CN114956670B - 用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高速铁路道床技术领域，涉及一种用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床及其混合料设计方法，具体涉及用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床。该高铁路桥过渡段分为混凝土桥台段，土质路基段，混凝土桥台段与土质路基段之间的中间段；所述预制式环氧沥青弹性道床由矿质集料、废旧橡胶颗粒、聚合物改性沥青、环氧树脂/固化剂体系制备而成；高强度预制式环氧沥青弹性道床布置在混凝土桥台段，低前度预制式环氧沥青弹性道床布置在土质路基段，中强度预制式环氧沥青弹性道床布置在中间段。本发明预制式的轨枕‑环氧沥青固化道床单元结构可实现过渡段长度和不同强度的沥青道床结构组合的灵活设计。

Description

用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床
技术领域
本发明涉及高速铁路道床技术领域，涉及一种用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床及其混合料设计方法，具体涉及用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床。
背景技术
桥梁结构在高速铁路路线中所占比例较大，因此存在较多的路基-桥梁过渡段。由于路基材料和浇筑桥台结构物所用材料的力学性能相差较大，造成路基和桥台结构物之间的刚度普遍存在较大的差异，故不同基础上的轨道结构表现出较大的刚度差异，其导致了路桥过渡段的不平顺问题。轨道不平顺会引起车辆在过渡段的跳动，继而造成较大加速度和振动荷载，其对高速列车的运行安全、车辆损耗，轨道结构部件的性能和乘客的舒适性都造成严重影响。
过渡段的设置是为了缩小路基和桥梁构造物之间的刚度差，将较大的刚度落差分割为几个小的刚度差，实现轨道结构的刚度在一定范围内渐变过渡。现有过渡段对轨道结构部分的处理措施有：设置辅助轨；调整轨枕的宽度、长度和间距；设置不同的道床刚度。改变轨道刚度可改变道床的厚度及其本身的刚度。增加厚度可有效提高轨道的刚度，经常被用于有砟轨道和无砟轨道的过渡段。增大道床刚度的另一种方式是改变道床内的粘结方式，如采用道砟胶可提高有砟道床的强度，使散粒体道床形成一个具有稳定性的完整道床体。聚氨酯材料是常用的铁路道床固结材料，其在中国铁路路线中已得到广泛应用。中国专利CN207314043U公开了一种聚氨酯固化道床，该聚氨酯固化道床在工厂内预制而成，有效解决了聚氨酯对温度、湿度和道砟洁净度等严苛的施工要求。但是，该方法不易精准地设计不同刚度的聚氨酯道床用于路桥过渡段。
发明内容
本发明提供了用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床，通过以相同粒径的橡胶颗粒替换构成混合料骨架结构的最小粒径集料，实现沥青混合料刚度的渐变过渡。同时，掺橡胶颗粒的沥青混合料将对轨道结构提供有效的减振作用，可实现过渡段列车平稳、舒适运行。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床，该高铁路桥过渡段分为混凝土桥台段，土质路基段，混凝土桥台段与土质路基段之间的中间段；所述预制式环氧沥青弹性道床由矿质集料、废旧橡胶颗粒、聚合物改性沥青、环氧树脂/固化剂体系制备而成；
预制式环氧沥青弹性道床组分的质量份数如下：
Figure GDA0003842535400000021
通过上述组分的参量形成高强度预制式环氧沥青弹性道床，中强度预制式环氧沥青弹性道床，低强度预制式环氧沥青弹性道床；
高强度预制式环氧沥青弹性道床布置在混凝土桥台段，低强度预制式环氧沥青弹性道床布置在土质路基段，中强度预制式环氧沥青弹性道床布置在中间段。
本发明所述的用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床，所述的高强度预制式环氧沥青弹性道床，组分如下：
Figure GDA0003842535400000022
中强度预制式环氧沥青弹性道床，组分如下：
Figure GDA0003842535400000023
低强度预制式环氧沥青弹性道床，组分如下：
Figure GDA0003842535400000024
Figure GDA0003842535400000031
本发明所述的用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床，预制式环氧沥青弹性道床包括两个预制环氧沥青道床固化块，轨枕；所述两个预制环氧沥青道床固化块的顶部预留深度为10cm的凹槽，用于预埋轨枕。
本发明所述的用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床，所述预制式环氧沥青弹性道床中矿质集料中粒径小于31.5mm为最大粒径，粒径≥4.75mm的矿质集料为粗集料，粒径＜4.75mm的矿质集料为细集料。
本发明所述的用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床，所述废旧橡胶颗粒在预制式环氧沥青弹性道床中构成骨架结构；粒径为4.75mm的废旧橡胶颗粒替换粒径位4.75mm的粗集料颗粒。
本发明所述的用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床，所述沥青道床单元块长度为105cm、宽度为：50cm、高度为：35cm。
有益效果
本发明提供的用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床，预制式的轨枕-环氧沥青固化道床单元结构可实现过渡段长度和不同强度的沥青道床结构组合的灵活设计。
本发明提供的用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床，通过沥青混合料级配设计可实现沥青道床刚度的梯度渐变，并根据实际工程应用的环境特点进行不同橡胶颗粒掺量的环氧沥青混合料设计及性能优化，从而实现路桥过渡段刚度的平稳过渡。
本发明提供的用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床，沥青胶结料作为一种黏弹性材料，废旧橡胶颗粒作为一种弹性材料，二者加入到轨道结构道床中将有效增大道床的阻尼特性，从而起到减振降噪的作用。
本发明提供的用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床，预制式的轨枕-环氧沥青固化道床单元结构实现了工厂内高质量的制备、施工现场快速拼装，大幅缩短了施工工期和提高了工程质量。
附图说明
图1是预制式轨枕-环氧沥青固化块单元结构；
图2是路桥过渡段的纵剖面及不同刚度道床的铺筑示意图；
图3是橡胶颗粒掺量为0的环氧沥青混合料(a)动态模量和相位角主曲线；(b)存储模量和损失模量主曲线；
图4是橡胶颗粒掺量为2的环氧沥青混合料(a)动态模量和相位角主曲线；(b)存储模量和损失模量主曲线；
图5是橡胶颗粒掺量为4的环氧沥青混合料(a)动态模量和相位角主曲线；(b)存储模量和损失模量主曲线；
图6是橡胶颗粒掺量为6的环氧沥青混合料(a)动态模量和相位角主曲线；(b)存储模量和损失模量主曲线；
图7是四种不同橡胶颗粒掺量环氧沥青混合料的阻尼主曲线。
其中，1是轨枕，2是预制环氧沥青固化块，3是碎石道砟，4是路基，5是桥台。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，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。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1或图2所示：本发明提供了用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床，包括轨枕1、预制环氧沥青道床固化块2和用于填充固化块之间的碎石道砟3，其中预制环氧沥青道床固化块2的强度会随着掺入橡胶颗粒质量百分比的增大而逐渐降低。预制式环氧沥青弹性道床单元结构，包含混凝土轨枕1和两个碾压成型的预制环氧沥青固化块2，轨枕1与预制环氧沥青固化块2之间采用环氧沥青砂浆进行粘结，形成轨枕-环氧沥青固化块单元结构。
轨枕1和预制环氧沥青道床固化块2均为工厂预制件。预制环氧沥青道床固化块2是由沥青混合料经拌和、养生和碾压成型的，其在60℃的环境中养生4天后形成具有一定强度的沥青混凝土。沥青固化道床单元块的尺寸为105cm(长)*50cm(宽)*35cm(厚)，在碾压成型时，预留深10cm的槽用于埋置水泥混凝土轨枕，即轨枕下受力厚度为25cm。为了粘结轨枕与沥青固化块，采用最大密度理论设计具有较好流动性的环氧沥青砂浆(集料粒径≤2.36mm)。环氧沥青砂浆一方面用于提供轨枕-沥青固化块界面的粘结强度，同时用于填充轨枕和沥青固化块间较大的空隙。在一定时间的养生后，即可形成如图1所示的预制式轨枕-环氧沥青固化块单元结构。
将不同强度的预制式轨枕-环氧沥青固化块单元结构在施工现场进行拼装，强度最大的沥青道床铺筑于桥台5方向，沿着路基方向4铺筑的沥青道床强度逐渐降低。轨枕间距为60cm，所以轨枕-环氧沥青固化块单元结构间有10cm的空隙，采用散粒体道砟进行填充，该设置方式主要考虑预制式轨枕-环氧沥青固化块单元结构的单元化维修。不同预制式轨枕-环氧沥青固化块单元结构各铺筑13个，四种沥青道床可实现过渡段至少30m的要求。
基于骨架-填充理论设计不同橡胶颗粒掺量的环氧沥青混合料，粒径大于等于4.75mm的粗集料互相支撑构成沥青混合料的骨架，粒径小于4.75mm的细集料和填料填充在骨架结构的空隙(VCA)中从而形成了沥青混合料的矿质体系，而沥青进一步填充了矿质混合料的空隙(VMA)中从而构成了整个沥青混合料结构。
该设计方法得到的混合料结构具有良好的骨架性能，在高温稳定性上具备优良的性能，故该方法设计的骨架–填充型沥青混合料结构满足轨道结构对道床材料在抗累积变形方面的需求。同时，轨道结构对道床的变形性能也有着较高要求，该特性有助于减轻轮轨间的相互作用，从而保证车辆行驶的安全性和舒适性。
为增大沥青混合料的变形特性，采用4.75mm的橡胶颗粒替换相同粒径的集料，其是构成混合料骨架结构的最小粒径，也是骨架结构中集料质量占比最多的一档，选择其作为替换对象可有效提升橡胶颗粒的替换质量。
沥青混合料的设计方法包含以下步骤：
1.按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)和《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)测试各档集料、矿粉、橡胶颗粒和沥青的密度；
2.测试最大粒径的集料在单一档堆积时的体积填充率V0，并按照式1计算构成骨架结构粗集料(≥4.75mm)的理论级配。其中，V1为两级集料混合料粗一级集料的填充率，D为粗一级集料粒径，d为细一级集料粒径。
Figure GDA0003842535400000061
3.按照最大密度理论设计细集料和矿粉的级配，按照式2计算。
Figure GDA0003842535400000062
4.沥青混合料配合比设计按照式3-5进行计算。
G+g＝100％ (3)
Figure GDA0003842535400000063
Figure GDA0003842535400000064
式中：G为矿质混合料中粗集料(≥4.75mm)的比例，％；g为矿质混合料中细集料(<4.75mm)和填料的比例，％；ρg为集料和填料混合后的密度，g/cm3；ρs为粗集料的紧密堆积密度，g/cm3；VCA为集料紧密堆积状态下的空隙率，％；VMA为料间隙率，％；Pa和ρa分别为沥青混合料的油石比和沥青密度；VV为沥青混合料空隙率，％。
5.根据性能要求，依据规范确定VMA和VV值代入上述公式即可获得沥青混合料的配合比。
根据计算结果，可知构成骨架结构的最小粒径的集料所占质量百分比，随即确定可替换的橡胶颗粒质量百分比范围，不同橡胶颗粒的掺量代表了不同刚度的环氧沥青道床单元结构。
环氧沥青混合料的强度会随着橡胶颗粒掺量的增大而下降，从而实现沥青道床强度的梯度变化。
将强度最大的预制式轨枕-预制环氧沥青固化块单元结构铺筑于水泥混凝土桥台一端，沥青道床的强度沿着桥至路的方向逐渐递减，从而实现路桥过渡段刚度的平缓过渡。
本发明按照骨架-填充理论设计了不同强度的掺橡胶颗粒环氧沥青混合料。高速铁路有砟轨道3所用的道砟粒径范围为22.4-63mm，以粗集料为主的道床通过道砟间的嵌挤作用传递车辆荷载。特级道砟最大粒径较大，远超公路沥青混合料最大粒径的要求，为实现环氧沥青固化试件所用混合料的拌和以及成型的可操作性，本研究考虑采用最大粒径为31.5mm的集料进行沥青混合料级配设计，该粒径与现有大多沥青道床的研究保持一致。根据式1-5计算，本研究所用的环氧沥青混合料级配如表1所示。
表1理论级配计算表
Figure GDA0003842535400000071
从上表可知，粒径为4.75mm的集料在骨架结构中所占比例最大，在骨架结构中提供了较多的接触点，其保证了整个骨架结构及荷载传递路径的稳定性。为了增大骨架结构的变形特性及变形恢复能力，以2％、4％和6％的橡胶颗粒(原矿质混合料的质量百分率)等体积替换等粒径的集料。弹性的橡胶颗粒在以刚性集料构成的骨架结构中扮演了无数微型弹簧的角色，为沥青道床的变形和变形恢复提供了驱动力。
基于以上的理论和数据，通过马歇尔试验确定了四种不同橡胶颗粒掺量的沥青混合料(0CR、2CR、4CR和6CR)的最佳油石比分别为4.1％，4.3％，4.8％和5.3％。
图3至图6分别为上述四种沥青混合料的(a)动态模量、相位角主曲线和(b)存储模量和损失模量主曲线，由试验结果可知，随着橡胶颗粒掺量的增大，沥青混合料的模量在逐渐减小，其阻尼系数(图7)呈现逐渐增大的趋势。该试验结果证明了本发明中所设计的环氧沥青混合料刚度呈现逐渐、平缓递减的趋势，可有效地应用于路桥过渡段。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床，其特征在于：该高铁路桥过渡段分为混凝土桥台段，土质路基段，混凝土桥台段与土质路基段之间的中间段；所述预制式环氧沥青弹性道床由矿质集料、废旧橡胶颗粒、聚合物改性沥青、环氧树脂/固化剂体系制备而成；
预制式环氧沥青弹性道床组分的质量份数如下：
矿质集料 94-100份；
废旧橡胶颗粒 0-6份；
聚合物改性沥青 2-3份；
环氧树脂/固化剂体系 2-3份；
通过上述组分的参量形成高强度预制式环氧沥青弹性道床，中强度预制式环氧沥青弹性道床，低强度预制式环氧沥青弹性道床；
高强度预制式环氧沥青弹性道床布置在混凝土桥台段，低强度预制式环氧沥青弹性道床布置在土质路基段，中强度预制式环氧沥青弹性道床布置在中间段；
所述的高强度预制式环氧沥青弹性道床，组分如下：
矿质集料 100份；
废旧橡胶颗粒 0份；
聚合物改性沥青 2-3份；
环氧树脂/固化剂体系 2-3份；
中强度预制式环氧沥青弹性道床，组分如下：
矿质集料 98份；
废旧橡胶颗粒 2份；
聚合物改性沥青 2-3份；
环氧树脂/固化剂体系 2-3份；
低强度预制式环氧沥青弹性道床，组分如下：
矿质集料 96-94份；
废旧橡胶颗粒 4-6份；
聚合物改性沥青 2-3份；
环氧树脂/固化剂体系 2-3份。
2.根据权利要求1所述的用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床，其特征在于：预制式环氧沥青弹性道床包括两个预制环氧沥青道床固化块，轨枕；所述两个预制环氧沥青道床固化块的顶部预留深度为10 cm的凹槽，用于预埋轨枕。
3.根据权利要求1所述的用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床，其特征在于：所述预制式环氧沥青弹性道床中矿质集料中粒径小于31.5 mm为最大粒径，粒径≥4.75mm的矿质集料为粗集料，粒径＜4.75mm的矿质集料为细集料。
4.根据权利要求1或3所述的用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床，其特征在于：所述废旧橡胶颗粒在预制式环氧沥青弹性道床中构成骨架结构；粒径为4.75mm的废旧橡胶颗粒替换粒径位4.75mm的粗集料颗粒。
5.根据权利要求2所述的用于高铁路桥过渡段的预制式环氧沥青弹性道床，其特征在于：所述预制环氧沥青道床固化块长度为105 cm、宽度为：50 cm、高度为：35 cm。
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