化学-力学耦合作用下无砟轨道中水泥基部件钙溶蚀动力学及影响规律研究

During the service of high-speed railway, due to the coupled chemo-mechanical action resulting from rain and the dynamic load of high train, calcium leaching of the cement-based components in ballastless tracks is widely appeared. Thus, the smooth-going and durability of ballastless tracks as well as the ride comfort and operation safety of high train are considerably affected by the accumulation of damage resulting from the coupled chemo- mechanical deterioration. However, researches on the deterioration of cement-based materials due to coupled chemo-mechanical action of both the chemical attack of rain and the dynamic load are seldom reported. For that reason, in this proposal, according to the service and load conditions of different types of ballastless track structures, laboratory simulation tests of the coupled rain-dynamic load or the coupled ammonium nitrate-dynamic load are used to investigate the dynamics of calcium leaching of three cement-based materials such as steam cured concrete, plain concrete and cement-asphalt mortar. Through analyzing the characteristics of the microstructures, phases as well as mechanical properties of the leached specimens, the coupled chemo-mechanic deterioration models of three cement-based materials are studied. Based on above researches, the behavior of the two-unit specimens suffering from coupled chemo-mechanical action is analyzed.

在我国高速铁路运营中，因雨水的化学和高速列车动载的耦合作用无砟轨道中的轨道板、充填层、底座和道床板等水泥基部件间结合面处出现较普遍的钙溶蚀现象，它严重影响轨道结构的平顺性、耐久性和列车运行的舒适性和安全性。虽然水泥基材料的钙溶蚀问题已有大量研究成果，但化学-力学耦合作用下钙溶蚀动力学及影响规律的研究报道少见。本项目拟根据无砟轨道结构和服役环境特点，采用雨水-动载耦合作用模拟试验和硝酸铵溶液-动载耦合作用加速模拟试验等，研究蒸养混凝土、现浇混凝土和水泥乳化沥青砂浆等三种水泥基材料的钙溶蚀动力学，建立动力学方程；采用现代分析手段和测试方法，分析钙溶蚀对水泥基材料的组成、微结构和静、动态力学行为的影响规律；运用相关理论知识，构建静、动态力学性能衰变模型。在此基础上，研究组合试件中不同材料结合面上钙溶蚀及其对试件几何尺寸的影响规律，为既有无砟轨道的维护和新建无砟轨道的技术改进提供理论依据。

无砟轨道结构的有效维护对于高速铁路安全运营极其重要。采用自行设计的模拟实验装置和试验方法，以单位面积钙离子累积溶出量为评价指标，开展水动载耦合反复作用下CRTS I型和II型板式轨道结构水泥基材料部件钙溶蚀及其影响规律的研究，得出：预制轨道板蒸养混凝土、底座混凝土、自密实混凝土和水泥乳化沥青（CA）砂浆一维钙溶蚀过程符合时间的半级动力学方程，亦即，一维单位面积累积钙离子溶蚀量与浸泡时间的平方根成线性关系，其比值表征了钙离子溶蚀速率；CA砂浆钙溶蚀速率大于混凝土材料，且II型CA砂浆钙溶蚀速率大于I型CA砂浆；建立了钙溶蚀动力学模型并较好地表征了钙溶蚀引起的水泥基材料物相组成、孔结构、抗压强度、弹性模量、动弹模量和损耗因子等特性的演变规律；由试验数据和预测模型推断纯水作用下，厚度为30mm的II型CA砂浆充填层发生完全钙溶蚀约需要60~70年。发现水动载反复耦合作用下混凝土和CA砂浆钙溶蚀过程遵循时间的一级动力学方程，其钙溶蚀速率比单一浸泡条件下的速率增加一个几何级数；化学动载力耦合作用下的钙溶蚀不但导致CA砂浆和混凝土表层软化、强度和硬度下降90%，而且在动水压作用下，CA砂浆和混凝土试件表层剥蚀，厚度随时间呈线性减小；CA砂浆钙溶蚀和厚度减薄的速度比混凝土快。这些结果不但丰富了水泥基材料，尤其是CA砂浆的科学知识，也为我国高铁板式无砟轨道结构维护技术与措施提供理论指导。.综上得出：我国高速铁路服役过程中，CA砂浆充填层的钙溶蚀或“翻白浆”减小其厚度而导致CRTS I和II型板式无砟轨道结构层间缝隙增大，改变轨道结构动力学行为，会影响板式轨道结构平顺性和高速铁路运行安全性。为实现有效维护和“翻白浆”现象的根治，建议采取有效措施避免雨水侵入层间缝隙。.取得的成果发表论文13篇，SCI收录7篇，国内EI收录期刊5篇；获授权发明专利3项；培养硕士研究生4人，博士研究生3人.