溫度荷載對CRTSI型板式軌道CA砂漿充填層影響規(guī)律研究.pdf

1、CRTSⅠ型板式軌道是我國高速鐵路主要采用的結構形式之一，實現了高速列車運行的安全性、平穩(wěn)性和舒適性。由于CRTSⅠ型板式軌道的“層合板”結構特征，在列車荷載、溫度荷載及其他環(huán)境因素的影響下，軌道結構系統(tǒng)難免出現各種各樣的傷損，其中，CA砂漿充填層傷損最為突出，出現了脫粘、離縫、開裂、掉塊等病害。CA砂漿作為填充于軌道板與底座板之間的關鍵功能材料，起著支承、調整、減振、隔振和阻斷裂紋的作用，其性能的優(yōu)劣直接關系到CRTSⅠ型板式軌道整體

2、結構的耐久性和列車運行的安全性。目前，國內外關于溫度荷載對CRTSⅠ型板式軌道CA砂漿充填層的影響規(guī)律還缺乏系統(tǒng)研究。本文在對CA砂漿病害進行現場調研分析、總結和吸收現有研究成果的基礎上，從CRTSⅠ型板式軌道結構日照溫度效應、溫變條件下不同劣化形式CA砂漿的變形特性和溫變、水溫耦合、酸雨條件下CA砂漿力學性能以及CA砂漿物相組成與微觀結構四個方面，開展了溫度荷載對CA砂漿充填層的影響規(guī)律研究。主要研究工作及所取得的成果如下:
　

3、　1.建立了無砟軌道結構日照溫度效應分析的邊界條件
　　概括了無砟軌道結構日照溫度分布和溫度應力的基本特點，給出了進行無砟軌道結構溫度效應研究采用的基本假定以及熱傳導基本微分方程和定解條件。根據太陽物理學、普通天文學以及傳熱學的有關理論，描述了無砟軌道結構與外界環(huán)境進行熱量傳遞的機理，建立了無砟軌道結構日照溫度效應分析的邊界條件。
　　2.建立了無砟軌道結構日照溫度效應分析的三維實體熱結構耦合模型，開展了CRTSⅠ型板式軌道

4、溫度場研究
　　結合CRTSⅠ型板式軌道結構特征，采用有限元法建立了進行無砟軌道結構日照溫度效應分析的三維實體熱結構耦合模型，并驗證了模型的正確性。計算分析了CRTSⅠ型板式軌道溫度場分布特點，并對各影響因素進行了研究。研究結果表明:(1)軌道結構溫度較氣溫變化滯后，沿深度呈非線性變化，并且深度越大滯后越嚴重;軌道結構溫度沿橫向呈非線性變化，軌道結構四周溫度變化最為劇烈。(2)太陽輻射強度、風速、日溫差、材料熱力學參數和結構尺寸均

5、對溫度場分布有一定的影響，太陽輻射強度影響最為顯著，軌道結構溫度隨著太陽輻射強度的增加而線性升高，軌道板表面溫度升高幅度最大，隨著深度的增加，溫度升高幅度減小，各結構層溫差變大。
　　3.研究了CA砂漿充填層日照溫度場及溫度荷載分布特點
　　利用所建立的CRTSⅠ型板式軌道三維實體熱結構耦合模型，計算分析了CA砂漿充填層溫度場及溫度荷載分布特點。研究結果表明:(1)CA砂漿充填層溫度沿橫向呈非線性變化，在板邊0.2m范圍內形

6、成很大的橫向溫度梯度。(2)板角處層間應力最大，這是CA砂漿充填層從板角及板邊處開始脫粘離縫的原因之一;隨著CA砂漿彈性模量的增加，層間應力呈線性顯著增加。(3)CRTSⅠ型板式軌道CA砂漿充填層在服役期間的溫度變化范圍為-40℃～60℃。(4)軌道板與CA砂漿層脫粘后，翹曲變形增大，列車荷載與溫度荷載的共同作用將加劇CA砂漿充填層的疲勞破壞。
　　4.研究了溫變條件下不同劣化形式CA砂漿的蠕變及重復加卸載變形特性
　　以單

7、軸靜載試驗為基礎，研究了不同劣化形式的CA砂漿在溫變條件下的蠕變及重復加卸載變形特性。研究結果表明:(1)CA砂漿具有明顯粘彈性特征，采用Burgers模型可以較好地擬合CA砂漿在不同溫度條件下的蠕變柔量曲線。(2)隨著試驗溫度的升高，瞬時彈性變形量增加，加載階段CA砂漿的粘性流動變形增加，蠕變曲線斜率也增大;CA砂漿的蠕變累積變形主要與瀝青的老化、流失以及水的軟化作用有關，隨著試驗溫度的的升高而增大;CA砂漿試件的蠕變勁度模量隨著試驗

8、溫度的升高而降低。(3)CA砂漿抗壓強度隨著重復加卸載應變增量的增加而線性減小;在不同試驗溫度和應變增量情況下，公共點應變和殘余塑性應變均隨開始卸載點應變的增加而線性增大。(4)CA砂漿的蠕變特性以及重復加卸載作用時的變形特性是CA砂漿充填層被擠出以及與軌道板脫粘、離縫的重要原因。
　　5.研究了溫變、水溫耦合及酸雨對CA砂漿力學性能的影響
　　以單軸靜載試驗為基礎，研究了溫變、水溫耦合及酸雨對CA砂漿力學性能的影響。研究結

9、果表明:(1)CA砂漿單軸受壓呈現柔性破壞，試件表面布滿裂紋，但是試件最后保持完整。(2)各組CA砂漿試件的應力-應變曲線形狀相似，溫度、瀝青的老化、酸雨侵蝕、水的軟化和列車荷載作用對CA砂漿應力應變曲線均有較大影響。(3)CA砂漿試件的彈性模量、抗壓強度隨試驗溫度的升高均有明顯減小的趨勢，且與試驗溫度之間均近似滿足Doseresp函數關系;不同試驗溫度下各組CA砂漿試件的抗壓強度與彈性模量基本呈線性關系。(4)CA砂漿損傷應力檻值隨著

10、試驗溫度的升高而降低。(5)水溫耦合作用使CA砂漿力學性能顯著下降。(6)酸雨長期作用使CA砂漿發(fā)生嚴重的化學侵蝕及生物破壞。
　　6.通過XRD、TG-DTA、FTIR、SEM、EDS等試驗手段分析了不同劣化形式CA砂漿的微觀結構和物相組成
　　通過XRD、TG-DTA、FTIR、SEM、EDS等試驗手段，研究了環(huán)境侵蝕和荷載作用對CA砂漿微觀結構和物相組成的影響。研究結果表明:(1)運營環(huán)境下CA砂漿性能的劣化與鈣礬石侵