孫拴虎 李瑣 張新蕾 符惠萍 張悅 韓小龍
摘要:通過實(shí)地調(diào)研某客運(yùn)專線道床板裂縫病害,詳述了該結(jié)構(gòu)裂縫病害主要是由于低溫收縮導(dǎo)致的溫度裂縫,并基于溫度應(yīng)力計(jì)算公式,提出可從控制材料線膨脹系數(shù)及溫度變化值等措施避免溫度裂縫的產(chǎn)生。列舉了常用的裂縫修補(bǔ)方式和裂縫修補(bǔ)材料,并根據(jù)裂縫修補(bǔ)等級(jí)確定出該實(shí)際工程的裂縫修補(bǔ)方式為灌漿法,可將 CD-1型地聚合物注漿材料作為一種新型板式混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修補(bǔ)材料運(yùn)用于實(shí)際工程中。待裂縫修補(bǔ)完成后,按照相關(guān)技術(shù)方案抽樣選取道床板裂縫試點(diǎn)進(jìn)行鉆芯,并對其灌漿深度、抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行檢測評估,結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足相關(guān)規(guī)定要求,其裂縫修補(bǔ)質(zhì)量良好。
關(guān)鍵詞:鐵道工程;道床板;混凝土;裂縫修補(bǔ)等級(jí)
中圖分類號(hào):TU528??????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
0引言
我國地域廣大,混凝土建筑物或構(gòu)筑物在使用期間會(huì)遇到各種不同類型的暴露環(huán)境,不同地區(qū)氣候及環(huán)境特點(diǎn)差異明顯,混凝土結(jié)構(gòu)所處的服役環(huán)境和氣候類型是影響混凝土耐久性能最直接的因素[1-2]。在混凝土結(jié)構(gòu)中,梁的裂縫病害可能降低構(gòu)件的承載力,造成材料浪費(fèi)[2]。板的裂縫病害可能造成板的貫穿裂縫,影響其抗?jié)B等耐久性[3]。此外,在水利建筑中,混凝土裂縫病害可能直接造成滲漏,影響其抗凍性能并破壞結(jié)構(gòu)[4]。雖說混凝土結(jié)構(gòu)均是帶裂縫工作的,但裂縫的存在勢必影響其安全性能及耐久性能,并且縮短了結(jié)構(gòu)的使用壽命。尤其在干旱、大風(fēng)、溫濕交替頻繁以及晝夜溫差大的西北地區(qū)服役的體表比相對較小的道床板鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),裂縫的存在不僅影響鐵路道床板的外觀質(zhì)量,而且會(huì)危害軌道結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及耐久性能,并將進(jìn)一步危及到鐵路運(yùn)營安全[5]。
鐵路道床板服役性能與服役環(huán)境密切相關(guān),面對西北地區(qū)各種復(fù)雜地質(zhì)條件和環(huán)境因素,暴露在大氣環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)持續(xù)進(jìn)行著熱量傳輸和濕度傳輸。如若道床板所處環(huán)境的溫濕度低于混凝土內(nèi)部溫濕度時(shí),混凝土中含有的熱量和水分將會(huì)向外界擴(kuò)散,引起道床板產(chǎn)生干縮反應(yīng);如若混凝土的溫濕度低于所在的環(huán)境時(shí),混凝土則會(huì)從外界環(huán)境吸收部分水分和熱量,使內(nèi)部濕度和溫度上升,最終導(dǎo)致混凝土膨脹[6-8]。不論是干縮還是膨脹,都將引起混凝土內(nèi)部產(chǎn)生特征應(yīng)變,從而產(chǎn)生一定應(yīng)力,一旦該應(yīng)力積累到一定程度超過混凝土材料的抗拉強(qiáng)度時(shí),結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生開裂。此外,混凝土內(nèi)部溫濕環(huán)境的變化也會(huì)直接影響氯離子的傳輸和混凝土的碳化速度等。根據(jù)國內(nèi)外調(diào)查資料顯示,實(shí)際工程中混凝土結(jié)構(gòu)80%的裂縫都是由溫度、濕度及不均勻沉降等變形作用引起的,而溫濕度變化是引起裂縫產(chǎn)生占比最多的因素[9-12]。
1道床板裂縫調(diào)研情況
西北某客運(yùn)專線雙塊式無砟軌道在運(yùn)營前期產(chǎn)生了裂縫病害,實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn),整體道床兩側(cè)裂縫基本沿軌枕端部兩個(gè)棱角處形成貫通裂縫,長度基本為30 cm 左右,有的在軌枕端部中間部位也會(huì)形成一條貫通裂縫;整體道床中間部位裂縫基本沿兩側(cè)軌枕端部相對棱角處形成貫通裂縫,長度基本為60 cm 左右,裂縫觀測如圖1~圖3所示,觀測數(shù)據(jù)見表1所列。
2裂縫成因分析
調(diào)查研究表明,該道床板混凝土出現(xiàn)裂縫是在建設(shè)初期,故荷載裂縫產(chǎn)生的概率極低,可予以排除。施工是在冬期環(huán)境氣溫過低的情況下,且施工前未與設(shè)計(jì)單位和攪拌站就低溫環(huán)境下大體積混凝土攪拌進(jìn)行溝通和協(xié)商,沒有采取相關(guān)低溫處理措施。使道床板混凝土出現(xiàn)了大量的低溫收縮溫度裂縫和混凝土凝結(jié)收縮裂縫。外加冬季混凝土澆筑后養(yǎng)護(hù)條件差,沒有及時(shí)補(bǔ)水養(yǎng)護(hù)并控制養(yǎng)護(hù)溫度,導(dǎo)致道床板產(chǎn)生開裂現(xiàn)象的概率增大。
鐵路道床板表面溫度的變化勢必影響結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度變化,進(jìn)而改變溫度場的分布。軌道結(jié)構(gòu)表面溫度的影響因素很多,除了結(jié)構(gòu)本身材料的熱傳導(dǎo)特性外,氣象因素對軌道結(jié)構(gòu)表面溫度也有很大的影響。在眾多氣象影響因素中,氣溫、太陽輻射及風(fēng)速對軌道結(jié)構(gòu)溫度的影響最大。針對道床板溫度場與溫度應(yīng)力而言,風(fēng)速、太陽輻射、氣溫、氣壓、風(fēng)壓、風(fēng)向、濕度及降雨量等是其常見的影響因素,此外氣溫隨季節(jié)的變化也會(huì)影響道床板自身的溫度變化[13-14]。
戚彥福等人[15]根據(jù)足尺模型試驗(yàn)研究推出該地區(qū)道床板混凝土溫度應(yīng)力的計(jì)算公式如式(1)所示:
式中,τ為齡期,α為混凝土線膨脹系數(shù),ΔT 為溫度變化值。一旦溫度變化引起的溫度應(yīng)力與其他約束產(chǎn)生的內(nèi)部拉應(yīng)力耦合超過混凝土材料的抗拉強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生開裂病害。為此可以從控制材料線膨脹系數(shù)及溫度變化值等方面避免溫度裂縫的產(chǎn)生。
混凝土結(jié)構(gòu)帶裂縫工作雖已成為常態(tài)化,該道床板混凝土裂縫也不會(huì)造成構(gòu)筑物構(gòu)造安全性事故的發(fā)生,但裂縫的存在勢必導(dǎo)致鋼筋銹蝕的介質(zhì)侵入使道床板混凝土產(chǎn)生銹脹開裂,進(jìn)一步威脅到道床板混凝土結(jié)構(gòu)的工作性能、適用性能和耐久性能。為了延長結(jié)構(gòu)實(shí)際使用壽命,完善結(jié)構(gòu)的使用功能,并提高道床板的防水、防滲能力,需對道床板混凝土裂縫進(jìn)行適宜的修補(bǔ)治理。
3裂縫治理措施
3.1修補(bǔ)方式
現(xiàn)階段混凝土裂縫修復(fù)方法可以大致分為六類,分別有混凝土自修復(fù)法、填充和灌漿法、電化學(xué)沉積法、結(jié)構(gòu)加固法、表面修補(bǔ)法、混凝土置換法。其中混凝土自修復(fù)技術(shù)需要一定的介質(zhì)條件,比如在水環(huán)境中或者在足夠的濕度條件下來完成;電化學(xué)沉積法則主要用于海洋環(huán)境條件下的混凝土裂縫修補(bǔ);結(jié)構(gòu)加固法和混凝土置換法都是應(yīng)用于結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞和材料失效的情形之下。
考慮到該道床板存在裂縫數(shù)量較多,部分裂縫寬度相對較大,且存在貫穿裂縫,該工程中采用裂縫修補(bǔ)等級(jí)對道床板混凝土裂縫進(jìn)行了評定,并給出了各等級(jí)對應(yīng)的修補(bǔ)方式,見表2所列。裂縫處理完成后需在表面粘貼一層碳纖維布以封閉其表面。
3.2修補(bǔ)材料
現(xiàn)階段有關(guān)混凝土裂縫的修補(bǔ)材料包括無機(jī)修復(fù)材料、有機(jī)修復(fù)材料以及無機(jī)和有機(jī)復(fù)合修復(fù)材料3種,其各自優(yōu)缺點(diǎn)見表3所列。
在道床板混凝土裂縫修補(bǔ)前期,對各類注漿材料性能和使用條件對比分析,并進(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn),最終選取新研發(fā)的 CD-1型地聚合物注漿料作為道床板裂縫主要修補(bǔ)材料展開相關(guān)修補(bǔ)工作。
CD-1型地聚合物注漿材料是與陶瓷性能相類似的新型高性能膠凝材料,由 A 和 B 兩種組分合成,其結(jié)石體通常為深墨綠色,且層間粘結(jié)力強(qiáng)。鑒于此,試驗(yàn)選用 CD-1型地聚合物注漿料、硅酸鹽快硬水泥、細(xì)沙(最大粒徑0.2 mm)、水、堿激發(fā)劑和減水劑等原材料配置一種具有超高流態(tài)自流平、滲透性好、粘結(jié)強(qiáng)度高、抗離析、耐久性優(yōu)異的灌漿材料,將其作為板式混凝土裂縫修補(bǔ)的新型材料,并對其各方面性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明:該材料初凝時(shí)間≥10 min ,終凝時(shí)間≤240 min ,不沁水、不收縮,抗水沖刷能力強(qiáng),能夠滿足板式混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修補(bǔ)的實(shí)際要求,因此可將其作為一種新型板式混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修補(bǔ)材料運(yùn)用于工程中。
3.3修補(bǔ)工藝
按照裂縫修補(bǔ)等級(jí)對前期實(shí)測裂縫數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,得出該工程大多數(shù)裂縫修補(bǔ)等級(jí)可評定為 II 級(jí),為此選用與之相對應(yīng)的灌漿法對裂縫病害進(jìn)行修補(bǔ)處理。修補(bǔ)過程中,無論采用哪種修補(bǔ)材料,其漿體的攪拌工藝都至關(guān)重要,直接影響著修補(bǔ)材料的工作性和流變性能。以新型板式混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修補(bǔ)材料為例,為了確保其能充分分散達(dá)到最大流動(dòng)度,經(jīng)試驗(yàn)確定出了其最佳攪拌工藝:首先在攪拌機(jī)里將細(xì)沙、水泥和粉煤灰干攪拌2 min 左右,再加入地聚合物 A 組分和2/3的水,穩(wěn)定后慢速攪拌2 min,接著加入地聚合物 B 組分?jǐn)嚢? min,然后將其倒入壓漿料攪拌機(jī)并加入剩余的水進(jìn)行攪拌,時(shí)間為3min。
灌漿法修補(bǔ)混凝土裂縫過程中按照以下工序進(jìn)行:清縫除塵處理→標(biāo)注底座位置(間距30~40 cm)→固定底座(底座中心與裂縫對準(zhǔn))→裂縫表面切實(shí)密封(形成密封帶)→壓氣試驗(yàn)(0.2~0.4 MPa)→在底座上固定注射筒→灌膠(壓力為0.06~0.08 MPa,及時(shí)更換注射筒并保證持續(xù)壓力)→容器清洗,除去殘膠→拆除注射筒和底座→裂縫表面打磨處理。
裂縫修補(bǔ)完成后,按照相關(guān)技術(shù)方案抽樣選取道床板裂縫試點(diǎn)進(jìn)行鉆芯,并對其灌漿深度、抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行檢測評估,結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足相關(guān)規(guī)定要求,其裂縫修補(bǔ)質(zhì)量良好。
4結(jié)論
(1)通過實(shí)地調(diào)研某道床板裂縫病害分析得出,該工程產(chǎn)生的裂縫主要是低溫收縮溫度裂縫和混凝土凝結(jié)收縮裂縫,不會(huì)造成結(jié)構(gòu)安全性事故的發(fā)生。因其裂縫寬度大多為0.2~0.5 mm,根據(jù)裂縫修補(bǔ)等級(jí)采用灌漿法對其進(jìn)行了裂縫修補(bǔ)治理。后期采用鉆芯法檢測了裂縫修補(bǔ)質(zhì)量,結(jié)果表明該板式混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修補(bǔ)效果良好,能夠滿足工程要求。
(2)通過對比分析現(xiàn)階段混凝土裂縫修復(fù)方法和修補(bǔ)材料的各自優(yōu)點(diǎn)和使用范圍,按照裂縫修補(bǔ)等級(jí)確定其相應(yīng)等級(jí)的裂縫修補(bǔ)措施和具體修補(bǔ)工藝。并提出可將CD-1型地聚合物注漿材料作為一種新型板式混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修補(bǔ)材料運(yùn)用于實(shí)際工程中。
(3)修補(bǔ)漿體最佳的攪拌工藝如下:首先在攪拌機(jī)里將細(xì)沙、水泥和粉煤灰干攪拌2 min左右,再加入地聚合物A組分和2/3的水,穩(wěn)定后慢速攪拌2 min,接著加入地聚合物B組分?jǐn)嚢? min,然后將其倒入壓漿料攪拌機(jī)并加入剩余的水進(jìn)行攪拌,時(shí)間為3 min。
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