1、關于軌道板下砂漿填充層相關問題的討論 推進無瀝青水泥砂漿墊層的自主創新1、前言Ø 最近，有關板式軌道板下砂漿填充層的功能和作用問題，又被人們重新提起，各方十分關注。Ø 板下砂漿填充層作為板式軌道結構的重要組成部分，它工作狀態的好壞，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、養護、成本和壽命等問題。Ø 那么，究竟應該采用什么材料構成板下支承填充層？是沿著既有的CAM或者BZM的老路（經改進）走下去，還是選擇其他支承填充材料，走出一條新路？Ø 這里的關鍵問題是，如何定位砂漿墊層在板式軌道系統中的功能和作用問題。Ø 本文，通過對板下砂漿

2、填充層相關問題的討論分析后認為，選擇適合我國地理氣候條件和板式軌道發展需要的無瀝青水泥砂漿材料，有可能成為新一代自主創新的板下支承填充層。2、關于砂漿墊層的系統功能定位問題砂漿墊層作為板式軌道系統的重要組成部件，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 板式軌道結構（1）支承、調整Ø 全面均勻支承軌道板，消除軌道板與底座之間的間隙；Ø 調整軌道高低，便于提高施工效率和下部基礎變形時的可維護性。（2）承力、傳力Ø 承受由軌道板傳來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 分散列車載荷作用。3、關于砂漿墊層的物性指標問題

3、（1）現有及研發中的砂漿墊層類型Ø 再創新的SL2與日本的CAM類同，屬于乳化瀝青水泥砂漿范疇；Ø 再創新的SL1與德國的BZM類同，也屬于乳化瀝青水泥砂漿范疇；Ø 再創新的SL3不含瀝青，只用水泥、粉煤灰、骨料、外加劑和調和水等材料，屬于無瀝青水泥砂漿范疇。（2）主要物性指標（表1）表1 砂漿墊層主要物性指標項目單位日本CAM再創新SL2德國BZM再創新SL1再創新SL3彈性模量MPa1003007000100007000100002000030000抗壓強度（28d）MPa1.81.82.515.015.03040流動性s16261626120±20

4、120±20可工作時間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）對比分析Ø 三類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、抗壓強度和瀝青水泥比方面卻差別甚大。Ø 三類砂漿對原材料的選擇與管理，配方與制備，拌合、灌注的工藝與設備，以及成本與壽命等方面都各自不同。Ø 因此，必須從理論和實踐的觀點，重新定位砂漿墊層在板式軌道系統中的地位和作用，提出符合工程實際應用的板下支承填充層。4、關于砂漿墊層的彈性問題4.1板式軌道系統剛度及其相互關系（1）軌

5、道彈性表征方法板式軌道結構通常用質量彈簧系統模擬，而軌道彈性又多用剛度參數來表征。一般表征軌道剛度的物理量有：Ø 墊層彈性系數（面剛度，kN/mm2/mm）Ø 鋼軌基礎彈性模量（線剛度，kN/mm/mm）Ø 軌下基礎剛度（點剛度，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，在已定鋼軌類型（EI）和扣件間距（a）的情況下，軌道剛度K就僅僅與軌下基礎剛度（或稱鋼軌支座綜合剛度）Kz有關。顯然，Kz值越大，K值就越大。（3）軌下基礎剛度根據軌道系統彈簧串聯原理，軌下基礎剛度Kz可表征為： （4.

6、2）可見，軌下基礎剛度Kz與軌下墊板剛度Kp和砂漿墊層剛度Kc密切相關。（4）軌下基礎合理剛度Ø 應用客運專線動車組動車與板式軌道動態匹配和耦合動力學理論，分析了板式軌道軌下基礎剛度對高速輪軌系統動力性能的影響（圖2）。圖2 高速客運專線板式軌道軌下基礎合理剛度Ø 計算結果表明，隨著軌下基礎剛度的增大，輪軌垂向力、鋼軌支點壓力、輪重減載率、輪軌磨耗指數均隨之增大，而鋼軌動彎應力、軌道變形隨之減小。Ø 從動力學角度來看，在降低輪軌動作用力、保證軌道變形要求、降低輪軌磨耗、提高行車安全性等方面，應該有一個平衡點，也就是軌道剛度有一個合理范圍。Ø 通過系統分析

7、和歸一化處理，高速客運專線板式軌道結構軌下基礎的合理剛度范圍，如圖2所示，應該為Kz2030kN/mm。4.2 砂漿墊層彈性模量對軌道板荷載彎矩的影響分析（1）計算參數Ø 軌道板 結構尺寸 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 結構尺寸 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 計算荷載 輪重 300kN 橫向力 80kN（2）計算結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算結果見表2。表2 不同砂漿墊層彈性模量下軌道板荷載彎矩計算結果下部基礎CA砂漿彈模（MPa）縱向下側 (kN.m/m)縱向上側 (kN.m/m)橫向下側(kN.m/m)橫向上側(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）結果分析由表2的計算結果可知：Ø CAM墊層彈性模量的高低，對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 就軌道板設計而言，彎

10、矩大小僅決定配筋量多少。Ø 一般在考慮軌道板設計荷載彎矩時，是通過使用條件并經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，又關系不大，因為軌道板配筋量足夠，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軌下基礎剛度的影響分析（1）分析前提為對比分析，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）計算軌下基礎剛度Kz值。 Kc=Ec /h×L/2×a=Ec /0.05×2.4/2×0.629=15Ec （4.3）(2)計算結果（表3） 表3 不同砂漿墊層彈模下軌下基礎剛度的計算結果砂漿墊層

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再創新SL-23029.72019.9700O105006060.0再創新SL-13030.02020.0200003000006060.0再創新SL-33030.02020.0(3) 結果分析由表3的計算結果可知：Ø 砂漿墊層彈性模量無論是200MPa、還是7000MPa、20000 MPa，對軌下

12、基礎剛度或板式軌道整體剛度都沒有根本影響。換句話說，砂漿墊層的彈性模量在板式軌道中不起實質性作用。Ø 真正在板式軌道中起彈性作用的是扣件系統中的軌下墊板剛度。由表3可知，當軌下墊板剛度從60kN/mm降低至30kN/mm時，軌下基礎彈性幾乎提高1倍。Ø 因此，為提高板式軌道的彈性，關鍵是采用低剛度的扣件系統。我國無砟軌道技術再創新提出的WJ7型和WJ8型扣件系統，對軌下墊板靜剛度指標規定為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心思？Ø 從動力學角度分析，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，那么，三者的整體工作性能將會更加合理。Ø 如此這般，從板下填充層主要是起支承和調整的功能出發，推進無瀝青水泥砂漿墊層的自主創新工作是刻不容緩的。4.4 日本CAM的使用情況（1）當初構想Ø 當初日本在研發板下支承填充層材料時，考慮到除能填充軌道板與底座之間的間隙和調整軌道高低外，還能具有足夠的強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，一直應用至今。（2）應用范圍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 原也用作凸形擋臺周圍的填充物，現改用樹脂。（3）CAM的彈性模量Ø 日本并沒有明確規定CAM的彈性模量值。Ø 但作為CAM設計用，卻給出了CAM的彈性系數值kc1250MN/m3。Ø 若按Eckc·h換算，則日本CAM的彈性模量Ec62.5MPa。而中國CAM的Ec100300MPa，德國BZM的Ec700010000MPa，相去甚遠。（4）回歸原點Ø 日本先前的研究報告業已指出，靠CAM墊層難以為板式軌道提供彈性。Ø 原先構想的板下CAM緩沖墊層的作用并沒有達到預

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，研發新的替代材料，擴大支承填充層材料的選擇范圍等問題。但時至今日，卻仍在改善CAM的性能上做文章，以適應日本在溫暖地區和寒冷地區鋪設板式軌道的傳統做法。5關于砂漿墊層的強度問題5.1抗壓強度指標據表1，砂漿墊層的抗壓強度（28d）為：日本CAM 1.8MPa德國BZM 15MPa 再創新SL-1 15MPa再創新SL-2 1.82.5MPa再創新SL-3 3040MPa5.2日本新干線CAM設計強度（1）輪重作用下CAM的壓應力計算式ca= kc×ymax式中 kcCAM墊層設計彈性系數（kc =1.25 N/mm3

16、）；ymax輪重下CAM墊層的最大撓度。（2）山陽新干線CAM的最大壓應力ca山陽新干線的靜輪重為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的設計的彈性系數kc =1.25 N/mm3，則CAM的最大壓應力ca為：a)疲勞檢算時（P=80×1.45=116 kN）ca = 0.061×1.25=0.076 N/mm2b)設計輪重時（P=80×3=240kN）ca =0.076×（240/116）=0.157N/mm2c)異常輪重時（P=80×4=320kN）ca

17、=0.076×（320/116）=0.210 N/mm2故CAM設計強度281.0 N/mm2。（3）東北、上越新干線（靜輪重為85kN）CAM的最大壓應力caa)疲勞檢算時（P=124kN） ca = 0.061×(85/80)×1.25=0.081 N/mm2b)設計輪重時（P=225 kN）ca = 0.081×（255/124）=0.167 N/mm2c)異常輪重時（P=340 kN）ca = 0.081×（340/124）=0.222 N/mm2考慮到寒冷地區的使用，CAM設計強度281.8 N/mm2。5.3中國新廣州站試驗段CAM

18、的設計強度中國高速鐵路列車靜輪重為100kN，疲勞檢算輪重145kN作用于框架軌道板時的撓度為0.074mm，從而CAM的最大壓應力ca為：a)疲勞檢算時（P=145 kN） ca = 0.074×1.25=0.092 N/mm2b)設計輪重時（P=300 kN）ca = 0.092×（300/145）=0.190 N/mm2c)異常輪重時（P=400 kN）ca = 0.092×（400/145）=0.254 N/mm2考慮到軌道板翹曲、氣溫對CAM的影響及新干線的經驗，CAM的設計強度281.5N/mm2。5.4 遂渝線板式軌道CAM墊層的動應力和動位移測試結

19、果（1）CAM墊層的動應力動車組： c max=0.260.39 MPa貨車（軸重25t）: c max =0.510.92 MPa（2）CAM墊層的動位移動車組： y max= 0.1mm貨車（軸重25t）: y max =0.17mm（3）測試結果分析Ø 實測CAM墊層的動應力不超過1 MPa，低于其抗壓強度標準值1.8 MPa。Ø 推測新廣州站試驗段板式軌道CAM墊層的工作壓應力也不會超過其設計標準值。Ø 因此說，無論是瀝青水泥砂漿墊層，還是無瀝青水泥砂漿墊層，在列車荷載和溫度力的作用下，其抗壓強度都不會構成主要問題。Ø 就CAM墊層的變形而言，設

20、計為0.074mm，實測為0.10.17mm,表明墊層變形量仍然很小，對標準厚50mm的墊層而言，起不到緩沖減振作用。6、關于砂漿墊層的壽命問題（1）使用壽命Ø 板式軌道設計使用壽命為60年，這對于軌道板和底座來說問題不大，而對于處在其間的砂漿墊層的壽命能不能達到60年，確實是一大疑問。Ø 如果達不到60年使用壽命，勢必會存在修補或更換的問題，經常修補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BZM（W/C=0.6）大，比中國SL-3（W/C=0.3）更大。Ø 為補償收縮，