（材料学专业论文）高速铁路轨道板下树脂填充材料的研究.pdf

摘要 摘要 本文首先介绍了国际、 国内高速铁路的现状和发展趋势， 并 对我国 铁路运输出现 的 瓶颈问 题进行了 分析， 对其解决方案 ( 建设高速铁路) 进行了阐 述。 板式无碴轨道 是 目前国际高速铁路轨道结构形式的主流， 高分子材料在板式轨道中的应用既可以提 高轨道的性能，又可以在一定程度上降低成本。发展国内尚未研制和使用， 但在国际 上有较好应用前景的铁路用新型材料，对我国高速铁路的发展具有重要意义。从文中 对各种高分子材料进行筛选的结果表明， 聚氨酷弹性体材料有望达到这些要求，可以 成为取代 c a砂浆的新型材料。 针对采用聚氨醋弹性体作为高速铁路填充材料时现场施工条件的限制， 文中根据 差示 扫描量热分析和红外分析确定了理论上的 后处理温度和时间， 综合考虑施工时的 实际 情况， 确定了实验室的后处理温度和时间。 对未后处理试样和处理试样性能比 较 的结果表明: 6 0 后处理 2 4 h的试样的性能相当于未后处理试样 4 5 d 左右的性能。用 该方法进行研究 试样的性能可大大缩短试验周期，节约试验时间。 为了明确各种因素对试样性能的影响，本文主要研究了聚醚多元醇、催化剂、填 料诸因素对室温固化聚氨酷弹性体性能的影响。结果表明:三官能度聚醚含量增加， 试样的弹性系数和表面硬度随之增大; 固 体填料含量增加， 试样的弹性系数 和表面硬 度随之增大，液体填料的影响较为复杂;催化剂辛酸亚锡的合适用量为 0 . 1 5 % ( n - 3 3 0 ) 或0 . 3 5 % ( n - 2 2 0 ) 。 对于试样中 所出 现的 液体 石油树脂与聚氨酷体系相容 j性 差的问 题， 采取先加固体填料， 后加液体填料， 且分批少量的添加方法进行了 解决。 文中针对聚氨醋弹性体难以解决的气泡问题进行 了深入的探讨，并给出了原材料预 烘、 脱水、 消泡剂量的调整、 填料的复配等解决方法。 在这些问题得到解决的基 础上， 根据最后确定的配方制出了性能符合高 速铁路使用要求的聚氨醋弹性体试样， 并付诸 工程使用。 关键词:高速铁路树脂填充材料 聚氨酷弹性体 室温固化 a bs tr a c t 目目. abs tract p a p e r i n t r o d u c e s t h e s t a t u s q u o a n d d e v e l o p i n g t r e n d o f h i g h - s p e e d r a i l w a y i n a n d a b r o a d . wi t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f o u r e c o n o m y , t h e r e s t r i c t i o n o f t h e r a i l t r a n s p o rt a t i o n i s b e c o m i n g s e v e r e r a n d s e v e r e r , s o i t i s v e r y n e c e s s a r y t o d e v e l o p o u r o w n h i g h - s p e e d r a i l w a y . b a l l a s t l e s s s l a b t r a c k i s t h e m a i n s tr e a m o f s l a b s t r u c t u r e f o r h i g h - s p e e d r a i l w a y a b ro a d n o w . t h e a p p li c a t io n o f p o l y m e r s i n t h e s l a b t r a c k c a n n o t o n l y e n h a n c e t h e p e r f o r m a n c e , b u t a l s o c a n r e d u c e t h e c o s t t o a c e r t a i n e x t e n t . d e v e l o p i n g n e w ma t e r i a l s t h a t h a v e n o t b e e n s t u d i e d a n d u s e d i n c h i n a b u t h a v e g o o d f o r e g r o u n d o f u s e a b r o a d i s o f g re a t s i g n i f i c a n c e t o o u r c o u n t ry . i n t h e p a p e r , t h r o u g h t h e c o m p a r is o n w i t h s o m e o t h e r m a c r o m o l e c u l e m a t e r i a l s , t h e p o l y u r e t h a n e e l a s t o m e r c a n r e a c h t h e r e q u i r e m e n t s a n d c a n s u b s t i t u t e f o r c a s a n d s l u r ry b e s t . b e c a u s e o f t h e s p o t l i m i t a t i o n d u r i n g c o n s t r u c t i o n o f b a l l a s t l e s s s l a b t r a c k w h e n p o l y u r e t h a n e i s u s e d a s f i l l i n g m a t e r i a l , i t i s i m p o s s i b l e t o h e a t d u r i n g t h e p o l y u r e t h a n e c u r e p r o c e s s , a n d t h e p e r i o d i s lo n g . a i m e d a t t h e s h o r t c o m i n g , i t i s n e c e s s a r y t o d i s c u s s a n d e s t a b l i s h a f a s t - e x p e r i me n t w a y t h a t c a n b e u s e d i n l a b . f i r s t , t h r o u g h d s c a n d f t i r , t h e p o s t c u re t e m p e r a t u re i s d e t e r m i n a t e d . s e c o n d l y , a c c o r d i n g t o t h e f a c t , t h e p o s t c u r e t i me i s d e t e r mi n a t e d . f i n a l l y , c o mp a r e t h e p r o p e r i t i e s o f s a mp l e w h i c h i s p o s t c u r e w i t h t h a t w h i c h i s n o t p o s t c u r e . t h e r e s u l t p r o v e s t h a t u s i n g t h i s f a s t - e x p e r i m e n t w a y c a n c o n s u m e d l y r e d u c e t h e e x p e r i m e n t a l c y c l e i n o r d e r t o a c h i e v e t h e p r o p e rt i e s r e q u i r e d , w e m a i n l y s t u d i e d t h e e ff e c t s o f f a c t o r s o n t h e p r o p e rt i e s o f a m b i e n t - c u r i n g p o l y u r e t h a n e e l a s t o m e r . 1 . p o l 声y d r i c a l c o h o l . t h e t r i f u n c t i o n a l p o l y h y d r i c a l c o h o l i s m o r e , t h e e l a s t i c i t y c o e f f i c i e n t a n d s u r f a c e h a r d n e s s a r e h i g h e r . 2 . c a t a l y s t . t h e a p p r o p r i a t e d o s a g e o f c a t a l y s t i s d e t e r m i n a t e d . t o n - 3 3 0 , i t i s 0 . 1 5 % ; t o n - 2 2 0 , i t i s 0 .3 5 % . 3 . f i l l e r . t h e m o r e t h e s o l i d f i l l e r i s , t h e h i g h e r t h e p r o p e rt i e s o f p o l y u r e t h a n e e l a s t o m e r a r e . t h e e ff e c t o f l i q u i d f i l l e r i s m o r e p e r p l e x i n g . t h e b a d c o m p a t i b i l i t y o f l i q u i d p e t r o l e u m r e s i n a n d p o l y u r e t h a n e s y s t e m i n t h e e x p e r i m e n t i s a n a l y z e d a n d s o l v e d b y t h e w a y : a d d i n g s o l i d f i l l e r f i r s t , t h e n a d d i n g l i q u i d f i l l e r i n b a t c h e s a n d s t i r r i n g e q u a b l y . t h e p r o b le m o f a i r b l a d d e r i n t h e r e a c t i o n i s a l s o a n a l y z e d a n d s o l v e d i n t h e s e w a y s : d r y i n g a n d d e h y d r a t e o f t h e m a t e r i a l s i n a d v a n c e ; a d j u s t i n g t h e d o s a g e o f d e f o a mi n g a g e n t ; t h e b l e n d in g o f s o l i d f i l l e r s . a t l a s t w e r e a c h e d t h e p r o p e rt i e s r e q u i r e d i n e n g i n e e r i n g u s e a n d t h e m a t e r i a l c a n b e p u t i n t o u s e . k e y wo r d s : h i g h - s p e e d r a i l w a y , t h e r e s i n f i l l in g m a t e r i a l , p o l y u r e t h a n e e l a s t o m e r , a m b i e n t - c u r i n g 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高速铁路的发展现状及趋势 1 1 1 高速铁路简介 高速铁路是指运行时速度达到2 0 0 公里以上的客运专线。高速铁路以其速度快、 运能大、耗能少、安全舒适、污染小和占地少等优势，正受到越来越多的国家和地区 的重视，建设高速铁路己成为世界铁路发展的总趋势。 目前，国际上的几种高速铁路技术如图1 1 所示。 t 盛悬襻 c 法国t g g b 德幽1 e e a 日本新千线 图1 1 几种高速铁路技术 高速铁路按其列车的支承和推进原理可分为轮轨式和磁悬浮式。 目前世界上投入商业运营的高速铁路几乎都是轮轨式的，其最高试验速度已达到 每小时5 1 5 _ 3 公眼( 法国人西洋线) 。自1 9 6 4 年i 址界上第一条高速铁路日本尔海道新 二线问世以来，高速铁路以其运能大、速度快、安全性能好、占地少、能耗省、污染 轻以及成本低等优势展现出了强大的q 命力，j 高速公路和航空运输相比，娃优势运 蹭为3 0 0 1 5 0 0 公唯，继 i 奉、法国、德困、意人利、两班爿、比利时等阵l 继建成 西北t 业大学硕士学位论文 4 6 0 0 余公里高速铁路后，世界上正在建设和已立项准备建设的新线有4 5 条，总长为 1 1 0 0 0 公里。 磁悬浮的构想是由德国工程师何尔曼旨佩尔于1 9 2 2 年首先提出的，磁悬浮列 车包含有两项基本技术，一项是使列车悬浮起来的电磁系统，另一项是用于牵引的直 线电动机。1 9 3 4 年，德国人获得世界上第一台功能较强的磁悬浮技术专利，1 9 7 1 年 造出了世界上第一台功能较强的磁悬浮列车。目前只有日本和德国分别建成了长度为 1 8 。4 公里和3 1 5 公里的磁悬浮试验线，试验速度分别达到每小时5 5 2 和公里4 5 0 公里， 均未投入商业运营。世界上第一条投入商业运行的磁悬浮列车于2 0 0 2 年在上海建成 通车，2 0 0 4 年投入商业运行。 世界高速铁路发展大记事： 1 9 6 4 年全球首列高速列车在日本投入运行，时速为2 1 0 公里 1 9 7 2 年法国t g v ( 高速列车) 开始试车，时速为3 1 7 公里 1 9 8 1 年t g v 列车在法国东南部正式投入运行，时速为2 6 0 公里 1 9 8 5 年德国开始进行高速列车试验，时速达到3 4 5 公里 1 9 8 6 年比利时、荷兰、德国和英国决定联合修建高速铁路网 1 9 8 8 年德国i c e ( 城际高速列车) 成为全球首列时速达4 0 0 公里的高速路车 1 9 9 0 年法国t g v 运行时速达到5 1 5 3 公里，刨下世界纪录 1 9 9 1 年德国i c e 正式投入商业运行，时速为2 5 0 公里 1 9 9 3 年英吉利海峡隧道高速铁路建成，时速为3 0 0 公里 1 9 9 5 年韩国汉城至釜山高速铁路开工，1 9 9 9 年1 2 月开通 2 0 0 2 年世界第一条商业磁悬浮列车在上海运行，时速4 3 0 公里 许多国家都存在磁悬浮和轮轨高速的争论，莫衷一是。轮轨高速已经有4 0 多年 的发展史，现在每天有上百辆高速列车在各条线路上奔驰。而磁悬浮技术还处在试验 阶段，所以没有多少运营经验和应用数据。相对而言，轮轨是成熟的壮年，而磁悬浮 还是几个月大的婴儿。新技术的应用，要视铁路发展需要而定。从目前情况看，轮轨 高速已经可以满足人们对铁路的客运需求。数据表明，要在达到一定时速以后再提高 速度，能源等消耗会不成比例地猛增，而且对安全性能的要求变得越发严格，运营成 本因此增加许多。当人们由于对速度的要求使得磁悬浮有了市场，才会有其发展的必 要性。而现在轮轨高速的建设费用岢定大大低于磁悬浮铁路，丽且町以满足人们的需 求。 第 一 章绪论 2我国的高速铁路 2 . 1 我国发展高速铁路的必要性o f 高 速铁路比 其它运输形式具有技术经济优势。 第一， 高速铁路具有经济快捷的优 势。 第二， 高速铁路具有运量大的 优势。 第三， 高速铁路具有安 全舒适的优势.， 安全 性能比较好。 第四，高速铁路具有全天候优势。第五，高速铁路具有占地少、造价低 的优势。 我国全面建设小康社会需要高速铁路。经济的快速发展要求运输必须先行， 这就 要求铁路运输必须从运输数量和质量上都实现突破。 所以，发展高速铁路无疑具有重 要的意义。 伴随着中国经济的迅猛发展，铁路运输瓶颈制约越来越严重。我国铁路客运量潜 力非常巨大， 虽然自1 9 9 7 年连续几次大范围提速以 后， 铁路运 输能力紧张的 状况得 到了初步缓解， 但总体上运输能力仍然不足，现在运输设备的提速空间越来越小，不 能适应国民经济和社会发展的需要。 而高速铁路凭借自 身的 特点， 在增加铁路运力方 面具有明显优势， 由 此可以 认为从根本上解决 这一问题的最好办法， 就是下决心发展 我国的高速铁路。 而且我国人均资源贫乏， 石油和耕地等人均占有量都低于世界平均 水平，发展高速铁路将有望缓解这些矛盾和问题，为了适应可持续发展的战略需要， 我们也 应该把兴建高 速铁路纳入日 程。 实现国民 经济的全面、 协调、 可持续发展， 建 设高 速铁路、大力推进铁路跨越式发展已 刻不容缓。 特别是在经济发达、人口 稠密、 客货运量大的区段兴建高速铁路不失为最佳选择。 1 . 1 . 2 . 2 我国高速铁路的现状及发展趋势 为了适应我国发展的需要， 我国高 速铁路的建设问题正在受到各方面的高度重 视。1 9 9 0 年以 来为提高列车运行速度，铁路采取了 许多措施， 其中 包括对机车改造、 更新线路、改造车辆、更新调度、指挥系统信息化等等，这些措施 已经取得了一些成 效。1 9 9 1 年广州到深圳的 1 4 7公里铁路通过改造进行了准高速铁路施工，1 9 9 4年正 式投入运营， 这标志着我国已经迈出了向高速铁路进军的步伐。在秦沈客运专线的施 工中，首次 采用了一次性铺设超长 无缝线路技术， 最长达 1 8 8 公 里; 采用了高质量路 基填筑技术和桥上无碴轨道技术，有效保证了线路的平顺性; 研制铺设了高速大号码 道岔，使列车能够安全、快速、; r 稳地通过。 当然在我国发展高速铁路确实也存在着一些困难。 一 是科技方而的问题，高速铁 路w-用b f i 当名的高科枯，有此需要利用尖端技术。是资金刀向的问题总起来说， 西北工业大学硕士学位论文 高 速铁路的造价还是比较高。 我国目 前还属于发展中国家， 经济实力与发达国家相比 还有很大差距， 在建 造高速铁路方面因而也就存在一 定困难。 在国际上对于磁悬浮与轮轨的争论莫衷一是的 情况下， 我国的高 速铁路发展也遇 到了同样的问题。在京沪高速铁路的方案决策中，经过长时间的讨论，通过了京沪高 速铁路弃用磁悬浮、 采用轮轨技术的方案。 之 所以弃用磁悬浮， 是因为该项技术与我 国 现有轮轨技术不兼容，由于京沪铁路 衔接着其他 2 0多条干线，会产生大量换乘问 题。 另外， 磁悬浮的 成本过高，比 轮轨高 一倍。 而且上海的世界第一条商业磁悬浮铁 路出 现的路轨沉降 和缆线故障等等的 技术问 题， 使人们对这一 新技术的成熟性可 靠性 也提出了一定的质疑。这个决定是根据我国的具体情况做出的，是科学的。令人关注 的沪杭之间是否建设磁悬浮 铁路的问 题， 近日 终于尘埃落定. 国家发改委己 经批准沪 杭之间建设磁悬浮铁路，该工程将在今年开工兴建， 2 0 0 9 年完成。 国家有关部门对沪 杭磁浮铁路建设十分支持，国家发改委认为， 磁悬浮列车启动、制动快，安全性高， 对于提升一个地区的 影响力、 竞争力意义非凡， 同时将带动新型工业发展， 未来长三 角地区可能成为国际上的磁悬浮装备圈。 上海磁悬浮两年建成， 沪杭磁悬浮预计 3 至 4 年可以建成。 由于我国的高速铁路技术很落后，要发展必然要引进国际先进的技术。京沪高铁 高达 1 2 0 0亿元的 投资，吸引了已 掌握高 速铁路技术的 德、 法、日 三国使出浑身解数 来争夺。三国技术各有千秋，法国 t g v技术比较先进、德国i c e技术传动部分比较 先进， 而日 本新干线的 运营 经验和管理则比 较成熟， 而且新干线采用动力分散式也不 会造成动力浪费，代表高速铁路的发展趋势。正当三国的竞争进入白热化时，上海电 缆触头烧毁事件给磁悬浮技术 以很大打击，致令德方首先出局。综合考虑价格及技术 转让两个关键点， 以 及一些 政治因素， 法国阿尔斯通公司最终成为赢家。 我国正 式进 入高速铁路发展计划。 中国首条高速铁路沪汉蓉高速铁路建设项 目己于近日启动。按照规划，这条 高速铁路设计时速为 2 0 0公里，预计将于 2 0 2 0年前后建成。届时重庆到上海只需 8 小时，目 前重庆到上海铁路运行需 4 0多 小时。 到目 前为止，中国己 批准开工的高速 铁路项目有武汉至广州、郑州至西安、北京至天津、合肥至南京、合肥至武汉、温州 至福州等铁路，累计达 3 0 0 0公里。其中，武汉至广州、郑州至西安客运专线时速在 3 0 ( ) 公里以_ 匕 。 第 一 章绪论 2无碴轨道 高速铁路技术包括三个主要方面:车 辆、 路轨和管理。 车辆方面，由 于我 们的技 术差的较多， 初步计划是从技术先进的国 家引 进， 再一步步发展自己的技术。 管理方 面也要在发展的过程中， 借鉴先进的 经验的同时自己 慢慢地摸索。 而在路轨方面， 借 鉴国 外高速铁路的轨道结构形式， 结合我国既 有的技术基础， 研究适用我国铁 路特点 的无碴轨道结构，对我国高速铁路的发展有着极其重要的现实意义。 2 . 1 高速铁路轨道结构的基本类型1 - 9 3 从2 0 世纪6 0 年代开始，高 速铁路无碴轨道结构在日 本、德国、 英国、 意 大利等 国家得到了广泛应用。 以下概要介绍 目 前国外铁路应用较成熟的几种无碴轨道结构型 式。 ( d 日 本板式轨道。日 本铁路由 于其独特的 地理条件以 及劳动力短缺等原因， 极力发展板式轨道， 从2 0 世纪6 0 年代在山阳新干线试铺的8 k m板式 轨道算 起， 到 1 9 9 7 年完工的北陆新干线 1 5 5 k m板式轨道，累计铺设长度己超过 2 4 0 0 k m。日本铁 路在板式轨道研究发展过程中， 通过室内模型试验与现场试验段的运营考验，积累了 丰富的研究与实践经验。 开发出适用于隧道和高架桥上的a型轨道板、 框架式轨道板， 适用于土质路基上的r a型轨道板，以及防振型轨道板等;配合使用的 c a砂浆有适 用于温暖、 寒冷、 海岸线、修补等各种不同的配方， 从而构成了 不同使用范围的 板式 轨道系列。 ( 2 ) 德国r h e d a 型无碴轨道。 德国高速铁路对无碴轨道的 研究与应用主要针对 隧道和路基，1 9 5 9. 1 9 8 8 年的 试验阶段， 试铺了 各类无 碴轨道试验段3 6 处，累 计长 度达 2 1 .3 k m，到 1 9 8 9年基本定型，并开始成段铺设，截止到 1 9 9 7 年，共铺设无碴 轨道达 1 9 0 k m,其结构型式以r h e d a 型为主，在此基础上，通过在道床板与底座间 增设减振层，实现在特殊地段的减振要求。 ( 3 ) 弹性支 承块式无碴轨道。 弹性支承块式无碴轨道由 于其特有的减振、降噪、 减磨等优越性能而被世界上许多国家所采用，如瑞士、丹麦、英国等。设计时速 2 0 0 k m / h 的英吉利海底隧道通过多种无碴轨道结构比选， 采用了该种结构型式， 并于 1 9 9 3 年 6月开通运营。 美国成立的 s o n n e v i u e 国际集团公司还对该轨道 系统提供成套技术 咨询服务，其技术已相当成熟。我国的 1 8 k m 长秦岭隧道，也采用 了 这种结构型式。 ( 4 )其它结构3 f !1 式的无破轨道f l f f i 许多国家根据 自己的技术幕础 。 线路特 第 一 章绪论 2无碴轨道 高速铁路技术包括三个主要方面:车 辆、 路轨和管理。 车辆方面，由 于我 们的技 术差的较多， 初步计划是从技术先进的国 家引 进， 再一步步发展自己的技术。 管理方 面也要在发展的过程中， 借鉴先进的 经验的同时自己 慢慢地摸索。 而在路轨方面， 借 鉴国 外高速铁路的轨道结构形式， 结合我国既 有的技术基础， 研究适用我国铁 路特点 的无碴轨道结构，对我国高速铁路的发展有着极其重要的现实意义。 2 . 1 高速铁路轨道结构的基本类型1 - 9 3 从2 0 世纪6 0 年代开始，高 速铁路无碴轨道结构在日 本、德国、 英国、 意 大利等 国家得到了广泛应用。 以下概要介绍 目 前国外铁路应用较成熟的几种无碴轨道结构型 式。 ( d 日 本板式轨道。日 本铁路由 于其独特的 地理条件以 及劳动力短缺等原因， 极力发展板式轨道， 从2 0 世纪6 0 年代在山阳新干线试铺的8 k m板式 轨道算 起， 到 1 9 9 7 年完工的北陆新干线 1 5 5 k m板式轨道，累计铺设长度己超过 2 4 0 0 k m。日本铁 路在板式轨道研究发展过程中， 通过室内模型试验与现场试验段的运营考验，积累了 丰富的研究与实践经验。 开发出适用于隧道和高架桥上的a型轨道板、 框架式轨道板， 适用于土质路基上的r a型轨道板，以及防振型轨道板等;配合使用的 c a砂浆有适 用于温暖、 寒冷、 海岸线、修补等各种不同的配方， 从而构成了 不同使用范围的 板式 轨道系列。 ( 2 ) 德国r h e d a 型无碴轨道。 德国高速铁路对无碴轨道的 研究与应用主要针对 隧道和路基，1 9 5 9. 1 9 8 8 年的 试验阶段， 试铺了 各类无 碴轨道试验段3 6 处，累 计长 度达 2 1 .3 k m，到 1 9 8 9年基本定型，并开始成段铺设，截止到 1 9 9 7 年，共铺设无碴 轨道达 1 9 0 k m,其结构型式以r h e d a 型为主，在此基础上，通过在道床板与底座间 增设减振层，实现在特殊地段的减振要求。 ( 3 ) 弹性支 承块式无碴轨道。 弹性支承块式无碴轨道由 于其特有的减振、降噪、 减磨等优越性能而被世界上许多国家所采用，如瑞士、丹麦、英国等。设计时速 2 0 0 k m / h 的英吉利海底隧道通过多种无碴轨道结构比选， 采用了该种结构型式， 并于 1 9 9 3 年 6月开通运营。 美国成立的 s o n n e v i u e 国际集团公司还对该轨道 系统提供成套技术 咨询服务，其技术已相当成熟。我国的 1 8 k m 长秦岭隧道，也采用 了 这种结构型式。 ( 4 )其它结构3 f !1 式的无破轨道f l f f i 许多国家根据 自己的技术幕础 。 线路特 西北工业大学硕士学位论文 点，开发出多种型式的无碴轨道结构， 如:英国的以c t型、法国的v s b型、意大利 的i p a型等。 我国 在秦沈客运专线的施工中， 借鉴了日 本板式无碴轨道的成熟技术和发展模 式， 结合我国既有的技术基础， 研究适用于我国铁路特点的 无碴轨道结构， 是我国高 速铁路发展的一个新起点。 此后， 在多处铁路的 桥梁、 隧 道施工中采用板式无碴轨道， 研究新材料在板式无碴轨道中的 应用是高速铁路发展的一个 方向。 1 . 2 . 2 无碴轨道缭合经济效益 从国内 外无碴轨道的 初期投资看， 无论哪种结构型式都肯定要比有碴轨道大， 如: 我国2 0 世纪6 0 年代施工的成昆 线整体道床造价比同 样条件下碎石道床高出1 4 . 2 % 一 2 2 .5 % ;在运营线上铺设整体道床则约高3 0 % 5 0 % 。英国p a c t 型 无碴轨道造价高 出 碎石道床约 1 7 % -3 3 % ;日 本板式轨道的 造价为有碴轨道的 1 2 倍。但无碴轨道 结构可大幅度减少养护维修费用， 减少列车限速、中断 行车等 对运营的 干扰， 因此被 世界各国 所公认。我国 各铁路局统计资料表明， 一般情况下， 隧道内 无碴轨道线路可 减少养护维修费用约5 0 % ， 由 于取消了道 碴， 可不进行轨道中 修， 大修的内容也减少。 特别对于长大隧道、 繁忙千线、 高架桥上等养护维修困 难地段， 无碴轨道不仅节省了 养护维修费用， 减少了对运营的干扰， 而且大大改善了 工人的劳动条件， 消除了 有碴 轨道中 频繁的道碴清筛、 捣固等繁重的 体力劳动， 将会带来显著的 社会效益与经济效 益 。 综合考虑轨道与结构物 ( 如:桥、隧)的工程总费用，由于无碴轨道的单线每千 米重量要小于有碴轨道， 对于桥上 无碴轨道来说， 可减轻桥梁的二 期恒载， 在一定 程 度上可节省桥梁、 墩台的造价: 对于隧道内的无碴轨道， 由于其结构高 度低， 可降 低 隧道净空，减小隧道的开挖面，同样可降低工程造价。 1 . 3树脂填充材料在板式无碴轨道中的应用 在轨道结构技术中， 新材料的 应用是很重要的一个方面。 传统材料的 应用技 术早 己成熟，如何使新型材料代替某些传统材料，以提高性能，增加可靠性，是一个重要 的研究 方向。 国 外关于高分子材料在高速铁路上的 应用的研究着手较早， 进行的也比 较多， 如作为弹性材料用于减震、降低噪音等1 9 1 。 本课题主要研究高分子弹性材料在板式无碴轨道中的应用， 特别是研究高速铁路 轨道板下的树脂填充材料。 西北工业大学硕士学位论文 点，开发出多种型式的无碴轨道结构， 如:英国的以c t型、法国的v s b型、意大利 的i p a型等。 我国 在秦沈客运专线的施工中， 借鉴了日 本板式无碴轨道的成熟技术和发展模 式， 结合我国既有的技术基础， 研究适用于我国铁路特点的 无碴轨道结构， 是我国高 速铁路发展的一个新起点。 此后， 在多处铁路的 桥梁、 隧 道施工中采用板式无碴轨道， 研究新材料在板式无碴轨道中的 应用是高速铁路发展的一个 方向。 1 . 2 . 2 无碴轨道缭合经济效益 从国内 外无碴轨道的 初期投资看， 无论哪种结构型式都肯定要比有碴轨道大， 如: 我国2 0 世纪6 0 年代施工的成昆 线整体道床造价比同 样条件下碎石道床高出1 4 . 2 % 一 2 2 .5 % ;在运营线上铺设整体道床则约高3 0 % 5 0 % 。英国p a c t 型 无碴轨道造价高 出 碎石道床约 1 7 % -3 3 % ;日 本板式轨道的 造价为有碴轨道的 1 2 倍。但无碴轨道 结构可大幅度减少养护维修费用， 减少列车限速、中断 行车等 对运营的 干扰， 因此被 世界各国 所公认。我国 各铁路局统计资料表明， 一般情况下， 隧道内 无碴轨道线路可 减少养护维修费用约5 0 % ， 由 于取消了道 碴， 可不进行轨道中 修， 大修的内容也减少。 特别对于长大隧道、 繁忙千线、 高架桥上等养护维修困 难地段， 无碴轨道不仅节省了 养护维修费用， 减少了对运营的干扰， 而且大大改善了 工人的劳动条件， 消除了 有碴 轨道中 频繁的道碴清筛、 捣固等繁重的 体力劳动， 将会带来显著的 社会效益与经济效 益 。 综合考虑轨道与结构物 ( 如:桥、隧)的工程总费用，由于无碴轨道的单线每千 米重量要小于有碴轨道， 对于桥上 无碴轨道来说， 可减轻桥梁的二 期恒载， 在一定 程 度上可节省桥梁、 墩台的造价: 对于隧道内的无碴轨道， 由于其结构高 度低， 可降 低 隧道净空，减小隧道的开挖面，同样可降低工程造价。 1 . 3树脂填充材料在板式无碴轨道中的应用 在轨道结构技术中， 新材料的 应用是很重要的一个方面。 传统材料的 应用技 术早 己成熟，如何使新型材料代替某些传统材料，以提高性能，增加可靠性，是一个重要 的研究 方向。 国 外关于高分子材料在高速铁路上的 应用的研究着手较早， 进行的也比 较多， 如作为弹性材料用于减震、降低噪音等1 9 1 。 本课题主要研究高分子弹性材料在板式无碴轨道中的应用， 特别是研究高速铁路 轨道板下的树脂填充材料。 第一章绪论 3 . 1 高 速铁路板式无 碴轨道结构 图1 .2 传 统高 速 铁路 板 式 无 碴 轨 道结 构 示 意 图 1 2 1 如图 1 . 2 所示， 在高速铁路板式无碴轨道结 构中， 作为钢轨的夹垫、 撑垫和轨枕 的垫件， 轨道板与凸形混凝土 挡台之间， 混凝土底座与轨道板之间都要用到弹 性材料。 如混凝土底座与轨道板之间的调整层， 传统上采用的是水泥沥青 砂浆( 简称c a 砂浆) 。 c a砂浆作为填充材料的 主要目 的，其一是可部分提供轨道弹性;其二是可完全 填满 轨道板和混凝土基床板的间隙;其三是可对下部结构变形在某一限度内进行修补。 2 0 世纪5 0 年代初，国 外就开始采用橡胶材料作为铁路钢轨垫件; 7 0 年代随 着铁 路列车速度的 加快. 在轨道结构中 采用了 天然橡胶、 氯丁橡胶、 聚氨a a 橡胶和橡塑等 弹性体， 作为钢轨的夹垫、 撑垫和轨枕的垫件; 8 0 年代低发泡聚氨酷弹性材料 已广泛 用于轨道结构材料。 根据高速铁路，无论是直结轨道还是道碴轨道，使用的材料以能降低铁路路基、 列 车的 振 动 和 噪 音为 原 则， 对材 料 的 选 择 应 满足 如 下 技 术要 求 : ( 1 ) 能 长 期 支 撑 沉 重的 钢 轨 和轨 枕， 且能 经受 列 车 运 动负 荷: ( 2 ) 能 抑制 行 使 列 车向 路 基传 递 振 动， 以 减 少路 基的 二 次 噪 音; ( 3 ) 耐 天 候、 耐 挤 压、 耐 磨 损、 耐 剪 切、 耐 腐 蚀; (4 ) 粘 合性 强， 不易 剥落; ( 5 ) 能工业化生产， 用量少，价廉，成本低。 就板式轨道的填充材料而言， 一般是 采用c a砂浆， 但在 特殊情况下应使用树脂 填充材料，对于斜边轨道板、道岔轨道板，以及轨道板底面 与高架桥板面或混凝土基 座之间的填充厚度小于 3 0 m m时， 或者对一 于 轨道板缺c l 部分 与 挡台部分之间的i间 距因 施 c 过窄时，考虑到 c a砂浆强度不够，而使川树脂体系。 西北工业大学硕上学位论文 作为轨道用填充材料的合成树脂，最初用于沟头道钉的补强以及桥枕下的衬垫 等，使用数量很少，均属试用。树脂在现场施工中大量应用最初是在 1 9 8 0年，修建 日本的东北和上越新干线时为道岔轨道板上的填充材料。自在道岔轨道板上应用以 来， 合成树脂所具有的良 好施工性和可调节强、 韧的弹性系数等特点受到关注， 逐渐 在弹直轨 道、 斜角轨道板以 及木岔枕直结轨道中 采用， 此后， 又进一步用作 轨道板下 填充层和凸形挡台周围 c a砂浆等损伤的修补。虽然合成树脂己成为直结轨道 ( 无碴 轨道)的不可缺少的填充材料，但由于要达到规定的 性能一般均由 高分子材料组成， 作为土建材料， 价格是偏高的， 为预拌混凝土价格的2 0 3 0倍。随着无碴轨道应 用 的扩大，降低价格的要求趋于强烈， 1 9 8 2 年以后在 日本立为技术课题予以解决， 1 9 8 6 年达到期望目 的 i i i 。 目 前日 本己 实现了 低廉轨道用树脂填充材料 在一些高铁线路中的 实用化。 1 . 3 . 2 树脂和 c a砂浆填充材料的特性比较 树脂与 c a 砂浆的特性相比， 强度、弹性和耐久性均优，具有施工设备少， 质量 管理容易等特点。 并且，由 于可向 微细的孔隙注入， 又能缩短硬化时间，因 而具有可 在列车间隔时间短的时间内进行注入作业的优点。且其性能 ( 如弹性系数)的可调节 性使得它在不同路段的 应用成为可能。如表 1 . 1 所示。 表1 . 1 树脂和c a砂浆填充材料的 特性比 较 1 2 1 西北工业大学硕上学位论文 作为轨道用填充材料的合成树脂，最初用于沟头道钉的补强以及桥枕下的衬垫 等，使用数量很少，均属试用。树脂在现场施工中大量应用最初是在 1 9 8 0年，修建 日本的东北和上越新干线时为道岔轨道板上的填充材料。自在道岔轨道板上应用以 来， 合成树脂所具有的良 好施工性和可调节强、 韧的弹性系数等特点受到关注， 逐渐 在弹直轨 道、 斜角轨道板以 及木岔枕直结轨道中 采用， 此后， 又进一步用作 轨道板下 填充层和凸形挡台周围 c a砂浆等损伤的修补。虽然合成树脂己成为直结轨道 ( 无碴 轨道)的不可缺少的填充材料，但由于要达到规定的 性能一般均由 高分子材料组成， 作为土建材料， 价格是偏高的， 为预拌混凝土价格的2 0 3 0倍。随着无碴轨道应 用 的扩大，降低价格的要求趋于强烈， 1 9 8 2 年以后在 日本立为技术课题予以解决， 1 9 8 6 年达到期望目 的 i i i 。 目 前日 本己 实现了 低廉轨道用树脂填充材料 在一些高铁线路中的 实用化。 1 . 3 . 2 树脂和 c a砂浆填充材料的特性比较 树脂与 c a 砂浆的特性相比， 强度、弹性和耐久性均优，具有施工设备少， 质量 管理容易等特点。 并且，由 于可向 微细的孔隙注入， 又能缩短硬化时间，因 而具有可 在列车间隔时间短的时间内进行注入作业的优点。且其性能 ( 如弹性系数)的可调节 性使得它在不同路段的 应用成为可能。如表 1 . 1 所示。 表1 . 1 树脂和c a砂浆填充材料的 特性比 较 1 2 1 第 一 章绪论 1 . 3 . 3 低价树脂填充材料 由 于树脂材料价格较高， 难以实现大规模应用。 要实现树脂填充料大规模应用， 就要降 低其成 本。 而降 低价 格一般有以 下三个方法:( 1 ) 掺加填料物质; ( 2 ) 采用特 殊模板方式; ( 3 ) 变更合成树脂的 成分。( 1 ) 和 ( 2 ) 是在物性容许范围内 减少合成 树脂的 用量， ( 3 ) 是降低合成树脂总的 价格。 三种方法合并使用， 效果更好。 但由于 ( 2 )中特殊模板的材质选择及制作均很麻烦，未必能降 低价格，至 今未实用。我们 主要采用的是 ( 1 ) , ( 3 )两种方法来降低价格。 树脂填充材料在我国还没有研究使用过，没有 自己的技术就要引进材料，价格肯 定是相当昂 贵的， 本课题的目 的就是研制属于我国的低廉轨道用树脂填充材料， 尽量 降低树脂填充 料的价 格， 找到一个合理的 性价比， 为我国高速铁路中轨道板板下树脂 填充层取代c a砂浆提供可能， 为提高我国 高速铁路技术做出 贡献。 此树脂填充材料 若得以在路轨中大规模应用将标志着我国高速铁路技术迈上一个新的台阶。 低价树脂填充材 料的主要成分适用于 现场施工的 有: 液态高分子的 聚氨醋系、 环 氧系树脂、不 饱和聚酷系 i i l 环氧树脂室温固化慢，弹性可调整范围小，强度好，硬而脆，弹性差;低价格的 环氧树脂， 与以 前的 产品比 较，需要降低反应性树脂的份量， 选择不降低强度、 相容 性好的树脂，增加其非反应性成分的份量。 不饱和聚酷树脂， 室温固化快， 粘度低， 硬而脆， 可通过与芳香 族和脂肪族成分 的不同配比来调整其交联密度，从而得到具有可挠性和韧性的不饱和聚醋系树脂。可 以掺入大量的填料，降低价格。 聚 氨酷 树 脂固 化 速 度 较 快， 弹 性 调整 容易 一且 可 调 整范 围 大 ， 强 度 居中 。 不 使 用胺 类化合 物和沥青，在安全方面有了很大的改善。而且采用反应基浓度高的异氰酸醋 可减少树脂用量，降低价格，也可以加入各种填料降低价格。 对于我们所研究轨道板下树脂填充材料来说， 要求弹性的可调节性好， 价格低廉， 有较好的施工性。综合考虑_ l 述三种树脂的性能，最终选定聚氨酷树脂。 4聚氨酉 旨 弹性体 4 . 1 聚氨醋合成材料发展简史与现状( 5 1 聚氨ffl ,i 合成材料是当今川界六 人介成材料之是 一 种介于 一 般橡胶和iv- 6 塑料 第 一 章绪论 1 . 3 . 3 低价树脂填充材料 由 于树脂材料价格较高， 难以实现大规模应用。 要实现树脂填充料大规模应用， 就要降 低其成 本。 而降 低价 格一般有以 下三个方法:( 1 ) 掺加填料物质; ( 2 ) 采用特 殊模板方式; ( 3 ) 变更合成树脂的 成分。( 1 ) 和 ( 2 ) 是在物性容许范围内 减少合成 树脂的 用量， ( 3 ) 是降低合成树脂总的 价格。 三种方法合并使用， 效果更好。 但由于 ( 2 )中特殊模板的材质选择及制作均很麻烦，未必能降 低价格，至 今未实用。我们 主要采用的是 ( 1 ) , ( 3 )两种方法来降低价格。 树脂填充材料在我国还没有研究使用过，没有 自己的技术就要引进材料，价格肯 定是相当昂 贵的， 本课题的目 的就是研制属于我国的低廉轨道用树脂填充材料， 尽量 降低树脂填充 料的价 格， 找到一个合理的 性价比， 为我国高速铁路中轨道板板下树脂 填充层取代c a砂浆提供可能， 为提高我国 高速铁路技术做出 贡献。 此树脂填充材料 若得以在路轨中大规模应用将标志着我国高速铁路技术迈上一个新的台阶。 低价树脂填充材 料的主要成分适用于 现场施工的 有: 液态高分子的 聚氨醋系、 环 氧系树脂、不 饱和聚酷系 i i l 环氧树脂室温固化慢，弹性可调整范围小，强度好，硬而脆，弹性差;低价格的 环氧树脂， 与以 前的 产品比 较，需要降低反应性树脂的份量， 选择不降低强度、 相容 性好的树脂，增加其非反应性成分的份量。 不饱和聚酷树脂， 室温固化快， 粘度低， 硬而脆， 可通过与芳香 族和脂肪族成分 的不同配比来调整其交联密度，从而得到具有可挠性和韧性的不饱和聚醋系树脂。可 以掺入大量的填料，降低价格。 聚 氨酷 树 脂固 化 速 度 较 快， 弹 性 调整 容易 一且 可 调 整范 围 大 ， 强 度 居中 。 不 使 用胺 类化合 物和沥青，在安全方面有了很大的改善。而且采用反应基