性固化道床材料的室内试件成型制作方法，其特征在于：步骤三中，搅拌过程的温度控制在160～175℃，充分搅拌2～3次。

8.根据权利要求7所述的一种弹性固化道床材料的室内试件成型制作方法，其特征在于：步骤三中，搅拌完毕的混合料放入140～170℃的烘箱中养护140～160min。