Ⅲ型轨道板灌浆孔混凝土浮起问题分析

周彦旭，焦 莉

(1.沈阳建筑大学,辽宁 沈阳 110000; 2.中国铁路沈阳局集团有限公司沈阳高铁基础设施段,辽宁 沈阳 110000)

0 引言

桥梁地段CRTSⅢ型板式无砟轨道由钢轨、弹性扣件、轨道板、自密实混凝土层、隔离层以及具有限位结构的钢筋混凝土底座等部分组成,是我国自主创新的新型无砟轨道结构[1-3],从2009年首次在成灌铁路使用至今,已经广泛应用于国内外的高速铁路。

CRTSⅢ型轨道板上设有灌浆孔和检查孔(后面用灌浆孔代替两种孔)。轨道板灌浆孔的自密实混凝土灌注后的顶面应高出轨道板底50 mm以上,在自密实混凝土凝固前,4号S型钢筋按设计要求插入孔内的自实混凝土内,然后在孔内浇筑掺加膨胀剂的C60补偿收缩混凝土(见图1,图2)。

在对京沈、沈丹、盘营和朝凌客专的Ⅲ型轨道板灌浆孔状态进行详细检查中,发现有多处灌浆孔混凝土病害,主要有开裂、浮起等现象。据多条高速铁路现场观察和相关资料表明,灌浆孔混凝土病害除了开裂、浮起外,还有局部掉块和脱落问题(见图3—图6)。

高速铁路Ⅲ型轨道板灌浆孔病害对整个轨道结构产生很大影响。首先,轨道板上的雨雪积水会沿着灌浆孔缝隙进入到轨道板内部导致裂缝加速扩展。这是因为夏季水与方镁石反应生成水镁石体积膨胀,导致裂隙进一步扩大,冬季水在轨道板内部由于温差作用出现冻融循环同样会使混凝土裂缝扩展。其次,在高铁列车快速通过时,浮起或局部剥离的混凝土极易脱离轨道板并崩溅到本线或邻线列车,对列车车体产生极大创伤,并可能带来高昂的维修成本和严重的经济损失,同时对旅客的人身安全造成严重威胁。最后,灌浆孔混凝土病害如没有及时修补将导致轨道板结构整体性下降,无法为高速运行的列车提供足够的道床纵横向阻力,容易引发轨道爬行等重大安全隐患。

1 灌浆孔混凝土病害的常见表现形式

通过对大量资料的分析和现场观测总结,将灌浆孔混凝土病害分为5种表现形式:

1)灌浆孔混凝土内部出现不规则细微裂缝(见图3)。这是灌浆孔病害最初的形式之一,裂缝严重时会从内往外扩展至灌浆孔边缘。

2)灌浆孔混凝土边缘开裂(见图4)。这也是灌浆孔病害最初的形式之一,灌浆孔混凝土与轨道板轻微剥离,裂缝沿着孔边缘,是灌浆孔混凝土浮起的初期形式。

3)灌浆孔混凝土浮起(见图5)。灌浆孔混凝土因边缘和底部全部与轨道板剥离而导致整个灌浆孔混凝土浮起。

4)灌浆孔混凝土局部掉块和脱落(见图6)。这是灌浆孔病害的后期形式,主要表现在灌浆孔混凝土局部或整体与轨道板分离脱落(在灌浆孔边缘伴有少量的混凝土掉皮、掉块情况),此时灌浆孔混凝土已不能稳定处于轨道板内。

5)多种形式组合病害(见图7)。通过现场的调研分析发现,个别灌浆孔混凝土病害存在多种形式共存的情况,不仅内部混凝土强度较为薄弱,而且裂缝发育的较为活跃,同时还伴有局部的混凝土碎裂等复杂情况。此时将该少量情况分类为多种因素并存的组合病害类型。

2 灌浆孔混凝土病害的成因分析

Ⅲ型轨道板灌浆孔混凝土病害一般是由于灌浆孔内部结构存在缺陷,在后期的运营中,受列车荷载和列车速度的影响导致轨道板灌浆孔混凝土出现开裂、浮起和脱落等问题,随着病害的进一步发展可能引起整体轨道结构的较大伤损,从而影响整体结构的稳定性。引起灌浆孔混凝土病害的原因很多,通过对几条线路中灌浆孔混凝土病害的观察和分析,并结合对已有资料的研究,分析引起灌浆孔混凝土病害的原因主要有4个:

1)灌浆孔混凝土的补偿收缩量不达标。灌浆孔混凝土浇筑时轨道板混凝土已硬化,为防止孔内混凝土发生收缩引起沿孔边缘的裂缝,灌浆孔混凝土为补偿收缩混凝土。若混凝土补偿收缩量不足,混凝土硬化时会收缩,导致孔内混凝土与轨道板边缘之间出现微小缝隙(见图4);雨雪水渗入缝隙后,经过冻融循环,灌浆孔混凝土底部易与轨道板自密实混凝土剥离,导致灌浆孔混凝土浮起(见图5)。

2)采用了膨胀性骨料而造成混凝土吸水体积膨胀引起局部掉块。混凝土的粗骨料大多由铝氧化物、镁氧化物(氧化镁)、钙氧化物(氧化钙、碳酸钙)和硅酸盐(二氧化硅)等组成,其中方镁石(MgO)颗粒遇水后会缓慢反应生成水镁石(Mg(OH)2),(MgO+H2O==Mg(OH)2↓)该反应体积膨胀,导致内部裂隙进一步扩大,轨道板灌注孔混凝土出现浮起掉块(见图6)。

膨胀性骨料的存在导致轨道板混凝土掉块的现象最早发现于2017年6月,当时首次发现于沈大高速线,集中分布于中铁八局(K131—K192)、中铁五局(K192—K239)施工区段内,中铁一局(K35—K131)、中铁二局(K239—K321)施工区段内有零散分布,发生部位主要为轨道板上表面。

在应用Ⅲ型板的京沈、沈丹、盘营、朝凌客专线上的混凝土灌浆孔附近也发现了同样现象,通过现场取样查勘及微观分析,结果表明Ⅲ型轨道板混凝土内混有的方镁石(MgO)颗粒遇水后缓慢反应生成水镁石(Mg(OH)2),产生体积膨胀,致使混凝土出现裂隙,随着膨胀反应的不断进行导致裂隙急剧扩展,出现灌浆孔混凝土与轨道板分离脱落现象,这是灌注孔混凝土出现浮起脱落的先兆表现。

3)灌浆孔混凝土密实度差,强度低。灌浆孔混凝土因施工不规范可能导致混凝土不密实,存在微小缺陷,致使灌浆孔混凝土强度达不到设计强度,灌浆孔混凝土强度小于轨道板混凝土强度,荷载作用下灌浆孔混凝土内部出现微裂缝并不断延展,甚至贯穿整个灌浆孔(见图3);在列车高速通过时因振动作用导致灌浆孔混凝土底部与轨道板剥离造成灌浆孔混凝土浮起。

4)施工方法不当,没有按照标准施工工艺施工。灌浆孔混凝土的现场施工未严格按照工艺标准施工,如灌浆孔PVC管拔出较晚,扰动初凝混凝土;浇筑灌浆孔混凝土应与自密实混凝土同时施工,如浇筑时间相差较大,灌浆孔混凝土与自密实混凝土之间的黏结强度降低易引起灌浆孔混凝土浮起。

3 预防措施及整治方法

3.1 预防措施

灌浆孔混凝土病害问题重在预防,结合以上病害成因的分析,可以采用的主要预防措施如下:

1)施工时要注重对施工质量的把控。

2)在施工过程中要严格保证轨道板顶灌浆孔、检查孔封闭与自密实混凝土同时施工,防止二次浇筑,提高灌浆孔混凝土与轨道板的黏结强度,加强此过程施工质量的把控,将病害问题发生的概率降至最低。

3)在后期日常检查中定期对轨道板灌浆孔等重点部位进行防水处理,实现施工隐患处数量的降低和灌注孔混凝土对水的隔离,以达到对病害的有效预防并减弱病害进一步发展的目的。

3.2 整治方法

针对灌注孔混凝土病害的不同成因,可采取各具特点的整治方案:

1)针对膨胀性骨料造成的浮起掉块问题,整治措施为首先清除内部膨胀源,然后进行内部植筋并采用环氧树脂砂浆(TK-H型)对缺损部位进行修复,最后进行修整打磨,截至目前累计发现处理500余处。

2)针对灌浆孔混凝土凸台施工方法不当,现采取对灌浆孔上浮松动的混凝土凿除,底部植筋并灌注聚合物水泥砂浆(QS-S型)进行处理,累计发现处理800余处。

4 施工工艺

1)凿除松动混凝土。将观察孔、灌注孔混凝土凿除(或将膨胀源清除彻底),采用锤子、钢丝刷或角磨机对底部混凝土松动层处理,并用吹风机将创伤面清洁干净,露出坚硬的混凝土基体,以保证维修材料与混凝土表面的黏结强度。

2)L型钢筋胶接植筋。采用φ8 mm钻头的冲击钻,在观察孔、灌注孔底部自密实混凝土层钻5 cm深的孔,将两边长度分别为16 cm和6 cm的Φ6的HRB400型L筋的长端用植筋胶(根据不同情况采用不同特性的植筋胶,如TK-H型或QS-S型等)植入5 cm深的孔中。

3)涂刷底漆。拌和一定量修补材料底漆,按照配合比进行拌合,并涂抹于坚硬的混凝土基体表面(观察孔、灌注孔侧面和自密实混凝土基面),涂抹要均匀。

4)修补材料配制。使用专用搅拌枪和搅拌杆,根据说明书要求的配合比将树脂和固化剂采用搅拌机搅拌均匀(搅拌时间不少于2 min)后加入修补干料再进行搅拌(搅拌时间不少于2 min)[4-5]。

5)修补材料填充。将配制好的修补材料分三层倒入观察孔、灌注孔,用抹刀或者平铲将材料插捣密实,修补后的灌注孔和观察孔表面应高出轨道板表面,且不宜超过10 mm。注意:底层用劲碾压,使材料充分浸润混凝土基层表面。

6)打磨塑形。2 h后,修补材料基本固化,用角磨机对固化材料进行打磨塑形,灌注孔和观察孔应打磨光滑并与轨道板平顺衔接,打磨后涂刷封闭材料(一般为高强度防水材料),保证维修后轨道板的耐久性和美观性。

7)表面修饰。为保持修补部位与轨道板整体的颜色一致性,可采用调色聚合物水泥对修补部位进行喷涂调色,待其干燥后,采用细砂纸打磨,保证整体颜色的一致性。

5 结论

1)通过对灌浆孔混凝土病害的已有调查和分析,得出了引发病害的成因主要有4种:配合比问题、原材料问题、施工质量问题以及施工方法和工艺问题。

2)灌浆孔混凝土病害重在预防,针对病害提出了预防措施,重点是对关键节点施工质量的把控以及利用防水材料对混凝土进行防水处理。

3)一旦出现病害,要及时进行整治,提出了两种整治方法和详细的工艺。

控制灌浆孔内部补偿收缩混凝土的收缩率并注意减少方镁石在混凝土中的添加含量。在观察孔、灌浆孔底部自密实混凝土层通过加入L型钢筋胶接植筋的方式提高灌浆孔内部补偿收缩混凝土与自密实混凝土基层之间的黏结强度。