重載鐵路混凝土軌枕磨損機(jī)制及修復(fù)技術(shù)

重載鐵路混凝土軌枕磨損機(jī)制及修復(fù)技術(shù)張海明【摘要】TheheavyhaulrailwayisanimportantmeasuretoincreasethetransportationcapacityinChinaandhasbecomethedevelopmentdirectionoffreightrailway.Duetothehighfrequencyandstrengthofcyclictrainload,itcaneasilyleadtothefatiguewearoftherubberpadandthesleeperbearingsurface,resultinginthefailuretomeetthedesignservicelifeoftheheavyhaulsleeper.Inordertosolvetheproblemofthesleeperwear,thesleeperwearmechanismwasanalyzedandamethodofsleeperrepair,insteadofsleeperreplacement,wasputforward.Thesleeperwearrepairtechnologycanprolongtheservicelifeofthesleeper.Inaddition,thepaperanalyzedtheeconomicbenefitsoftherepairtechnologyaswell.%發(fā)展重載鐵路運(yùn)輸是我國(guó)解決鐵路運(yùn)輸能力緊張的重要措施,是我國(guó)鐵路貨運(yùn)發(fā)展的方向.重載鐵路列車(chē)周期疲勞荷載的頻率大且強(qiáng)度高，在其長(zhǎng)期作用下橡膠墊板與軌枕承軌面易產(chǎn)生疲勞磨損，導(dǎo)致軌枕未達(dá)到設(shè)計(jì)服役年限便出現(xiàn)了嚴(yán)重的傷損現(xiàn)象.本文針對(duì)重載軌枕磨損現(xiàn)狀，分析了軌枕磨損機(jī)制，提出了一種以修代換的方式處理軌枕磨損問(wèn)題.通過(guò)軌枕磨損修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，延長(zhǎng)了軌枕的安全服役周期.此外從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性角度分析了軌枕磨損修復(fù)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益.【期刊名稱(chēng)】《鐵道建筑》【年(卷)，期】2017(000)005【總頁(yè)數(shù)】3頁(yè)(P131-133)【關(guān)鍵詞】重載鐵路;混凝土軌枕;磨損;換枕;修復(fù);修補(bǔ)材料;經(jīng)濟(jì)性分析【作者】張海明【作者單位】太原鐵路局,山西太原030013【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】U213.3;U239.4重載鐵路已經(jīng)成為世界各國(guó)鐵路貨運(yùn)發(fā)展的主要方向，也是我國(guó)解決目前鐵路運(yùn)輸能力緊張的重要措施［1-2］。近年來(lái)，隨著1萬(wàn)t、2萬(wàn)t,甚至3萬(wàn)t重載列車(chē)的陸續(xù)開(kāi)行，我國(guó)重載鐵路年運(yùn)量逐漸攀升。運(yùn)量大、軸重大的2大特點(diǎn)必然使軌枕承受較大的荷載，由此造成軌枕結(jié)構(gòu)的破壞速度較普通線路快［3］，從而使線路維修養(yǎng)護(hù)工作量和維修成本都較普通線路大。在長(zhǎng)期的列車(chē)荷載作用下，線路的軌道幾何尺寸不斷變化，路基及軌枕不斷產(chǎn)生變形，鋼軌、聯(lián)結(jié)件及軌枕不斷磨損，致使線路設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)不斷發(fā)生變化。為使線路長(zhǎng)期保持良好狀態(tài)，必須定期對(duì)線路基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)。貨運(yùn)重載的實(shí)施給線路的養(yǎng)護(hù)維修提出了更高的要求。隨著運(yùn)量的增加，軌枕受到列車(chē)周期疲勞荷載作用的頻率加大，強(qiáng)度增高，沖擊加大，磨損加大。加之軌下橡膠墊板剛度高，橡膠墊板與軌枕承軌面極易產(chǎn)生疲勞磨損，嚴(yán)重處磨損深度約10mm,軌枕受力面呈條紋狀（見(jiàn)圖1）。往往軌枕未達(dá)到設(shè)計(jì)服役年限便出現(xiàn)了嚴(yán)重的傷損現(xiàn)象。一旦軌枕磨損現(xiàn)象產(chǎn)生，軌下墊板就喪失了荷載緩沖和減振作用，必然會(huì)對(duì)軌道平順性造成影響，導(dǎo)致軌距、高低、曲線正矢等幾何尺寸超限，繼續(xù)發(fā)展就會(huì)造成軌枕失效甚至危及行車(chē)安全［4-5］。目前，對(duì)于軌枕磨損病害，達(dá)到失效等級(jí)后就須進(jìn)行軌枕更換處理。軌枕磨損現(xiàn)象一旦產(chǎn)生，會(huì)加速與之接觸的橡膠墊板的磨損，橡膠墊板磨損又會(huì)進(jìn)一步加劇軌枕磨損。如果對(duì)軌枕磨損不加以定期的維修，磨損程度就會(huì)隨著服役年限的增長(zhǎng)而加劇，久而久之承軌面就會(huì)喪失承力、傳力的功能，進(jìn)而影響軌枕使用壽命。因此為了保證重載線路的安全可靠，必須在一定時(shí)期內(nèi)對(duì)磨損軌枕進(jìn)行更新維護(hù)［6］。軌枕修復(fù)步驟如下:①松開(kāi)軌枕磨損嚴(yán)重部位兩側(cè)一定范圍內(nèi)的扣件，抬升鋼軌;②用鏟刀、毛刷等機(jī)具清除軌枕表面雜質(zhì)，并用吹風(fēng)機(jī)吹掃軌枕磨損部位，確保軌枕表面混凝土干凈且無(wú)明水;③刷涂界面劑，并在磨損部位支立模板;④按照一定的液料比進(jìn)行稱(chēng)量，并采用手持式攪拌機(jī)將干料與液料混合均勻;⑤將攪拌好的砂漿灌注在模板內(nèi)，用抹刀將表面抹平;⑥待材料凝結(jié)后，將模板拆除，重新安裝扣件;⑦軌道狀態(tài)精調(diào)，恢復(fù)線路。軌枕磨損修護(hù)效果如圖2所示。修補(bǔ)材料的性能直接決定修補(bǔ)效果，選擇合適的修補(bǔ)材料是解決重載軌枕磨損問(wèn)題的關(guān)鍵?？紤]到重載鐵路列車(chē)軸重大、密度高的特點(diǎn)，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所研發(fā)出了一種適用于重載鐵路混凝土軌枕磨損修復(fù)的TK-M60型修補(bǔ)材料。該材料2h抗壓強(qiáng)度可達(dá)到30MPa,黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)1.5MPa以上。通過(guò)采用聚合物改性、粒度匹配優(yōu)化、組分設(shè)計(jì)等技術(shù)，TK-M60型修補(bǔ)材料具有施工時(shí)間可調(diào)、強(qiáng)度發(fā)展可控等特點(diǎn)，能夠滿足重載鐵路軌枕磨損快速修復(fù)的要求，可實(shí)現(xiàn)天窗時(shí)間內(nèi)修補(bǔ)、天窗時(shí)間后列車(chē)正常通行的要求。軌枕磨損修補(bǔ)材料除需要滿足早強(qiáng)、快硬、高強(qiáng)等力學(xué)性能特點(diǎn)外，還需要具有一定的尺寸穩(wěn)定性和耐久性，以及滿足與修補(bǔ)基材界面黏結(jié)牢固、易于施工等性能要求。另外，還應(yīng)根據(jù)修補(bǔ)對(duì)象環(huán)境的不同而具有某些特殊的性能。因此在考慮修補(bǔ)環(huán)境的前提下，有針對(duì)性地研究開(kāi)發(fā)適應(yīng)不同修補(bǔ)條件的系列修補(bǔ)材料，以利于施工。根據(jù)修補(bǔ)材料相容性原則，重載鐵路混凝土軌枕修補(bǔ)材料應(yīng)有的性能指標(biāo)分述如下。1） 抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)來(lái)說(shuō)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度是最基本的性能指標(biāo)。它決定了混凝土軌枕的修補(bǔ)質(zhì)量。較高的抗壓強(qiáng)度、良好的抗折強(qiáng)度是修補(bǔ)材料必不可少的性能。材料干料中水泥的含量是影響其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，而早強(qiáng)劑的含量極大地影響砂漿早期強(qiáng)度的發(fā)展。同時(shí)，聚合物的添加量也會(huì)影響抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。2） 黏結(jié)強(qiáng)度新老混凝土的黏結(jié)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程。黏結(jié)力的產(chǎn)生不僅取決于新材料和物體表面的結(jié)構(gòu)與狀態(tài)，而且與黏結(jié)過(guò)程的工藝條件密切相關(guān)［7］。新老材料的黏結(jié)強(qiáng)度是判斷修補(bǔ)材料性能優(yōu)劣的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。它比自身強(qiáng)度更重要。如果黏結(jié)強(qiáng)度低，材料的抗壓、抗折強(qiáng)度再高也不能充分發(fā)揮作用。新舊混凝土界面結(jié)構(gòu)類(lèi)似于普通水泥混凝土過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)，即使不考慮收縮對(duì)強(qiáng)度的影響，界面強(qiáng)度也低于修補(bǔ)材料本身的強(qiáng)度。在修補(bǔ)過(guò)程中，舊混凝土開(kāi)裂時(shí)，在舊混凝土的開(kāi)裂面上形成一層強(qiáng)度受損的薄弱層，也直接影響新舊混凝土界面的黏結(jié)強(qiáng)度。所以，修補(bǔ)材料的黏結(jié)強(qiáng)度是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)。3） 干縮性能由于被修補(bǔ)的軌枕混凝土已經(jīng)硬化，而修補(bǔ)材料在硬化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生收縮，當(dāng)這種收縮受基體的約束作用時(shí)，材料內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生裂紋。所以在一般情況下，材料的收縮性將決定其是否會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂進(jìn)而導(dǎo)致黏結(jié)失效。因此，修補(bǔ)材料的干縮性能是一項(xiàng)重要指標(biāo)。1）工藝簡(jiǎn)單快捷，修復(fù)效率高—旦軌枕磨損達(dá)到失效等級(jí)就必須采取措施進(jìn)行修復(fù)或更換［8］。更換新軌枕雖然可有效解決軌枕失效問(wèn)題，但致使大量軌枕因磨損而無(wú)法使用，針對(duì)這一情況，采用軌枕磨損修復(fù)技術(shù)具有修復(fù)工藝簡(jiǎn)單快捷、修復(fù)效率高的特點(diǎn)，延長(zhǎng)了磨損軌枕的安全服役周期。重載線路天窗時(shí)間短，傷損軌枕數(shù)量大，維修任務(wù)重。采用以修復(fù)代替更換的思路，在保證運(yùn)營(yíng)安全的前提下，對(duì)本應(yīng)該廢棄的混凝土軌枕進(jìn)行簡(jiǎn)單的修復(fù)后，恢復(fù)其安全服役條件，既大大減少了軌枕更換的工作量，又提高了對(duì)線路設(shè)備的整修效率，為其他整修任務(wù)贏得了更多時(shí)間。每根重載混凝土軌枕的質(zhì)量是385kg，一般需要4個(gè)成年人才能抬動(dòng)，而對(duì)傷損混凝土軌枕進(jìn)行修復(fù)，只需要2個(gè)人即可。2）經(jīng)濟(jì)性分析相比于整體更換軌枕的費(fèi)用而言，對(duì)軌枕磨損部位進(jìn)行修復(fù)的費(fèi)用大幅度降低。從全壽命期的經(jīng)濟(jì)性考慮，采用軌枕磨損修復(fù)技術(shù)在全壽命期內(nèi)維修費(fèi)用要比軌枕整體更換低得多。對(duì)軌枕傷損后更換及修復(fù)2種不同方案進(jìn)行了基本費(fèi)用分析，結(jié)果見(jiàn)表1和表2。其中各部分費(fèi)用均為每根軌枕開(kāi)銷(xiāo)。由表1、表2可知，采用更換軌枕的方案，更換單根軌枕所需時(shí)間是180min，需要花費(fèi)615元。而采用軌枕磨損修復(fù)技術(shù)，修復(fù)單根軌枕需120min，僅花費(fèi)150元。修復(fù)效率提高了1.5倍，成本降低76%。因此，軌枕磨損修復(fù)技術(shù)在重載鐵路上的應(yīng)用不僅提高了軌枕傷損修復(fù)效率，而且有效降低了施工成本。通過(guò)對(duì)軌枕磨損進(jìn)行修復(fù)，省去軌枕更換作業(yè)中道砟清填、軌枕搬運(yùn)等重體力工序，減少了工務(wù)部門(mén)的工作量，降低了養(yǎng)護(hù)維修成本，極大地提高了整治效率，修復(fù)效率提高1.5倍，成本降低76%，對(duì)于延長(zhǎng)軌枕的服役壽命具有重要意義。鐵科院鐵建所研制的TK-M60型修補(bǔ)材料經(jīng)過(guò)了3年的應(yīng)用檢驗(yàn)，修補(bǔ)效果良好，未出現(xiàn)二次傷損情況，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】[1]張馳易.重載鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析[D].成都:西南交通大學(xué)，2012.[2]陳秀方.軌道工程[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.[3]尹成斐.重載對(duì)鐵路軌道結(jié)構(gòu)破壞作用分析[J].鐵道建筑，2012(9):135-137.[4]尤瑞林，范佳，劉偉斌，等.30t軸重重載鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕設(shè)計(jì)研究[J].鐵道建筑,2015(1):113-118.[5]中國(guó)鐵道科