嚴(yán)寒地區(qū)CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿充填層服役現(xiàn)狀研究

吳韶亮 李海燕 史懿 董宏偉 王鑫 趙靜存

中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081

CRTSⅠ型板式無砟軌道是我國高速鐵路采用的主要軌道結(jié)構(gòu)形式之一，主要特征是采用單元板式結(jié)構(gòu)，軌道結(jié)構(gòu)各層處于分離狀態(tài)。主體結(jié)構(gòu)自下而上依次為混凝土底座、水泥乳化瀝青（Cement emulsified Asphalt，CA）砂漿充填層和混凝土軌道板，每塊軌道板縱向兩端通過混凝土凸形擋臺(tái)及樹脂填充層進(jìn)行限位。采用CRTSⅠ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的線路有嚴(yán)寒地區(qū)的哈大高速鐵路和哈齊高速鐵路，寒冷地區(qū)的滬寧城際鐵路，溫暖地區(qū)的廣珠城際鐵路、廣深港高速鐵路等［1-5］。相對(duì)于混凝土部件，CA砂漿充填層強(qiáng)度較低，是軌道結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。在溫度變化、水、光照、列車振動(dòng)荷載等因素作用下不可避免地會(huì)出現(xiàn)性能衰減，嚴(yán)寒地區(qū)的大溫差、頻繁凍融等氣候因素會(huì)加劇CA砂漿充填層的劣化傷損。建設(shè)過程中由于操作人員施工質(zhì)量控制不嚴(yán)而產(chǎn)生的微小缺陷，也是服役過程中CA砂漿充填層傷損產(chǎn)生的隱患。

為了研究CA砂漿的服役狀態(tài)，特別是在極端氣候環(huán)境下其性能的變化規(guī)律，更好地對(duì)CA砂漿進(jìn)行全壽命周期管理，本文參照TG/G W115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》［6］中CRTSⅠ型CA砂漿傷損形式和等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)哈大高速鐵路和哈齊高速鐵路不同線路區(qū)間的CA砂漿充填層進(jìn)行觀測并分析傷損形式和變化規(guī)律，以期更好地指導(dǎo)和服務(wù)板式無砟軌道維修工作。

1 CA砂漿充填層主要傷損形式

在哈大高速鐵路選取8處、哈齊高速鐵路選取4處線路區(qū)間對(duì)CA砂漿充填層進(jìn)行觀測?，F(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)CA砂漿充填層出現(xiàn)了不同程度的傷損，見圖1。

圖1 常見病害

2 CA砂漿充填層病害成因分析

每個(gè)區(qū)間內(nèi)平行選擇上下行各50塊，共計(jì)100塊軌道板下CA砂漿充填層，分析其傷損形式和病害成因。

2.1 豎向裂紋

豎向裂紋主要指垂直于軌道板縱向的CA砂漿充填層裂紋。分析不同觀測區(qū)間病害數(shù)據(jù)（表1—表3）發(fā)現(xiàn)：①CA砂漿豎向裂紋在不同觀測區(qū)間內(nèi)較為普遍；②CA砂漿充填層向陽面的豎向裂紋數(shù)量略多于背陰面，哈齊高速鐵路調(diào)研區(qū)間該趨勢較明顯；③哈大高速鐵路CA砂漿充填層豎向裂紋數(shù)量由南向北呈增加趨勢。

表1 哈大高速鐵路CA砂漿豎向裂紋平均分布 條/塊

表2 哈齊高速鐵路CA砂漿豎向裂紋平均分布 條/塊

表3 CA砂漿充填層豎向裂紋變化趨勢 條/塊

豎向裂紋產(chǎn)生的原因可能有：①CA砂漿充填層施工過程中形成的褶皺是結(jié)構(gòu)受力薄弱位置；②哈大高速鐵路和哈齊高速鐵路沿線大部分處于嚴(yán)寒地區(qū)，年最高氣溫和最低氣溫差值可達(dá)70℃以上，一天內(nèi)溫差也可達(dá)到20℃，溫度作用下軌道板邊角會(huì)產(chǎn)生往復(fù)的翹曲變形，軌道板會(huì)對(duì)CA砂漿充填層頻繁地施加豎向應(yīng)力；③冰、水或者其他異物進(jìn)入軌道板和充填層縫隙后形成應(yīng)力集中；④秋冬、冬春季節(jié)交替過程中頻繁凍融循環(huán)。

CA砂漿充填層向陽面豎向裂紋相對(duì)較多的原因是向陽面CA砂漿充填層陽光照射時(shí)間相對(duì)較長，溫度變化幅度比背陰面大。由此導(dǎo)致：①向陽面CA砂漿凍融循環(huán)次數(shù)顯著高于背陰面；②在溫度和光照作用下結(jié)構(gòu)中的瀝青組分老化，黏彈性下降，向陽面CA砂漿的彈韌性衰減程度高于背陰面；③向陽面軌道板和CA砂漿的熱脹冷縮變換頻率、變形幅度比背陰面大。

高速鐵路線路所處地域的溫度極低值由南向北逐步降低，而且低溫時(shí)間也不斷增加。在長時(shí)間的低溫、凍融、光照、列車振動(dòng)荷載等因素綜合作用下，CA砂漿的力學(xué)性能、彈韌性、抗疲勞性能等變差，導(dǎo)致CA砂漿豎向裂紋由南向北呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

哈齊高速鐵路開通運(yùn)營時(shí)間比哈大高速鐵路晚3年，但其所處的氣候條件比哈大高速鐵路更加惡劣，由此導(dǎo)致哈齊高速鐵路不同區(qū)間的豎向裂紋數(shù)量雖然比地域相近的哈大高速鐵路哈爾濱、雙城等線路區(qū)間少，但仍明顯多于哈大高速鐵路營口、鞍山、沈陽北等區(qū)間。這表明線路所處的氣候環(huán)境因素是造成CA砂漿性能劣化傷損的主要因素。

2.2 橫向裂紋

橫向裂紋主要指與軌道板縱向平行的CA砂漿充填層裂紋。分析不同觀測區(qū)間病害數(shù)據(jù)（表4—表5）發(fā)現(xiàn)：CA砂漿充填層橫向裂紋病害數(shù)量較少，部分區(qū)間沒有橫向裂紋；哈大高速鐵路鞍山區(qū)間CA砂漿充填層橫向裂紋病害數(shù)量顯著多于其他區(qū)間，而且調(diào)研過程中現(xiàn)場測得該區(qū)間的橫向裂紋縱向擴(kuò)展長度最大可達(dá)2 m。

表4 哈大高速鐵路CA橫向裂紋分布統(tǒng)計(jì) 條/100塊

表5 哈齊高速鐵路CA橫向裂紋分布統(tǒng)計(jì) 條/100塊

橫向裂紋產(chǎn)生的原因可能有：①在施工過程中，當(dāng)CA砂漿漿體流動(dòng)性過大時(shí)，灌注后容易出現(xiàn)材料離析，充填層內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較為明顯的界面。②當(dāng)溫度較高或施工環(huán)節(jié)銜接不當(dāng)導(dǎo)致CA砂漿的施工性能出現(xiàn)嚴(yán)重衰減時(shí)，灌注施工可能會(huì)導(dǎo)致初始流入灌注袋中的砂漿與后期流入灌注袋中的砂漿出現(xiàn)分層等缺陷。③若灌注后的擠漿流程較慢，緊貼在灌注袋處的砂漿因失水相對(duì)較快已失去工作性能，而內(nèi)部的砂漿仍具有一定的可流動(dòng)性，此時(shí)擠漿容易導(dǎo)致砂漿產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷。上述影響因素均出現(xiàn)在建設(shè)期，受現(xiàn)場操作人員影響較大，因此橫向裂紋分布不規(guī)律。

2.3 充填層離縫

調(diào)研過程中采用厚度為1 mm的鋼板尺進(jìn)行軌道板與CA砂漿充填層之間離縫的測試。觀測發(fā)現(xiàn)哈大、哈齊高速鐵路不同區(qū)間內(nèi)CA砂漿充填層板角離縫問題較普遍，且多發(fā)生在軌道板的板角或者縱向端部，其中約30%的充填層離縫達(dá)到Ⅲ級(jí)傷損等級(jí)，見表6和表7。

表6 哈大高速鐵路不同區(qū)間Ⅲ級(jí)及以上板角離縫在離縫總量中的占比 %

表7 哈齊高速鐵路不同區(qū)間Ⅲ級(jí)及以上板角離縫在離縫總量中的占比 %

綜合分析各環(huán)節(jié)對(duì)充填層的潛在影響發(fā)現(xiàn)：建設(shè)過程中CA砂漿原材料、施工技術(shù)與工藝等控制不當(dāng)，以及運(yùn)營過程中氣候環(huán)境等因素是導(dǎo)致離縫產(chǎn)生的主要原因。其中，原材料、施工技術(shù)與工藝因素導(dǎo)致的離縫可通過加強(qiáng)施工質(zhì)量全過程管理等措施有效地減少和避免，而氣候環(huán)境導(dǎo)致的軌道板與CA砂漿充填層之間的離縫是不可避免的。這是由于軌道板厚度和體積較大，氣候環(huán)境會(huì)導(dǎo)致軌道板內(nèi)部溫度梯度和熱脹冷縮，溫度傳遞過程中不均勻的熱脹冷縮使其內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，因而軌道板出現(xiàn)板角翹曲等［7-8］。前期研究發(fā)現(xiàn)在12：00—15：00時(shí)離縫相對(duì)較小，在23：00—03：00時(shí)離縫相對(duì)較大，而鐵路天窗通常安排在24：00—04：00，上線觀測基本處于離縫相對(duì)較大的時(shí)段，導(dǎo)致測得的Ⅲ級(jí)及以上等級(jí)的板角離縫占比略多。CRTSⅠ型CA砂漿中的瀝青水泥質(zhì)量比高達(dá)0.8以上，在結(jié)構(gòu)中瀝青已形成連續(xù)相，使得砂漿呈明顯的黏彈性，在軌道板邊角頻繁的翹曲變形作用下充填層砂漿會(huì)出現(xiàn)不可恢復(fù)的蠕變，從而導(dǎo)致軌道板邊角處離縫較多。

2.4 掉塊移位

CA砂漿充填層的掉塊、移位等病害是列車安全運(yùn)營的潛在隱患，工務(wù)人員在發(fā)現(xiàn)病害后會(huì)及時(shí)整治，因此在調(diào)研過程中僅發(fā)現(xiàn)一處邊角掉塊痕跡和一處輕微移位。

CA砂漿掉塊、移位等傷損多發(fā)生在軌道板縱向兩端第1、第2承軌臺(tái)等位置。這是由于軌道板翹曲過程中軌道板縱向兩端是應(yīng)力應(yīng)變最活躍的部位，軌道板下方的CA砂漿充填層受到反復(fù)的豎向剪切力，導(dǎo)致軌道板縱向兩端下方的CA砂漿充填層較早出現(xiàn)應(yīng)力疲勞。特別是在板角離縫或軌道板空吊的情況下，列車高速通過時(shí)沖擊荷載產(chǎn)生的拍板效應(yīng)會(huì)加劇砂漿的破壞以及移位，導(dǎo)致軌道板縱向兩端CA砂漿早于其他部位出現(xiàn)碎裂或者掉塊竄出。

2.5 灌注袋破損

哈大、哈齊高速鐵路12處線路區(qū)間內(nèi)50%以上的充填層CA砂漿灌注袋出現(xiàn)了粉化、破損，而且同一線路區(qū)間有灌注袋包裹的CA砂漿充填層豎向裂紋等病害數(shù)量顯著少于無灌注袋覆蓋的充填層，這表明灌注袋能夠較好地發(fā)揮保護(hù)CA砂漿免于陽光照射、延緩CA砂漿老化的作用。灌注袋的主要材質(zhì)為聚丙烯無紡布，在灌注施工過程中其主要起模板作用?；诠こ探ㄔO(shè)的迫切需求，科技基〔2008〕74號(hào)《客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿和凸臺(tái)樹脂用灌注袋暫行技術(shù)條件》［9］僅對(duì)其透氣率、抗?jié)B水性、力學(xué)性能等指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定，而未涉及與運(yùn)營后服役狀態(tài)有關(guān)的耐久性能。研究發(fā)現(xiàn)，紫外光照是導(dǎo)致灌注袋材料老化的主要原因，頻繁的凍融循環(huán)加劇了灌注袋的破損。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

1）CA砂漿充填層豎向裂紋、板角離縫、灌注袋破損等病害較為普遍，而橫向裂紋、掉塊移位等病害零星出現(xiàn)。

2）隨著線路由南向北和服役時(shí)間的增加，CA砂漿豎向裂紋數(shù)量逐漸增多，且向陽面豎向裂紋數(shù)量顯著多于背陰面。

3）鐵路天窗時(shí)間是軌道板與CA砂漿充填層之間離縫處于較大值的時(shí)段，測得充填層板角離縫數(shù)量相對(duì)較多，約30%的離縫達(dá)到Ⅲ級(jí)傷損標(biāo)準(zhǔn)。

4）運(yùn)營線路所處的大溫差、凍融等氣候因素是導(dǎo)致嚴(yán)寒地區(qū)CA砂漿充填層性能劣化的主要因素。

3.2 建議

1）CA砂漿豎向裂紋容易演變?yōu)樯皾{掉塊、移位等病害，而CA砂漿橫向裂紋容易演變?yōu)樯皾{碎裂，建議將達(dá)到Ⅲ級(jí)傷損等級(jí)的裂紋列入跟蹤觀測計(jì)劃，及時(shí)對(duì)病害部位進(jìn)行清理與封閉，防止或延緩后續(xù)傷損的繼續(xù)發(fā)展。

2）CA砂漿板角離縫一方面會(huì)造成軌道板板端吊空，產(chǎn)生拍板效應(yīng)，另一方面異物或者冰雪進(jìn)入離縫后會(huì)造成承壓面受力不均勻形成應(yīng)力集中，這會(huì)加劇CA砂漿充填層等無砟軌道結(jié)構(gòu)部件性能劣化，縮短無砟軌道線路的安全服役壽命。建議對(duì)達(dá)到Ⅲ級(jí)及以上傷損的離縫病害及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修。

3）為了減少水、光照、溫度等因素對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響，建議在后續(xù)的運(yùn)營維護(hù)過程中對(duì)裸露在外的CA砂漿充填層、軌道板等采用涂刷防水、保溫、隔溫涂層等措施，從而達(dá)到延緩或阻止無砟軌道結(jié)構(gòu)病害產(chǎn)生的目的。