再生橡胶碎屑对新复合道砟床维护性能的影响

《Journal of Cleaner Production》：Effects of recycled rubber crumbs on the maintenance behavior of a new composite ballast bed

复合橡胶-碎石基床捣固维护机理及优化研究，首次建立DEM-MBD耦合数值模型模拟捣固过程，分析不同橡胶碎屑含量（15%、20%）及粒径（20mm）对基床力学响应的影响，揭示掺入橡胶可显著降低机械应力并提升维护效果，为再生轮胎在铁路基床中的应用提供理论支撑。

　　

刘畅|史顺伟|夏梦然|王宇泽|刘月|薛江伟|高亮

北京交通大学土木工程学院，北京，100044，中国

摘要

大量废弃的橡胶轮胎会对环境造成严重污染，因此将废旧轮胎回收利用到道砟中具有极其重要的意义。本研究首次详细探讨了复合橡胶-道砟床的夯实维护措施，旨在减轻夯实过程中造成的损坏并提升维护效果。建立了一个复合橡胶-道砟床的数值模型，并对其夯实维护过程进行了模拟。通过该模型研究了回收橡胶碎屑对复合橡胶-道砟床维护性能的影响。结果表明，添加橡胶碎屑能够显著改善复合橡胶-道砟床的力学性能。为了平衡夯实带来的损坏与维护效果，建议橡胶碎屑的含量为15%至20%，粒径为20毫米。这项研究将极大促进废弃橡胶轮胎在道砟轨道中的应用。

引言

全球每年有超过10亿个橡胶轮胎被废弃（Savino等人，2025年；Wu等人，2024年）。废弃橡胶轮胎的自然分解需要数百年时间，露天堆放还会污染土壤和水体，并存在火灾隐患（Jiang等人，2024年；Truds?等人，2022年）。因此，废弃橡胶轮胎对环境造成了严重污染。回收利用橡胶轮胎对于环境保护具有重要意义（Farina等人，2023年；Formela，2021年）。道砟轨道是全球铁路运输中不可或缺的基础设施类型（Koohmishi等人，2025年）。在道砟中掺入回收橡胶可以解决轮胎污染带来的环境问题，同时还能提升道砟的力学性能（Ngo等人，2023年；Qiang等人，2023年）。

一些研究人员关注了混合道砟和橡胶系统在列车运行过程中的服役性能。Sol-Sánchez等人（2015年）和Esmaeili与Namaei（2022年）通过实验室试验研究了道砟的力学特性，发现橡胶可以减缓道砟在列车荷载作用下的劣化。Arachchige等人（2022a，2022b）通过三轴试验研究了橡胶和道砟的力学特性，结果表明橡胶能够提高道砟的吸能能力并降低其变形和破损程度。Guo等人（2019年）结合洛杉矶磨耗试验和图像识别技术分析了混合道砟和橡胶的劣化特性，发现橡胶显著减少了道砟的磨损程度。在此基础上，Guo等人（2022年）和Zhang等人（2023年）利用数值方法进一步研究了道砟轨道的动态性能，发现橡胶混合料改善了接触力分布的均匀性。Koohmishi与Azarhoosh（2022年，2023年）研究了道砟在冲击荷载下的动态特性，结果表明橡胶-道砟混合物的刚度和阻尼系数低于纯道砟。此外，Koohmishi与Azarhoosh（2020年）指出橡胶对道砟的排水性能也有显著影响。综上所述，橡胶混合料能够显著提升道砟在列车荷载下的力学性能，这凸显了在道砟中回收利用橡胶轮胎的高研究价值。

道砟轨道必须定期进行夯实维护。Zhou等人（2024年）在现场测试了夯实过程中的道砟加速度，发现夯实过程中道砟会发生强烈振动。Sol-Sánchez等人（2016年）和Shi等人（2021年）分别通过实验室和数值方法研究了夯实对道砟的劣化影响，发现夯实会导致道砟破损，尤其是在插入夯实设备时。Qian等人（2024年）和Chi等人（2024年）研究了夯实对道砟力学性能的影响，发现夯实会严重破坏道砟的结构。Abbasi等人（2024年）在现场测试了夯实后的道砟状态，发现夯实会显著降低道砟的支撑模量。Chen等人（2025a）利用数值方法研究了夯实对道砟状态的影响，发现夯实后道砟的刚度显著下降。总之，夯实操作会导致道砟产生强烈的力学响应并显著改变其状态。然而，目前尚未研究橡胶-道砟混合系统在夯实过程中的影响，这严重限制了这种新型复合橡胶-道砟床的实际应用。

为填补这一空白，建立了一个复合橡胶-道砟床模型，并通过离散元方法（DEM）和多体动力学（MBD）的耦合对夯实维护过程进行了模拟。利用该模型首次分析了添加的橡胶含量和颗粒大小对复合橡胶-道砟床力学响应和状态的影响，旨在减轻损坏并提升维护效果，从而确定了推荐的橡胶碎屑含量和粒径。这项研究将极大促进废弃橡胶轮胎在铁路道砟轨道中的应用。

数值模型

在本节中，建立了复合橡胶-道砟床模型，并分别利用商业软件EDEM和RECURDYN通过离散元方法（DEM）和多体动力学（MBD）技术对其夯实维护过程进行了模拟。通过道砟箱的加载试验验证了该模型的准确性。

橡胶碎屑含量的影响

本节分析了不同橡胶碎屑含量下复合橡胶-道砟床的维护性能，包括离散颗粒的力学响应和复合结构的力学状态，以确定推荐的橡胶碎屑添加量。

橡胶碎屑粒径的影响

本文分析了复合橡胶-道砟床的维护性能，评估了不同橡胶粒径的影响，重点研究了复合颗粒的力学响应和状态，旨在确定推荐的橡胶粒径。

结论

本研究首次研究了回收橡胶碎屑对复合道砟床维护性能的影响，主要结论如下：

• (1)
  通过离散元方法（DEM）和多体动力学（MBD）的耦合建立了一个复合橡胶-道砟床模型，并对其夯实过程进行了模拟。该模型通过与现场试验和实验结果的对比得到了验证。然而，MBD求解器中的一个假设限制了模型的准确性：

CRediT作者贡献声明

刘畅：撰写初稿，负责监督工作。史顺伟：项目管理和概念构思。夏梦然：数据收集与整理。王宇泽：数据可视化与验证。刘月：软件开发和方法设计。薛江伟：形式化分析。高亮：资源协调。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52408452）的支持。