重載鐵路混凝土軌枕磨損機制及修復(fù)技術(shù)

重載鐵路混凝土軌枕磨損機制及修復(fù)技術(shù)張海明【摘要】TheheavyhaulrailwayisanimportantmeasuretoincreasethetransportationcapacityinChinaandhasbecomethedevelopmentdirectionoffreightrailway.Duetothehighfrequencyandstrengthofcyclictrainload,itcaneasilyleadtothefatiguewearoftherubberpadandthesleeperbearingsurface,resultinginthefailuretomeetthedesignservicelifeoftheheavyhaulsleeper.Inordertosolvetheproblemofthesleeperwear,thesleeperwearmechanismwasanalyzedandamethodofsleeperrepair,insteadofsleeperreplacement,wasputforward.Thesleeperwearrepairtechnologycanprolongtheservicelifeofthesleeper.Inaddition,thepaperanalyzedtheeconomicbenefitsoftherepairtechnologyaswell.%發(fā)展重載鐵路運輸是我國解決鐵路運輸能力緊張的重要措施,是我國鐵路貨運發(fā)展的方向.重載鐵路列車周期疲勞荷載的頻率大且強度高，在其長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)計服役年限便出現(xiàn)了嚴(yán)重的傷損現(xiàn)象.本文針對重載軌枕磨損現(xiàn)狀，分析了軌枕磨損機制，提出了一種以修代換的方式處理軌枕磨損問題.通過軌枕磨損修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，延長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】《鐵道建筑》【年(卷)，期】2017(000)005【總頁數(shù)】3頁(P131-133)【關(guān)鍵詞】重載鐵路;混凝土軌枕;磨損;換枕;修復(fù);修補材料;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【正文語種】中文【中圖分類】U213.3;U239.4重載鐵路已經(jīng)成為世界各國鐵路貨運發(fā)展的主要方向，也是我國解決目前鐵路運輸能力緊張的重要措施［1-2］。近年來，隨著1萬t、2萬t,甚至3萬t重載列車的陸續(xù)開行，我國重載鐵路年運量逐漸攀升。運量大、軸重大的2大特點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。在長期的列車荷載作用下，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。為使線路長期保持良好狀態(tài)，必須定期對線路基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)。貨運重載的實施給線路的養(yǎng)護(hù)維修提出了更高的要求。隨著運量的增加，軌枕受到列車周期疲勞荷載作用的頻率加大，強度增高，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（見圖1）。往往軌枕未達(dá)到設(shè)計服役年限便出現(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，必然會對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)展就會造成軌枕失效甚至危及行車安全［4-5］。目前，對于軌枕磨損病害，達(dá)到失效等級后就須進(jìn)行軌枕更換處理。軌枕磨損現(xiàn)象一旦產(chǎn)生，會加速與之接觸的橡膠墊板的磨損，橡膠墊板磨損又會進(jìn)一步加劇軌枕磨損。如果對軌枕磨損不加以定期的維修，磨損程度就會隨著服役年限的增長而加劇，久而久之承軌面就會喪失承力、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，必須在一定時期內(nèi)對磨損軌枕進(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、毛刷等機具清除軌枕表面雜質(zhì)，并用吹風(fēng)機吹掃軌枕磨損部位，確保軌枕表面混凝土干凈且無明水;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)行稱量，并采用手持式攪拌機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。修補材料的性能直接決定修補效果，選擇合適的修補材料是解決重載軌枕磨損問題的關(guān)鍵。考慮到重載鐵路列車軸重大、密度高的特點，中國鐵道科學(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型修補材料。該材料2h抗壓強度可達(dá)到30MPa,黏結(jié)強度達(dá)1.5MPa以上。通過采用聚合物改性、粒度匹配優(yōu)化、組分設(shè)計等技術(shù)，TK-M60型修補材料具有施工時間可調(diào)、強度發(fā)展可控等特點，能夠滿足重載鐵路軌枕磨損快速修復(fù)的要求，可實現(xiàn)天窗時間內(nèi)修補、天窗時間后列車正常通行的要求。軌枕磨損修補材料除需要滿足早強、快硬、高強等力學(xué)性能特點外，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)修補對象環(huán)境的不同而具有某些特殊的性能。因此在考慮修補環(huán)境的前提下，有針對性地研究開發(fā)適應(yīng)不同修補條件的系列修補材料，以利于施工。根據(jù)修補材料相容性原則，重載鐵路混凝土軌枕修補材料應(yīng)有的性能指標(biāo)分述如下。1） 抗壓強度、抗折強度對于混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)來說，抗壓強度和抗折強度是最基本的性能指標(biāo)。它決定了混凝土軌枕的修補質(zhì)量。較高的抗壓強度、良好的抗折強度是修補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度和抗折強度的關(guān)鍵因素，而早強劑的含量極大地影響砂漿早期強度的發(fā)展。同時，聚合物的添加量也會影響抗壓強度和抗折強度。2） 黏結(jié)強度新老混凝土的黏結(jié)過程是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)過程。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)過程的工藝條件密切相關(guān)［7］。新老材料的黏結(jié)強度是判斷修補材料性能優(yōu)劣的一個關(guān)鍵指標(biāo)。它比自身強度更重要。如果黏結(jié)強度低，材料的抗壓、抗折強度再高也不能充分發(fā)揮作用。新舊混凝土界面結(jié)構(gòu)類似于普通水泥混凝土過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)，即使不考慮收縮對強度的影響，界面強度也低于修補材料本身的強度。在修補過程中，舊混凝土開裂時，在舊混凝土的開裂面上形成一層強度受損的薄弱層，也直接影響新舊混凝土界面的黏結(jié)強度。所以，修補材料的黏結(jié)強度是一項非常重要的指標(biāo)。3） 干縮性能由于被修補的軌枕混凝土已經(jīng)硬化，而修補材料在硬化過程中會產(chǎn)生收縮，當(dāng)這種收縮受基體的約束作用時，材料內(nèi)部就會產(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產(chǎn)生開裂進(jìn)而導(dǎo)致黏結(jié)失效。因此，修補材料的干縮性能是一項重要指標(biāo)。1）工藝簡單快捷，修復(fù)效率高—旦軌枕磨損達(dá)到失效等級就必須采取措施進(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題，但致使大量軌枕因磨損而無法使用，針對這一情況，采用軌枕磨損修復(fù)技術(shù)具有修復(fù)工藝簡單快捷、修復(fù)效率高的特點，延長了磨損軌枕的安全服役周期。重載線路天窗時間短，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，在保證運營安全的前提下，對本應(yīng)該廢棄的混凝土軌枕進(jìn)行簡單的修復(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，又提高了對線路設(shè)備的整修效率，為其他整修任務(wù)贏得了更多時間。每根重載混凝土軌枕的質(zhì)量是385kg，一般需要4個成年人才能抬動，而對傷損混凝土軌枕進(jìn)行修復(fù)，只需要2個人即可。2）經(jīng)濟(jì)性分析相比于整體更換軌枕的費用而言，對軌枕磨損部位進(jìn)行修復(fù)的費用大幅度降低。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)維修費用要比軌枕整體更換低得多。對軌枕傷損后更換及修復(fù)2種不同方案進(jìn)行了基本費用分析，結(jié)果見表1和表2。其中各部分費用均為每根軌枕開銷。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間是180min，需要花費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。通過對軌枕磨損進(jìn)行修復(fù)，省去軌枕更換作業(yè)中道砟清填、軌枕搬運等重體力工序，減少了工務(wù)部門的工作量，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%，對于延長軌枕的服役壽命具有重要意義。鐵科院鐵建所研制的TK-M60型修補材料經(jīng)過了3年的應(yīng)用檢驗，修補效果良好，未出現(xiàn)二次傷損情況，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】[1]張馳易.重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(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:中國建筑工業(yè)出版社，2005.[3]尹成斐.重載對鐵路軌道結(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)計研究[J].鐵道建筑,2015(1):113-118.[5]中國鐵道科