基于道床板溫度裂縫的治理探究

孫拴虎　李瑣　張新蕾　符惠萍　張悅　韓小龍

摘要：通過實地調(diào)研某客運專線道床板裂縫病害，詳述了該結(jié)構裂縫病害主要是由于低溫收縮導致的溫度裂縫，并基于溫度應力計算公式，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方式和裂縫修補材料，并根據(jù)裂縫修補等級確定出該實際工程的裂縫修補方式為灌漿法，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)構裂縫修補材料運用于實際工程中。待裂縫修補完成后，按照相關技術方案抽樣選取道床板裂縫試點進行鉆芯，并對其灌漿深度、抗壓強度等指標進行檢測評估，結(jié)果表明各項指標均能滿足相關規(guī)定要求，其裂縫修補質(zhì)量良好。

關鍵詞：鐵道工程；道床板；混凝土；裂縫修補等級

中圖分類號：TU528??????????????????????????? 文獻標志碼：A

0引言

我國地域廣大，混凝土建筑物或構筑物在使用期間會遇到各種不同類型的暴露環(huán)境，不同地區(qū)氣候及環(huán)境特點差異明顯，混凝土結(jié)構所處的服役環(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)構中，梁的裂縫病害可能降低構件的承載力，造成材料浪費[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[4]。雖說混凝土結(jié)構均是帶裂縫工作的，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)構的使用壽命。尤其在干旱、大風、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，裂縫的存在不僅影響鐵路道床板的外觀質(zhì)量，而且會危害軌道結(jié)構的力學性能及耐久性能，并將進一步危及到鐵路運營安全[5]。

鐵路道床板服役性能與服役環(huán)境密切相關，面對西北地區(qū)各種復雜地質(zhì)條件和環(huán)境因素，暴露在大氣環(huán)境下的混凝土結(jié)構持續(xù)進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，混凝土中含有的熱量和水分將會向外界擴散，引起道床板產(chǎn)生干縮反應；如若混凝土的溫濕度低于所在的環(huán)境時，混凝土則會從外界環(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)生特征應變，從而產(chǎn)生一定應力，一旦該應力積累到一定程度超過混凝土材料的抗拉強度時，結(jié)構將不可避免地產(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，實際工程中混凝土結(jié)構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

西北某客運專線雙塊式無砟軌道在運營前期產(chǎn)生了裂縫病害，實際調(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，且施工前未與設計單位和攪拌站就低溫環(huán)境下大體積混凝土攪拌進行溝通和協(xié)商，沒有采取相關低溫處理措施。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)護條件差，沒有及時補水養(yǎng)護并控制養(yǎng)護溫度，導致道床板產(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)構內(nèi)部的溫度變化，進而改變溫度場的分布。軌道結(jié)構表面溫度的影響因素很多，除了結(jié)構本身材料的熱傳導特性外，氣象因素對軌道結(jié)構表面溫度也有很大的影響。在眾多氣象影響因素中，氣溫、太陽輻射及風速對軌道結(jié)構溫度的影響最大。針對道床板溫度場與溫度應力而言，風速、太陽輻射、氣溫、氣壓、風壓、風向、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)足尺模型試驗研究推出該地區(qū)道床板混凝土溫度應力的計算公式如式（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力與其他約束產(chǎn)生的內(nèi)部拉應力耦合超過混凝土材料的抗拉強度，結(jié)構將不可避免地產(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造成構筑物構造安全性事故的發(fā)生，但裂縫的存在勢必導致鋼筋銹蝕的介質(zhì)侵入使道床板混凝土產(chǎn)生銹脹開裂，進一步威脅到道床板混凝土結(jié)構的工作性能、適用性能和耐久性能。為了延長結(jié)構實際使用壽命，完善結(jié)構的使用功能，并提高道床板的防水、防滲能力，需對道床板混凝土裂縫進行適宜的修補治理。

3裂縫治理措施

3.1修補方式

現(xiàn)階段混凝土裂縫修復方法可以大致分為六類，分別有混凝土自修復法、填充和灌漿法、電化學沉積法、結(jié)構加固法、表面修補法、混凝土置換法。其中混凝土自修復技術需要一定的介質(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；電化學沉積法則主要用于海洋環(huán)境條件下的混凝土裂縫修補；結(jié)構加固法和混凝土置換法都是應用于結(jié)構發(fā)生嚴重損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等級對道床板混凝土裂縫進行了評定，并給出了各等級對應的修補方式，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修補材料

現(xiàn)階段有關混凝土裂縫的修補材料包括無機修復材料、有機修復材料以及無機和有機復合修復材料3種，其各自優(yōu)缺點見表3所列。

在道床板混凝土裂縫修補前期，對各類注漿材料性能和使用條件對比分析，并進行了相應試驗，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材料展開相關修補工作。

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。鑒于此，試驗選用 CD-1型地聚合物注漿料、硅酸鹽快硬水泥、細沙（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的新型材料，并對其各方面性能進行了試驗研究。研究結(jié)果表明：該材料初凝時間≥10 min ，終凝時間≤240 min ，不沁水、不收縮，抗水沖刷能力強，能夠滿足板式混凝土結(jié)構裂縫修補的實際要求，因此可將其作為一種新型板式混凝土結(jié)構裂縫修補材料運用于工程中。

3.3修補工藝

按照裂縫修補等級對前期實測裂縫數(shù)據(jù)進行處理分析，得出該工程大多數(shù)裂縫修補等級可評定為 II 級，為此選用與之相對應的灌漿法對裂縫病害進行修補處理。修補過程中，無論采用哪種修補材料，其漿體的攪拌工藝都至關重要，直接影響著修補材料的工作性和流變性能。以新型板式混凝土結(jié)構裂縫修補材料為例，為了確保其能充分分散達到最大流動度，經(jīng)試驗確定出了其最佳攪拌工藝：首先在攪拌機里將細沙、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 組分攪拌1 min，然后將其倒入壓漿料攪拌機并加入剩余的水進行攪拌，時間為3min。

灌漿法修補混凝土裂縫過程中按照以下工序進行：清縫除塵處理→標注底座位置（間距30～40 cm）→固定底座（底座中心與裂縫對準）→裂縫表面切實密封（形成密封帶）→壓氣試驗（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。

裂縫修補完成后，按照相關技術方案抽樣選取道床板裂縫試點進行鉆芯，并對其灌漿深度、抗壓強度等指標進行檢測評估，結(jié)果表明各項指標均能滿足相關規(guī)定要求，其裂縫修補質(zhì)量良好。

4結(jié)論

（1）通過實地調(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，不會造成結(jié)構安全性事故的發(fā)生。因其裂縫寬度大多為0.2～0.5 mm，根據(jù)裂縫修補等級采用灌漿法對其進行了裂縫修補治理。后期采用鉆芯法檢測了裂縫修補質(zhì)量，結(jié)果表明該板式混凝土結(jié)構裂縫修補效果良好，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方法和修補材料的各自優(yōu)點和使用范圍，按照裂縫修補等級確定其相應等級的裂縫修補措施和具體修補工藝。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)構裂縫修補材料運用于實際工程中。

（3）修補漿體最佳的攪拌工藝如下：首先在攪拌機里將細沙、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組分攪拌1 min，然后將其倒入壓漿料攪拌機并加入剩余的水進行攪拌，時間為3 min。

參考文獻：

[1] 孫拴虎，唐先習，何勇，等.基于寒旱地區(qū)沖擊回波法混凝土無損檢測的試驗研究[J].混凝土，2018（8）：22-26.

[2] 羅彥，吳志隆，唐賡，等.空心板橋橋面裂縫病害分析及處治方案[J].中外公路，2020，40（4）：151-153.

[3] 劉琴寶.公路橋梁簡支空心板裂縫病害處治實踐與思考[J].中國公路，2019（10）：100-101.

[4] 趙瑞亮.某水利工程地下洞室高邊墻混凝土裂縫原因分析與治理技術[J].鐵道標準設計，2007（6）：118-121.

[5] 孫拴虎. 鐵路整體道床混凝土干縮特性及開裂防治研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2019.

[6] 王思瑤，胡少偉.內(nèi)部裂縫缺陷對混凝土斷裂性能的影響[J].水利水運工程學報，2020（5）：96-102.

[7] 孫拴虎，唐先習，何勇，等. 基于西北地區(qū)道床板裂縫損傷等級的防裂治裂措施探討[J]. 混凝土與水泥制品，2019（4）：38-41.

[8] 徐紅.地鐵大體積混凝土結(jié)構裂縫防控[J].混凝土，2020（8）：147-150.

[9] 孫拴虎，符惠萍，閻玉菡，等.調(diào)節(jié)池板式混凝土裂縫治理措施探析[J].甘肅科技縱橫，2021，50（9）：43-45.

[10] 周欣，夏文俊，王峻，等.太湖隧道結(jié)構混凝土收縮裂縫閉環(huán)控制關鍵技術[J].混凝土，2021（2）：151-156.

[11] 曹輝，臧洋，馮瓊，等.微生物作用下混凝土裂縫修復效果試驗研究[J].蘭州理工大學學報，2022，48（4）：126-131.

[12] 王景斌.雙塊式無砟軌道道岔間夾直線段道床板裂縫的分析及其防治[J].鐵道建筑技術，2015（8）：81-84.

[13] 孫拴虎.風速對混凝土內(nèi)部濕度場分布的影響[J].水利與建筑工程學報，2019，17（5）：78-82.

[14] 戚彥福，唐先習，孫拴虎，等.基于不同風速的混凝土干縮特性及內(nèi)部相對濕度試驗研究[J]. 水利與建筑工程學報，2019，17（5）：118-122，233.

[15] 戚彥福. 西北鐵路整體道床溫度與溫度應力分布規(guī)律及控制措施的研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2020.