嚴寒地區(qū)無砟軌道底座板混凝土粉化整治技術

靳昊 潘龍江 易忠來 楊春枝 李化建

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081；3.哈大鐵路客運專線有限責任公司，沈陽 110001）

嚴寒地區(qū)溫度低，晝夜溫差大，冬季水夜間結冰白天融化，反復強凍融作用會導致混凝土粉化，對混凝土結構的正常服役產生較大危害。哈大客運專線、沈丹客運專線、盤營客運專線等高速鐵路線路位于我國東北嚴寒地區(qū)，經養(yǎng)護維修部門日常檢查發(fā)現(xiàn)，無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，近年來南方冬季出現(xiàn)的大規(guī)模降雪、低溫氣候，也導致南方部分地區(qū)的無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隨著凍融時間延長而加劇，嚴重影響混凝土結構耐久性。底座板混凝土粉化掉落的碎塊等會被高速行駛的列車帶起，擊打機車、鋼軌等，嚴重危害列車行車安全，增加運維成本。況且底座板為無砟軌道結構的關鍵承載部位，混凝土粉化程度加深會導致底座板強度降低危害無砟軌道承載結構的穩(wěn)定性。

目前，底座板混凝土粉化整治多采用砂漿修補和涂層封閉相結合的方式［2-5］。但是，粉化區(qū)域內底座板混凝土的密實度較低，防護涂層易出現(xiàn)針孔，水從針孔進入，導致混凝土繼續(xù)凍融破壞。同時，粉化區(qū)域內混凝土基體強度較低導致砂漿修補層與基體混凝土無法牢固黏結，在溫度力、列車動荷載、凍融等綜合作用下，短時間內即出現(xiàn)砂漿開裂、脫空等情況。因此，急須開展針對性研究，解決嚴寒地區(qū)無砟軌道底座板混凝土粉化難題。

1 底座板混凝土粉化特點及原因分析

1.1 底座板混凝土粉化特點

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。無砟軌道底座板混凝土粉化病害發(fā)展迅速，每經歷一個冬季，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角部位?；炷练刍瘯е碌鬃寤炷量箟簭姸认陆?，部分嚴重區(qū)域混凝土抗壓強度下降顯著。

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實（不低于原強度的70%）；嚴重粉化是指混凝土連續(xù)剝落，粉化深度普遍大于3 cm，混凝土整體密實度較差，強度下降明顯。

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

抗凍性指標是寒區(qū)混凝土最重要的耐久性指標，在混凝土配合比設計中會對含氣量等相關技術指標進行重點要求，實驗室也將其作為重要檢測項目。但是，在嚴寒地區(qū)強凍融作用下，由于混凝土配合比設計不合理、混凝土施工不當、混凝土養(yǎng)護不佳等原因，仍導致混凝土抗凍性不足的問題凸顯［6－7］。

2）排水不暢

按照設計要求底座板應設置排水坡，確保雨水、融化的雪水可以快速排出。但是，實際施工時底座板排水坡的坡度常不足，甚至未按要求設置。入冬前的雨水會長時間聚集在底座板排水不暢的部位，溫度下降時混凝土即會受到凍融作用。同時，停留在底座板的雪白天融化后也無法及時排出，加劇了凍融破壞。

3）環(huán)境溫度

現(xiàn)行國家標準中采用-20～-18 ℃的最低凍融溫度評價混凝土的抗凍性。嚴寒地區(qū)冬季最低溫度往往遠低于-20 ℃，如哈大客運專線除在大連外，其他區(qū)域冬季平均氣溫在-25 ℃以下，極端最低溫度可達到-40 ℃以下。

最低凍融溫度為-20 ℃和-30 ℃時不同強度等級混凝土抗凍性分別見圖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，不同強度等級混凝土的質量損失率、相對動彈性模量損失速度均加快，混凝土能經受的最大凍融循環(huán)次數(shù)逐漸減少，最低凍融溫度對混凝土抗凍性有影響顯著。因此，當凍融循環(huán)次數(shù)相同時，低的凍融溫度更易導致底座板混凝土出現(xiàn)粉化病害。

2 整治技術

2.1 整治方法

以“徹底整治不留隱患、確保運營線路行車安全”為原則，根據底座板混凝土粉化程度進行合理整治。具體整治方法為：

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

2）針對底座板混凝土一般粉化病害，采用基礎混凝土加固+打磨排水坡+填充防護的方式進行整治。

3）針對底座板混凝土嚴重粉化病害，采用基礎混凝土加固+填充防護+植筋+設置排水坡的方式進行整治。

2.2 整治材料

1）高抗凍滲透性防護材料

高抗凍滲透性防護材料可滲至混凝土內部，對其進行防護，提高混凝土抗凍性，有效避免涂層材料的弊端。其技術要求見表1。

表1 高抗凍滲透性防護材料技術要求

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宜采用早期強度高、黏結強度和韌性優(yōu)的環(huán)氧樹脂砂漿。其技術要求見表2。

表2 快硬高韌性環(huán)氧樹脂砂漿技術要求

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宜采用抗折強度高、彈性模量低的聚合物水泥砂漿。其技術要求見表3。當填充防護層厚度過大時，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）涂刷防護材料將混凝土外露部分，包括平面和側面，采用滲透型抗凍防護材料進行防水處理。一般情況下，滲透型抗凍防護材料共噴涂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角部位、伸縮縫等接縫部位進行填縫密封，防止水進入，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%。對局部較深的粉化層進行鑿除處理，直至露出堅硬的混凝土基材（不低于原抗壓強度的70%）。

2）涂刷防護材料

對未采用砂漿填充的混凝土外露部分，采用滲透型抗凍防護材料進行防護處理。

3）底座板修復

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

4）接縫密封

接縫密封方法同上。

2.3.3 底座板混凝土嚴重粉化整治工藝

1）混凝土粉化層清除

將松散的底座板混凝土全部清除（平面及側面），混凝土清除深度不應低于6 cm，如混凝土整體強度較低，應適當增加清除深度。

2）界面處理

對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闆r設置鋼筋網?；炷帘砻嫱克⒔缑鎰?。

3）底座板修復

在底座板外側合適位置支立模板，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）按原設計尺寸及坡度（不低于3%）對混凝土進行修復。砂漿（混凝土）初凝后，涂刷養(yǎng)護劑養(yǎng)護。

4）接縫密封

接縫密封方法同上。

3 整治技術實施

2017 年10 月采用底座板混凝土嚴重粉化整治技術，分別對哈大客運專線橋梁和路基段（各30 m，雙線）的無砟軌道底座板混凝土嚴重粉化區(qū)域進行了整治。整治效果見圖3。

圖3 底座板混凝土整治效果

對該區(qū)域的底座板進行了振動加速度測試。測試結果（表4）顯示，粉化整治后的底座板振動加速度與無粉化地段底座板的振動加速度基本相當，填充防護層與底座板的疊合修復結構狀態(tài)良好。當列車速度增加后，加速度量級明顯增大，疊合修補結構整體性下降。經現(xiàn)場跟蹤觀測發(fā)現(xiàn)，經過2 個冬季后填充防護層連續(xù)完整，無明顯開裂、脫空等問題，也未出現(xiàn)新的粉化病害，整治效果良好。

表4 底座板振動加速度測試結果

4 結論

1）無砟軌道底座板混凝土粉化病害發(fā)展迅速，每經歷一個冬季，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、一般粉化和嚴重粉化。

2）嚴寒地區(qū)無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、無砟軌道結構排水不暢及凍融溫度過低。

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+填充防護的方式；底座板混凝土嚴重粉化整治宜采用基礎混凝土加固+填充防護+植筋+設置排水坡的方式。

4）高抗凍滲透型防護材料宜用于輕微粉化底座板防護；快硬高韌性環(huán)氧樹脂宜用于底座板薄層填充防護；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。

5）通過對哈大客運專線底座板混凝土嚴重粉化整治試驗段振動加速度測試和跟蹤觀測，提出的底座板混凝土粉化整治技術合理、有效，可解決嚴寒地區(qū)底座板混凝土粉化問題。