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原文传递温度荷载对CRTSI型板式轨道CA砂浆充填层影响规律研究

论文题名：	温度荷载对CRTSI型板式轨道CA砂浆充填层影响规律研究
关键词：	无砟轨道;水泥沥青砂浆;温度荷载;力学性能;微观结构
摘要：	CRTSⅠ型板式轨道是我国高速铁路主要采用的结构形式之一，实现了高速列车运行的安全性、平稳性和舒适性。由于CRTSⅠ型板式轨道的“层合板”结构特征，在列车荷载、温度荷载及其他环境因素的影响下，轨道结构系统难免出现各种各样的伤损，其中，CA砂浆充填层伤损最为突出，出现了脱粘、离缝、开裂、掉块等病害。CA砂浆作为填充于轨道板与底座板之间的关键功能材料，起着支承、调整、减振、隔振和阻断裂纹的作用，其性能的优劣直接关系到CRTSⅠ型板式轨道整体结构的耐久性和列车运行的安全性。目前，国内外关于温度荷载对CRTSⅠ型板式轨道CA砂浆充填层的影响规律还缺乏系统研究。本文在对CA砂浆病害进行现场调研分析、总结和吸收现有研究成果的基础上，从CRTSⅠ型板式轨道结构日照温度效应、温变条件下不同劣化形式CA砂浆的变形特性和温变、水温耦合、酸雨条件下CA砂浆力学性能以及CA砂浆物相组成与微观结构四个方面，开展了温度荷载对CA砂浆充填层的影响规律研究。主要研究工作及所取得的成果如下: 　　1.建立了无砟轨道结构日照温度效应分析的边界条件　　概括了无砟轨道结构日照温度分布和温度应力的基本特点，给出了进行无砟轨道结构温度效应研究采用的基本假定以及热传导基本微分方程和定解条件。根据太阳物理学、普通天文学以及传热学的有关理论，描述了无砟轨道结构与外界环境进行热量传递的机理，建立了无砟轨道结构日照温度效应分析的边界条件。　　2.建立了无砟轨道结构日照温度效应分析的三维实体热结构耦合模型，开展了CRTSⅠ型板式轨道温度场研究　　结合CRTSⅠ型板式轨道结构特征，采用有限元法建立了进行无砟轨道结构日照温度效应分析的三维实体热结构耦合模型，并验证了模型的正确性。计算分析了CRTSⅠ型板式轨道温度场分布特点，并对各影响因素进行了研究。研究结果表明:(1)轨道结构温度较气温变化滞后，沿深度呈非线性变化，并且深度越大滞后越严重;轨道结构温度沿横向呈非线性变化，轨道结构四周温度变化最为剧烈。(2)太阳辐射强度、风速、日温差、材料热力学参数和结构尺寸均对温度场分布有一定的影响，太阳辐射强度影响最为显著，轨道结构温度随着太阳辐射强度的增加而线性升高，轨道板表面温度升高幅度最大，随着深度的增加，温度升高幅度减小，各结构层温差变大。　　3.研究了CA砂浆充填层日照温度场及温度荷载分布特点　　利用所建立的CRTSⅠ型板式轨道三维实体热结构耦合模型，计算分析了CA砂浆充填层温度场及温度荷载分布特点。研究结果表明:(1)CA砂浆充填层温度沿横向呈非线性变化，在板边0.2m范围内形成很大的横向温度梯度。(2)板角处层间应力最大，这是CA砂浆充填层从板角及板边处开始脱粘离缝的原因之一;随着CA砂浆弹性模量的增加，层间应力呈线性显著增加。(3)CRTSⅠ型板式轨道CA砂浆充填层在服役期间的温度变化范围为-40℃～60℃。(4)轨道板与CA砂浆层脱粘后，翘曲变形增大，列车荷载与温度荷载的共同作用将加剧CA砂浆充填层的疲劳破坏。　　4.研究了温变条件下不同劣化形式CA砂浆的蠕变及重复加卸载变形特性　　以单轴静载试验为基础，研究了不同劣化形式的CA砂浆在温变条件下的蠕变及重复加卸载变形特性。研究结果表明:(1)CA砂浆具有明显粘弹性特征，采用Burgers模型可以较好地拟合CA砂浆在不同温度条件下的蠕变柔量曲线。(2)随着试验温度的升高，瞬时弹性变形量增加，加载阶段CA砂浆的粘性流动变形增加，蠕变曲线斜率也增大;CA砂浆的蠕变累积变形主要与沥青的老化、流失以及水的软化作用有关，随着试验温度的的升高而增大;CA砂浆试件的蠕变劲度模量随着试验温度的升高而降低。(3)CA砂浆抗压强度随着重复加卸载应变增量的增加而线性减小;在不同试验温度和应变增量情况下，公共点应变和残余塑性应变均随开始卸载点应变的增加而线性增大。(4)CA砂浆的蠕变特性以及重复加卸载作用时的变形特性是CA砂浆充填层被挤出以及与轨道板脱粘、离缝的重要原因。　　5.研究了温变、水温耦合及酸雨对CA砂浆力学性能的影响　　以单轴静载试验为基础，研究了温变、水温耦合及酸雨对CA砂浆力学性能的影响。研究结果表明:(1)CA砂浆单轴受压呈现柔性破坏，试件表面布满裂纹，但是试件最后保持完整。(2)各组CA砂浆试件的应力-应变曲线形状相似，温度、沥青的老化、酸雨侵蚀、水的软化和列车荷载作用对CA砂浆应力应变曲线均有较大影响。(3)CA砂浆试件的弹性模量、抗压强度随试验温度的升高均有明显减小的趋势，且与试验温度之间均近似满足Doseresp函数关系;不同试验温度下各组CA砂浆试件的抗压强度与弹性模量基本呈线性关系。(4)CA砂浆损伤应力槛值随着试验温度的升高而降低。(5)水温耦合作用使CA砂浆力学性能显著下降。(6)酸雨长期作用使CA砂浆发生严重的化学侵蚀及生物破坏。　　6.通过XRD、TG-DTA、FTIR、SEM、EDS等试验手段分析了不同劣化形式CA砂浆的微观结构和物相组成　　通过XRD、TG-DTA、FTIR、SEM、EDS等试验手段，研究了环境侵蚀和荷载作用对CA砂浆微观结构和物相组成的影响。研究结果表明:(1)运营环境下CA砂浆性能的劣化与钙矾石侵蚀、酸性侵蚀和沥青老化有关。(2)在酸雨及动水冲蚀作用下，CA砂浆中沥青的低分子量组分发生了流失，并且沥青组分发生了转化，表现为由B组分向A组分的转化，A组分与沥青质有关，B组分与芳香分和胶质有关。(3)现场运营的CA砂浆在列车荷载的长期作用下，内部结构松散，并有大量细长针状结晶物，包裹水化产物的沥青膜已不明显，气孔结构被完全破坏。(4)列车荷载及动水冲蚀是CA砂浆充填层沥青流失和网格结构破坏的根本原因。
作者：	刘哲
专业：	道路与铁道工程
导师：	王平
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文