反压成型高聚物注浆材料膨胀特性及其固结体力学性能研究

郑新国

(中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室， 北京　100081)

高聚物注浆材料是一种由A和B双组份浆液组成的高分子材料，其双组份浆液混合后在高压条件下可快速发生化学反应，体积迅速膨胀并固化[1-3]。该材料具有化学反应迅速、体积膨胀率大、耐久性好且环保安全的特性，已在国内外民用建筑以及公路基础的加固和抬升中得到应用，并取得了良好的应用效果[4-5]。近年来，以高聚物注浆材料为核心的高聚物注浆技术在我国高速铁路无砟轨道结构抬升中得到了初步应用，以解决由于地基/路基工后沉降过大造成的线路不平顺问题。

在无砟轨道结构抬升的实施过程中，高聚物注浆材料一般被注入到无砟轨道结构下部的基床表层中(由级配碎石组成)，通过高聚物注浆材料的膨胀力实现对上部无砟轨道结构的抬升，同时，高聚物注浆材料在反压下形成了具有一定力学性能的固结体，保证抬升后轨道结构的支撑稳定[6]。

我国高速铁路无砟轨道结构型式多样，在重量和刚度上存在较大差异，在抬升过程中形成不同的约束阻力，选择何种膨胀性能的高聚物注浆材料是保证轨道结构抬升的关键。此外，在不同反压约束下，高聚物注浆材料形成的固结体的力学性能差异也较大，其对无砟轨道结构正常使用的影响也是人们关注的问题。目前，国内外研究主要集中在自由状态下成型的高聚物注浆材料固结体的力学性能及变形性能方面[7-8]，对于反压约束条件下高聚物注浆材料的膨胀特性及其固结体力学性能的试验研究相对较少。本文对高聚物注浆材料的膨胀特性，以及在反压下成型的高聚物注浆材料固结体的力学性能特点进行了研究，以期为实现不同类型高速铁路无砟轨道结构的精确抬升提供理论参考。

1　试验

1.1　物理性能测试

开启注浆设备，将注浆材料A料的温度调整为35 ℃，B料的温度调整为30 ℃，将A和B材料以100∶110的比例通过高压混合枪头后形成的注浆材料，注入透明的、体积为1 L内开口塑料杯内，注浆材料的注入量为320 g，观察混合后浆液的起发时间和表干时间，放置3 h后脱模，脱模后将固结体放入温度为(23±3) ℃、湿度为50%±5%的养护箱中养护7 d，然后取出，再将固结体裁成100 mm×100 mm×50 mm的试样，按照GB/T 6343—2009《泡沫塑料及橡胶表观密度的测定》测试固结体试样的表观密度。自由发泡高聚物注浆材料的物理性能见表1。

表1　自由发泡高聚物注浆材料的物理性能

1.2　力学性能测试

1)反压装置

反压装置设计为底部密封、顶部可自由移动的半封闭空腔。反压装置由钢桶、法兰盘和螺栓组成，如图1所示。钢桶的内径为150 mm，外径为160 mm，高度为150 mm，钢桶上设置有注浆孔，钢桶底部与内径为160 mm的法兰盘焊接在一起，顶部法兰盘与钢桶形成活动连接。底部和顶部的法兰盘均与法兰盲板通过螺栓连接在一起。测试前在钢模内侧垫1层牛皮纸，在法兰盘与法兰盲板间设置石棉垫片。

图1　反压装置

2)膨胀力测试方法

将反压装置放置在电子万能试验机的压盘间。调整上压盘，使上压盘接触反压装置顶部法兰盘，并给一定的初始预压力300 N。安装注浆管，将注浆设备的混合枪连接到注浆管上，如图2所示。将一定量的注浆材料注入反压装置的钢桶内，用电子万能试验机测试其膨胀力，注浆后3 h，待膨胀力稳定后再脱模，脱模后的试样如图3所示。脱模后将固结体放入温度为(23±3) ℃、湿度为50%±5%的养护箱中养护7 d，以备后续试验用。

反压成型高聚物注浆材料固结体的压缩强度和压缩弹性模量按照GB/T 8813—2008《硬质泡沫塑料压缩性能试验方法》测试，加载速率为5 mm·min-1。弹性模量为固结体压缩应力—应变曲线直线段的斜率，如图4所示。

图2　膨胀力测试

图3　脱模后高聚物注浆材料固结体

图4　高聚物注浆材料固结体的压缩弹性模量

1.3　微观形貌分析

取反压成型高聚物注浆材料固结体芯部试样裁成立方体试件，试件的长、宽、高均为3 mm左右。将试件放入液氮中骤冷，用裁纸刀沿中部切开试件，取切开后的一部分试样，切割面朝上，在切割面上喷金后固定到样品座上，将样品座放入JEOLS-6700F型扫描电子显微镜下观察其断面形态。

2　结果与讨论

1)密度

通过调整注入时间控制注入反压装置中高聚物注浆材料的量，形成不同密度的固结体，注浆量与反压成型高聚物注浆材料固结体密度的关系如图5所示。

图5　注浆量与固结体密度的关系

由图5可以看出：随着注浆量的增加，高聚物注浆材料固结体的密度呈线性增长，二者具有较好的相关性，当注浆量分别为0.765，1.395和2.024 kg时，固结体的密度分别为267，493和715 kg·m-3。与自由发泡固结体的密度相比，反压下形成的固结体的密度有较大的增加，这主要是由于反压作用下，注浆材料的发泡受到约束造成的，注浆时间越长，注入量越多，反压约束越大，形成固结体的密度越大。但总体来说，反压成型高聚物注浆材料固结体的密度仍小于水泥基注浆材料的密度。水泥基注浆材料的密度通常为2 400 kg·m-3左右，而固结体基本不增加结构的重量，可有效避免结构由于自重增加而加剧沉降的风险。

2)膨胀特性

不同注浆量时，高聚物注浆材料的膨胀力随时间的变化如图6所示。

图6　不同注浆量时高聚物注浆材料膨胀力

由图6可以看出：在不同注浆量时，高聚物注浆材料膨胀力的发展规律基本一致，呈现为3个阶段的变化规律：第1阶段为0～10 s，在此阶段，高聚物注浆材料反应产生的膨胀力基本为零；第2阶段为10～20 s，在此阶段，高聚物注浆材料的膨胀力急剧增大，并达到极值；第3阶段为20 s以后，在此阶段，高聚物注浆材料的膨胀力基本趋于稳定。从膨胀力的发展规律可以看出，反压成型条件下高聚物注浆材料的膨胀特性与自由发泡时的反应特性密切相关，在第1阶段，对应于注浆材料自由发泡时的起发时间，此时注浆材料虽发生化学反应，但由于反应产物没有完全填满反压装置的空间，未能形成膨胀力；在第2阶段，对应于自由发泡时起发和表干时间之间的时间段，此阶段注浆材料发生剧烈化学反应，体积急剧膨胀，在受到约束后膨胀力迅速增加；在第3阶段，对应于自由发泡的表干时间之后，此时高聚物注浆材料成为固态，形成固结体，体积膨胀结束，膨胀力趋于稳定。结合高速铁路无砟轨道结构注浆抬升工程，高聚物注浆材料膨胀力的不同发展阶段对应不同的抬升过程，在第1阶段，高聚物注浆材料处于可流动的液态，在注浆压力作用下，注浆材料扩散并填充周围级配碎石的空隙，此阶段不形成抬升；在第2阶段，注浆材料发生剧烈化学反应形成较大的膨胀力，当膨胀力超过了轨道结构的约束阻力时，轨道结构被抬升；在第3阶段，注浆材料的膨胀力基本趋于稳定，轨道结构抬升也基本结束，注浆材料成为具有一定力学强度的固结体，由固结体支撑起被抬升的无砟轨道结构。从高聚物注浆材料的膨胀特性可以看出，注浆材料的化学反应在较短的时间内能够产生较大的膨胀力，并迅速形成体积稳定的固结体，这有利于精确控制无砟轨道结构的抬升。

由图6还可以看出，随着高聚物注浆材料固结体密度的增加，注浆材料膨胀力逐渐增大。

图7为高聚物注浆材料膨胀力与固结体密度的关系。由图7可见，二者具有较好的线性相关性，当固结体的密度分别为267，493和715 kg·m-3时，膨胀力分别为0.27，0.81 和0.90 MPa。这表

图7　固结体密度与膨胀力的关系

明对于不同重量及刚度的无砟轨道结构而言，可以通过调整高聚物注浆材料用量提供不同的膨胀力，从而达到抬升具有不同约束阻力的无砟轨道结构的目的。

3)力学特性

反压成型的不同密度高聚物注浆材料固结体的压缩应力—应变曲线如图8所示。

图8　不同密度固结体压缩应力—应变曲线

由图8可以看出：反压成型的不同密度高聚物注浆材料固结体的压缩应力—应变呈现出3个阶段的变化特征。第1阶段，随着应变的增加，应力呈线性增长，且随着固结体密度的增加，应力的线性增长率逐渐增大，固结体呈现弹性变化特征；第2阶段，随着应变的增加，应力基本不增加，呈现屈服变化特征，且随着固结体密度的增加，屈服阶段经历的时间越短；第3阶段，随着应变的增加，应力缓慢增加，呈现压实变化特征，且随着固结体密度的增加，应力增长率稍有增大。反压成型高聚物注浆材料固结体具有良好的韧性，压缩应变达到0.35时，仍然具有较好的承载能力。

反压成型的不同密度高聚物注浆材料固结体的压缩强度和弹性模量如图9所示。

图9　不同密度固结体的压缩强度和弹性模量

由图9可以看出：随着密度的增加，反压成型的高聚物注浆材料固结体的压缩强度和弹性模量均呈线性增长，且均具有较好的相关性。当密度分别为267，493和715 kg·m-3时，反压成型高聚物注浆材料的压缩强度分别为5.1，13.3和25 MPa；弹性模量分别为116，200和327 MPa。这表明，反压成型条件下高聚物注浆材料的表观密度对形成固结体的压缩强度和弹性模量影响较大，在体积一定的空腔中注入的高聚物注浆材料越多，形成固结体的表观密度越大，材料的压缩强度和弹性模量越高。

在进行无砟轨道结构注浆抬升时，高聚物注浆材料注入到路基表层级配碎石层中，与级配碎石形成1个多层结构的复合体，如图10所示。通常在高速铁路无砟轨道路基基床设计中，表层最大应力不超过0.185 MPa[9-10]，弹性模量一般取180 MPa[11-12]，可以看出，反压成型高聚物注浆材料固结体的压缩强度远大于高速铁路路基基床表层的最大应力，服役中固结体处于弹性阶段，在该阶段固结体基本不发生残余变形，这对于抬升后无砟轨道结构的稳定至关重要；固结体的弹性模量与级配碎石的弹性模量相当，这有利于服役中固结体与级配碎石形成的复合体能够更好地协同受力。

图10　高聚物注浆材料与级配碎石形成的复合体

4)微观形貌

反压成型的不同密度高聚物注浆材料固结体的微观形貌如图11所示。

由图11可以看出：反压成型高聚物注浆材料固结体是一种多孔结构，并且这些孔大部分为封闭孔，即固结体中存在着大量的封闭气泡，反压约束下这些封闭的气泡类似于约束条件下的气球，当气球的体积膨胀受到约束时，就会产生与约束力方向相反的作用力，这是在约束环境下高聚物注浆材料能够产生膨胀力的原因。由图11还可以看出，随着固结体密度的增加，固结体的泡孔结构发生了较大变化，固结体的密度越大，单位体积内气泡的数量越少，气泡的泡壁越厚，产生的膨胀力越大。固结体的这种多孔结构与其压缩应力—应变的变化特性也密切相关。在弹性阶段，固结体主要依靠泡壁的压缩强度提供承载力，当压缩应力达到泡壁的压缩强度时，泡孔发生破坏，泡沫发生塑性变形，进入屈服阶段；随着压缩应变的增加，泡孔被压缩变形，而压缩应力基本不变，当泡孔完全被压缩，进入压实阶段，随着应变的增加，应力会有所增加，并且随着固结体密度的增加，单位体积内泡孔的数量越少，对应的压缩屈服阶段越短，越接近弹性体的受力特征[13]，相应的压实阶段应力的增加也越显著。

图11　反压成型的不同密度高聚物注浆材料固结体的微观形貌

3　结　论

(1)在反压成型条件下，高聚物注浆材料在起发时间以前(0～10 s)，膨胀力基本为0，在起发与表干时间之间(10～20 s)，膨胀力快速发展并达到最大值，之后逐渐趋于稳定。高聚物注浆材料的膨胀特性有利于精确控制轨道结构的抬升。

(2)在一定体积的空腔内注入的高聚物注浆材料越多，注浆材料产生的膨胀力越大，固结体的密度也越大，且密度与膨胀力呈线性相关。在进行轨道结构抬升时，可通过调整注浆材料的注入量实现不同约束阻力下的无砟轨道结构抬升。

(3)反压成型高聚物注浆材料的固结体的压缩强度和弹性模量随密度的增加呈线性增长。固结体的弹性模量与基床表层级配碎石的弹性模量相当，因此，采用高聚物注浆材料对轨道结构进行抬升不会影响轨道结构的受力和变形。

(4)反压成型高聚物注浆材料固结体在压缩变形时依次经历弹性阶段、屈服阶段和压实阶段。固结体的密度越大，屈服阶段越短，压实阶段的应力增加率越大。

(5)反压成型高聚物注浆材料固结体为多孔结构，且大多数孔为闭孔。随着固结体密度的增加，泡孔数量及泡孔体积减小，泡壁增厚，固结体的强度增大。

[1]BRENT Barron. Kans as DOT Decides to Go with Polyurethane to Correct 50 Miles of Highway 50[J]. Roads & Bridges, 2004(12): 24-26.

[2]郭成超，王复明，钟燕辉.水泥混凝土路面脱空高聚物注浆技术研究[J].公路，2008(10)：232-236.

(GUO Chengchao, WANG Fuming, ZHONG Yanhui. Research on Polymer Grouting Technology for Cement Concrete Pavement Void[J]. Highway, 2008(10): 232-236. in Chinese)

[3]石明生，马小跃，王复明.高聚物注浆技术在水泥混凝土道路维修中的应用[J].河南科学，2010,28(1):74-77.

(SHI Mingsheng, MA Xiaoyue, WANG Fuming.Application of Polyurethane Injecting Method in Cement Concrete Pavement Road[J]. Henan Science, 2010,28 (1):74-77.in Chinese)

[4]冉龙强.高聚物注浆补强在高速公路路面维修过程中的应用[J].交通标准化，2007(8):152-155.

(RAN Longqiang. Application of High Polymer Grouting and Reinforcement in Maintaining Highway Pavement [J] Communications Standardization, 2007(8):152-155. in Chinese)

[5]张君静，肖昭升.高聚物注浆技术处治高速公路病害的经济效益分析[J].公路工程，2013 ，38(2):12-15.

(ZHANG Junjing, XIAO Zhaosheng. Analysis of Economic Benefits about Polymer Grouting Technique for Treating Highway Diseases [J]. Highway Engineering, 2013，38(2):12-15.in Chinese)

[6]郑新国，刘竞，李书明，等.高速铁路沉降无砟轨道结构注浆整体抬升修复关键技术[J]. 铁道建筑, 2015(1)：93-97.

(ZHENG Xinguo, LIU Jing, LI Shuming，et al. Key Technologies of Remedying Settlement of High Speed Railway Ballastless Track by Lifting Whole Structure and Jet-Grouting under It [J]. Railway Engineering, 2015(1): 93-97.in Chinese)

[7]石明生，于东梅，王复明.高聚物注浆材料的弯曲性能[J].材料科学与工程，2010，28(4)：514-517.

(SHI Mingsheng, YU Dongmei, WANG Fuming. Bending Properties of a Polymer Grout[J]. Journal of Materials Science & Engineering, 2010,28(4): 514-517.in Chinese)

[8]郑新国，李书明，谢永江，等.高聚物注浆材料密度与力学行为关系研究[J].武汉理工大学学报，2014，36(4)：44-47.

(ZHENG Xinguo, LI Shuming, XIE Yongjiang, et al. Study on Relationship between Density and Mechanical Behavior of High Polymer Grouting Materials [J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2014，36(4): 44-47.in Chinese)

[9]马学宁，梁波，高峰.列车速度对车辆—轨道—路基系统动力特性的影响[J].中国铁道科学，2009，30(2)：7-13.

(MA Xuening, LIANG Bo, GAO Feng. Influence of Vehicle Speed on the Dynamic Characteristics of Vehicle-Track-Subgrade System[J]. China Railway Science, 2009，30 (2): 7-13.in Chinese)

[10]韩自立，张千里.既有线提速路基动应力分析[J].中国铁道科学，2005，26(5)：1-5.

(HAN Zili, ZHANG Qianli. Dynamic Stress Analysis on Speed-Increase Subgrade of Existing Railway[J]. China Railway Science, 2005，26 (5): 1-5.in Chinese)

[11]张千里，韩自力，吕宾林.高速铁路路基基床结构分析及设计方法[J].中国铁道科学，2005，26(6)：53-57.

(ZHANG Qianli, HAN Zili, LÜ Binlin. Structural Analysis and Design Method for Subgrade Bed of High-Speed Railway[J]. China Railway Science, 2005，26 (6): 53-57.in Chinese)

[12]何兆益，黄卫，邓学钧.级配碎石动静弹性模量的对比研究[J].中国公路学报，1998，11(1)：15-20.

(HE Zhaoyi, HUANG Wei, DENG Xuejun . Comparative Research between Dynamic and Static Modulus of Elasticity of Granular Materials[J]. China Journal of Highway and Transport, 1998，11(1): 15-20. in Chinese)

[13]陈精华，刘伟区，宣宜宁,等.有机硅改性聚氨酯弹性体材料的研究[J].聚氨酯工业，2004，19(1):12-14.

(CHEN Jinghua, LIU Weiqu, XUAN Yining, et al. Study on Polyurethane Elastomer Materials Modified with Siloxane[J]. Polyurethane Industry, 2004，19(1): 12-14. in Chinese)