靳昊 潘龍江 易忠來(lái) 楊春枝 李化建

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.哈大鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110001）

嚴(yán)寒地區(qū)溫度低，晝夜溫差大，冬季水夜間結(jié)冰白天融化，反復(fù)強(qiáng)凍融作用會(huì)導(dǎo)致混凝土粉化，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的正常服役產(chǎn)生較大危害。哈大客運(yùn)專線、沈丹客運(yùn)專線、盤營(yíng)客運(yùn)專線等高速鐵路線路位于我國(guó)東北嚴(yán)寒地區(qū)，經(jīng)養(yǎng)護(hù)維修部門日常檢查發(fā)現(xiàn)，無(wú)砟軌道底座板混凝土已陸續(xù)出現(xiàn)表層混凝土剝落、混凝土粉化、鋼筋裸露銹蝕等現(xiàn)象［1］。同時(shí)，近年來(lái)南方冬季出現(xiàn)的大規(guī)模降雪、低溫氣候，也導(dǎo)致南方部分地區(qū)的無(wú)砟軌道底座板粉化病害逐漸顯現(xiàn)。

底座板混凝土粉化程度會(huì)隨著凍融時(shí)間延長(zhǎng)而加劇，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。底座板混凝土粉化掉落的碎塊等會(huì)被高速行駛的列車帶起，擊打機(jī)車、鋼軌等，嚴(yán)重危害列車行車安全，增加運(yùn)維成本。況且底座板為無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵承載部位，混凝土粉化程度加深會(huì)導(dǎo)致底座板強(qiáng)度降低危害無(wú)砟軌道承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

目前，底座板混凝土粉化整治多采用砂漿修補(bǔ)和涂層封閉相結(jié)合的方式［2-5］。但是，粉化區(qū)域內(nèi)底座板混凝土的密實(shí)度較低，防護(hù)涂層易出現(xiàn)針孔，水從針孔進(jìn)入，導(dǎo)致混凝土繼續(xù)凍融破壞。同時(shí)，粉化區(qū)域內(nèi)混凝土基體強(qiáng)度較低導(dǎo)致砂漿修補(bǔ)層與基體混凝土無(wú)法牢固黏結(jié)，在溫度力、列車動(dòng)荷載、凍融等綜合作用下，短時(shí)間內(nèi)即出現(xiàn)砂漿開裂、脫空等情況。因此，急須開展針對(duì)性研究，解決嚴(yán)寒地區(qū)無(wú)砟軌道底座板混凝土粉化難題。

1 底座板混凝土粉化特點(diǎn)及原因分析

1.1 底座板混凝土粉化特點(diǎn)

底座板粉化集中發(fā)生在晝夜溫差大、溫度變化頻繁的3—5 月和11—1 月。無(wú)砟軌道底座板混凝土粉化病害發(fā)展迅速，每經(jīng)歷一個(gè)冬季，底座板混凝土粉化程度明顯加劇。底座板混凝土粉化病害多集中于易積水的平面與轉(zhuǎn)角部位。混凝土粉化會(huì)導(dǎo)致底座板混凝土抗壓強(qiáng)度下降，部分嚴(yán)重區(qū)域混凝土抗壓強(qiáng)度下降顯著。

底座板混凝土粉化病害按照粉化程度分為輕微粉化、一般粉化和嚴(yán)重粉化。輕微粉化是指混凝土表層起砂、掉皮；一般粉化是指混凝土表面露石，粉化深度低于3 cm，粉化層下部混凝土仍較堅(jiān)實(shí)（不低于原強(qiáng)度的70%）；嚴(yán)重粉化是指混凝土連續(xù)剝落，粉化深度普遍大于3 cm，混凝土整體密實(shí)度較差，強(qiáng)度下降明顯。

1.2 底座板混凝土粉化主要原因分析

1）混凝土抗凍性不足

抗凍性指標(biāo)是寒區(qū)混凝土最重要的耐久性指標(biāo)，在混凝土配合比設(shè)計(jì)中會(huì)對(duì)含氣量等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)要求，實(shí)驗(yàn)室也將其作為重要檢測(cè)項(xiàng)目。但是，在嚴(yán)寒地區(qū)強(qiáng)凍融作用下，由于混凝土配合比設(shè)計(jì)不合理、混凝土施工不當(dāng)、混凝土養(yǎng)護(hù)不佳等原因，仍導(dǎo)致混凝土抗凍性不足的問(wèn)題凸顯［6－7］。

2）排水不暢

按照設(shè)計(jì)要求底座板應(yīng)設(shè)置排水坡，確保雨水、融化的雪水可以快速排出。但是，實(shí)際施工時(shí)底座板排水坡的坡度常不足，甚至未按要求設(shè)置。入冬前的雨水會(huì)長(zhǎng)時(shí)間聚集在底座板排水不暢的部位，溫度下降時(shí)混凝土即會(huì)受到凍融作用。同時(shí)，停留在底座板的雪白天融化后也無(wú)法及時(shí)排出，加劇了凍融破壞。

3）環(huán)境溫度

現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中采用-20～-18 ℃的最低凍融溫度評(píng)價(jià)混凝土的抗凍性。嚴(yán)寒地區(qū)冬季最低溫度往往遠(yuǎn)低于-20 ℃，如哈大客運(yùn)專線除在大連外，其他區(qū)域冬季平均氣溫在-25 ℃以下，極端最低溫度可達(dá)到-40 ℃以下。

最低凍融溫度為-20 ℃和-30 ℃時(shí)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗凍性分別見(jiàn)圖1和圖2。其中：1#為高含氣量的 C40 混凝土，2#為低含氣量的 C40 混凝土，3#為高含氣量的C60混凝土。

圖1 最低凍融溫度為-20 ℃的混凝土抗凍性

圖2 最低凍融溫度為-30 ℃的混凝土抗凍性

從圖2可知，隨著最低凍融溫度的降低，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量損失速度均加快，混凝土能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)逐漸減少，最低凍融溫度對(duì)混凝土抗凍性有影響顯著。因此，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，低的凍融溫度更易導(dǎo)致底座板混凝土出現(xiàn)粉化病害。

2 整治技術(shù)

2.1 整治方法

以“徹底整治不留隱患、確保運(yùn)營(yíng)線路行車安全”為原則，根據(jù)底座板混凝土粉化程度進(jìn)行合理整治。具體整治方法為：

1）針對(duì)底座板混凝土輕微粉化病害，采用打磨排水+滲透防護(hù)的方式進(jìn)行整治［8-9］。

2）針對(duì)底座板混凝土一般粉化病害，采用基礎(chǔ)混凝土加固+打磨排水坡+填充防護(hù)的方式進(jìn)行整治。

3）針對(duì)底座板混凝土嚴(yán)重粉化病害，采用基礎(chǔ)混凝土加固+填充防護(hù)+植筋+設(shè)置排水坡的方式進(jìn)行整治。

2.2 整治材料

1）高抗凍滲透性防護(hù)材料

高抗凍滲透性防護(hù)材料可滲至混凝土內(nèi)部，對(duì)其進(jìn)行防護(hù)，提高混凝土抗凍性，有效避免涂層材料的弊端。其技術(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 高抗凍滲透性防護(hù)材料技術(shù)要求

2）快硬高韌性環(huán)氧樹脂砂漿

底座板混凝土薄層填充防護(hù)宜采用早期強(qiáng)度高、黏結(jié)強(qiáng)度和韌性優(yōu)的環(huán)氧樹脂砂漿。其技術(shù)要求見(jiàn)表2。

表2 快硬高韌性環(huán)氧樹脂砂漿技術(shù)要求

3）快硬低彈性模量聚合物水泥砂漿

底座板混凝土深層填充防護(hù)宜采用抗折強(qiáng)度高、彈性模量低的聚合物水泥砂漿。其技術(shù)要求見(jiàn)表3。當(dāng)填充防護(hù)層厚度過(guò)大時(shí)，宜在聚合物水泥砂漿中摻入粗骨料制備成混凝土使用。

表3 快硬低彈性模量聚合物水泥砂漿技術(shù)要求

2.3 整治工藝

2.3.1 底座板混凝土輕微粉化整治工藝

1）混凝土粉化層清理、設(shè)置排水坡將表面粉化的混凝土打磨清理干凈，并在底座板混凝土上打磨出反向排水坡，坡度不低于3%。

2）涂刷防護(hù)材料將混凝土外露部分，包括平面和側(cè)面，采用滲透型抗凍防護(hù)材料進(jìn)行防水處理。一般情況下，滲透型抗凍防護(hù)材料共噴涂2遍，每遍噴涂量為150～200 g/m2，每遍噴涂至少5 s 以目測(cè)是濕鏡面狀態(tài)為合格。

3）接縫密封采用硅酮嵌縫材料將底座板轉(zhuǎn)角部位、伸縮縫等接縫部位進(jìn)行填縫密封，防止水進(jìn)入，抑制底座板粉化發(fā)展［10］。

2.3.2 底座板混凝土一般粉化整治工藝

1）混凝土粉化層清理、設(shè)置排水坡

將表面粉化的混凝土打磨清理干凈，并在底座板混凝土上打磨出反向排水坡，坡度不低于3%。對(duì)局部較深的粉化層進(jìn)行鑿除處理，直至露出堅(jiān)硬的混凝土基材（不低于原抗壓強(qiáng)度的70%）。

2）涂刷防護(hù)材料

對(duì)未采用砂漿填充的混凝土外露部分，采用滲透型抗凍防護(hù)材料進(jìn)行防護(hù)處理。

3）底座板修復(fù)

在鑿除深度較大的混凝土底座板表面涂刷界面劑，界面劑應(yīng)薄層均勻，且在混凝土坑洼處無(wú)積存。采用快硬高韌性環(huán)氧樹脂砂漿按照設(shè)計(jì)尺寸將混凝土修復(fù)。

4）接縫密封

接縫密封方法同上。

2.3.3 底座板混凝土嚴(yán)重粉化整治工藝

1）混凝土粉化層清除

將松散的底座板混凝土全部清除（平面及側(cè)面），混凝土清除深度不應(yīng)低于6 cm，如混凝土整體強(qiáng)度較低，應(yīng)適當(dāng)增加清除深度。

2）界面處理

對(duì)鑿除后的混凝土鉆孔植入L 形螺紋鋼筋，鋼筋直徑8 mm，植筋深度不小于5 cm?？筛鶕?jù)情況設(shè)置鋼筋網(wǎng)?；炷帘砻嫱克⒔缑鎰?。

3）底座板修復(fù)

在底座板外側(cè)合適位置支立模板，確保澆筑后的底座板尺寸與原尺寸基本一致。采用快硬低彈性模量聚合物水泥砂漿（混凝土）按原設(shè)計(jì)尺寸及坡度（不低于3%）對(duì)混凝土進(jìn)行修復(fù)。砂漿（混凝土）初凝后，涂刷養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)。

4）接縫密封

接縫密封方法同上。

3 整治技術(shù)實(shí)施

2017 年10 月采用底座板混凝土嚴(yán)重粉化整治技術(shù)，分別對(duì)哈大客運(yùn)專線橋梁和路基段（各30 m，雙線）的無(wú)砟軌道底座板混凝土嚴(yán)重粉化區(qū)域進(jìn)行了整治。整治效果見(jiàn)圖3。

圖3 底座板混凝土整治效果

對(duì)該區(qū)域的底座板進(jìn)行了振動(dòng)加速度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果（表4）顯示，粉化整治后的底座板振動(dòng)加速度與無(wú)粉化地段底座板的振動(dòng)加速度基本相當(dāng)，填充防護(hù)層與底座板的疊合修復(fù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。當(dāng)列車速度增加后，加速度量級(jí)明顯增大，疊合修補(bǔ)結(jié)構(gòu)整體性下降。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)2 個(gè)冬季后填充防護(hù)層連續(xù)完整，無(wú)明顯開裂、脫空等問(wèn)題，也未出現(xiàn)新的粉化病害，整治效果良好。

表4 底座板振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

1）無(wú)砟軌道底座板混凝土粉化病害發(fā)展迅速，每經(jīng)歷一個(gè)冬季，底座板混凝土粉化程度明顯加劇。底座板混凝土粉化病害按照粉化程度分為輕微粉化、一般粉化和嚴(yán)重粉化。

2）嚴(yán)寒地區(qū)無(wú)砟軌道底座板混凝土粉化的主要原因是混凝土抗凍性不足、無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)排水不暢及凍融溫度過(guò)低。

3）底座板混凝土輕微粉化整治宜采用打磨排水+滲透防護(hù)的方式；底座板混凝土一般粉化整治宜采用打磨排水坡+滲透防護(hù)+填充防護(hù)的方式；底座板混凝土嚴(yán)重粉化整治宜采用基礎(chǔ)混凝土加固+填充防護(hù)+植筋+設(shè)置排水坡的方式。

4）高抗凍滲透型防護(hù)材料宜用于輕微粉化底座板防護(hù)；快硬高韌性環(huán)氧樹脂宜用于底座板薄層填充防護(hù)；快硬低彈性模量聚合物水泥砂漿（混凝土）宜用于底座板深層填充防護(hù)。

5）通過(guò)對(duì)哈大客運(yùn)專線底座板混凝土嚴(yán)重粉化整治試驗(yàn)段振動(dòng)加速度測(cè)試和跟蹤觀測(cè)，提出的底座板混凝土粉化整治技術(shù)合理、有效，可解決嚴(yán)寒地區(qū)底座板混凝土粉化問(wèn)題。