馬昆林，龍廣成，謝友均

(1.中南大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410075;2.中南大學 高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室, 湖南 長沙 410075)

鐵路混凝土預(yù)制構(gòu)件通常采用常壓60 ℃蒸汽養(yǎng)護工藝，借助蒸汽的熱濕作用促進混凝土早期強度發(fā)展，從而滿足預(yù)制構(gòu)件快速生產(chǎn)的要求。與現(xiàn)場澆筑的常溫養(yǎng)護混凝土構(gòu)件相比，采用蒸汽養(yǎng)護工藝生產(chǎn)的混凝土預(yù)制構(gòu)件在快速獲得早期強度的同時，常存在一些不可忽視的宏觀、微觀等多尺度質(zhì)量缺陷，如表層裂縫、腫脹變形、內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)粗化、脆性增大以及延遲鈣礬石反應(yīng)等，研究表明這些缺陷通常與蒸汽濕熱養(yǎng)護有關(guān)[1-5]，本文中統(tǒng)稱為蒸養(yǎng)熱傷損。

國內(nèi)外很多工程實踐[6-8]證明，混凝土蒸養(yǎng)過程中的熱傷損效應(yīng)將嚴重影響蒸養(yǎng)混凝土的服役性能和耐久性能，甚至造成安全隱患。如美國舊金山海灣San Mateo大橋的蒸養(yǎng)混凝土預(yù)制梁在服役17年后，出現(xiàn)嚴重腐蝕破壞以至于必須進行修補處理，而同期常溫養(yǎng)護的混凝土未見明顯病害。我國鐵道工務(wù)部門調(diào)查運營線路上近兩萬根Ⅱ型蒸養(yǎng)混凝土預(yù)應(yīng)力軌枕表明，絕大多數(shù)軌枕均發(fā)生了不同程度的破壞，營運狀態(tài)的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕平均使用壽命僅為14年，嚴重的甚至使用5～8年后已開裂失效，遠未達到50年設(shè)計使用年限。鐵路蒸養(yǎng)混凝土預(yù)制預(yù)應(yīng)力梁體的檢測統(tǒng)計資料亦表明，全路橋梁失格率近20%，有的甚至出現(xiàn)嚴重裂損、嚴重漏水和承載力不足[8]。雖然嚴酷的服役條件也是造成上述問題的重要因素之一，但服役前蒸養(yǎng)混凝土預(yù)制構(gòu)件的性能和質(zhì)量是保證其良好服役性能的首要條件，現(xiàn)行生產(chǎn)工藝制造的高速鐵路蒸養(yǎng)混凝土預(yù)制軌道板、蒸養(yǎng)混凝土預(yù)制箱梁局部常存在表觀裂縫等熱傷損，這些熱傷損在列車運行的動荷載與環(huán)境作用下極有可能進一步擴展演化，從而造成混凝土性能加速退化，對高速鐵路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生安全隱患。

本文結(jié)合實際工程，對投入使用4年就發(fā)生嚴重劣化的混凝土軌道板進行研究，探討蒸養(yǎng)混凝土軌道板在運營狀態(tài)下發(fā)生劣化的重要原因。

1 試驗概況

1.1 工程概況

某城際鐵路自正式通車運營以來，整體狀態(tài)良好。2014年以來，養(yǎng)護維修人員在例行檢查中發(fā)現(xiàn)該鐵路少數(shù)混凝土軌道板(CRTSⅠ型板式軌道)出現(xiàn)不同程度的開裂，為確保鐵路運營安全，工作人員對開裂的軌道板進行了更換。同時，為了探明軌道板開裂的原因，在有關(guān)單位的協(xié)助下，研究人員到現(xiàn)場進行了調(diào)查和取樣。

1.2 試驗方法

研究人員采用現(xiàn)場調(diào)查與取樣試驗相結(jié)合的方法，基于國內(nèi)外最新研究成果和相關(guān)技術(shù)規(guī)程，結(jié)合軌道板的生產(chǎn)和服役現(xiàn)狀，對軌道板開裂的原因進行進一步分析。

(1)現(xiàn)場調(diào)查及取樣

對混凝土軌道板進行現(xiàn)場檢查，對軌道板未開裂的部位和開裂部位的混凝土進行取樣，調(diào)查軌道板的服役環(huán)境。對該批次軌道板生產(chǎn)情況及相關(guān)資料進行調(diào)研分析，包括混凝土原材料、配合比以及生產(chǎn)工藝條件等資料和檢測報告。

(2)室內(nèi)試驗

采用巖相分析技術(shù)對所取混凝土試樣內(nèi)粗骨料礦物組成檢測分析，采用掃描電鏡(SEM)觀察軌道板混凝土不同部位的微觀形貌，采用能譜(EDS)技術(shù)對混凝土內(nèi)部的微觀產(chǎn)物進行組成元素分析，采用X-衍射(XRD)技術(shù)對混凝土內(nèi)不同部位的組成進行成分分析，采用壓汞法對混凝土的孔隙率進行測試。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 現(xiàn)場調(diào)查

該城際鐵路位于我國東部地區(qū)，該地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，年均降水約1 200 mm，年平均溫度15.4 ℃，年均相對濕度約為75%，夏季濕熱，冬季濕冷。該城際鐵路是中國最繁忙的高速鐵路線路之一，設(shè)計速度300 km/h，每天7:00～23:00間，平均5～8 min就有一次高速運行的列車通過?；炷淋壍腊灞┞队诖髿庵?，長期處于高速行駛列車的動荷載和雨水潮濕環(huán)境中，除接觸雨水外，暫時未發(fā)現(xiàn)軌道板混凝土接觸其他侵蝕性介質(zhì)。

研究人員到現(xiàn)場對出現(xiàn)嚴重劣化后換下的軌道板進行詳細檢查，板的外觀照片(該板開裂后涂刷了防水層)以及裂縫分布特點如圖1所示。從板的外觀可以看到，整塊軌道板出現(xiàn)了較嚴重的開裂，每個橡膠墊下面的混凝土基本都出現(xiàn)了裂縫，從板端凸形擋臺圓弧形端面處混凝土的裂縫分布及板底的劣化情況看，裂縫幾乎貫穿整塊板，鑿除混凝土表面涂刷的防水層，可以看到防水層下部的混凝土也出現(xiàn)了裂縫(圖1(b))。從出現(xiàn)、發(fā)展和分布看，裂縫多為放射狀，分布無明顯規(guī)律性。沿著部分裂縫鑿開混凝土發(fā)現(xiàn)開裂處混凝土中有白色物質(zhì)出現(xiàn)，開裂混凝土內(nèi)部如圖2所示。

圖1 軌道板開裂特征

圖2 開裂混凝土內(nèi)部白色物質(zhì)

現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，混凝土采用的原材料為華新金貓P.Ⅱ 42.5水泥，細骨料為贛江中砂，粗骨料由浙江湖州新開元采石場生產(chǎn)，摻合料為F類粉煤灰，減水劑為武漢格瑞林SP010聚羧酸系減水劑，軌道板混凝土配合比見表1。

表1 軌道板混凝土配合比 kg/m3

為了更好地掌握混凝土的實際情況，研究人員對生產(chǎn)軌道板的混凝土原材料及其配合比與生產(chǎn)情況進行了調(diào)研分析。有關(guān)部門按照相關(guān)標準規(guī)范或暫行技術(shù)要求對軌道板混凝土原材料進行了檢測，其中混凝土用碎石骨料的堿活性檢測結(jié)果為：快速砂漿棒法14 d膨脹率為0.18%，巖相法未發(fā)現(xiàn)堿-碳酸鹽反應(yīng)活性礦物；混凝土用砂的堿活性檢測結(jié)果為：快速砂漿棒法14 d膨脹率為0.15%，巖相法未發(fā)現(xiàn)堿-碳酸鹽反應(yīng)活性礦物；P.Ⅱ 42.5硅酸鹽水泥堿含量(Na2O+0.658K2O)檢測結(jié)果為0.54%，粉煤灰堿含量為0.39%，減水劑中堿含量為5.86%，混凝土各性能指標滿足要求，其總堿含量為2.7 kg/m3。該混凝土軌道板采用蒸養(yǎng)工藝成型，即常溫下靜停2 h、升溫2 h、恒溫8 h、降溫1 h，共13 h，恒溫溫度(60±5) ℃。

2.2 材料測試

研究人員對開裂軌道板混凝土內(nèi)的粗骨料取樣并進行了XRD成分分析。圖3為開裂軌道板混凝土內(nèi)的粗骨料樣品，圖4為粗骨料樣品的XRD測試結(jié)果。由圖4可知，粗骨料主要成分為石英(SiO2)、鈉長石(NaAlSi3O8)和碳酸鈣(CaCO3)。

圖3 開裂混凝土內(nèi)粗骨料樣品

圖4 粗骨料XRD測試結(jié)果

研究人員對粗骨料進行了巖相分析，巖相分析結(jié)果表明：該軌道板內(nèi)的粗骨料主要由正長石、斜長石、石英、黑云母及副礦物磷灰石組成。其中正長石主要為小于1 mm×2 mm的板塊狀，表面發(fā)育呈現(xiàn)出弱的黏土化，黏土化含量35%左右；斜長石主要為小于1 mm×2 mm的板塊狀，其中部分發(fā)育呈現(xiàn)環(huán)帶結(jié)構(gòu)，多為中性斜長石，含量25%左右；石英呈現(xiàn)不規(guī)則粒狀，1 mm左右，約三分之一的石英顆粒被碎化到約0.1 mm的細小顆粒，石英含量32%左右；黑云母為0.3 mm×0.6 mm的片狀，個別達1 mm×2.4 mm，部分黑云母發(fā)育弱綠泥石化，綠泥石化含量10%左右。

圖5為粗骨料巖相分析典型顯微照片，圖5(a)為該區(qū)域巖石主要由長石、石英和黑云母組成，圖5(b)為該區(qū)域的石英顆粒發(fā)育呈現(xiàn)明顯的波狀消光特征，被碎化的石英顆粒波狀消光特征明顯，圖5(b)與圖5(a)為同一視域。

圖5 粗骨料巖相分析典型照片

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

在軌道板未出現(xiàn)可見裂縫的部位，距混凝土表層5、10、50 mm處取樣進行孔隙率測試，測試結(jié)果如圖6所示。對軌道板表層混凝土和距表面50 mm處的混凝土樣進行微觀結(jié)構(gòu)形貌觀察，結(jié)果如圖7所示。

圖6 軌道板混凝土孔隙率測試結(jié)果

由圖6可知，距離軌道板表層越近，混凝土的孔隙率越大，距軌道板表面5 mm處混凝土的孔隙率最大，在所測試3個部位的樣品中，距軌道板表面50 mm處混凝土的孔隙率最小。

圖7為距軌道板表層5 mm和50 mm處混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)形貌。由圖7(a)和圖7(b)可知，在軌道板表層混凝土中可以看到明顯的CH晶體，混凝土微觀結(jié)構(gòu)較疏松，水化物相之間的黏結(jié)不夠緊密，水化產(chǎn)物之間有大量孔隙和微裂紋。由圖7(c)和圖7(d)可知，軌道板內(nèi)部混凝土的微觀結(jié)構(gòu)更密實，水化物相間黏結(jié)緊密，未發(fā)現(xiàn)明顯的孔隙和微裂縫。不同部位混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析表明，該軌道板混凝土表層和內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)不同，混凝土表層疏松多孔且存在微裂縫，內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)較密實。

圖7 混凝土軌道板表層及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)測試結(jié)果

研究表明[9-11]，在高溫濕熱作用下，由于溫度應(yīng)力差、熱質(zhì)傳輸以及混凝土中水泥水化不均勻等原因，蒸養(yǎng)混凝土表層與內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能存在較大差異，從而造成蒸養(yǎng)混凝土熱傷損。通過對出現(xiàn)劣化的蒸養(yǎng)混凝土軌道板表層及內(nèi)部孔隙率和微觀結(jié)構(gòu)形貌的測試分析，發(fā)現(xiàn)該軌道板混凝土表層孔隙率較大，微觀結(jié)構(gòu)疏松，存在較多孔隙和微裂紋?；诒疚脑囼灉y試結(jié)果并結(jié)合文獻資料的對比，認為蒸汽養(yǎng)護熱傷損是造成該軌道板混凝土表層與內(nèi)部較大差異的主要原因。

2.4 膨脹產(chǎn)物

在開裂混凝土處取樣，圖8為采用SEM進行的微觀形貌觀察，圖9為采用EDS進行的可疑物質(zhì)組成元素分析結(jié)果。

由圖8(a)～圖8(c)可知，在混凝土開裂處發(fā)現(xiàn)大量細長針柱狀晶體，圖8(d)是對針柱狀結(jié)晶體進行的EDS元素分析，測試結(jié)果表明針柱狀結(jié)晶體中主要含有Ca、S、Al等元素，結(jié)合該晶體的形狀及主要組成元素，可以判斷該晶體為鈣礬石(AFt)，分子式為3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O。研究表明[12-14]，混凝土在蒸養(yǎng)條件下會出現(xiàn)延遲AFt反應(yīng)，即在較高溫度下，AFt會脫水轉(zhuǎn)化為單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)，當溫度恢復(fù)正常時，AFm又將重新生成AFt，重新生成的AFt具有膨脹性。AFt的生成是在水泥水化完成后出現(xiàn)的，當其膨脹應(yīng)力超過水泥石的極限拉應(yīng)力時，將導致混凝土開裂。

圖8 開裂混凝土內(nèi)部SEM及EDS分析

圖9 開裂混凝土內(nèi)部微觀測試圖

由圖9 (a)和圖9(c)可知，在混凝土開裂處還發(fā)現(xiàn)了疑似膠凝的板狀開裂物質(zhì)。圖9(b)和圖9(d)的EDS分析結(jié)果顯示，該板狀物質(zhì)中主要含有Si和Ca元素，結(jié)合對混凝土中骨料巖相的分析結(jié)果，可以判斷該物質(zhì)為為堿-硅酸凝膠。堿-硅酸凝膠體吸水后，將出現(xiàn)較大的體積膨脹，大量凝膠體在混凝土內(nèi)部的積聚、膨脹，將導致混凝土沿著界面產(chǎn)生不均勻膨脹、開裂。

本文研究發(fā)現(xiàn)堿-硅酸凝膠反應(yīng)(ASR)與延遲鈣礬形成(DEF)共同作用對混凝土造成了劣化。在我國有關(guān)ASR和DEF共同作用對混凝土造成破壞的相關(guān)資料還不多，國外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了在ASR和DEF共同作用下混凝土出現(xiàn)早期劣化的實例[15-17]。相關(guān)研究也表明，ASR和DEF共同作用下，混凝土劣化速率明顯高于ASR和DEF的單獨作用。目前，有關(guān)混凝土中ASR與DEF相互影響和生成的機理還有待進一步研究。文獻[18]研究表明，混凝土中AFt生成的數(shù)量與混凝土中堿含量的平方根存在指數(shù)關(guān)系，混凝土孔溶液較高的pH值有利于AFm的存在，孔溶液pH值的降低將會導致AFt的生成。水侵入混凝土后與堿-硅酸凝膠發(fā)生ASR，將會降低孔溶液中的pH值，同時水侵入孔溶液后也會稀釋孔溶液中的堿，使pH值進一步降低，這些都會導致AFt的生成[19-20]。

3 軌道板劣化原因分析

根據(jù)以上對軌道板混凝土的現(xiàn)場調(diào)研和測試分析結(jié)果，本文結(jié)合軌道板的服役環(huán)境、軌道板混凝土出現(xiàn)的熱傷損以及堿-硅酸凝膠反應(yīng)(ASR)和延遲鈣礬石的生成(DEF)分析劣化原因。

首先，在蒸汽養(yǎng)護過程中，該軌道板混凝土出現(xiàn)了一定的熱傷損，熱傷損導致軌道板混凝土的表層結(jié)構(gòu)疏松多孔。第二，該軌道板在服役環(huán)境中不僅受到了高速列車運行時產(chǎn)生的動荷載作用，還長期處于潮濕多雨的環(huán)境中。第三，長期的動荷載作用將會導致混凝土微裂紋的演化和擴大，在動水壓作用下，沿著裂紋侵入混凝土的水分增多。第四，侵入混凝土中的水分與混凝土中含有潛在堿活性的骨料發(fā)生ASR，生成的堿-硅酸凝膠體積膨脹，同時硬化后在混凝土中發(fā)生了DEF，生成的AFt在混凝土內(nèi)部膨脹，最終導致混凝土軌道板開裂。

4 結(jié)論

根據(jù)對開裂混凝土軌道板的現(xiàn)場檢查、原材料檢測以及軌道板混凝土的取樣研究分析結(jié)果，結(jié)合軌道板實際服役狀態(tài)，本文研究結(jié)論如下：

(1)所研究的混凝土軌道板存在一定的蒸養(yǎng)熱傷損。熱傷損導致混凝土表層與內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異，軌道板混凝土表層孔隙率明顯大于內(nèi)部，表層混凝土結(jié)構(gòu)疏松，存在較多微裂縫等初始缺陷。

(2)蒸養(yǎng)熱傷損導致混凝土軌道板出現(xiàn)微裂紋等缺陷，這些微裂縫在高速列車動荷載作用下擴展演化，加速了雨水對混凝土的滲透，侵入混凝土中的水與骨料中的堿-硅酸凝膠發(fā)生的堿-硅酸凝膠反應(yīng)以及在混凝土中同時發(fā)生的延遲性鈣礬石反應(yīng)生成了大量膨脹性產(chǎn)物，最終導致混凝土軌道板開裂。