动态荷载与盐驱动干湿交替作用下聚氨酯注浆材料的耦合疲劳寿命预测模型

《International Journal of Fatigue》：A coupled fatigue life-prediction model for polyurethane grouting materials under dynamic loading and salt-driven wet-dry attack

　　

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  在PU灌浆材料上开展了一项包含540种工况的全因子动态疲劳试验方案。
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  自研的湿-干交替盐溶液浸泡箱可实现力学-环境耦合加载。
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  闭式损伤规律可同时反映应力、频率、密度及盐侵蚀（R²?≥?0.78）。
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  蜂窝状PU收敛于临界损伤值 D_c?=?0.30?±?0.02，远低于1。
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  密度依赖性反转：低密度PU在盐侵蚀下劣化速率快2.28倍。

引言

高速铁路无砟轨道的长期运营安全日益受到路基地基累积沉降的威胁。此类沉降会损害行车平顺性、轨道几何形位并最终影响线路可用性 [1]。发泡聚氨酯（PU）灌浆已成为主流的无砟轨道整治技术：低粘度反应性树脂经毫米级钻孔注入地层后，原位膨胀数个数量级，形成既坚硬又轻质的填充体，从而在最小化行车中断的前提下对板式轨道进行抬升复位 [2]、[3]、[4]。该技术现已支撑全球数万公里高速铁路线路，同时降低维护碳足迹、停运时长和全寿命周期成本 [5]、[6]、[7]。然而，实验室表征与服役环境的多物理场条件之间仍存在根本性错配。在高速铁路设计寿命内，固化后的灌浆层需承受超过10⁸次高频动荷载循环，并叠加盐土地带浅层地下水带来的持续干湿交替和氯离子/硫酸盐侵蚀 [8]。

已有研究已逐步阐明PU灌浆材料的准静态及纯力学疲劳响应。基于密度的应力-应变分段行为、试件尺度优化以及数字图像相关/声发射表征等研究共同表明：当密度ρ?≤?0.3?g·cm^?3时PU表现为延性蜂窝塑性材料，而当ρ?≥?0.4?g·cm^?3时则表现为脆性表皮状固体 [9]、[10]、[11]。三阶段损伤演化规律——弹性磨合、稳定扩展和加速破坏——已被重复验证 [12]。在恒定振幅正弦荷载下，对密度和荷载敏感的疲劳累积模型被标定至6.6%的误差范围 [13]、[14]、[15]。与此同时，经典连续介质损伤框架，包括Miner线性法则 [16]、Chaboche型非线性模型 [17]、[18] 以及构型力公式 [19]，也被引入以捕捉金属和混凝土中的序列效应 [11]。然而，这些进展是在纯力学或单一扰动环境条件下获得的。已有报道显示，酸性、碱性或盐溶液浸泡可使PU屈服强度降低多达32.8% [20]，但此类侵蚀尚未在与高周动态加载相结合的单一试验方案中被研究。

因此，PU灌浆材料在真实高铁服役包络下——其中动态荷载与盐驱动的干湿循环同时而非依次作用——的响应仍不明确。这一空白之所以重要，原因有三。第一，盐侵蚀文献中普遍采用质量损失和准静态强度指标，而这些指标对决定高周疲劳的微裂纹群体不敏感 [21]。第二，现有损伤力学公式几乎完全基于水泥基或金属基体进行标定 [22]、[23]、[24]，其在发泡PU开放孔、黏弹性骨架上的适用性尚未得到独立验证。第三，仅冻融和热降解就已被证实会加剧PU刚度损失 [25]、[26]、[27]，说明环境因素不能被视为对力学基线的可加性扰动。统一多因素本构描述的缺失迫使高铁维护规划依赖保守的经验安全系数，而非预测性的服役寿命模型。

本研究通过一项全因子动态疲劳方案弥补这一空白。共测试了三种密度（0.3、0.4和0.5?g·cm^?3）、三种加载频率（5、10和15?Hz）、五级应力水平（0.5–0.9）、三种溶质环境（去离子水、10?wt% NaCl、10?wt% Na₂SO₄）以及最长120天的五级干湿循环龄期。试验数据在连续介质损伤力学框架内进行分析。推导了PU灌浆材料在环境-动力耦合作用下的疲劳损伤闭式本构律。该模型在单一表达式中显式解析频率、密度、应力水平和盐侵蚀的贡献。在所有540种试验工况下，疲劳寿命预测的R²?≥?0.78。本研究为盐土地区高铁PU病害整治的耐久性导向设计提供了基于机理的框架。

章节摘要

原材料

本研究采用一种商用双组分硬质聚氨酯（PU）灌浆体系。A组分包含二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）、改性MDI、聚醚多元醇和工业级无水冰醋酸；B组分为聚醚基础料与液态胺类扩链剂、颜料、碳酸氢钠及其他功能性添加剂的混合物。两组分按1:1的质量比混合 [13]、[14]、[28]。

试件制备与模具设计

三种目标自由发泡密度（0.3、0.4和0.5?g·cm^?3）

单轴压缩应力-应变响应与基准强度

为建立动态疲劳的应力基准并表征基线力学响应，对密度为0.294–0.302?g·cm^?3的试件进行了准静态单轴压缩试验。应力-应变曲线（图5a）再现了硬质蜂窝聚合物的三阶段响应特征 [31]、[32]、[33]：

(i) 一段较短的线弹性阶段；(ii) 一个较长且以胞壁屈曲和渐进坍塌为主导的屈服平台阶段，其中大部分变形能量

模型建立

在推导损伤本构方程（式(10)）之后，式(11)、(12)、(13)、(14)给出了应力水平和加载频率的参数方程，并对照试验数据进行拟合和验证。随后，式(15)讨论盐侵蚀劣化因子 η(t, C) 的参数确定。

结论

开展了耦合试验-理论研究，以量化发泡聚氨酯（PU）灌浆材料在高频动态加载与盐驱动干湿侵蚀同时作用下的疲劳损伤，该工况代表盐土地带高速铁路无砟路基整治的实际服役状态。主要结论如下。

• (1)
  将连续介质损伤（CDM）框架扩展至蜂窝聚合物。经典连续介质损伤力学假定破坏极限为1。我们发现在PU

CRediT作者贡献声明

Hao Xue（薛浩）：撰写——原稿。Junjie Huang（黄俊杰）：项目管理。Honglin Sun（孙红林）：方法学。Chunhui Ding（丁春辉）：数据整理。Rongwei Fan（范荣威）：形式化分析。Hongxi Yao（姚红希）：调查研究。Xianfeng Liu（刘先锋）：指导。Yongyi Shang（尚永义）：概念化。Yanfei Pei（裴彦飞）：数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到中国国家铁路集团有限公司（项目编号 L2024G014）、国家自然科学基金（项目编号 52478473）、中国博士后科学基金（资助编号 2025?M781577）以及国家重点研发计划（项目编号 2023YFB2604001-04）的支持。

Hao Xue|Junjie Huang|Honglin Sun|Chunhui Ding|Rongwei Fan|Hongxi Yao|Xianfeng Liu|Yongyi Shang|Yanfei Pei