仲新華，蔡德鉤,3，李享濤，石越峰,3，裘智輝，何 龍

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.北京鐵科特種工程技術(shù)開發(fā)公司，北京 100081)

路基是鐵路重要的工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，維護(hù)路基的長期穩(wěn)定是保證線路平順性繼而維持列車正常運(yùn)行的重要條件。列車運(yùn)行速度越快,線路的平順性要求越高[1]。

鐵路長期工務(wù)實(shí)踐表明，降雨、融雪等明水侵入引起的翻漿冒泥、凍脹等路基病害是降低線路平順性水平的主要原因[2-3]。為阻隔明水侵入路基，維持路基穩(wěn)定和平順性水平,鋪設(shè)具有良好變形協(xié)調(diào)能力、防水性、耐久性和較好經(jīng)濟(jì)性的瀝青混凝土是鐵路路基面防排水技術(shù)的重大舉措。

研究表明,控制瀝青混凝土的孔隙率即可保證瀝青混凝土的耐久性和抗老化性[4-6]。瀝青混凝土鋪設(shè)于路基面級(jí)配碎石和混凝土支承層之間，既可作為軌道系統(tǒng)支承結(jié)構(gòu)的重要組成部分，用于進(jìn)一步優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)，又可作為路基面防水材料，起到防水和排水的作用。

瀝青混凝土技術(shù)在公路交通領(lǐng)域具有成熟的理論和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在德國、法國、意大利、美國、日本等國鐵路也有應(yīng)用。這給我國鐵路領(lǐng)域研究和應(yīng)用瀝青混凝土技術(shù)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。但是由于各國鐵路軌道結(jié)構(gòu)、線路運(yùn)載能力、地域環(huán)境等條件的差別很大，使得瀝青混凝土應(yīng)用的結(jié)構(gòu)部位、設(shè)計(jì)厚度、材料性能要求等呈現(xiàn)出多樣性，因此不能完全照搬使用。

本文介紹了國內(nèi)外鐵路瀝青混凝土的工程應(yīng)用，并根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)闡述了鐵路瀝青混凝土的關(guān)鍵技術(shù)和目前的研究進(jìn)展，對(duì)鐵路瀝青混凝土機(jī)械化施工存在的潛在問題提出了合理化建議。

1 瀝青混凝土的主要性能特點(diǎn)

瀝青混凝土是一種黏彈性材料，瀝青混凝土的工程性能強(qiáng)烈地受到瀝青結(jié)合料性質(zhì)的影響。一方面，瀝青混凝土在低溫小變形范圍內(nèi)接近線彈性，賦予瀝青混凝土作為結(jié)構(gòu)材料的正常使用功能；另一方面，瀝青混凝土在較高溫度和較大變形范圍內(nèi)表現(xiàn)為黏彈性，當(dāng)局部受力超出預(yù)期時(shí)，具有較好的變形協(xié)調(diào)能力。瀝青混凝土的膠體結(jié)構(gòu)和勁度是影響其應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

1.1 瀝青的膠體結(jié)構(gòu)

瀝青由飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)4種分子量依次增加的化學(xué)組分組成，根據(jù)4種組分的相對(duì)含量和分布形態(tài)，分為溶膠型、溶-凝膠型和凝膠型3種膠體結(jié)構(gòu)[7]。

溶膠型瀝青中瀝青質(zhì)分子量較低，且含量很少，同時(shí)有一定數(shù)量芳香度較高的膠質(zhì)，使得形成的膠團(tuán)能夠完全膠溶而分散在芳香分和飽和分的介質(zhì)中。膠團(tuán)間相距較遠(yuǎn)，可在分散介質(zhì)中自由運(yùn)動(dòng)，因此溶膠型瀝青具有較好的自愈性和低溫變形能力，多用于不需承力但要求具有良好防滲功能的工程。

溶-凝膠型瀝青中膠團(tuán)數(shù)量增多，相對(duì)較近，相互間有一定的吸引力，因此溶-凝膠型瀝青在高溫時(shí)具有較低的感溫性，低溫時(shí)又具有較好的變形能力，此類瀝青多用于高等級(jí)公路工程。

凝膠型瀝青中的膠團(tuán)數(shù)量最多，相互靠得很近的膠團(tuán)可形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，彈性更為明顯，因此凝膠型瀝青具有較好的溫度感應(yīng)性，但低溫變形能力較差。

瀝青的膠體結(jié)構(gòu)與其應(yīng)用所需的性能有密切關(guān)系。膠體結(jié)構(gòu)類型的確定，可以根據(jù)高分子溶液理論來研究，即視高分子量的瀝青質(zhì)為溶質(zhì)，溶解于低分子量的軟質(zhì)瀝青的高分子溶液?，F(xiàn)階段通常用針入度指數(shù)法來劃分膠體結(jié)構(gòu)類型。針入度指數(shù)越高，瀝青的凝膠特征越明顯，瀝青的溫度感應(yīng)性越好。

1.2 瀝青混凝土的勁度

在瀝青混凝土的材料組成中，礦料屬于彈性材料，瀝青屬于黏彈性材料，因此瀝青和瀝青混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)采用包括彈性反應(yīng)和黏滯反應(yīng)在內(nèi)的勁度來表征。

1)瀝青的勁度

瀝青的黏彈性可分別采用描述彈性、黏性的元件并聯(lián)模型進(jìn)行表征。

彈性元件用彈簧表示，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系服從胡克定律，即

σ=Eε

(1)

式中:E為彈性模量;σ,ε分別為應(yīng)力和應(yīng)變。

黏性元件用阻尼器表示，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系服從牛頓黏性定律，即

σ=λε/t

(2)

式中:λ為黏滯系數(shù);ε/t為應(yīng)變率。

因此，瀝青的勁度Sb可用最簡單的二元模型表示為

Sb=E/(1+tE/λ)

(3)

當(dāng)荷載短期作用時(shí)，瀝青材料表現(xiàn)為彈性。

2)瀝青混凝土的勁度

在瀝青混凝土組成中，瀝青是提供黏性的唯一來源。瀝青混凝土的勁度(Sm)依賴于瀝青的勁度和礦料的體積分?jǐn)?shù)(CV)。

Heukelom和Klomp用試驗(yàn)研究進(jìn)一步將這一關(guān)系確定為[8]

(4)

式中：n=0.83log(Sb/104);Sb以MN/m2計(jì)。

顯然，除了瀝青勁度和礦料體積外，瀝青混凝土的勁度還和礦料級(jí)配、壓實(shí)度、壓實(shí)方法、側(cè)限應(yīng)力等因素有關(guān)，尤其是側(cè)限應(yīng)力。

在小應(yīng)變彈性范圍內(nèi)，瀝青混凝土的勁度和抗壓回彈模量基本一致。

2 瀝青混凝土在國內(nèi)外鐵路工程中的應(yīng)用

國際上，在高速鐵路技術(shù)發(fā)展起步較早的德國、法國、意大利、美國、日本等國，均有應(yīng)用瀝青混凝土的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[9]。

國外鐵路瀝青混凝土按工程應(yīng)用結(jié)構(gòu)部位可分為3類：

1)無砟軌道結(jié)構(gòu)上墊層

其特征是在瀝青混凝土層上直接鋪設(shè)軌枕、寬軌枕、整體道床、軌道板等軌道部件，起到提高路基穩(wěn)定性、減振降噪等作用，如德國GETRAC-A3型軌道、荷蘭的ERIA型軌道。

2)無砟軌道下墊層

其特征是在瀝青混凝土層上先鋪設(shè)道砟層，再在道砟層上鋪設(shè)軌道部件，起到減輕路基應(yīng)力、保持路基穩(wěn)定等作用，如法國TGV東線瀝青道床試驗(yàn)段、意大利羅馬到佛羅倫薩高速鐵路、日本的東海道新干線鐵路和美國的重載鐵路。

3)道砟層

其特征是在軌枕周邊的道砟內(nèi)注入熱熔改性瀝青，達(dá)到固化道砟、防排水等作用，應(yīng)用于日本的部分既有線鐵路改造。

我國鐵路瀝青混凝土的工程試驗(yàn)應(yīng)用起步較早，主要用于線間和路肩的級(jí)配碎石表層，起到防排水的作用。中國鐵道科學(xué)研究院中鐵二院分別在此前研究基礎(chǔ)上提出采用中粒級(jí)密級(jí)配瀝青混凝土和細(xì)粒級(jí)瀝青混凝土進(jìn)行鋪筑的建議，并分別在國家軌道試驗(yàn)中心、遂渝試驗(yàn)段、武廣客專、京津城際和哈大試驗(yàn)段進(jìn)行了少量應(yīng)用。但因作業(yè)場(chǎng)地狹窄，無法配套機(jī)械化施工，無法保證質(zhì)量，后期未能全面推廣。近年來，隨著研究的深入，鐵科院陸續(xù)在鄭徐、京張和鄭萬鐵路采用機(jī)械化施工開展了全斷面瀝青混凝土的試驗(yàn)應(yīng)用。

3 鐵路瀝青混凝土關(guān)鍵技術(shù)

優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)和防排水是我國開展全斷面瀝青混凝土應(yīng)用技術(shù)研究的主要目的。結(jié)合我國鐵路軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注瀝青混凝土的力學(xué)適用性、防水抗?jié)B性和界面安全性。其中力學(xué)適用性以抗壓回彈模量予以表征，界面安全性以層間摩擦因數(shù)予以表征。

3.1 抗壓回彈模量

鐵路路基及軌道結(jié)構(gòu)可采用彈性層狀體系作為其力學(xué)分析模型，瀝青混凝土的抗壓回彈模量是影響結(jié)構(gòu)效應(yīng)的主要指標(biāo)。由于鐵路軌道結(jié)構(gòu)具有很高的剛度，因此傳遞到瀝青混凝土的應(yīng)力較低，通常僅為60～80 kPa，瀝青混凝土在小應(yīng)變彈性范圍內(nèi)服役。但是由于瀝青混凝土是黏彈性材料，溫度升高，瀝青黏度下降，瀝青混凝土的抗壓回彈模量同步降低。因此應(yīng)重點(diǎn)評(píng)估高溫對(duì)瀝青混凝土抗壓模量的影響。

受無砟軌道或道砟的遮擋作用影響，軌道結(jié)構(gòu)下部瀝青混凝土的溫度相對(duì)穩(wěn)定。在極端條件下，我國南方炎熱地區(qū)地面短時(shí)最高溫度可達(dá)60 ℃，此時(shí)軌道結(jié)構(gòu)底部的實(shí)測(cè)溫度一般不超過45 ℃。因此，承受荷載的軌下瀝青混凝土應(yīng)評(píng)估其在45 ℃條件下的抗壓回彈模量。

周雪艷等[10]從公開發(fā)表的111篇文獻(xiàn)中提取 1 142 組有效數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，獲得了規(guī)格為AC-16 的密級(jí)配SBS改性瀝青混凝土在不同溫度條件下的抗壓回彈模量代表值?？箟夯貜椖Ａ颗c溫度的關(guān)系見圖1。

圖1 抗壓回彈模量與溫度的關(guān)系

由圖1可知，溫度為45 ℃時(shí)瀝青混凝土的抗壓回彈模量代表值為711 MPa，高于下臥層級(jí)配碎石的抗壓回彈模量。因此，瀝青混凝土用作路基全斷面防排水材料不存在高溫條件下結(jié)構(gòu)失效的問題，可在極端高溫條件下安全服役。

3.2 抗水滲透性

在瀝青混凝土的組成中，礦料雖然存在內(nèi)部孔隙，但是由于內(nèi)部孔隙和外界并不連通，且礦料表層高強(qiáng)和高度致密，因此礦料和瀝青自身均具有不透水性。瀝青和礦料在高溫狀態(tài)碾壓結(jié)合并經(jīng)降溫穩(wěn)定的過程中，瀝青與骨料的結(jié)合面以及瀝青內(nèi)部將產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力分布和微細(xì)裂縫。這些裂縫在內(nèi)部或外部應(yīng)力作用下將進(jìn)一步擴(kuò)展和連通，與原本存在于瀝青混凝土中的孔隙一起在瀝青混凝土內(nèi)部形成滲流通道。因此，降低瀝青混凝土的孔隙率可提高其抗水滲透性。

滲水系數(shù)和滲透系數(shù)是表征瀝青混凝土抗水滲透性的2種主要試驗(yàn)方法。由于滲水系數(shù)試驗(yàn)具有快速、簡便的特點(diǎn)，張正麟等[11-12]建議將側(cè)向滲水換算為豎向滲水，根據(jù)滲水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果近似估算滲透系數(shù)，并給出了推薦換算方法。

對(duì)于同一實(shí)物瀝青混凝土，滲水系數(shù)和滲透系數(shù)必然存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，理論上二者之間可通過換算取值。然而由于材料和碾壓工藝的差異，不同實(shí)物的瀝青混凝土的換算關(guān)系存在較大的不確定性，目前尚難以形成穩(wěn)定統(tǒng)一的換算關(guān)系。

鐵科院的研究人員用設(shè)計(jì)的AC-16和AC-20 2種界面增強(qiáng)的瀝青混凝土鋪筑試驗(yàn)段，開展現(xiàn)場(chǎng)滲水試驗(yàn)和芯樣滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 滲水系數(shù)及滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出：滲水試驗(yàn)結(jié)果存在較大的標(biāo)準(zhǔn)差，主要原因是滲水試驗(yàn)過程中存在側(cè)向滲水;規(guī)格為AC-16和AC-20的2種瀝青混凝土具有相近的抗水滲透性。

為降低試驗(yàn)結(jié)果的不確定性風(fēng)險(xiǎn)，宜采用滲透試驗(yàn)表征瀝青混凝土的抗水滲透性。

3.3 層間摩擦因數(shù)

瀝青混凝土上覆水泥混凝土后的層間橫向摩擦阻力是軌道穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。以往公路領(lǐng)域的研究主要集中于水泥混凝土上覆瀝青混凝土后的層間抗剪能力。目前尚未發(fā)現(xiàn)有瀝青混凝土上覆水泥混凝土后的層間抗剪能力研究的相關(guān)文獻(xiàn)[13-15]。考慮到運(yùn)營后可能存在離縫病害，尚應(yīng)評(píng)估解除黏結(jié)后瀝青混凝土和上覆水泥混凝土間的層間摩擦阻力。

鐵科院的研究人員通過在瀝青混凝土上澆筑水泥混凝土的方式成型復(fù)合試件，并采用圖2所示的直剪儀進(jìn)行試驗(yàn)。

在復(fù)合試件上施加一定垂直壓力，然后在水平方向?qū)r青混合料試件施加機(jī)械推力進(jìn)行剪切。將完成靜摩擦試驗(yàn)的復(fù)合試件按原位置組裝，施加不同的垂直壓力，然后施加水平推力進(jìn)行剪切，復(fù)合試件滑動(dòng)產(chǎn)生位移時(shí)的剪切力即為動(dòng)摩擦力。整個(gè)試驗(yàn)控制環(huán)境溫度為20 ℃，加載速率為1.2 mm/min。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

1-剪切傳動(dòng)裝置;2-推動(dòng)器;3-下盒;4-垂直加壓框架;5-垂直位移計(jì);6-傳壓板;7-透水板;8-上盒;9-儲(chǔ)水盒;10-測(cè)力計(jì);11-水平位移計(jì);12-滾珠;13-試樣圖2 應(yīng)變控制式直剪儀

油石比/%壓力/kPa靜摩擦因數(shù)壓力/kPa動(dòng)摩擦因數(shù)1001.223.81006.901501.072501.061001.104.81006.281500.882500.841000.835.81006.131500.832500.71

從表2可以看出：3種油石比條件下靜摩擦因數(shù)和動(dòng)摩擦因數(shù)均隨油石比的增加而減?。浑S著壓力的增加，動(dòng)摩擦因數(shù)呈降低趨勢(shì)；在高應(yīng)力條件下動(dòng)摩擦因數(shù)最小值為0.71。

4 施工組織優(yōu)化建議

近年來，鐵科院分別在鄭徐、京張和鄭萬鐵路采用機(jī)械化施工進(jìn)行了全斷面瀝青混凝土的鋪筑和試驗(yàn)。為提高瀝青混凝土防排水層施工質(zhì)量和給機(jī)械化鋪筑創(chuàng)造條件，在施工組織方面提出如下建議：

1)在防水層的排水設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮有利于大型機(jī)械作業(yè)；

2)進(jìn)一步提高級(jí)配碎石路基面的平整度，有利于瀝青混凝土的攤鋪厚度控制和提高防水層表面平整度；

3)路基護(hù)坡和電纜槽應(yīng)先行施工，電纜槽可起到路緣石的作用，為瀝青混凝土攤鋪提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)；

4)接觸網(wǎng)支柱或聲屏障基礎(chǔ)應(yīng)先行施工，當(dāng)基礎(chǔ)有礙施工時(shí)應(yīng)將基礎(chǔ)標(biāo)高控制在瀝青混凝土防水層中部水平，待瀝青混凝土鋪筑完成后進(jìn)行接長施工；

5)嚴(yán)格控制路基沉降觀測(cè)點(diǎn)標(biāo)高，使其略低于瀝青混凝土表層；

6)盡量采用寬幅攤鋪，減少瀝青混凝土接縫，有條件時(shí)可先行施工線間排水溝，避免縱向接縫；

7)在滿足瀝青混凝土厚度對(duì)礦料粒徑限制的條件下，盡量選用公稱粒徑較大的礦料；

8)由專業(yè)化隊(duì)伍進(jìn)行瀝青混凝土防水層的施工。

5 結(jié)語

瀝青混凝土在經(jīng)過熱拌熱鋪、碾壓密實(shí)后具有很好的密實(shí)性和耐久性，可對(duì)鐵路路基起到良好的防排水作用。

中粒級(jí)密級(jí)配瀝青混凝土具有良好的力學(xué)適用性、防水抗?jié)B性和界面安全性，全斷面鋪筑于級(jí)配碎石表層有利于降低路基應(yīng)力水平，提供優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)的空間。

建議進(jìn)一步研究鐵路路基表層鋪筑厚層瀝青混凝土的可行性。

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