陳文帥,劉雷,牛紅凱,汪倩

無(wú)砟軌道修補(bǔ)技術(shù)研究

陳文帥1,劉雷1,牛紅凱2,汪倩1

1. 河北軌道運(yùn)輸職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河北 石家莊 050000 2. 石家莊鐵道大學(xué), 河北 石家莊 050043

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中產(chǎn)生的破損缺陷日益突出，因此無(wú)砟軌道的修復(fù)技術(shù)變得日趨重要。本研究借鑒國(guó)外高速鐵路無(wú)砟軌道維修經(jīng)驗(yàn)，以硫鋁酸鹽水泥為基材，設(shè)計(jì)了一種適合于我國(guó)高速鐵路的軌道板和軌道板砂漿層之間離縫的快速修復(fù)材料，通過(guò)控制乳膠粉和聚丙烯纖維的摻入量提高強(qiáng)度及耐久性。結(jié)果表明：乳膠粉摻入量為0.8，聚丙烯纖維摻入量為0.5時(shí)，該水泥砂漿的7 d抗壓強(qiáng)度56.8 MPa，抗折強(qiáng)度16.3 MPa，耐腐蝕系數(shù)0.91以上。所制備出的水泥修補(bǔ)砂漿能夠滿足無(wú)砟軌道維修標(biāo)準(zhǔn)各項(xiàng)性能的要求。

無(wú)砟軌道; 修補(bǔ)技術(shù)

經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，高速鐵路逐步形成了以德國(guó)、日本、法國(guó)三個(gè)家為代表的高鐵技術(shù)體系。目前，全球已建成投產(chǎn)6850 km時(shí)速250多km的高速鐵路。國(guó)外運(yùn)營(yíng)證明，高鐵具有運(yùn)能大、速度高、安全舒適、能耗低、污染輕、低成本少、占地少、高效益等特點(diǎn)，發(fā)展高鐵稱為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大支撐[1]。2020年，我國(guó)高速鐵路的里程將達(dá)到10萬(wàn)多km，百分之八十的全國(guó)主要省會(huì)城市將全部通車。首都北京到全國(guó)省會(huì)城市的時(shí)間將達(dá)到8 h左右，省會(huì)城市將在省會(huì)建立0.5 h、1 h、2 h的經(jīng)濟(jì)圈，鄰近省會(huì)城市將構(gòu)建2 h、3 h經(jīng)濟(jì)圈。我國(guó)人口基數(shù)較大，鐵路運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)將會(huì)是一個(gè)質(zhì)的飛躍，我國(guó)鐵路系統(tǒng)將會(huì)走進(jìn)全世界最先進(jìn)的水平[2]。

目前，我國(guó)采用的板式無(wú)砟軌道分別是CRTSⅠ型、CRTSⅡ型和CRTSⅢ型[3]。高速鐵路無(wú)砟軌道近年來(lái)才開(kāi)始使用，因此，在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面都沒(méi)有足夠的經(jīng)驗(yàn)，基礎(chǔ)理論方面尚未成熟，許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題仍期待科研工作者去解決[4]。尤其是隨著服役年限的增加，混凝土的結(jié)構(gòu)不可避免的出現(xiàn)破損狀況，因此新型修補(bǔ)材料技術(shù)與研制尤為重要。

混凝土修補(bǔ)材料的主要性能指標(biāo)有（1）凝結(jié)硬化后漿體與原混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度；（2）硬化漿體與原混凝土的彈性模量相近；（3）硬化漿體與原混凝土收縮系數(shù)相近；（4）硬化漿體與原混凝土相等或相近：（5）具有良好的耐久性[5]。目前主要研究的有收縮補(bǔ)償砂漿[6]，預(yù)輔骨料混凝土[7]，摻加碳纖維改善粘結(jié)性能[8]等，較多研究集中在聚合物改性混凝土和砂漿。

無(wú)砟軌道的傷損形式主要有以下幾種[9]:軌道板結(jié)構(gòu)與砂漿墊層的離縫缺陷；砂漿層內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺損病害、混凝土傷損、結(jié)構(gòu)件的破壞、支承層上部無(wú)砟軌道的病害和傷損、無(wú)砟軌道發(fā)生某些位置變化或沉降等。損傷修復(fù)必須堅(jiān)持的基本原則：

（1）快速搶修。無(wú)砟軌道的病害治理維修工作必須保證在4 h以內(nèi)完成，否則將對(duì)列車的正常運(yùn)行帶來(lái)不良的影響[10-12]；

（2）重復(fù)維修。修補(bǔ)材料必須兼顧耐久性和可維修性，確保修補(bǔ)后的服役混凝土再次出現(xiàn)傷損時(shí)可以完全祛除修補(bǔ)部位或者基于再次破損的部位反復(fù)維修。修補(bǔ)受損采用材料不相同時(shí)，須確保證新舊材料之間優(yōu)良的融合性[13-15]。

目前修補(bǔ)的材料主要以樹(shù)脂砂漿為主，針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中有機(jī)基體的引入是否會(huì)對(duì)粘結(jié)、耐久性產(chǎn)生影響尚不明確，但是隨著服役年限、環(huán)境的變化有機(jī)物的老化是不爭(zhēng)的實(shí)時(shí)。因此，為了實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)，研究一種新型的修復(fù)材料至關(guān)重要。

1 材料與方法

1.1 材料

(1) 水泥：贊皇縣金隅水泥有限公司的42.5快硬硫鋁酸鹽水泥；

(2) 過(guò)燒鎂砂：MgO≥87%，平均粒徑40 μm；

(3) 粉煤灰：Ⅱ級(jí)，灰黑色的粉末；

(4) 砂：SiO2≥96%；

(5) 聚磷酸鹽：Na5P3O10≥96%，白色粒狀粉末；

(6) 膠粉：市場(chǎng)購(gòu)得821專用膠粉；

(7) 聚丙烯纖維：白色，直徑為42 μm，長(zhǎng)度為16 mm，密度為0.89 g·m-3，彈性模量為7 GPa，抗拉強(qiáng)度為400 MPa。

1.2 方法

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)在此配比基礎(chǔ)上制備的MPC水泥，漿體的初凝時(shí)間控制在10~13 min，1 h抗壓強(qiáng)度高于40 MPa，7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到50 MPa，符合高鐵無(wú)砟軌道對(duì)修補(bǔ)材料維修凝結(jié)速度快、早期強(qiáng)度高的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.2 砂漿拌和步驟砂漿配合比試驗(yàn)的步驟如下：

(1) 將水泥、鎂砂緩凝劑、砂和粉煤灰等按不同配比稱量；

(2) 倒入攪拌容器內(nèi)，加水進(jìn)行拌合，低速30 s，高速90 s；

(3) 澆筑于試模中，并將其放在震臺(tái)上振實(shí)；

(4) 帶模養(yǎng)護(hù)1 h左右后脫模，自然養(yǎng)護(hù)至不同齡期。

1.2.3 性能測(cè)試方法(1) 拌合物流動(dòng)度測(cè)試：拌合物砂漿的流動(dòng)度實(shí)驗(yàn)按GB/T 2419-2016《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)試；

(2) 強(qiáng)度測(cè)試：抗折強(qiáng)度采用水泥膠砂電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法按照《建筑工程飾面磚粘結(jié)強(qiáng)度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ110-2017）；抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用WED-300型電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，測(cè)試方法依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（GBT 17671-1999）；

(3) 耐腐蝕性能的測(cè)試方法：將試件分別浸泡在不同酸堿溶液和清水中，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，測(cè)試不同環(huán)境水泥的抗壓強(qiáng)度，計(jì)算耐腐蝕系數(shù)。同時(shí)觀察表觀現(xiàn)象的變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同乳膠粉摻量對(duì)修補(bǔ)砂漿性能影響

2.1.1 乳膠粉摻量對(duì)流動(dòng)性影響為了提高砂漿的流動(dòng)性，選用可再分散乳膠粉作為添加劑，添加劑含量分別為：0%、0.2%、0.5%、0.8%、1.0%。

不同乳膠粉摻量下復(fù)合砂漿的流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，結(jié)果表明，水泥砂漿的流動(dòng)性隨著乳膠粉摻量的增加而增大，乳膠粉摻量增加至1.0%時(shí)，膠砂流動(dòng)度為196 mm，且砂漿開(kāi)始呈離析狀態(tài)。為了將砂漿流動(dòng)度控制在160~175 mm之間，乳膠粉摻量為0.5%~0.8%比較合適。

砂漿流動(dòng)性的提高主要?dú)w結(jié)于分散膠粉的摻入，可再分散乳膠粉有一定的減水效應(yīng)，表面活性成分起到了引氣效果，大大提高了砂漿的流動(dòng)性，膠粉顆粒之間的潤(rùn)滑作用的同時(shí)也提高了砂漿混合料的流動(dòng)性。

圖 1 乳膠粉對(duì)硫鋁酸鹽水泥砂漿流動(dòng)度的影響

圖 2 乳膠粉對(duì)硫鋁酸鹽水泥砂漿粘結(jié)抗折強(qiáng)度的影響

2.1.2乳膠粉摻量對(duì)砂漿粘結(jié)抗折強(qiáng)度的影響控制再分散乳膠粉的摻量為0~1%，依據(jù)新拌砂漿流動(dòng)度在160~175 mm之間對(duì)拌和物的用水量進(jìn)行調(diào)整。

不同乳膠粉摻量下的砂漿粘結(jié)抗折強(qiáng)度如圖2所示，一定范圍內(nèi)，膠粘強(qiáng)度隨著乳膠粉摻量的增加而增加。當(dāng)摻量為0.8％時(shí)，14 d時(shí)的抗折強(qiáng)度為6.8 MPa，達(dá)到最大值，較空白組增加了58％。乳膠粉的摻入在砂漿中引入了聚合物，聚合物的內(nèi)聚力會(huì)在砂漿之間產(chǎn)生鉚接和橋接，當(dāng)硬化漿體發(fā)生破壞時(shí)，吸收來(lái)自于斷裂擴(kuò)展導(dǎo)致的能量，從而阻礙微裂紋的擴(kuò)展，提高修補(bǔ)砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度。

2.1.3 乳膠粉摻入對(duì)水泥砂漿耐久性能研究酸溶液中砂漿不同齡期腐蝕后的耐腐蝕系數(shù)如圖3所示。不同齡期下，水泥砂漿耐腐蝕系數(shù)分別達(dá)到了0.89、0.79、0.78，均有一定的提高，表明乳膠粉的摻入可以提高砂漿的耐久性。

圖 3 乳膠粉摻量為0.8%下硫鋁酸鹽水泥砂漿耐久性的影響

2.2 不同摻量下聚丙烯纖維對(duì)修補(bǔ)砂漿性能的影響

聚丙烯纖維對(duì)硫鋁酸鹽水泥（SAC）砂漿抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示。隨著聚丙烯纖維的摻入，砂漿的1 d與3 d抗壓強(qiáng)度均低于空白組，且隨著摻量的增加而逐漸降低，對(duì)比聚丙烯纖維不同摻量下7 d和28 d強(qiáng)度，可以得出硬化體強(qiáng)度隨摻量的增加而升高。綜合上述結(jié)論可以得出，當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.5%時(shí)，砂漿后期的抗壓強(qiáng)度能夠有效提高，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到56.8 MPa，相較于與無(wú)摻加的抗壓強(qiáng)度差別較小。

聚丙烯纖維對(duì)硫鋁酸鹽水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響結(jié)果如圖5所示，硫鋁酸鹽水泥砂漿的各齡期抗折強(qiáng)度均隨著聚丙烯纖維摻量的增加呈升高的趨勢(shì)。

圖 4 聚丙烯纖維對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

圖 5 聚丙烯纖維對(duì)砂漿抗折強(qiáng)度的影響

聚丙烯纖維增強(qiáng)修補(bǔ)砂漿是一種非勻質(zhì)的復(fù)合材料，服役混凝土結(jié)構(gòu)在薄弱、缺陷區(qū)域發(fā)生破壞的主要原因就是結(jié)構(gòu)在受載荷情況下應(yīng)力和應(yīng)變的不均勻分部。相關(guān)研究證實(shí)，特種纖維增加復(fù)合材料發(fā)生纖維斷裂時(shí)的載荷可以達(dá)到極限載荷的60%以上。纖維增強(qiáng)修補(bǔ)砂漿處于服役狀態(tài)發(fā)生斷裂時(shí)，斷裂的過(guò)程不僅僅限于混凝土結(jié)構(gòu)、纖維的斷裂，同時(shí)包括纖維與砂漿基體的粘結(jié)以及受損嚴(yán)重時(shí)纖維的拔出，隨著裂紋的擴(kuò)展和損傷的累計(jì)最終發(fā)生宏觀的斷裂，斷裂過(guò)程即能量釋放的過(guò)程，纖維與砂漿基體的脫粘和纖維被拔出的過(guò)程需要克服較大的摩擦阻力，在此過(guò)程中需要消耗大量的能量。

3 結(jié)論

研制的快速修復(fù)水泥砂漿，7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到56.8 MPa，抗折強(qiáng)度達(dá)到了16.3 MPa，耐腐蝕系數(shù)達(dá)到了0.91以上，能夠滿足無(wú)砟軌道維修標(biāo)準(zhǔn)各項(xiàng)性能的要求，尺寸灌注試驗(yàn)表明，復(fù)合砂漿產(chǎn)品能滿足我國(guó)板式無(wú)碴軌道鐵路建設(shè)的需要。

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Study on the Repair Technology for a Ballastless Track

CHEN Wen-Shuai1, LIU Lei1, NIU Hong-kai2, WANG Qian1

1.050000,2.050043,

With the rapid development of China's high-speed railway, the damage defects caused by the concrete structure during the service process are increasingly prominent, so the repair technology of ballastless track has become more and more important. Based on the experience of repairing the ballastless track plate on foreign high-speed railway, Sulphoaluminate cement was used as the base material to become a rapid repair material for the separation between the track plate and the track plate mortar layer of China's high-speed railway so as to improve the strength and durability by way of controlling the amount of latex powder and polypropylene fibers. The results showed when the latex powder was 0.8 and the polypropylene fiber was 0.5, the 7 days compressive strength, flexural strength and corrosion coefficient of the cement mortar reached 56.8 MPa, 16.3 MPa and 0.91 respectively. The prepared cement repair mortar could meet the performance requirements of the ballastless track dimension standard.

Ballastless track; repair technology

U213.2+44

A

1000-2324(2019)04-0604-04

2018-04-05

2018-05-23

陳文帥(1980-),男,本科,工程師,研究方向:鐵道工程技術(shù)，建筑施工. E-mail:hbcws2518@sina.com