無(wú)砟軌道支承層混凝土損傷機(jī)理分析

楊懷志 劉學(xué)文 楊志強(qiáng)

1.京滬高速鐵路股份有限公司，北京100038；2.東南大學(xué)，南京210089

鐵路工程的混凝土結(jié)構(gòu)在高速列車荷載下服役，而且受環(huán)境中各種因素的影響。荷載與環(huán)境因素的耦合作用導(dǎo)致混凝土耐久性問(wèn)題十分突出。目前，我國(guó)高速鐵路整體運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好。但是，在日常巡查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)個(gè)別地段無(wú)砟軌道支承層混凝土出現(xiàn)了表面剝落粉化等問(wèn)題［1-2］。鐵路工程混凝土出現(xiàn)耐久性問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重影響高速列車的安全運(yùn)行，開(kāi)展高速鐵路混凝土的劣化機(jī)理研究十分必要［3-6］。

研究高速鐵路無(wú)砟軌道支承層混凝土損傷劣化行為，探明支承層混凝土損傷劣化機(jī)理，對(duì)于預(yù)防其他目前仍然正常服役混凝土出現(xiàn)耐久性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)損傷混凝土從“事后修”到“預(yù)防修”有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以國(guó)內(nèi)一高速鐵路為背景，通過(guò)對(duì)支承層混凝土現(xiàn)場(chǎng)取樣，測(cè)試其水化產(chǎn)物的pH值，進(jìn)行X射線衍射、孔結(jié)構(gòu)及氣泡特征參數(shù)分析，并結(jié)合當(dāng)?shù)亟陙?lái)的氣象資料，探究支承層混凝土破壞的主要原因。

1 試驗(yàn)方案

一高速鐵路運(yùn)營(yíng)約10年，整體運(yùn)行狀況良好，個(gè)別地段現(xiàn)場(chǎng)支承層混凝土呈現(xiàn)不同的服役狀態(tài)。有些部位僅是表層剝落而內(nèi)部混凝土無(wú)損傷，極個(gè)別部位支承層混凝土出現(xiàn)損傷，而現(xiàn)場(chǎng)大部分支承層混凝土呈現(xiàn)完全健康的服役狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 一高速鐵路支承層混凝土服役現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣

選取現(xiàn)場(chǎng)一處損傷支承層混凝土進(jìn)行鉆芯取樣，標(biāo)記為SS1；在鄰近位置另一塊軌道板處選取損傷支承層混凝土進(jìn)行鉆芯取樣，標(biāo)記為SS2。在現(xiàn)場(chǎng)鄰近位置選取健康支承層混凝土進(jìn)行取樣，標(biāo)記為JK1。樣品直徑約10 mm，高約20 mm。

將芯樣沿橫截面平均切割成4個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段厚約5 mm。以健康支承層混凝土芯樣JK1為例，由外而內(nèi)依次標(biāo)記為JK1-1、JK1-2、JK1-3、JK1-4，其中外側(cè)即與空氣接觸的一側(cè)。SS1、SS2以此類推。

1.2 試驗(yàn)分析

1.2.1 水化產(chǎn)物pH值測(cè)試

從切割后的混凝土樣品中切取一部分，去除粗骨料后進(jìn)一步破碎，過(guò)200目篩獲得水化產(chǎn)物粉體。將粉體樣品置于40℃烘箱中烘干至恒重。準(zhǔn)確稱取1.0 g烘干后的樣品，置于150 mL塑料瓶中，加入50 mL去離子水，密封后搖晃均勻，在20℃環(huán)境中靜置2 d。測(cè)試前，將混合溶液搖晃，靜置片刻后取上層清液，使用pHS-3C型酸度計(jì)測(cè)試清液pH值。

1.2.2 X射線衍射分析

進(jìn)行X射線衍射（X-ray Diffraction，XRD）分析時(shí)，采用的試驗(yàn)樣品為過(guò)200目篩并烘干至恒重的粉末樣品。試驗(yàn)儀器為德國(guó)Bruker 08 Advance X射線衍射儀，X射線掃描角度2θ=5°～70°，掃描速度4.0°/min。

1.2.3 孔結(jié)構(gòu)分析

采用壓汞法（Mercury Intrusion Porosimetry，MIP）進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)分析。壓汞試驗(yàn)的原理是把多孔材料內(nèi)部連通孔中的氣體抽出，然后在外壓作用下使汞填充孔隙。壓入材料中的汞量與孔徑的大小及分布情況有關(guān)，孔越小，所需壓力越大。

從切割后的混凝土樣品中切取一部分，去除粗骨料，獲得直徑約2 mm的砂漿顆粒。采用PoreMaster GT 60壓汞儀進(jìn)行測(cè)試。該儀器包括低壓和高壓站口各2個(gè)，低壓為1.5～350 kPa，高壓為140～420 MPa，可測(cè)量直徑在0.003 5～400μm內(nèi)變化的孔容。

1.2.4 硬化混凝土氣泡特征參數(shù)

參照ASTM C457Standard Tes t Met hod f or Microscopi cal Determi nati on o f Par ameter s of th e Ai r-Voi d System i n Har dened Concrete（《顯微鏡測(cè)定硬化混凝土氣孔參數(shù)試驗(yàn)方法》），采用高清攝像頭自動(dòng)掃描系統(tǒng)與圖像分析軟件二合一的全自動(dòng)儀，分析混凝土芯樣的氣孔特征參數(shù)。本試驗(yàn)采用MIC-840-01型硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀。

將切割后的支承層混凝土芯樣磨片、拋光、刷黑、涂白后，置于硬化混凝土氣泡特征參數(shù)測(cè)定儀下，采用直線導(dǎo)線法進(jìn)行分析測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 水化產(chǎn)物p H值

混凝土發(fā)生碳化反應(yīng)時(shí)，空氣中的CO2與水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CaCO3，水化產(chǎn)物pH值降低。芯樣JK1、SS1、SS2的水化產(chǎn)物pH值結(jié)果見(jiàn)圖2。作為對(duì)比，測(cè)試了本實(shí)驗(yàn)室近期成型的C30混凝土水化產(chǎn)物pH值，結(jié)果為11.4。由圖2可知：①健康支承層混凝土芯樣JK1的水化產(chǎn)物pH值在11.1～11.3，且由外側(cè)至內(nèi)側(cè)pH值變化不大。②有損芯樣SS1的水化產(chǎn)物pH值在10.7～11.3，略低于鄰近位置健康服役狀態(tài)的混凝土芯樣，且由外側(cè)至內(nèi)側(cè)pH值隨深度增加而逐漸增大，表明此處混凝土符合碳化侵蝕損傷特征。③對(duì)于有損芯樣SS2，其內(nèi)側(cè)混凝土的水化產(chǎn)物pH值大于外側(cè)，也顯示了碳化侵蝕損傷特征。

圖2 水化產(chǎn)物芯樣pH值

圖4 有損支承層混凝土芯樣SS1的XRD圖譜

2.2 XRD分析

芯樣JK1、SS1、SS2的水化產(chǎn)物XRD測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3—圖5?？芍孩傩緲覬K1和SS1均出現(xiàn)了鈣礬石和石膏的衍射峰，且氫氧化鈣的衍射峰強(qiáng)度很低，碳酸鈣衍射峰強(qiáng)度很高，表明這兩組樣品均經(jīng)歷了充分的碳化過(guò)程。②對(duì)于芯樣SS2，外側(cè)混凝土（SS2-1、SS2-2）中氫氧化鈣的衍射峰強(qiáng)度低于內(nèi)側(cè)混凝土（SS2-3、SS2-4），表明外側(cè)混凝土受到了一定程度的碳化侵蝕，而內(nèi)側(cè)混凝土受碳化侵蝕較少。③3組樣品水化產(chǎn)物中均未出現(xiàn)明顯的硫酸鹽侵蝕特征產(chǎn)物，可排除硫酸鹽侵蝕導(dǎo)致的混凝土損傷。

圖3 健康支承層混凝土芯樣JK1的XRD圖譜

圖5 有損支承層混凝土芯樣SS2的XRD圖譜

2.3 MIP孔結(jié)構(gòu)分析

芯樣JK1和SS1不同區(qū)段的平均孔徑及孔隙率見(jiàn)表1。

表1 混凝土芯樣平均孔徑和孔隙率

由表1可知：①支承層混凝土平均孔徑在75.4～134.0 nm，孔隙率大于28%，表明此支承層混凝土內(nèi)部密實(shí)程度較低。②對(duì)于健康支承層混凝土，與外側(cè)的JK1-1相比，位于內(nèi)側(cè)的JK1-3平均孔徑降低了13.6%，孔隙率相對(duì)降低16.3%；對(duì)于有損支承層混凝土，與外側(cè)的SS1-1相比，位于內(nèi)側(cè)的SS1-3平均孔徑降低了43.7%，孔隙率相對(duì)降低17.8%。這表明在超過(guò)10年的列車動(dòng)荷載和環(huán)境因素耦合作用下，部分支承層混凝土孔結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞，混凝土宏觀表現(xiàn)出損傷狀態(tài)。

2.4 混凝土氣泡特征參數(shù)

芯樣JK1、SS1、SS2的氣泡特征參數(shù)見(jiàn)表2。可知：健康混凝土芯樣JK1含氣量較高，氣泡間距系數(shù)較小，而有損混凝土芯樣SS1、SS2含氣量較低，氣泡間距系數(shù)較大。研究表明，普通混凝土抗凍性主要與其抗壓強(qiáng)度和氣泡間距系數(shù)相關(guān)［2，7-9］。損傷支承層混凝土氣泡間距系數(shù)較大而健康混凝土氣泡間距系數(shù)較小，說(shuō)明凍融循環(huán)作用可能是導(dǎo)致支承層混凝土發(fā)生破壞的主要原因。

表2 支承層混凝土氣泡特征參數(shù)

3 氣象資料調(diào)研

為研究?jī)鋈谘h(huán)作用對(duì)支承層混凝土造成的損傷，對(duì)該高速鐵路建成前后當(dāng)?shù)亟?0年主要?dú)庀筚Y料進(jìn)行了調(diào)研。

3.1 冬季負(fù)溫天數(shù)

1999—2018年冬季日最低氣溫為負(fù)的天數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖6?？芍?，高速鐵路建成前（1999—2008年）年均負(fù)溫天數(shù)為34.3 d，建成后（2009—2018年）年均負(fù)溫天數(shù)為50.0 d，增加了45.8%。高速鐵路建成后，由于暴雪等極端天氣頻發(fā)，冬季負(fù)溫天數(shù)明顯增加，無(wú)砟軌道混凝土凍融損傷風(fēng)險(xiǎn)增加，加速了支承層混凝土的損傷劣化。

圖6 1999—2018年冬季負(fù)溫天數(shù)

3.2 負(fù)溫天氣降水量

1999—2018年冬季負(fù)溫天氣降水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖7。可知，高速鐵路建成前年均負(fù)溫天氣降水量為24.0 mm，建成后為32.1 mm，增加了34.0%。特別地，2017年冬季負(fù)溫天氣降水量達(dá)到77.2 mm，遠(yuǎn)高于平均水平，大大增加了無(wú)砟軌道混凝土凍融損傷破壞。

圖7 1999—2018年冬季負(fù)溫天氣降水量

3.3 降雪天數(shù)

1999—2018年的年降雪天數(shù)見(jiàn)圖8?？芍?，高速鐵路建成前年均降雪天數(shù)為9.5 d，建成后為9.0 d，與建成前相比減少了0.5 d。但是，2018年冬季降雪天數(shù)為16 d，遠(yuǎn)超平均水平。降雪天數(shù)的增加，也增加了無(wú)砟軌道混凝土凍融損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 1999—2018年冬季降雪天數(shù)

4 結(jié)論及建議

混凝土材料耐久性損傷主要有碳化侵蝕、氯離子侵蝕、硫酸鹽侵蝕、堿骨料反應(yīng)、凍融損傷等，基于現(xiàn)場(chǎng)取得的混凝土芯樣試驗(yàn)分析結(jié)果及混凝土耐久性破壞機(jī)理與特征，可排除化學(xué)侵蝕引起的支承層混凝土耐久性損傷?？紤]到在高速鐵路建成前后，冬季負(fù)溫天數(shù)及負(fù)溫天氣降水量的急劇增加，混凝土強(qiáng)度本身波動(dòng)較大，判斷凍融循環(huán)引起的混凝土損傷是混凝土損傷劣化的主要原因。

針對(duì)不同損傷程度的混凝土，建議采取不同的整治措施。對(duì)于表層輕微損傷混凝土，建議采取表層修補(bǔ)的方法進(jìn)行加固，以延緩混凝土的進(jìn)一步損傷，并應(yīng)時(shí)刻注意其損傷發(fā)展。對(duì)于中等損傷程度的混凝土，建議采取修補(bǔ)砂漿加固的方式進(jìn)行強(qiáng)化，以保證混凝土服役性能。對(duì)于損傷較為嚴(yán)重的混凝土，建議采取整體置換的方式，采用新的混凝土進(jìn)行完全替換。在新配制的混凝土中，建議提升其強(qiáng)度等級(jí)，適當(dāng)增加混凝土含氣量并保證混凝土施工質(zhì)量，提升混凝土抗凍性能，從而保障高速鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。