严寒地区CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆充填层服役现状研究

吴韶亮 李海燕 史懿 董宏伟 王鑫 赵静存

中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081

CRTSⅠ型板式无砟轨道是我国高速铁路采用的主要轨道结构形式之一，主要特征是采用单元板式结构，轨道结构各层处于分离状态。主体结构自下而上依次为混凝土底座、水泥乳化沥青（Cement emulsified Asphalt，CA）砂浆充填层和混凝土轨道板，每块轨道板纵向两端通过混凝土凸形挡台及树脂填充层进行限位。采用CRTSⅠ型板式无砟轨道结构的线路有严寒地区的哈大高速铁路和哈齐高速铁路，寒冷地区的沪宁城际铁路，温暖地区的广珠城际铁路、广深港高速铁路等［1-5］。相对于混凝土部件，CA砂浆充填层强度较低，是轨道结构中的薄弱环节。在温度变化、水、光照、列车振动荷载等因素作用下不可避免地会出现性能衰减，严寒地区的大温差、频繁冻融等气候因素会加剧CA砂浆充填层的劣化伤损。建设过程中由于操作人员施工质量控制不严而产生的微小缺陷，也是服役过程中CA砂浆充填层伤损产生的隐患。

为了研究CA砂浆的服役状态，特别是在极端气候环境下其性能的变化规律，更好地对CA砂浆进行全寿命周期管理，本文参照TG/G W115—2012《高速铁路无砟轨道线路维修规则》［6］中CRTSⅠ型CA砂浆伤损形式和等级判定标准，对严寒地区哈大高速铁路和哈齐高速铁路不同线路区间的CA砂浆充填层进行观测并分析伤损形式和变化规律，以期更好地指导和服务板式无砟轨道维修工作。

1 CA砂浆充填层主要伤损形式

在哈大高速铁路选取8处、哈齐高速铁路选取4处线路区间对CA砂浆充填层进行观测。现场调研发现CA砂浆充填层出现了不同程度的伤损，见图1。

图1 常见病害

2 CA砂浆充填层病害成因分析

每个区间内平行选择上下行各50块，共计100块轨道板下CA砂浆充填层，分析其伤损形式和病害成因。

2.1 竖向裂纹

竖向裂纹主要指垂直于轨道板纵向的CA砂浆充填层裂纹。分析不同观测区间病害数据（表1—表3）发现：①CA砂浆竖向裂纹在不同观测区间内较为普遍；②CA砂浆充填层向阳面的竖向裂纹数量略多于背阴面，哈齐高速铁路调研区间该趋势较明显；③哈大高速铁路CA砂浆充填层竖向裂纹数量由南向北呈增加趋势。

表1 哈大高速铁路CA砂浆竖向裂纹平均分布 条/块

表2 哈齐高速铁路CA砂浆竖向裂纹平均分布 条/块

表3 CA砂浆充填层竖向裂纹变化趋势 条/块

竖向裂纹产生的原因可能有：①CA砂浆充填层施工过程中形成的褶皱是结构受力薄弱位置；②哈大高速铁路和哈齐高速铁路沿线大部分处于严寒地区，年最高气温和最低气温差值可达70℃以上，一天内温差也可达到20℃，温度作用下轨道板边角会产生往复的翘曲变形，轨道板会对CA砂浆充填层频繁地施加竖向应力；③冰、水或者其他异物进入轨道板和充填层缝隙后形成应力集中；④秋冬、冬春季节交替过程中频繁冻融循环。

CA砂浆充填层向阳面竖向裂纹相对较多的原因是向阳面CA砂浆充填层阳光照射时间相对较长，温度变化幅度比背阴面大。由此导致：①向阳面CA砂浆冻融循环次数显著高于背阴面；②在温度和光照作用下结构中的沥青组分老化，黏弹性下降，向阳面CA砂浆的弹韧性衰减程度高于背阴面；③向阳面轨道板和CA砂浆的热胀冷缩变换频率、变形幅度比背阴面大。

高速铁路线路所处地域的温度极低值由南向北逐步降低，而且低温时间也不断增加。在长时间的低温、冻融、光照、列车振动荷载等因素综合作用下，CA砂浆的力学性能、弹韧性、抗疲劳性能等变差，导致CA砂浆竖向裂纹由南向北呈现逐渐增加的趋势。

哈齐高速铁路开通运营时间比哈大高速铁路晚3年，但其所处的气候条件比哈大高速铁路更加恶劣，由此导致哈齐高速铁路不同区间的竖向裂纹数量虽然比地域相近的哈大高速铁路哈尔滨、双城等线路区间少，但仍明显多于哈大高速铁路营口、鞍山、沈阳北等区间。这表明线路所处的气候环境因素是造成CA砂浆性能劣化伤损的主要因素。

2.2 横向裂纹

横向裂纹主要指与轨道板纵向平行的CA砂浆充填层裂纹。分析不同观测区间病害数据（表4—表5）发现：CA砂浆充填层横向裂纹病害数量较少，部分区间没有横向裂纹；哈大高速铁路鞍山区间CA砂浆充填层横向裂纹病害数量显著多于其他区间，而且调研过程中现场测得该区间的横向裂纹纵向扩展长度最大可达2 m。

表4 哈大高速铁路CA横向裂纹分布统计 条/100块

表5 哈齐高速铁路CA横向裂纹分布统计 条/100块

横向裂纹产生的原因可能有：①在施工过程中，当CA砂浆浆体流动性过大时，灌注后容易出现材料离析，充填层内部会出现一个较为明显的界面。②当温度较高或施工环节衔接不当导致CA砂浆的施工性能出现严重衰减时，灌注施工可能会导致初始流入灌注袋中的砂浆与后期流入灌注袋中的砂浆出现分层等缺陷。③若灌注后的挤浆流程较慢，紧贴在灌注袋处的砂浆因失水相对较快已失去工作性能，而内部的砂浆仍具有一定的可流动性，此时挤浆容易导致砂浆产生结构缺陷。上述影响因素均出现在建设期，受现场操作人员影响较大，因此横向裂纹分布不规律。

2.3 充填层离缝

调研过程中采用厚度为1 mm的钢板尺进行轨道板与CA砂浆充填层之间离缝的测试。观测发现哈大、哈齐高速铁路不同区间内CA砂浆充填层板角离缝问题较普遍，且多发生在轨道板的板角或者纵向端部，其中约30%的充填层离缝达到Ⅲ级伤损等级，见表6和表7。

表6 哈大高速铁路不同区间Ⅲ级及以上板角离缝在离缝总量中的占比 %

表7 哈齐高速铁路不同区间Ⅲ级及以上板角离缝在离缝总量中的占比 %

综合分析各环节对充填层的潜在影响发现：建设过程中CA砂浆原材料、施工技术与工艺等控制不当，以及运营过程中气候环境等因素是导致离缝产生的主要原因。其中，原材料、施工技术与工艺因素导致的离缝可通过加强施工质量全过程管理等措施有效地减少和避免，而气候环境导致的轨道板与CA砂浆充填层之间的离缝是不可避免的。这是由于轨道板厚度和体积较大，气候环境会导致轨道板内部温度梯度和热胀冷缩，温度传递过程中不均匀的热胀冷缩使其内部产生温度应力，因而轨道板出现板角翘曲等［7-8］。前期研究发现在12：00—15：00时离缝相对较小，在23：00—03：00时离缝相对较大，而铁路天窗通常安排在24：00—04：00，上线观测基本处于离缝相对较大的时段，导致测得的Ⅲ级及以上等级的板角离缝占比略多。CRTSⅠ型CA砂浆中的沥青水泥质量比高达0.8以上，在结构中沥青已形成连续相，使得砂浆呈明显的黏弹性，在轨道板边角频繁的翘曲变形作用下充填层砂浆会出现不可恢复的蠕变，从而导致轨道板边角处离缝较多。

2.4 掉块移位

CA砂浆充填层的掉块、移位等病害是列车安全运营的潜在隐患，工务人员在发现病害后会及时整治，因此在调研过程中仅发现一处边角掉块痕迹和一处轻微移位。

CA砂浆掉块、移位等伤损多发生在轨道板纵向两端第1、第2承轨台等位置。这是由于轨道板翘曲过程中轨道板纵向两端是应力应变最活跃的部位，轨道板下方的CA砂浆充填层受到反复的竖向剪切力，导致轨道板纵向两端下方的CA砂浆充填层较早出现应力疲劳。特别是在板角离缝或轨道板空吊的情况下，列车高速通过时冲击荷载产生的拍板效应会加剧砂浆的破坏以及移位，导致轨道板纵向两端CA砂浆早于其他部位出现碎裂或者掉块窜出。

2.5 灌注袋破损

哈大、哈齐高速铁路12处线路区间内50%以上的充填层CA砂浆灌注袋出现了粉化、破损，而且同一线路区间有灌注袋包裹的CA砂浆充填层竖向裂纹等病害数量显著少于无灌注袋覆盖的充填层，这表明灌注袋能够较好地发挥保护CA砂浆免于阳光照射、延缓CA砂浆老化的作用。灌注袋的主要材质为聚丙烯无纺布，在灌注施工过程中其主要起模板作用。基于工程建设的迫切需求，科技基〔2008〕74号《客运专线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆和凸台树脂用灌注袋暂行技术条件》［9］仅对其透气率、抗渗水性、力学性能等指标进行了规定，而未涉及与运营后服役状态有关的耐久性能。研究发现，紫外光照是导致灌注袋材料老化的主要原因，频繁的冻融循环加剧了灌注袋的破损。

3 结论及建议

3.1 结论

1）CA砂浆充填层竖向裂纹、板角离缝、灌注袋破损等病害较为普遍，而横向裂纹、掉块移位等病害零星出现。

2）随着线路由南向北和服役时间的增加，CA砂浆竖向裂纹数量逐渐增多，且向阳面竖向裂纹数量显著多于背阴面。

3）铁路天窗时间是轨道板与CA砂浆充填层之间离缝处于较大值的时段，测得充填层板角离缝数量相对较多，约30%的离缝达到Ⅲ级伤损标准。

4）运营线路所处的大温差、冻融等气候因素是导致严寒地区CA砂浆充填层性能劣化的主要因素。

3.2 建议

1）CA砂浆竖向裂纹容易演变为砂浆掉块、移位等病害，而CA砂浆横向裂纹容易演变为砂浆碎裂，建议将达到Ⅲ级伤损等级的裂纹列入跟踪观测计划，及时对病害部位进行清理与封闭，防止或延缓后续伤损的继续发展。

2）CA砂浆板角离缝一方面会造成轨道板板端吊空，产生拍板效应，另一方面异物或者冰雪进入离缝后会造成承压面受力不均匀形成应力集中，这会加剧CA砂浆充填层等无砟轨道结构部件性能劣化，缩短无砟轨道线路的安全服役寿命。建议对达到Ⅲ级及以上伤损的离缝病害及时进行养护维修。

3）为了减少水、光照、温度等因素对轨道结构的影响，建议在后续的运营维护过程中对裸露在外的CA砂浆充填层、轨道板等采用涂刷防水、保温、隔温涂层等措施，从而达到延缓或阻止无砟轨道结构病害产生的目的。