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原文传递预应力地聚物混凝土轨枕配合比设计及其性能研究

论文题名：	预应力地聚物混凝土轨枕配合比设计及其性能研究
关键词：	轨枕;数字图像相关技术;有限元;落轴试验;地聚物
摘要：	轨枕是轨道结构的重要组成部分，铁路轨枕的常见材料有木材、钢、混凝土和复合材料等。其中混凝土轨枕由于具有力学性能良好、使用寿命长、养护维修工作量少等优点，应用最为广泛。随着铁路网规模的不断扩大，混凝土轨枕的生产和使用量也将继续增长，这将耗费大量的能源和矿产资源，并产生可观的碳排放和环境污染。为应对日益增长的生态环境保护和节能减排需求，完成我国2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标，找到用以替代传统硅酸盐水泥的低碳环保的绿色建材迫在眉睫。地聚物是一种利用粉煤灰等硅酸盐固废替代波特兰水泥作为原材料加入碱激发剂发生聚合反应制造的新型无机胶凝材料。地聚物的生产不仅可以节省大量的硅酸盐水泥，同时解决了粉煤灰矿渣等固体废弃物的资源化回收利用问题。目前对于地聚物这一新兴材料用于铁路轨枕的静力学和动力学性能的研究较少，且尚无对矿渣与粉煤灰与水泥复合生产地聚物混凝土的结构性能差异研究。本文研究内容主要包括以下几点：　　1、地聚物混凝土的配合比设计及基本力学性能研究　　由于地聚物在生产过程中地聚合反应发生较迅速，快硬早强，不便于工厂加工。且地聚物所使用的原材料中水玻璃成本较高，固废来源难以规范统一，成品也往往质量参差不齐。本文尝试通过使用固废材料部分替代水泥的方式，便于进行加工生产，同时提高成品质量稳定性。在本研究中设计了三种不同的配合比，分别对应地聚物组分为25%、50%、75%的地聚物混凝土，主要结论如下：通过对三种配合比的地聚物混凝土的基本力学性能及其微观结构进行试验，三种配合比的地聚物混凝土抗压强度均超过C60混凝土的强度等级要求；本研究中的地聚物混凝土强度随着配合比中地聚物组分的增加而逐渐升高，地聚物混凝土的微观结构致密程度随着配合比中地聚物组分的增加逐渐提高。　　2、基于数字图像相关技术的地聚物混凝土轨枕的静力学性能研究　　静力学性能是轨枕的基本强度指标。本文通过三点弯曲试验对三种不同配合比地聚物混凝土轨枕的静力学性能进行了测试，基于三点弯曲试验，通过挠度分析，基于数字图像相关的裂缝扩展分析和裂缝开口位移分析综合评价地聚物混凝土轨枕的静力学性能，并比较三种不同配合比的地聚物混凝土轨枕之间的力学行为差异。主要结论如下：枕中截面三点抗弯试验中地聚物混凝土轨枕的极限承载力略低于普通混凝土轨枕，且随着地聚物混凝土中地聚物组分的替代比的增加，轨枕的刚度有所下降，这一特点在较低的荷载区间内尤为显著。在轨下截面的三点抗弯试验中，在较低的荷载区间内地聚物混凝土轨枕的刚度低于普通混凝土轨枕，但在较高的荷载区间内，地聚物混凝土轨枕的刚度高于普通混凝土轨枕，且最终的极限承载力也都高于普通混凝土轨枕。相比于普通混凝土轨枕，地聚物混凝土轨枕在较低的静荷载作用下挠度较大，但随着荷载的增加轨枕挠度的增长速度比普通混凝土轨枕慢，刚度损失较慢。三种配合比地聚物混凝土轨枕微裂纹出现的荷载相近，前期裂缝开口位移曲线在较低荷载区间趋势和幅值基本相同，加载到300kN后开始出现分化。使用数字图像相关技术，较好地识别了混凝土轨枕表面的裂纹产生与发展过程，裂纹形态与数字图像相关分析得到的应变云图完全重合。　　3、基于模态测试、落轴试验和有限元模拟的地聚物混凝土轨枕的动力学性能研究　　由于轨道结构在服役中常承受动荷载，有砟轨道上混凝土轨枕的振动特性在分析和设计过程中非常重要。本文测量了三种配合比的地聚物混凝土轨枕在自由支撑条件下和道砟支撑条件下的垂弯振动模态以及对应的自振频率及阻尼比，并在落轴试验中比较了地聚物混凝土轨枕和普通混凝土轨枕的动力响应差异。主要结论如下：随着混凝土中地聚物组分的替代比逐渐增加，轨枕的自振频率有小幅上升。道砟支撑条件下轨枕的阻尼较自由支撑条件下有显著上升。在轮对的动荷载冲击下，地聚物混凝土轨枕的振动加速度时程变化与普通混凝土轨枕没有明显差异。在轮对冲击荷载较强时，铺设地聚物混凝土轨枕时的钢轨振动加速度显著高于普通混凝土轨枕。在冲击荷载较低的情况下，铺设地聚物混凝土轨枕相较于普通混凝土轨枕能降低钢轨的振动加速度。当冲击荷载较强时，铺设地聚物混凝土轨枕会增大钢轨的振动加速度。而两种轨枕自身的振动加速度比较接近。在频段1到10Hz之间，地聚物混凝土轨枕能比普通混凝土轨枕更有效地抑制轨道振动。本章中建立的数值模型较好地拟合了轨枕在受到落轴冲击时的加速度时程变化趋势，两种轨枕加速度峰值相差不大，拟合精度较理想。
作者：	王俊逸
专业：	交通运输
导师：	井国庆
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2023