无砟轨道修补技术研究

陈文帅,刘雷,牛红凯,汪倩

无砟轨道修补技术研究

陈文帅1,刘雷1,牛红凯2,汪倩1

1. 河北轨道运输职业技术学院, 河北 石家庄 050000 2. 石家庄铁道大学, 河北 石家庄 050043

随着我国高速铁路的快速发展，混凝土结构在服役过程中产生的破损缺陷日益突出，因此无砟轨道的修复技术变得日趋重要。本研究借鉴国外高速铁路无砟轨道维修经验，以硫铝酸盐水泥为基材，设计了一种适合于我国高速铁路的轨道板和轨道板砂浆层之间离缝的快速修复材料，通过控制乳胶粉和聚丙烯纤维的掺入量提高强度及耐久性。结果表明：乳胶粉掺入量为0.8，聚丙烯纤维掺入量为0.5时，该水泥砂浆的7 d抗压强度56.8 MPa，抗折强度16.3 MPa，耐腐蚀系数0.91以上。所制备出的水泥修补砂浆能够满足无砟轨道维修标准各项性能的要求。

无砟轨道; 修补技术

经过40多年的发展，高速铁路逐步形成了以德国、日本、法国三个家为代表的高铁技术体系。目前，全球已建成投产6850 km时速250多km的高速铁路。国外运营证明，高铁具有运能大、速度高、安全舒适、能耗低、污染轻、低成本少、占地少、高效益等特点，发展高铁称为经济发展的强大支撑[1]。2020年，我国高速铁路的里程将达到10万多km，百分之八十的全国主要省会城市将全部通车。首都北京到全国省会城市的时间将达到8 h左右，省会城市将在省会建立0.5 h、1 h、2 h的经济圈，邻近省会城市将构建2 h、3 h经济圈。我国人口基数较大，铁路运营系统将会是一个质的飞跃，我国铁路系统将会走进全世界最先进的水平[2]。

目前，我国采用的板式无砟轨道分别是CRTSⅠ型、CRTSⅡ型和CRTSⅢ型[3]。高速铁路无砟轨道近年来才开始使用，因此，在设计、施工和运营维护等方面都没有足够的经验，基础理论方面尚未成熟，许多关键技术问题仍期待科研工作者去解决[4]。尤其是随着服役年限的增加，混凝土的结构不可避免的出现破损状况，因此新型修补材料技术与研制尤为重要。

混凝土修补材料的主要性能指标有（1）凝结硬化后浆体与原混凝土的粘结强度；（2）硬化浆体与原混凝土的弹性模量相近；（3）硬化浆体与原混凝土收缩系数相近；（4）硬化浆体与原混凝土相等或相近：（5）具有良好的耐久性[5]。目前主要研究的有收缩补偿砂浆[6]，预辅骨料混凝土[7]，掺加碳纤维改善粘结性能[8]等，较多研究集中在聚合物改性混凝土和砂浆。

无砟轨道的伤损形式主要有以下几种[9]:轨道板结构与砂浆垫层的离缝缺陷；砂浆层内部结构缺损病害、混凝土伤损、结构件的破坏、支承层上部无砟轨道的病害和伤损、无砟轨道发生某些位置变化或沉降等。损伤修复必须坚持的基本原则：

（1）快速抢修。无砟轨道的病害治理维修工作必须保证在4 h以内完成，否则将对列车的正常运行带来不良的影响[10-12]；

（2）重复维修。修补材料必须兼顾耐久性和可维修性，确保修补后的服役混凝土再次出现伤损时可以完全祛除修补部位或者基于再次破损的部位反复维修。修补受损采用材料不相同时，须确保证新旧材料之间优良的融合性[13-15]。

目前修补的材料主要以树脂砂浆为主，针对混凝土结构中有机基体的引入是否会对粘结、耐久性产生影响尚不明确，但是随着服役年限、环境的变化有机物的老化是不争的实时。因此，为了实现快速修复，研究一种新型的修复材料至关重要。

1 材料与方法

1.1 材料

(1) 水泥：赞皇县金隅水泥有限公司的42.5快硬硫铝酸盐水泥；

(2) 过烧镁砂：MgO≥87%，平均粒径40 μm；

(3) 粉煤灰：Ⅱ级，灰黑色的粉末；

(4) 砂：SiO2≥96%；

(5) 聚磷酸盐：Na5P3O10≥96%，白色粒状粉末；

(6) 胶粉：市场购得821专用胶粉；

(7) 聚丙烯纤维：白色，直径为42 μm，长度为16 mm，密度为0.89 g·m-3，弹性模量为7 GPa，抗拉强度为400 MPa。

1.2 方法

1.2.1 配合比设计在此配比基础上制备的MPC水泥，浆体的初凝时间控制在10~13 min，1 h抗压强度高于40 MPa，7 d抗压强度达到50 MPa，符合高铁无砟轨道对修补材料维修凝结速度快、早期强度高的标准。

1.2.2 砂浆拌和步骤砂浆配合比试验的步骤如下：

(1) 将水泥、镁砂缓凝剂、砂和粉煤灰等按不同配比称量；

(2) 倒入搅拌容器内，加水进行拌合，低速30 s，高速90 s；

(3) 浇筑于试模中，并将其放在震台上振实；

(4) 带模养护1 h左右后脱模，自然养护至不同龄期。

1.2.3 性能测试方法(1) 拌合物流动度测试：拌合物砂浆的流动度实验按GB/T 2419-2016《水泥胶砂流动度测定方法》进行测试；

(2) 强度测试：抗折强度采用水泥胶砂电动抗折试验机进行测试，测试方法按照《建筑工程饰面砖粘结强度检验标准》（JGJ110-2017）；抗压强度试验采用WED-300型电子式万能试验机测试，测试方法依据《水泥胶砂强度检验方法》（GBT 17671-1999）；

(3) 耐腐蚀性能的测试方法：将试件分别浸泡在不同酸碱溶液和清水中，养护至规定龄期，测试不同环境水泥的抗压强度，计算耐腐蚀系数。同时观察表观现象的变化情况。

2 结果与分析

2.1 不同乳胶粉掺量对修补砂浆性能影响

2.1.1 乳胶粉掺量对流动性影响为了提高砂浆的流动性，选用可再分散乳胶粉作为添加剂，添加剂含量分别为：0%、0.2%、0.5%、0.8%、1.0%。

不同乳胶粉掺量下复合砂浆的流动度试验结果如图1所示，结果表明，水泥砂浆的流动性随着乳胶粉掺量的增加而增大，乳胶粉掺量增加至1.0%时，胶砂流动度为196 mm，且砂浆开始呈离析状态。为了将砂浆流动度控制在160~175 mm之间，乳胶粉掺量为0.5%~0.8%比较合适。

砂浆流动性的提高主要归结于分散胶粉的掺入，可再分散乳胶粉有一定的减水效应，表面活性成分起到了引气效果，大大提高了砂浆的流动性，胶粉颗粒之间的润滑作用的同时也提高了砂浆混合料的流动性。

图 1 乳胶粉对硫铝酸盐水泥砂浆流动度的影响

图 2 乳胶粉对硫铝酸盐水泥砂浆粘结抗折强度的影响

2.1.2乳胶粉掺量对砂浆粘结抗折强度的影响控制再分散乳胶粉的掺量为0~1%，依据新拌砂浆流动度在160~175 mm之间对拌和物的用水量进行调整。

不同乳胶粉掺量下的砂浆粘结抗折强度如图2所示，一定范围内，胶粘强度随着乳胶粉掺量的增加而增加。当掺量为0.8％时，14 d时的抗折强度为6.8 MPa，达到最大值，较空白组增加了58％。乳胶粉的掺入在砂浆中引入了聚合物，聚合物的内聚力会在砂浆之间产生铆接和桥接，当硬化浆体发生破坏时，吸收来自于断裂扩展导致的能量，从而阻碍微裂纹的扩展，提高修补砂浆的粘结强度。

2.1.3 乳胶粉掺入对水泥砂浆耐久性能研究酸溶液中砂浆不同龄期腐蚀后的耐腐蚀系数如图3所示。不同龄期下，水泥砂浆耐腐蚀系数分别达到了0.89、0.79、0.78，均有一定的提高，表明乳胶粉的掺入可以提高砂浆的耐久性。

图 3 乳胶粉掺量为0.8%下硫铝酸盐水泥砂浆耐久性的影响

2.2 不同掺量下聚丙烯纤维对修补砂浆性能的影响

聚丙烯纤维对硫铝酸盐水泥（SAC）砂浆抗压强度的影响如图4所示。随着聚丙烯纤维的掺入，砂浆的1 d与3 d抗压强度均低于空白组，且随着掺量的增加而逐渐降低，对比聚丙烯纤维不同掺量下7 d和28 d强度，可以得出硬化体强度随掺量的增加而升高。综合上述结论可以得出，当聚丙烯纤维掺量为0.5%时，砂浆后期的抗压强度能够有效提高，28 d抗压强度达到56.8 MPa，相较于与无掺加的抗压强度差别较小。

聚丙烯纤维对硫铝酸盐水泥砂浆抗折强度的影响结果如图5所示，硫铝酸盐水泥砂浆的各龄期抗折强度均随着聚丙烯纤维掺量的增加呈升高的趋势。

图 4 聚丙烯纤维对砂浆抗压强度的影响

图 5 聚丙烯纤维对砂浆抗折强度的影响

聚丙烯纤维增强修补砂浆是一种非匀质的复合材料，服役混凝土结构在薄弱、缺陷区域发生破坏的主要原因就是结构在受载荷情况下应力和应变的不均匀分部。相关研究证实，特种纤维增加复合材料发生纤维断裂时的载荷可以达到极限载荷的60%以上。纤维增强修补砂浆处于服役状态发生断裂时，断裂的过程不仅仅限于混凝土结构、纤维的断裂，同时包括纤维与砂浆基体的粘结以及受损严重时纤维的拔出，随着裂纹的扩展和损伤的累计最终发生宏观的断裂，断裂过程即能量释放的过程，纤维与砂浆基体的脱粘和纤维被拔出的过程需要克服较大的摩擦阻力，在此过程中需要消耗大量的能量。

3 结论

研制的快速修复水泥砂浆，7 d抗压强度达到56.8 MPa，抗折强度达到了16.3 MPa，耐腐蚀系数达到了0.91以上，能够满足无砟轨道维修标准各项性能的要求，尺寸灌注试验表明，复合砂浆产品能满足我国板式无碴轨道铁路建设的需要。

[1] 王丽,曹有挥,姚士谋.高速铁路对城市空间影响研究述评[J].长江流域资源与环境,2012(9):1073-1079

[2] 中华人民共和国铁道部.新建时速300-350 km客运专线铁路设计暂行规定(铁道部铁建设[2007]47号发布)[M].北 京:中国铁道出版社,2007

[3] 尹健.高性能快速修补混凝土的研究与应用[D].湖南:中南大学,2003

[4] 卢木.混凝土耐久性研究现状和研究方向[J].工业建筑,1997,27(5):1-6

[5] 钱觉时.超早强磷酸盐路面修补材料研究[D].重庆:重庆大学,2005

[6] 曹双寅,邱洪兴,土恒华.结构可靠性鉴定与加固技术[M].北京:中国水利水电出版社,2002

[7] Emmons PH, Vaysburd AM. System concept in design and construction of durable concrete repairs[J]. Construction and Building Materials, 1996,10(1):69-75

[8] 周新刚.混凝土结构的耐久性与损伤防治[M].北京:中国建材工业出版社,1999

[9] 客运专线无砟轨道技术再创新攻关组.严寒地区SL-2型无砟轨道水泥乳化沥青砂浆研究[R].铁道科学研究院研 究报告,2009

[10] 赵坪锐.板式无砟轨道动力学性能分析与参数研究[D].成都:西南交通大学,2003

[11] Sakai E, Sugita J. Composite mechanism of polymer modified cement[J].Cement and concrete Research,1995,25(1):127-135

[12] Ohama Y. Polymer-based admixtures[J]. Cement and concrete composites, 1998,20(2-3):189 -212

[13] 权刘权,李东旭.聚合物砂浆的研究进展[J].材料导报,2006,20(6):69-70

[14] 黄从运,陈超,付冰.聚合物改性修补水泥混凝土综述[J].山东建材,2008(1):18-23

[15] Fowler DW. Polymers in concrete a vision for the 21st century[J]. Cement &Concrete Composites,1999,21(4):449-454

Study on the Repair Technology for a Ballastless Track

CHEN Wen-Shuai1, LIU Lei1, NIU Hong-kai2, WANG Qian1

1.050000,2.050043,

With the rapid development of China's high-speed railway, the damage defects caused by the concrete structure during the service process are increasingly prominent, so the repair technology of ballastless track has become more and more important. Based on the experience of repairing the ballastless track plate on foreign high-speed railway, Sulphoaluminate cement was used as the base material to become a rapid repair material for the separation between the track plate and the track plate mortar layer of China's high-speed railway so as to improve the strength and durability by way of controlling the amount of latex powder and polypropylene fibers. The results showed when the latex powder was 0.8 and the polypropylene fiber was 0.5, the 7 days compressive strength, flexural strength and corrosion coefficient of the cement mortar reached 56.8 MPa, 16.3 MPa and 0.91 respectively. The prepared cement repair mortar could meet the performance requirements of the ballastless track dimension standard.

Ballastless track; repair technology

U213.2+44

A

1000-2324(2019)04-0604-04

2018-04-05

2018-05-23

陈文帅(1980-),男,本科,工程师,研究方向:铁道工程技术，建筑施工. E-mail:hbcws2518@sina.com