Ⅲ型軌道板灌漿孔混凝土浮起問題分析

周彥旭，焦 莉

(1.沈陽建筑大學(xué),遼寧 沈陽 110000; 2.中國鐵路沈陽局集團有限公司沈陽高鐵基礎(chǔ)設(shè)施段,遼寧 沈陽 110000)

0 引言

橋梁地段CRTSⅢ型板式無砟軌道由鋼軌、彈性扣件、軌道板、自密實混凝土層、隔離層以及具有限位結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土底座等部分組成,是我國自主創(chuàng)新的新型無砟軌道結(jié)構(gòu)[1-3],從2009年首次在成灌鐵路使用至今,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的高速鐵路。

CRTSⅢ型軌道板上設(shè)有灌漿孔和檢查孔(后面用灌漿孔代替兩種孔)。軌道板灌漿孔的自密實混凝土灌注后的頂面應(yīng)高出軌道板底50 mm以上,在自密實混凝土凝固前,4號S型鋼筋按設(shè)計要求插入孔內(nèi)的自實混凝土內(nèi),然后在孔內(nèi)澆筑摻加膨脹劑的C60補償收縮混凝土(見圖1,圖2)。

在對京沈、沈丹、盤營和朝凌客專的Ⅲ型軌道板灌漿孔狀態(tài)進行詳細(xì)檢查中,發(fā)現(xiàn)有多處灌漿孔混凝土病害,主要有開裂、浮起等現(xiàn)象。據(jù)多條高速鐵路現(xiàn)場觀察和相關(guān)資料表明,灌漿孔混凝土病害除了開裂、浮起外,還有局部掉塊和脫落問題(見圖3—圖6)。

高速鐵路Ⅲ型軌道板灌漿孔病害對整個軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大影響。首先,軌道板上的雨雪積水會沿著灌漿孔縫隙進入到軌道板內(nèi)部導(dǎo)致裂縫加速擴展。這是因為夏季水與方鎂石反應(yīng)生成水鎂石體積膨脹,導(dǎo)致裂隙進一步擴大,冬季水在軌道板內(nèi)部由于溫差作用出現(xiàn)凍融循環(huán)同樣會使混凝土裂縫擴展。其次,在高鐵列車快速通過時,浮起或局部剝離的混凝土極易脫離軌道板并崩濺到本線或鄰線列車,對列車車體產(chǎn)生極大創(chuàng)傷,并可能帶來高昂的維修成本和嚴(yán)重的經(jīng)濟損失,同時對旅客的人身安全造成嚴(yán)重威脅。最后,灌漿孔混凝土病害如沒有及時修補將導(dǎo)致軌道板結(jié)構(gòu)整體性下降,無法為高速運行的列車提供足夠的道床縱橫向阻力,容易引發(fā)軌道爬行等重大安全隱患。

1 灌漿孔混凝土病害的常見表現(xiàn)形式

通過對大量資料的分析和現(xiàn)場觀測總結(jié),將灌漿孔混凝土病害分為5種表現(xiàn)形式:

1)灌漿孔混凝土內(nèi)部出現(xiàn)不規(guī)則細(xì)微裂縫(見圖3)。這是灌漿孔病害最初的形式之一,裂縫嚴(yán)重時會從內(nèi)往外擴展至灌漿孔邊緣。

2)灌漿孔混凝土邊緣開裂(見圖4)。這也是灌漿孔病害最初的形式之一,灌漿孔混凝土與軌道板輕微剝離,裂縫沿著孔邊緣,是灌漿孔混凝土浮起的初期形式。

3)灌漿孔混凝土浮起(見圖5)。灌漿孔混凝土因邊緣和底部全部與軌道板剝離而導(dǎo)致整個灌漿孔混凝土浮起。

4)灌漿孔混凝土局部掉塊和脫落(見圖6)。這是灌漿孔病害的后期形式,主要表現(xiàn)在灌漿孔混凝土局部或整體與軌道板分離脫落(在灌漿孔邊緣伴有少量的混凝土掉皮、掉塊情況),此時灌漿孔混凝土已不能穩(wěn)定處于軌道板內(nèi)。

5)多種形式組合病害(見圖7)。通過現(xiàn)場的調(diào)研分析發(fā)現(xiàn),個別灌漿孔混凝土病害存在多種形式共存的情況,不僅內(nèi)部混凝土強度較為薄弱,而且裂縫發(fā)育的較為活躍,同時還伴有局部的混凝土碎裂等復(fù)雜情況。此時將該少量情況分類為多種因素并存的組合病害類型。

2 灌漿孔混凝土病害的成因分析

Ⅲ型軌道板灌漿孔混凝土病害一般是由于灌漿孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在缺陷,在后期的運營中,受列車荷載和列車速度的影響導(dǎo)致軌道板灌漿孔混凝土出現(xiàn)開裂、浮起和脫落等問題,隨著病害的進一步發(fā)展可能引起整體軌道結(jié)構(gòu)的較大傷損,從而影響整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。引起灌漿孔混凝土病害的原因很多,通過對幾條線路中灌漿孔混凝土病害的觀察和分析,并結(jié)合對已有資料的研究,分析引起灌漿孔混凝土病害的原因主要有4個:

1)灌漿孔混凝土的補償收縮量不達標(biāo)。灌漿孔混凝土澆筑時軌道板混凝土已硬化,為防止孔內(nèi)混凝土發(fā)生收縮引起沿孔邊緣的裂縫,灌漿孔混凝土為補償收縮混凝土。若混凝土補償收縮量不足,混凝土硬化時會收縮,導(dǎo)致孔內(nèi)混凝土與軌道板邊緣之間出現(xiàn)微小縫隙(見圖4);雨雪水滲入縫隙后,經(jīng)過凍融循環(huán),灌漿孔混凝土底部易與軌道板自密實混凝土剝離,導(dǎo)致灌漿孔混凝土浮起(見圖5)。

2)采用了膨脹性骨料而造成混凝土吸水體積膨脹引起局部掉塊?；炷恋拇止橇洗蠖嘤射X氧化物、鎂氧化物(氧化鎂)、鈣氧化物(氧化鈣、碳酸鈣)和硅酸鹽(二氧化硅)等組成,其中方鎂石(MgO)顆粒遇水后會緩慢反應(yīng)生成水鎂石(Mg(OH)2),(MgO+H2O==Mg(OH)2↓)該反應(yīng)體積膨脹,導(dǎo)致內(nèi)部裂隙進一步擴大,軌道板灌注孔混凝土出現(xiàn)浮起掉塊(見圖6)。

膨脹性骨料的存在導(dǎo)致軌道板混凝土掉塊的現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)于2017年6月,當(dāng)時首次發(fā)現(xiàn)于沈大高速線,集中分布于中鐵八局(K131—K192)、中鐵五局(K192—K239)施工區(qū)段內(nèi),中鐵一局(K35—K131)、中鐵二局(K239—K321)施工區(qū)段內(nèi)有零散分布,發(fā)生部位主要為軌道板上表面。

在應(yīng)用Ⅲ型板的京沈、沈丹、盤營、朝凌客專線上的混凝土灌漿孔附近也發(fā)現(xiàn)了同樣現(xiàn)象,通過現(xiàn)場取樣查勘及微觀分析,結(jié)果表明Ⅲ型軌道板混凝土內(nèi)混有的方鎂石(MgO)顆粒遇水后緩慢反應(yīng)生成水鎂石(Mg(OH)2),產(chǎn)生體積膨脹,致使混凝土出現(xiàn)裂隙,隨著膨脹反應(yīng)的不斷進行導(dǎo)致裂隙急劇擴展,出現(xiàn)灌漿孔混凝土與軌道板分離脫落現(xiàn)象,這是灌注孔混凝土出現(xiàn)浮起脫落的先兆表現(xiàn)。

3)灌漿孔混凝土密實度差,強度低。灌漿孔混凝土因施工不規(guī)范可能導(dǎo)致混凝土不密實,存在微小缺陷,致使灌漿孔混凝土強度達不到設(shè)計強度,灌漿孔混凝土強度小于軌道板混凝土強度,荷載作用下灌漿孔混凝土內(nèi)部出現(xiàn)微裂縫并不斷延展,甚至貫穿整個灌漿孔(見圖3);在列車高速通過時因振動作用導(dǎo)致灌漿孔混凝土底部與軌道板剝離造成灌漿孔混凝土浮起。

4)施工方法不當(dāng),沒有按照標(biāo)準(zhǔn)施工工藝施工。灌漿孔混凝土的現(xiàn)場施工未嚴(yán)格按照工藝標(biāo)準(zhǔn)施工,如灌漿孔PVC管拔出較晚,擾動初凝混凝土;澆筑灌漿孔混凝土應(yīng)與自密實混凝土同時施工,如澆筑時間相差較大,灌漿孔混凝土與自密實混凝土之間的黏結(jié)強度降低易引起灌漿孔混凝土浮起。

3 預(yù)防措施及整治方法

3.1 預(yù)防措施

灌漿孔混凝土病害問題重在預(yù)防,結(jié)合以上病害成因的分析,可以采用的主要預(yù)防措施如下:

1)施工時要注重對施工質(zhì)量的把控。

2)在施工過程中要嚴(yán)格保證軌道板頂灌漿孔、檢查孔封閉與自密實混凝土同時施工,防止二次澆筑,提高灌漿孔混凝土與軌道板的黏結(jié)強度,加強此過程施工質(zhì)量的把控,將病害問題發(fā)生的概率降至最低。

3)在后期日常檢查中定期對軌道板灌漿孔等重點部位進行防水處理,實現(xiàn)施工隱患處數(shù)量的降低和灌注孔混凝土對水的隔離,以達到對病害的有效預(yù)防并減弱病害進一步發(fā)展的目的。

3.2 整治方法

針對灌注孔混凝土病害的不同成因,可采取各具特點的整治方案:

1)針對膨脹性骨料造成的浮起掉塊問題,整治措施為首先清除內(nèi)部膨脹源,然后進行內(nèi)部植筋并采用環(huán)氧樹脂砂漿(TK-H型)對缺損部位進行修復(fù),最后進行修整打磨,截至目前累計發(fā)現(xiàn)處理500余處。

2)針對灌漿孔混凝土凸臺施工方法不當(dāng),現(xiàn)采取對灌漿孔上浮松動的混凝土鑿除,底部植筋并灌注聚合物水泥砂漿(QS-S型)進行處理,累計發(fā)現(xiàn)處理800余處。

4 施工工藝

1)鑿除松動混凝土。將觀察孔、灌注孔混凝土鑿除(或?qū)⑴蛎浽辞宄龔氐?,采用錘子、鋼絲刷或角磨機對底部混凝土松動層處理,并用吹風(fēng)機將創(chuàng)傷面清潔干凈,露出堅硬的混凝土基體,以保證維修材料與混凝土表面的黏結(jié)強度。

2)L型鋼筋膠接植筋。采用φ8 mm鉆頭的沖擊鉆,在觀察孔、灌注孔底部自密實混凝土層鉆5 cm深的孔,將兩邊長度分別為16 cm和6 cm的Φ6的HRB400型L筋的長端用植筋膠(根據(jù)不同情況采用不同特性的植筋膠,如TK-H型或QS-S型等)植入5 cm深的孔中。

3)涂刷底漆。拌和一定量修補材料底漆,按照配合比進行拌合,并涂抹于堅硬的混凝土基體表面(觀察孔、灌注孔側(cè)面和自密實混凝土基面),涂抹要均勻。

4)修補材料配制。使用專用攪拌槍和攪拌桿,根據(jù)說明書要求的配合比將樹脂和固化劑采用攪拌機攪拌均勻(攪拌時間不少于2 min)后加入修補干料再進行攪拌(攪拌時間不少于2 min)[4-5]。

5)修補材料填充。將配制好的修補材料分三層倒入觀察孔、灌注孔,用抹刀或者平鏟將材料插搗密實,修補后的灌注孔和觀察孔表面應(yīng)高出軌道板表面,且不宜超過10 mm。注意:底層用勁碾壓,使材料充分浸潤混凝土基層表面。

6)打磨塑形。2 h后,修補材料基本固化,用角磨機對固化材料進行打磨塑形,灌注孔和觀察孔應(yīng)打磨光滑并與軌道板平順銜接,打磨后涂刷封閉材料(一般為高強度防水材料),保證維修后軌道板的耐久性和美觀性。

7)表面修飾。為保持修補部位與軌道板整體的顏色一致性,可采用調(diào)色聚合物水泥對修補部位進行噴涂調(diào)色,待其干燥后,采用細(xì)砂紙打磨,保證整體顏色的一致性。

5 結(jié)論

1)通過對灌漿孔混凝土病害的已有調(diào)查和分析,得出了引發(fā)病害的成因主要有4種:配合比問題、原材料問題、施工質(zhì)量問題以及施工方法和工藝問題。

2)灌漿孔混凝土病害重在預(yù)防,針對病害提出了預(yù)防措施,重點是對關(guān)鍵節(jié)點施工質(zhì)量的把控以及利用防水材料對混凝土進行防水處理。

3)一旦出現(xiàn)病害,要及時進行整治,提出了兩種整治方法和詳細(xì)的工藝。

控制灌漿孔內(nèi)部補償收縮混凝土的收縮率并注意減少方鎂石在混凝土中的添加含量。在觀察孔、灌漿孔底部自密實混凝土層通過加入L型鋼筋膠接植筋的方式提高灌漿孔內(nèi)部補償收縮混凝土與自密實混凝土基層之間的黏結(jié)強度。