高铁无砟轨道沥青基灌缝胶的设计制备与性能测试分析

2022-11-19罗阳明王平波李佳容

西部交通科技 2022年8期

罗阳明，王平波，李佳容

(1.广西南玉铁路有限公司，广西南宁 530025；2.长安大学，陕西西安 710061)

0 引言

在铁路无砟轨道的各项技术中，结构防水是其中的重要环节，而混凝土底座板伸缩缝防水更是重中之重[1]。不良的伸缩缝防水，会导致底座板内部钢筋的锈蚀，降低底座板承载能力，从而严重影响高铁运营的安全性。因此，使用灌缝胶为接缝防水提供屏障，防止径流水和杂物通过轨道上的纵向和横向接缝流向板底，对轨道结构防水具有重要作用。广西地处低纬度，属亚热带季风气候区和热带季风气候，夏季日照时间长、气温高、降水多[2]。广西高速铁路无砟轨道夏季所处环境温度较高，灌缝胶材料需要满足抗高温性能。因此，本文以广西典型高温多雨环境为背景，对高温多雨环境下高铁无砟轨道沥青基灌缝胶的设计制备展开研究，并对其性能进行测试和分析。

1 灌缝胶材料宽厚比设计

灌缝胶材料的宽厚比直接影响其耐久性，相关文献表明宽厚比存在一个最优设计[3-6]。选取宽厚比分别为2∶1、1∶1和1∶2的灌缝胶体系，建立不同宽厚比的灌缝胶体系有限元模型，该体系由灌缝胶材料和刚性混凝土组成。

无砟轨道灌缝胶受轨道不同作用力以及环境因素影响表现出不同的力学性能，为准确反映灌缝胶材料在承受拉伸和压缩载荷时的不同特性，选取单向拉伸和压缩作用对灌缝胶力学响应进行分析，分别模拟拉伸和压缩条件下灌缝胶受力分布结果。对混凝土的两端沿宽度方向施加非零拉伸位移边界条件模拟拉伸试验；对混凝土的两端沿宽度方向施加非零压缩位移边界条件模拟压缩试验。其中宽厚比为2∶1的灌缝胶体系模型计算结果如图1和图2所示。

图1 拉伸条件下灌缝胶应力水平分布云图

图2 压缩条件下灌缝胶应力水平分布云图

对不同宽厚比的灌缝胶材料进行拉伸时，随着宽厚比的减小，最大峰值应力增加。相较于其他两种尺寸，灌缝胶的宽厚比为2∶1时拉应力最小，尺寸最优。同时，对不同宽厚比的密封橡胶材料进行压缩时，随着宽厚比的减小，最大峰值应力增加，相较于其他两种尺寸，灌缝胶的宽厚比为2∶1时拉应力最小，尺寸最优。

由图1～2可以看出，无论灌缝胶承受的是拉伸力还是压缩力，高应力区域基本分布在角点处以及灌缝胶本体中间位置，灌缝胶边角位置与混凝土粘结，属于两种不同材料的过渡区，受力时易产生应力集中，同时受拉伸或压缩作用后，灌缝胶中间部位也是应力集中之处。显然，灌缝材料应具有较高的位移能力以抵消材料中部产生的应力集中，同时应具有较低模量和较好的粘结性。

通过研究灌缝材料宽厚比的设计，认为嵌缝材料的宽厚比可设计为2∶1，此宽厚比能够使灌缝体系在力的作用下获得最长效耐久的性能。

2 沥青基灌缝胶的制备

结合以往研究以及高铁无砟轨道灌缝材料性能技术要求[7-8]，采用SBS、橡胶粉改性剂对基质沥青进行改性，分别调整SBS和橡胶粉的掺配比例，通过试验确定两者最优掺配比例，制备沥青基灌缝胶。制备工艺流程如图3所示。

图3 制备工艺流程图

3 沥青基灌缝胶的性能测试

3.1 基本性能

参考相关规范[9-10]对自制沥青基灌缝胶的锥入度、软化点、弹性回复率以及23 ℃条件下的拉伸强度和断裂伸长率进行了测试。测试结果如表1所示。

表1 沥青基灌缝胶基本性能测试结果表

从表1可以看出，自制沥青基灌缝胶软化点达到90 ℃以上，表现出优异的抗高温性能。

3.2 高温流变性能

无砟轨道灌缝胶在行车荷载的作用下受到列车动态加载作用，而动态剪切流变仪(DSR)通常用来评价沥青材料的粘弹性质[11]，如图4所示。沥青基灌缝胶的粘弹特性会随着不同温度和荷载作用的频率变化而发生变化，采用DSR的温度扫描和频率扫描试验来表征灌缝胶的动态粘弹性能。温度扫描试验中温度变化范围为40 ℃～82 ℃，频率扫描试验的频率变化范围为0.1～100 rad/s。试验结果分别如图5、图6所示。

图4 动态剪切流变仪基本原理示意图

图5 灌缝胶复数模量和相位角随温度变化曲线图

图6 不同温度下灌缝胶复数模量与频率关系图

由图5可知，沥青基灌缝胶的相位角随着温度的升高而增大，而复数模量随着温度的升高而减小。这表明温度升高致使沥青基灌缝胶由弹性向黏性转变，即温度愈高，沥青表现出的黏性流体性质愈明显。

沥青材料的力学性能很大程度上取决于温度和加载频率。根据粘弹性材料的时间-温度等效原理，可以构建主曲线来分析力学参数的变化，预测沥青基灌缝材料在温度和频率域下的性能[12]。本文取一种橡胶沥青密封材料和一种改性沥青密封材料与自制沥青基灌缝胶相比较，对这三类沥青灌缝胶样品进行频率扫描测试，其复数模量的主曲线对比结果如图7所示。

图7 灌缝胶频率扫描测试复数模量主曲线对比图

由图7可知，所有样品的主曲线在整个缩减频率范围内都显示出不同的变化。总体而言，复数模量保持从低频到高频的上升趋势。具体来说，在低频范围(高温)内，橡胶沥青灌缝胶复数模量低于成品改性沥青灌缝胶，而自制的沥青基灌缝胶获得了最高的复数模量，这意味着自制沥青基灌缝胶表现出最好的抗车辙性能和弹性性能。相反，在较高频率区域(低温)，自制沥青基灌缝胶的复数模量值最低，而其他两种灌缝胶的复数模量高于自制沥青基灌缝胶。就沥青灌缝胶而言，高频(低温)区域的模量较高，低频(高温)区域的模量较低是较为理想的结果。结合试验结果，自制的灌缝胶具有优异的高温性能，更适合高温条件下的混凝土灌缝。

3.3 粘附性能

单位表面积上的能量随着新界面的产生而变化，被定义为表面自由能(SFE)，而SFE一直被用作表征沥青与集料之间粘附性能的指标[13]。灌缝胶表面张力的测定是通过测量蒸馏水、丙三醇和甲酰胺这三种已知表面能的液体在沥青表面的接触角而后经分析计算得出的[13]。这三种液体的表面能如表2所示。

表2 三种测试液体的表面能值一览表(mJ·m-2)

四种测试材料在上述三种测试液体中的表面接触角与测试液体表面能之间的关系如图8所示，线性关系良好，表明测试结果可靠。

图8 样品的接触角和测试液体表面能之间的线性关系图

结合成品橡胶沥青灌缝胶、改性沥青灌缝胶、集料和自制沥青基灌缝胶的接触角测试结果(如表3所示)，说明沥青类灌缝胶的接触角高于集料，尤其是蒸馏水作为测试液体的情况下接触角>90°。沥青是一种非极性材料，非极性组分起主导作用，使沥青表现出很强的疏水性，这也是测试液体润湿能力较低的原因。然而，集料的亲水性较沥青高，导致测试液体更容易在其表面扩散和分布，因此集料的接触角小于沥青灌缝胶样品的接触角。

表3 不同灌缝胶材料与三种测试液体表面接触角测定结果表(°)

表4给出了三种沥青灌缝胶和集料的极性分量、色散分量和总表面能的测试结果。数据显示，被测灌缝胶的SFE为18～20 mJ/m2，且自制沥青基灌缝胶的表面能最高。在SFE的两个主要组成中，色散组分的比例远高于极性组分。这是因为沥青的主要成分是非极性烃，极性成分相对较少。自制沥青灌缝胶的极性成分高于其他两种成品沥青灌缝胶，这表明自制沥青基灌缝胶表面表现出较高的极性，可能是由于改性剂的增加提高了灌缝胶中的极性成分。然而，集料的SFE明显大于所有的沥青灌缝胶，而且极性组分与分散组分的比例与灌缝胶的比例相反，这意味着集料表现出更高的极性，因此水更易于润湿集料表面。