磷酸鎂水泥對無砟軌道板損傷裂紋的修復(fù)性能

熊鵬光

摘要 在使用過程中長期受到列車荷載和溫度荷載的作用下，板式無砟軌道床道板易出現(xiàn)裂紋使得板內(nèi)鋼筋銹蝕降低其壽命。通過分析無砟軌道裂縫產(chǎn)生的原因與特點，結(jié)合磷酸鎂水泥的工程特性，研究磷酸鎂水泥用于無砟軌道板裂縫修復(fù)的適應(yīng)性。從施工性能和耐久性角度對磷酸鎂水泥和其它修復(fù)材料進行對比試驗研究。采用ABAQUS有限元軟件，對磷酸鎂水泥在無砟軌道板修復(fù)中的受力和變形性能進行模擬，為磷酸鎂水泥在無砟軌道損傷修復(fù)應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

關(guān) 鍵 詞 無砟軌道;磷酸鎂水泥;損傷修復(fù);有限元模型;水泥

中圖分類號 U213.244? ? ?文獻標志碼 A

Abstract Under the action of train load and temperature load for a long time in service， slab ballastless track bed slab is prone to crack， which leads to corrosion of steel bars in slab and reduces its service life. Based on analysis of cracks in ballastless track slab and properties of magnesium phosphate cement （MPC）， this paper has studied the feasibility of MPC to repair the damage and cracks in ballastless track slab. A comparative test of MPC and other repair materials is carried out from the point of view of construction performance and durability. Moreover， finite element modelling of ballastless track has been built to study the stress and strain properties of MPC in the repair of ballastless track under different temperature load conditions， which would provide a theoretical basis for the use of MPC in repairing ballastless track slab.

Key words ballastless track; magnesium phosphate cement; damage and crack repair; finite element modelling; cement

0 引言

自1964年世界上第一條商業(yè)化高速鐵路——日本北海道新干線鋪設(shè)運營以來，高速鐵路無砟軌道開始在世界各國迅速發(fā)展。我國無砟軌道技術(shù)日趨成熟，無砟軌道越來越廣泛應(yīng)用于我國客運專線的建設(shè)中。板式無砟軌道是我國應(yīng)用最廣泛的無砟軌道形式，其具有良好的整體性、平順性和耐久性[1]。在運行過程中，由于存在復(fù)雜的運營環(huán)境、使用狀態(tài)、載荷條件以及氣候條件的差異，軌道板容易出現(xiàn)變形和裂縫，若不及時進行維修，則會影響列車運行的舒適性和軌道系統(tǒng)的安全性[2]。

目前用于無砟軌道快速維修的材料主要包括快干水泥砂漿、水泥乳化瀝青等無機材料和環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、異丁烯樹脂等有機材料。其中環(huán)氧樹脂類有機材料由于具有變形和粘結(jié)性能好、易于施工等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，但存在價格昂貴、易老化等耐久性問題[3]。無砟軌道的設(shè)計使用年限一般在60年以上，而有機材料在使用5～8年后便開始老化，若使用樹脂類有機材料維修容易增加二次維修的工作量和社會經(jīng)濟效益的降低。

磷酸鎂水泥（MPC）是一種高強、高耐久性及快硬型水泥，自20世紀70年代開始，在機場修復(fù)和道路維修等工程中廣泛應(yīng)用。除了具備快速硬化和耐久性好等特點，磷酸鎂水泥還可在負溫環(huán)境下粘結(jié)硬化，而且在制備過程中環(huán)境友好具有較低的碳排放[4-9]。然而目前對磷酸鎂水泥在無砟軌道修復(fù)應(yīng)用的相關(guān)文獻資料較少，缺乏相應(yīng)的理論研究。因此，本文以MPC在無砟軌道板損傷裂縫中的修復(fù)應(yīng)用為研究內(nèi)容，建立CRTSII型板式無砟軌道有限元模型，分析溫度荷載作用下不同裂縫寬度的MPC修復(fù)性能，從而對MPC對無砟軌道修復(fù)的適應(yīng)性做一定的探討。

1 無砟軌道快速修復(fù)材料特性

高速鐵路無砟軌道的高頻率運行情況和復(fù)雜的荷載作用要求修復(fù)材料應(yīng)當(dāng)滿足“快速修復(fù)”和“二次維修”等基本需求，因此，修復(fù)材料必須具備快速黏結(jié)硬化和新老界面黏結(jié)性等性能。除此之外，為了適應(yīng)復(fù)雜多變的現(xiàn)場施工環(huán)境，修補材料還需滿足適宜的黏度、低溫適應(yīng)性和熱工性能方面的要求。表1列出了磷酸鎂水泥砂漿和環(huán)氧樹脂黏結(jié)時間、黏度和力學(xué)強度等工程技術(shù)性能，從施工性和耐久性方面分析兩種修復(fù)材料的性能特點和差異。

從表1中可以看出，MPC的粘結(jié)時間在5～30 min之間，而環(huán)氧樹脂的凝結(jié)時間在240～1 500 min之間。MPC對外界環(huán)境溫度的適應(yīng)性較強，可以在負溫度下凝結(jié)硬化，并且隨著溫度的增加凝結(jié)時間逐漸加快，當(dāng)外界溫度高于30 ℃時，MPC的粘結(jié)時間變得十分迅速。因此，在夏季進行施工時，需要采取必要的措施來降低凝結(jié)時間[10]。環(huán)氧樹脂粘結(jié)時間受環(huán)境的影響同樣比較大，當(dāng)外界溫度低至5 ℃，環(huán)氧樹脂必須做熱處理，否則難以施工，并且溫度每降低10 ℃，環(huán)氧樹脂的凝結(jié)時間就會延長60～120 min，若采用熱處理，又需要一定的養(yǎng)護措施[11-13]，因此環(huán)氧樹脂對冬季及高寒地區(qū)的施工適應(yīng)性較差。MPC的彈性模量與軌道板混凝土的彈性模量及線膨脹系數(shù)較為接近，用磷酸鎂水泥維修無砟軌道，兩者共同抵抗荷載的能力較好。此外，MPC的使用壽命可達50年之久，遠遠高于環(huán)氧樹脂類有機材料，是一種高耐久性的修復(fù)材料。

2 有限元建模與參數(shù)選擇

采用ABAQUS有限元軟件，建立基于路基上的CRTSII型縱聯(lián)板式無砟軌道結(jié)構(gòu)模型。無砟軌道模型由鋼軌、扣件、軌枕、軌道板、砂漿層和支撐層組成，各個部件間通過特定的粘結(jié)協(xié)同工作。各部件的主要參數(shù)為：鋼軌斷面采用CHN60型軌枕，鋼軌間距為1 435 mm，每塊軌道板上鋪設(shè)10個軌道臺，軌道臺間距取650 mm，鋼軌與軌道臺間的彈性扣件剛度為20 kN/mm，軌道板的尺寸為6 450 mm × 2 800 mm × 200 mm，內(nèi)設(shè)鋼筋桁架，軌道板下為30 mm厚的CA砂漿層，CA砂漿層下鋪設(shè)水硬性支撐層，支撐層的尺寸為6 450 mm × 2 950 mm × 300 mm，支撐層內(nèi)縱橫向鋼筋直徑分別為20 mm和16 mm。

表2給出了各部件材料的屬性，采用分離式鋼筋網(wǎng)架模型，對鋼筋用T3D2truss單元進行模擬，鋼軌、軌道板、支撐層和砂漿層等實體采用C3D8I實體單元進行模擬。鋼軌與軌道臺之間的扣件為Vossloh300型扣件，在模擬時采用ABAQUS的彈簧單元進行鏈接，彈簧單元的剛度采用20 kN/mm，為了避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象以及考慮扣件和墊片的尺寸采用Coupling的耦合方式進行耦合。軌道板與CA砂漿層、CA砂漿層與支撐層之間假定變形協(xié)調(diào)，采用Tie方式進行粘接。對于鋼筋與混凝土之間的相互作用采用ABAQUS自帶的embed嵌入技術(shù)模擬，鋼筋與床道板混凝土形成耦合作用，來模擬鋼筋混凝土間的粘結(jié)滑移。本文主要研究磷酸鎂水泥等修復(fù)材料對CRTSII型無砟軌道的力學(xué)性能影響，不考慮路基的力學(xué)響應(yīng)，因此將路基簡化成彈性地基，施加ABAQUS自帶的彈性地基約束，路基基床面剛度為76 MPa/m。

為了研究分析溫度荷載對修復(fù)材料和無砟軌道的影響，建立如圖1所示預(yù)設(shè)裂縫的無砟軌道模型，裂縫為位于軌道板上表面且貫穿軌道板的橫向裂縫，裂縫的深度取30 mm，寬度分別取0.5、1、2、3和5 mm，分別采用磷酸鎂水泥砂漿和環(huán)氧樹脂兩種材料進行修復(fù)并對其修復(fù)后的力學(xué)特性進行模擬。

3 計算結(jié)果與分析

溫度荷載是高速鐵路無砟軌道所受主要荷載之一，在溫度荷載的作用下，軌道板容易出現(xiàn)離縫和表面裂紋等問題。無砟軌道溫度載荷可分為整體溫度荷載和溫度梯度作用，參考文獻資料[9-10]，取無砟軌道整體降溫10 ℃（T1），軌道板上表面溫度差10 ℃（T2）和軌道板整體降溫10 ℃+軌道板上表面溫度差10 ℃（T3）3種荷載工況進行分析。圖2為出現(xiàn)裂縫的軌道板計算的應(yīng)力云圖，從圖中可見，軌道板上表面出現(xiàn)裂紋時，如果不及時進行修復(fù)，其縱向拉應(yīng)力會在裂紋處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且裂紋越細，應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，容易引起裂縫進一步擴展，導(dǎo)致軌道板破壞。

3.1 修復(fù)裂縫寬度對軌道板應(yīng)力與位移的影響

同一溫度工況T3作用下不同裂縫寬度對MPC修復(fù)軌道板最大縱向應(yīng)力的影響如圖3所示。從圖中可見：當(dāng)裂縫為0.5 mm時，軌道板縱向應(yīng)力從1.56 MPa增加到了3.05 MPa，增加幅度將近一倍左右。雖然對無砟軌道進行修復(fù)后軌道板縱向應(yīng)力仍然有增大現(xiàn)象，相對于未修復(fù)軌道板，MPC修復(fù)下軌道板縱向拉應(yīng)力明顯減小，穩(wěn)定在1.9 MPa左右。由于MPC有較大的剛度，因此MPC承當(dāng)了較大的拉應(yīng)力，并且可以看到隨著裂縫寬度的增加MPC的拉應(yīng)力呈現(xiàn)遞減的趨勢。為了分析MPC修復(fù)后軌道板的變形性能，取T3工況作用下軌道板裂縫上端的縱向伸長量和延伸率進行分析，圖4為MPC修復(fù)裂縫寬度對軌道板裂紋上端伸長量和延伸率影響。由圖4可知，未修復(fù)軌道板裂縫有較大縱向變形，約為6.7×10-3 mm，而且受裂縫寬度的影響非常小;MPC修復(fù)后的裂縫縱向伸長量隨著裂縫寬度的增加而呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢，可以看出MPC修復(fù)后裂縫的伸長量遠小于未修復(fù)裂縫的伸長量。此外，未修復(fù)裂縫的延伸率隨著裂縫寬度的遞增而遞減，而MPC修復(fù)的軌道板裂縫研究則維持在0.02%左右。因此可以得出，MPC修復(fù)后的軌道板受力變形性能比較穩(wěn)定，MPC材料修復(fù)性能受裂縫寬度影響較小。

3.2 不同溫度工況對軌道板應(yīng)力與位移的影響

砟軌道整體降溫10 ℃（T1），軌道板上表面溫度差10 ℃（T2）和軌道板整體降溫10 ℃+軌道板上表面溫度差10 ℃（T3）3種荷載工況作用下MPC修復(fù)后軌道板縱向應(yīng)力計算結(jié)果如圖5所示。從圖中可見，T1、T2和T3作用下軌道板最大縱向拉應(yīng)力呈遞增趨勢，其中，MPC的縱向受拉應(yīng)力均大于軌道板應(yīng)力，這要求了MPC要有較大的抗拉強度，當(dāng)在T3作用時MPC要求抗拉強度大于2 MPa。根據(jù)Chen等[14]的研究，MPC的受拉性能好于普通硅酸鹽水泥，可以達到3 MPa以上。此外，除了抗拉強度度還要求修復(fù)材料應(yīng)有較好的凝結(jié)性能，從表1可知MPC的凝結(jié)強度為 2～3 MPa，滿足最不利工況T3的要求。

由圖6可知，不同工況對軌道板縱向變形的影響規(guī)律相似，MPC修復(fù)后的軌道板裂縫上端的伸長量隨著裂縫的寬度呈現(xiàn)遞增的趨勢，而且遞增速率有所增加，這是由于裂縫的延伸率隨著裂縫寬度的增加而增長。結(jié)合圖5可以看出，延伸率和伸長量的增長并沒有帶來縱向拉應(yīng)力的增加，反而軌道板和MPC的拉應(yīng)力有所降低。

3.3 修復(fù)材料對軌道板應(yīng)力與位移的影響

環(huán)氧樹脂是目前高速鐵路無砟軌道損傷修復(fù)的主要材料，為便于分析MPC對無砟軌道修復(fù)的適用性，故將環(huán)氧樹脂與MPC進行對比，分析兩者修復(fù)性能的差異和優(yōu)劣。圖7和圖8為采用環(huán)氧樹脂進行修復(fù)后，軌道板縱向最大應(yīng)力及裂縫伸長量與延伸率隨修復(fù)裂縫寬度變化曲線。由圖7可知，MPC修復(fù)后的軌道板最大拉應(yīng)力維持在1.9 MPa左右，相比之下，環(huán)氧樹脂修復(fù)后軌道板最大拉應(yīng)力隨著裂縫寬度的增加而迅速增長，而且均大于MPC修復(fù)后的最大應(yīng)力。結(jié)合圖3，當(dāng)裂縫寬度超過3 mm時，此時用環(huán)氧樹脂維修軌道板應(yīng)力在溫度荷載作用下已經(jīng)超過未修復(fù)的應(yīng)力，即是說環(huán)氧樹脂沒有達到維修的效果。而裂縫寬度超過3 mm，在用環(huán)氧樹脂修復(fù)的話，軌道板將存在過大的拉應(yīng)力而導(dǎo)致受拉破壞。出現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu)可能有兩方面的原因，一是因為環(huán)氧樹脂的彈性模量較小，因此能分擔(dān)的縱向拉應(yīng)力也有限;二是因為環(huán)氧樹脂對溫度更為敏感，在溫度荷載作用下，環(huán)氧樹脂收縮大于軌道板混凝土的收縮變形，這樣使得軌道板修復(fù)處額外增加了修復(fù)材料的溫度應(yīng)力的作用。

由圖8可知，2種修復(fù)材料修復(fù)下MPC修復(fù)后的軌道板裂縫變形較小，MPC與軌道板混凝土有著較為相近的彈性模量，相互抵抗外力變形的能力較好，而且MPC受裂縫寬度的影響小，不同裂縫寬度用MPC修復(fù)均能維持較小的變形。這表明與環(huán)氧樹脂相比MPC更適用于無砟軌道板的裂紋修補材料。

4 結(jié)論

本文對磷酸鎂水泥工程性能進行了分析，探討了磷酸鎂水泥對無砟軌道板裂縫傷損修復(fù)后力學(xué)特性。建立基于路基上CRTSII型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)模型，模擬了溫度荷載作用下帶裂縫的無砟軌道構(gòu)件受力和變形性能，分析了溫度工況、裂縫寬度等因素對MPC修復(fù)材料修復(fù)性能的影響，并進行了環(huán)氧樹脂和MPC材料修復(fù)性能的比對，得出以下結(jié)論：

1）軌道板出現(xiàn)裂縫后出現(xiàn)裂縫端部處應(yīng)力集中現(xiàn)象，裂縫越小應(yīng)力集中越顯著。裂縫處的延伸率隨著裂縫的寬度增加而減小。裂縫的進一步擴展降低軌道結(jié)構(gòu)的耐久性，應(yīng)當(dāng)對軌道板進行修復(fù)。

2）MPC有較好的工程性能，凝結(jié)時間、凝結(jié)強度和施工操作性能均能較好的滿足無砟軌道傷損對維修材料的要求，對溫度荷載作用下MPC修復(fù)的軌道板計算結(jié)果顯示，MPC材料能有效降低軌道板的應(yīng)力集中，對裂縫寬度的敏感性較小。

3）軌道板修復(fù)材料宜用彈性模量較大的材料，且維修材料應(yīng)當(dāng)有較小的線膨脹系數(shù)。相對于樹脂類材料，MPC更適于對軌道板表層裂縫的修復(fù)。

參考文獻：

[1]? ? 朱高明. 國內(nèi)外無砟軌道的研究與應(yīng)用綜述[J]. 鐵道工程學(xué)報，2008，118（7）：28-30.

[2]? ? 劉志彬，趙坪銳，胡佳等. 縱向軌枕式無砟軌道界面裂縫對軌道力學(xué)性能的影響[J]. 鐵道標準設(shè)計，2014，58（10）：47-50，61.

[3]? ? 吳紹利，王鑫，吳智強等. 高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)病害類型及快速維修方法[J]. 中國鐵路，2013，25（1）：42-44.

[4]? ? 黃慧超，徐坤，任娟娟. 雙塊式無砟軌道連續(xù)道床板裂紋修復(fù)材料性能分析[J]. 鐵道標準設(shè)計，2013（12）：50-3.

[5]? ? 吳紹利，吳智強，王鑫，等. 板式無砟軌道軌道板與砂漿層離縫快速維修技術(shù)研究[J]. 鐵道建筑，2012（3）：115-7.

[6]? ? 胡華潔，范詩建，夏松林，等. 高鐵無砟軌道結(jié)構(gòu)病害與維修技術(shù)探討[J]. 低溫建筑技術(shù)，2014，36（11）：149-51.

[7]? ? YANG Q，WU X. Factors influencing properties of phosphate cement-based binder for rapid repair of concrete [J]. Cement & Concrete Research，1999，29（3）：389-396.

[8]? ? YANG Q，ZHU B，WU X. Characteristics and durability test of magnesium phosphate cement-based material for rapid repair of concrete[J]. Materials & Structures，2000，33（4）：229-234.

[9]? ? QIAO F，CHAU C K，LI Z. Property evaluation of magnesium phosphate cement mortar as patch repair material[J]. Construction & Building Materials，2010，24（5）：695-700.

[10]? HALL D A，STEVENS R，ELJAZAIRI B，et al. The effect of retarders on the microstructure and mechanical properties of magnesia-phosphate cement mortar[J]. Cement & Concrete Research，2001，31（3）：455-465.

[11]? 章健華，楊燕，劉上春，等. CRTSⅠ型無砟軌道CA砂漿離縫處理材料研究[J]. 鐵道工程學(xué)報，2014，31（11）：44-49.

[12]? 歐祖敏，孫璐，程群群，等. 基于氣象資料的無砟軌道溫度場計算與分析[J]. 鐵道學(xué)報，2014，36（11）：106-112.

[13]? 王森榮，孫立，李秋義，等. 無砟軌道軌道板溫度測量與溫度應(yīng)力分析[J]. 鐵道工程學(xué)報，2009，125（2）：52-55.

[14]? CHEN B，SAJJAD Y O，SHAKYA C，et al. Feasibility of magnesium phosphate cement （MPC） as a repair material for ballastless track slab[J]. Construction and Building Materials，2017，154：270-274.

[責(zé)任編輯 田 豐]