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：通過實地調研某客運專線道床板裂縫病害，詳述了該結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及溫度變化值等措施避免溫度裂縫的產生。列舉了常用的裂縫修補方式和裂縫修補材料，并根據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，結果表明各項指標均能滿足相關規定要求，其裂縫修補質量良好。

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境，不同地區氣候及環境特點差異明顯，混凝土結構所處的服役環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，影響其抗滲等耐久性[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構[4]。雖說混凝土結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服役的體表比相對較小的道床板鋼筋混凝土結構，裂縫的存在不僅影響鐵路道床板的外觀質量，而且會危害軌道結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境密切相關，面對西北地區各種復雜地質條件和環境因素，暴露在大氣環境下的混凝土結構持續進行著熱量傳輸和濕度傳輸。如若道床板所處環境的溫濕度低于混凝土內部溫濕度時，混凝土中含有的熱量和水分將會向外界擴散，引起道床板產生干縮反應；如若混凝土的溫濕度低于所在的環境時，混凝土則會從外界環境吸收部分水分和熱量，使內部濕度和溫度上升，最終導致混凝土膨脹[6-8]。不論是干縮還是膨脹，都將引起混凝土內部產生特征應變，從而產生一定應力，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，結構將不可避免地產生開裂。此外，混凝土內部溫濕環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。根據國內外調查資料顯示，實際工程中混凝土結構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生占比最多的因素[9-12]。

1道床板裂縫調研情況

西北某客運專線雙塊式無砟軌道在運營前期產生了裂縫病害，實際調研中發現，整體道床兩側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，觀測數據見表1所列。

2裂縫成因分析

調查研究表明，該道床板混凝土出現裂縫是在建設初期，故荷載裂縫產生的概率極低，可予以排除。施工是在冬期環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境下大體積混凝土攪拌進行溝通和協商，沒有采取相關低溫處理措施。使道床板混凝土出現了大量的低溫收縮溫度裂縫和混凝土凝結收縮裂縫。外加冬季混凝土澆筑后養護條件差，沒有及時補水養護并控制養護溫度，導致道床板產生開裂現象的概率增大。

鐵路道床板表面溫度的變化勢必影響結構內部的溫度變化，進而改變溫度場的分布。軌道結構表面溫度的影響因素很多，除了結構本身材料的熱傳導特性外，氣象因素對軌道結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]根據足尺模型試驗研究推出該地區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，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生的內部拉應力耦合超過混凝土材料的抗拉強度，結構將不可避免地產生開裂病害。為此可以從控制材料線膨脹系數及溫度變化值等方面避免溫度裂縫的產生。

混凝土結構帶裂縫工作雖已成為常態化，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生，但裂縫的存在勢必導致鋼筋銹蝕的介質侵入使道床板混凝土產生銹脹開裂，進一步威脅到道床板混凝土結構的工作性能、適用性能和耐久性能。為了延長結構實際使用壽命，完善結構的使用功能，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條件，比如在水環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境條件下的混凝土裂縫修補；結構加固法和混凝土置換法都是應用于結構發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，其結石體通常為深墨綠色，且層間粘結力強。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、堿激發劑和減水劑等原材料配置一種具有超高流態自流平、滲透性好、粘結強度高、抗離析、耐久性優異的灌漿材料，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據進行處理分析，得出該工程大多數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，結果表明各項指標均能滿足相關規定要求，其裂縫修補質量良好。

4結論

（1）通過實地調研某道床板裂縫病害分析得出，該工程產生的裂縫主要是低溫收縮溫度裂縫和混凝土凝結收縮裂縫，不會造成結構安全性事故的發生。因其裂縫寬度大多為0.2～0.5 mm，根據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量，結果表明該板式混凝土結構裂縫修補效果良好，能夠滿足工程要求。

（2）通過對比分析現階段混凝土裂縫修復方法和修補材料的各自優點和使用范圍，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。

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