多环境耦合下无砟轨道灌缝胶粘附耐久性评价方法

1.本发明属于无砟轨道性能评价技术领域，涉及一种多环境耦合下无砟轨道灌缝胶粘附耐久性评价方法。


背景技术：

2.在高铁无砟轨道的技术构架中，底座板伸缩缝防水是保证轨道安全、稳定耐久的重要一环，常用的无砟轨道底座板接缝防水材料为聚氨酯灌缝胶，这种“缝壁-灌缝胶-缝壁”夹层粘附结构不可避免地会受到多种环境、荷载因素的影响，例如外界辐射、温度、天气以及剪切振动，这些因素不断的影响使得灌缝胶发生失效，且失效后的灌缝胶难以及时更换，对轨道的性能带来直接的影响。因此，多环境场下灌缝胶粘附耐久性评价是保证无砟轨道结构防水效果的关键环节。
3.目前，无砟轨道灌缝胶(以下简称“灌缝胶”)粘附耐久性评价方法，尚缺乏一套行之有效的方法，因为现有的评价方法引自道路灌缝胶粘附性评价实验，因此没有充分考虑无砟轨道灌缝胶材料、服役环境等影响灌缝胶失效的因素，进而根据这些因素来改变实验方法、调整参数，更无法明确各环境因素对灌缝胶失效的贡献权重，考虑服役环境因素单一，所以得到的灌缝胶粘附耐久性评价结果不能模拟真实工况下的无砟轨道服役状态，导致评价结果不准确。


技术实现要素：

4.针对现有灌缝胶粘附耐久性评价存在的因素单一、不能模拟真实工况以及评价结果不准确的技术问题，本发明提供一种多环境耦合下无砟轨道灌缝胶粘附耐久性评价方法，根据不同地区环境场对灌缝胶的失效情况，分析不同环境场的贡献权重，得到多环境耦合作用下的灌缝胶粘附耐久性综合评价指标，模拟真实工况下无砟轨道灌缝胶的服役状态，评价结果准确度高。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种多环境耦合下无砟轨道灌缝胶粘附耐久性评价方法，包括以下步骤：
7.1)分别采集区域内紫外辐射、大气降水和剪切振动疲劳这三个环境场下，灌缝胶服役的环境参数指标，并统计该区域内灌缝胶失效率数据；
8.2)依据步骤1)采集的环境参数和失效率数据，分别计算出紫外辐射、大气降水和剪切振动疲劳对应的权重系数w1、w2和w3；
9.3)采用室内模拟实验的方法，分别在单一环境场下对灌缝胶进行室内加速加载试验，对应得到紫外辐射、大气降水和剪切振动疲劳三个环境场对应的最大拉力指标f1、f2和f3，以及紫外辐射、大气降水和剪切振动疲劳三个环境场对应的破坏位移指标l1、l2和l3；
10.4)依据步骤2)确定的各环境场的权重系数，以及步骤3)各环境场的破坏位移指标和最大拉力指标，分别计算得出多环境耦合作用下的灌缝胶评估指标f'和l'：
[0011][0012][0013]
5)根据步骤4)得到的f'和l'大小，对灌缝胶粘附耐久性进行评价。
[0014]
进一步的，所述步骤1)中的具体过程包括：
[0015]
1.1)采集紫外辐射波长、辐射强度、材料表面温度，雨日总数、降水量、蒸发速度、温度、列车运行引发底座板振动频率、振幅以及加速度；
[0016]
1.2)根据上述采集的数据，分别计算灌缝胶服役寿命内年均所受紫外辐射总量指标、灌缝胶服役寿命内年均受水分作用总时长指标ts以及灌缝胶服役寿命内年均受剪切振动总作用次数指标t
l
；
[0017]
1.3)收集区域内，灌缝胶服役寿命内年均所受紫外辐射总量指标范围在30～130j/cm2·
d、ts为1100～2800h以及t
l
范围为0～16
×
105次内的灌缝胶样本服役状况数据，确定灌缝胶在不同环境场作用下的失效状况，计算出失效率数据。
[0018]
进一步的，所述灌缝胶服役寿命内年均所受紫外辐射总量指标是根据区域内的年均紫外辐射强度观测数据计算得到；
[0019]
所述灌缝胶服役寿命内年均受水分作用总时长指标为ts按照下述方法计算；
[0020]
ts＝n
×
(tr+te)
[0021]
其中：
[0022]
n为区域的年均雨日；tr为雨日的降雨时长，以每雨日降雨时长平均4小时计；te为雨后灌缝胶表面残留水膜完全蒸发时间，为10h；
[0023]
所述灌缝胶服役寿命内年均受剪切振动总作用次数指标t
l
计算方法为：
[0024][0025]
其中：
[0026]
f为灌缝胶在真实工况下的振动荷载频率，hz；
[0027]
s为区域内无砟轨道平均每小时通过列车数；
[0028]
t为每日通车时长，小时；
[0029]
n为平均每列列车车厢数；按10节；
[0030]
v为无砟轨道列车速度。
[0031]
进一步的，所述步骤2)的计算过程是：
[0032]
2.1)依据步骤1)采集的环境参数数据以及灌缝胶的失效率数据，结合区域内实际情况对环境场进行分段，分别计算各分段灌缝胶失效样本数占所在分段灌缝胶样本总数的百分比；
[0033]
2.2)利用spss软件，对灌缝胶数据作因子分析，再使用kmo和bartlett的球形度检验，得出紫外辐射、大气降水和剪切振动疲劳环境场旋转后的方差解释率和旋转后累积方差解释率；
[0034]
2.3)依据方差解释率和旋转后累积方差解释率，计算出紫外辐射、大气降水、剪切
振动疲劳三个环境场的权重系数分别为w1、w2、w3。
[0035]
进一步的，所述步骤3)的加速加载试验过程是：
[0036]
3.1)制作灌缝胶试件；
[0037]
3.2)将养生后的灌缝胶试件分别对应在紫外辐射环境场、大气降水环境场以及剪切振动环境场进行室内加速加载试验；
[0038]
3.3)在不同环境场完成加速加载后，通过lttt加载系统进行拉伸加载试验，绘制拉力-位移曲线，对应提取得到紫外辐射环境场下对应的最大拉力指标f1和破坏位移指标l1，大气降水环境场下对应的最大拉力指标f2和破坏位移指标l2，以及剪切振动环境场下对应的最大拉力指标f3和破坏位移指标l3。
[0039]
进一步的，所述步骤3.1)的制作过程是：
[0040]
3.1.1)选择石英作为基片；
[0041]
3.1.2)在喷有脱模剂的水平操作台上，将两个基片上下平行放置，使用脱模剂在上部基片的下表面上以及下部基片的上表面上均喷涂10
×
20mm的预脱粘区，在两个基片之间通过阻隔挡块围成50
×5×
20mm的灌缝胶浇注槽；
[0042]
3.1.3)将拌和后灌缝胶从角落缓缓倒入浇注槽，将浇注后试件置于阴凉通风处养生7天后，使用刮刀将试件上表面多余材料刮除。
[0043]
进一步的，所述步骤3.2)中，室内加速加载试验具体操作是：
[0044]
3.2.1)将步骤3.1)制作好的灌缝胶试件，置于紫外老化箱内，在紫外辐射强度(15
±
0.5)
×
103μw/cm2下，老化28天，完成紫外辐射环境场的室内加速加载试验；
[0045]
3.2.2)将步骤3.1)制作好的灌缝胶试件置于60℃的水箱中浸泡28天，完成大气降水环境场的室内加速加载试验；
[0046]
3.2.3)将步骤3.1)制作好的灌缝胶试件置于mts加载系统上，在加载剪切频率10hz、加载剪切振幅1mm、室温条件下，剪切振动加载7.2
×
104次，完成剪切振动环境场的室内加速加载试验。
[0047]
进一步的，所述步骤3.3)中，lttt加载系统的拉伸加载速率为100mm/h，拉伸加载的温度为灌缝胶服役区域内的冬季温度最低月份的平均最低气温。
[0048]
进一步的，所述步骤5)中，f'越大，灌缝胶的粘附强度越好；l'越小，灌缝胶的粘附抗变形能力越好。
[0049]
本发明的有益效果是：
[0050]
1、本发明提供的评价方法弥补了当前针对无砟轨道的灌缝胶粘附耐久性评价方法的空白，着眼于无砟轨道灌缝胶的真实工况下服役状态，通过调研在役灌缝胶失效状况，确定了差异性服役工况下引发灌缝胶粘附性失效的不同环境场贡献权重，为判定不同服役环境下灌缝胶需侧重优化的环境场抗性类别提供依据。
[0051]
2、本发明评价方法针对紫外辐射、大气降水、剪切振动三个引发灌缝胶失效的关键环境场，考虑环境因素全面完整，同时实现了灌缝胶在不同环境场下的室内加速加载模拟，与真实工况贴合度高，解决传统道路灌缝胶评价方法考虑因素单一片面，与真实服役工况脱轨的问题。
[0052]
3、本发明创新性提出多环境耦合荷载作用下的无砟轨道灌缝胶评价指标(f
′
，l
′
)，建立了室内试验评价与真实服役工况的等效关联性，实现了无砟轨道灌缝胶的定量评
价，试验结果直观可靠，为灌缝胶优选提供有效依据。
[0053]
4、本发明提供的评价方法所用的室内试验设备及试验环境易获得，均为灌缝胶材料领域常见的设备，仅需定制加载试件及夹具即可，试验成本低，操作简便。
附图说明
[0054]
图1为本发明提供的评价方法系统图；
[0055]
图2是室内紫外老化试验图；
[0056]
图3是剪切振动加载试验夹具示意图；
[0057]
图4是粘附性评价采用的灌缝胶试件示意图；
[0058]
其中：
[0059]
1—底座，2—高压泵灯；3—试件；4—固定夹槽；5—连接螺杆；6—固定螺母；7—不锈钢条；8—阻隔挡块；9—基片。
具体实施方式
[0060]
现结合附图以及具体实施方式对本发明提供的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明实施方式的一部分，而不是全部实施方式。基于本发明提供的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
[0061]
以灌缝胶所处服役区域为东北部地区为例。根据灌缝胶服役区域的工况特点及环境场调研，确定影响灌缝胶环境场主要包括：紫外辐射、大气降水、剪切振动疲劳、列车风、热解五类；其中，列车风引起的负压荷载主要是将灌缝胶抽离出接缝处，对灌缝胶本身的性能影响不大，热解虽然也可造成灌缝胶性能的劣化，但是常发生在100℃以上，远高于灌缝胶真实服役温度，综上，当服役区域为东北部地区内，认为列车风及温度对真实工况下灌缝胶耐久性能影响较小，确定引发灌缝胶长期粘附性失效的主要环境场为：紫外辐射、大气降水、剪切振动三种。因此，本实施例1-4提供多环境耦合作用下a、b、c、d四种无砟轨道灌缝胶在东北部地区服役时的粘附耐久性评价方法；其中灌缝胶a和c为聚氨酯类嵌缝材料，灌缝胶b和d为硅酮类灌封材料，进一步的，聚氨酯类和硅酮类均为现有无砟轨道灌缝施工主要使用的材料类型。
[0062]
实施例1
[0063]
参见图1，多环境耦合作用下无砟轨道灌缝胶a在东北部地区服役时的粘附耐久性评价方法，包括以下步骤。
[0064]
1)分别采集区域内紫外辐射、大气降水和剪切振动疲劳这三个环境场下，灌缝胶服役的环境参数指标，并统计该区域连续n条无砟轨道内灌缝胶失效率数据。
[0065]
实施时，针对紫外辐射环境场，需调查紫外辐射波长、辐射强度，材料表面温度等参数，获取灌缝胶服役寿命内年均所受紫外辐射总量指标；针对大气降水环境场，需调查服役寿命内雨日总数、降水量、蒸发速度、气温等参数，获取灌缝胶服役寿命内年均受水分作用总时长指标；针对剪切振动环境场，需调查列车运行引发底座板振动频率、振幅、加速度等，获取灌缝胶服役寿命内年均受剪切振动总作用次数指标。
[0066]
实施时，灌缝胶服役寿命内年均受紫外辐射总量指标可根据年均紫外辐射强度观
2460～2800b5[0086]
表3 不同剪切振动次数失效样本数占所在分段样本总数的百分比
[0087]
年均剪切振动总作用次数(
×
105次)失效率(％)＜3.2c13.2～6.4c26.4～9.6c39.6～12.8c412.8～16c5[0088]
其次，利用spss软件对灌缝胶样本数据作因子分析，此外使用kmo和bartlett的球形度检验，得出3个影响因子旋转后的方差解释率和旋转后累积方差解释率。依据方差解释率和旋转后累积方差解释率，计算出紫外辐射、大气降水、剪切振动疲劳三个环境影响因子的权重系数分别为w1、w2、w3，如表4所示。
[0089]
表4 引发灌缝胶失效关键环境场权重系数
[0090][0091][0092]
3)采用室内模拟实验的方法，分别在单一环境场下对灌缝胶进行室内加速加载试验，对应得到紫外辐射、大气降水和剪切振动疲劳三个环境场对应的最大拉力指标f1、f2和f3，以及紫外辐射、大气降水和剪切振动疲劳三个环境场对应的破坏位移指标l1、l2和l3。
[0093]
实施时，为获取灌缝胶在多环境场耦合下的粘附耐久性，首先应进行灌缝胶在单一环境场下室内模拟实验，依据步骤1)的调研内容，引发无砟轨道灌缝胶失效的关键环境场确定为紫外辐射、大气降水、剪切振动，基于室内加速实验理论，结合真实工况下灌缝胶服役特性，不同环境场室内加速加载试验方法如下。
[0094]
第一、室内人工加速紫外辐射实验
[0095]
参见图2，室内紫外老化试验基于自主开发改进的紫外老化箱(uae)进行，试件摆放方式如图2所示，试件3(与图4相同的方法制作)置于紫外老化箱底座1上，多个不同的试件3首尾连接形成多边形结构，高压泵灯2置于多边形结构中心处，同时对多个试件3进行紫外辐射，且保证不同试件3所受紫外辐射相同。所述紫外老化箱的紫外辐射光源，选择紫外辐射能量大，且短波紫外线强度高的高压汞灯，进一步的，所述高压汞灯功率为1kw，并配备反射罩，可将超过90％的紫外线辐射到试验区域，大大提高了试验效率及强度。试件3在紫外老化箱中空间排布如图2所示。进一步的室内紫外老化时长确定如下式所示为：
[0096][0097]
其中，qz为某地区年平均紫外辐射量，j/cm2·
d；ir为紫外老化箱内粘附性试件表面紫外强度，经测试取0.0153w/cm2，tz为当量自然老化时间，天；tr室内紫外老化试验时长，
天。
[0098]
经计算，为模拟自然老化10年，室内紫外老化时间约为28d。
[0099]
第二、室内人工水解实验
[0100]
室内人工水解试验步骤为将制备好的灌缝胶试件放在60℃的水箱中浸泡，浸水时长与步骤1)确定的室内老化时长一致，为28d。
[0101]
第三、室内剪切振动疲劳试验
[0102]
参见图3，室内剪切振动疲劳试验试验基于mts操作系统进行，采用图3所示的剪切振动加载试验夹具，包括结构相同的两个夹具本体，夹具本体上表面上分别设置连接螺杆5，两个夹具本体上设置c形结构的固定夹槽4，且其中一个夹具本体上的连接螺杆5位于夹具本体上方，另一个夹具本体上的连接螺杆5位于夹具本体下方，待测试的试件3置于固定夹槽4并通过固定螺母6与夹具本体固定。用于将灌缝胶粘附性试件固定在mts加载系统上。
[0103]
试验操作步骤为：将灌缝胶试件置于剪切振动加载试验夹具中，并通过夹具上方所配备螺母对试件进行充分固定；通过mts操作系统控制夹具位置，确保粘附性试件两侧试片处于同一高度，以避免灌缝胶内部存在初始剪切应力；通过mts操作系统设置试验参数，并开始进行剪切振动加载；完成规定加载次数后，将试件取出。
[0104]
进一步的，在剪切振动加载中，加载剪切频率选定为10hz，加载剪切振幅选定为1mm，试验环境为室温。剪切振动加载次数为7.2
×
104次，选择控制位移形式对试件进行加载。
[0105]
经不同环境场室内加速加载试验后，即可开始不同环境场下灌缝胶的粘附耐久性评价标准试验。
[0106]
本实施例中，该试验是灌缝胶性能测定仪(lttt)及粘附性评价试件(如图4所示)开展的，试验步骤叙述如下。
[0107]
第一步，试件制备，首先使用脱模剂在一侧基片9两侧喷涂10
×
20mm的预脱粘区；将预脱粘试片与另一侧基片9以及阻隔挡块8在喷有脱模剂的水平操作台上围成50
×5×
20mm的灌缝胶浇注槽。
[0108]
优选的，基片9宜为石英材料，这是因为，相比于caco3、水泥砂浆等其他材料，灌缝胶与sio2基片的粘附性能最差，基于最不利试验条件原则，选择石英为宜。在喷有脱模剂的水平操作台上，将两个基片9上下平行放置，使用脱模剂在上部的基片9的下表面上以及下部的基片9的上表面上均喷涂10
×
20mm的预脱粘区，在两层试件基片之间通过阻隔挡块8围成50
×5×
20mm的灌缝胶浇注槽，上部的基片9的上表面上连接有不锈钢条7，下部的基片9的下表面上连接有不锈钢条7。
[0109]
第二步，灌缝胶浇筑，将拌和后灌缝胶从角落缓缓倒入浇注槽，期间避免气泡产生；将浇注后试件置于阴凉通风处养生7天后，使用刮刀将试件上表面多余材料刮除。
[0110]
第三步，试件加载，将养生后的灌缝胶试件安装在lttt加载系统上并固定，并在试验温度下控温2h后进行拉伸加载。
[0111]
优选的，lttt加载系统的拉伸加载试验标准加载速率为100mm/h，该加载速率下，试验稳定性较好，同时大大提高了试验效率；灌缝胶粘附性试验标准试验温度为灌缝胶预服役地区冬季温度最低月份平均最低气温，以模拟该地区大部分最为恶劣的自然环境，从而紧密联系灌缝胶室内试验与环境工况。
[0112]
第四步，评价指标提取，通过拉伸加载试验绘制拉力-位移曲线，提取拉力-位移曲线中最大拉力指标以表征灌缝胶粘附强度，提取破坏位移指标表征灌缝胶粘附抗变形能力，其中，破坏位移拉力-位移曲线中最大拉力位置对应位移。
[0113]
针对某一种灌缝胶，首先按照第三步分别进行紫外辐射、大气降水、剪切振动环境场的室内加速加载试验，完成后，迅速置于lttt加载台上，按照第四步标准试验评价步骤获取灌缝胶最大拉力及破坏位移指标，将经受紫外辐射、大气降水、剪切振动环境场后的最大拉力指标分别记为f1、f2、f3，将经受紫外辐射、大气降水、剪切振动环境场后的破坏位移指标分别记为l1、l2、l3。
[0114]
4)依据步骤2)确定的各环境场的权重系数，以及步骤3)各环境场的破坏位移指标和最大拉力指标，可得出多环境耦合作用下的灌缝胶评估指标f'和l'：
[0115][0116][0117]
具体的，计算得到灌缝胶a的综合评价指标如表5和表6所示。
[0118]
表5 四种灌缝胶基于最大拉力的多环境耦合作用下粘附耐久性评价指标
[0119][0120]
表6 四种灌缝胶基于破坏位移的多环境耦合作用下粘附耐久性评价指标
[0121][0122][0123]
5)根据步骤4)得到的f'和l'大小，对灌缝胶粘附耐久性进行评价。
[0124]
进一步的，f'越大时，表示某一种灌缝胶在多环境耦合作用下的粘附强度越好。l'越小，表示某一种灌缝胶在多环境耦合作用下的粘附抗变形能力越好。
[0125]
实施例2
[0126]
多环境耦合作用下无砟轨道灌缝胶b在东北部地区服役时的粘附耐久性评价方法。
[0127]
采用与实施例相同的方法评价，得到多环境耦合作用下的灌缝胶评估模型f'和l'，结果参见表5和表6。
[0128]
实施例3
[0129]
多环境耦合作用下无砟轨道灌缝胶c在东北部地区服役时的粘附耐久性评价方法。
[0130]
采用与实施例相同的方法评价，得到多环境耦合作用下的灌缝胶评估模型f'和l'，结果参见表5和表6。
[0131]
实施例4
[0132]
多环境耦合作用下无砟轨道灌缝胶d在东北部地区服役时的粘附耐久性评价方法。
[0133]
采用与实施例相同的方法评价，得到多环境耦合作用下的灌缝胶评估模型f'和l'，结果参见表5和表6。
[0134]
该方法通过调研不同服役地区的灌缝胶失效状况，结合不同环境场强度指标，分析差异性服役工况下，引发灌缝胶粘附性失效的不同环境场的权重大小，提出考虑多环境耦合作用下的灌缝胶粘附耐久性综合评价指标，以解决现有评价方法与无砟轨道灌缝胶真实服役状况脱轨，考虑服役环境因素单一的问题，实现真实工况下无砟轨道灌缝胶的粘附耐久性有效评估，评价结果更加真实准确。
[0135]
本实施例针对的灌缝胶在东北部地区的服役情况，从而通过对影响灌缝胶失效状况的三个因素(紫外辐射、大气降水和剪切振动)进行多环境耦合，对灌缝胶粘附耐久性进行评价，而在其他服役区域时，若存在其他严重影响灌缝胶失效的因素，也即可采用本发明提供的方法根据该区域内灌缝胶在不同环境场中的参数，统计失效率以及影响因子对失效率的权重，再在室内进行加速加载试验，得到不同环境场下，灌缝胶的最大拉力指标和破坏位移指标，计算出多环境耦合作用下的灌缝胶评估模型f'和l'，实现对真实工况下多环境影响的灌缝胶粘附耐久性综合评价。