无砟轨道层间离缝浸水条件下湿度影响范围分析

刘佳，杨荣山，胡猛，张建清，吴梦瑶



无砟轨道层间离缝浸水条件下湿度影响范围分析

刘佳，杨荣山，胡猛，张建清，吴梦瑶

(西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

针对水致材料软化对无砟轨道的水致损伤，总结无砟轨道水致材料软化病害的现象及危害，以路基上CRTSⅠ型双块式无砟轨道为例，借助ANSYS热分析模块建立CRTSⅠ型双块式无砟轨道湿度场分布模型。研究结果表明：离缝内部浸水导致浸水边界附近的湿度差急剧增加，位于浸水边界越近的位置，其湿度差的变化梯度越明显，且最终趋于稳定。裂缝浸水后，其横向湿度影响范围约为0.1 m，竖向影响范围约为0.15 m。在开口量不变的条件下，离缝越深，对结构内部湿度的影响也越明显。建议无砟轨道设计时考虑水致材料软化的影响，做好排水设计，确保轨道结构的耐久性。

双块式无砟轨道；离缝；水致材料软化；湿度差；湿度影响范围

无砟轨道由于其良好的稳定性、平顺性以及少维修的优点，在我国高速铁路得到广泛应用[1]；随着无砟轨道的大范围运营，在服役过程中出现了各种病害，其中就包括水致病害，而诱发水致病害的先决条件就是轨道结构材料的遇水软化。根据试验结果，很多学者提出了孔隙水压力作用下混凝土的宏观力学性能和本构关系的计算模型[2−3]。Kim等[4]探讨了混凝土干缩梯度对材料性质的影响。Parrott[5]通过试验分析了混凝土结构表层与里层的干湿差异。GUANG[6]通过试验研究了混凝土强度和含水量之间的关系。邓友生等[7]通过混凝土浸水试验，得到了含水率随浸水时间延长而增加。徐浩等[8−9]研究了水浸泡历时与应变速率对CA砂浆抗压强度、弹性模量、峰值应变以及应力−应变曲线等动态特性的影响。曾晓辉等[10]研究了CA砂浆的动态力学性能，认为沥青膜浸水软化，其强度最大降低幅度可达46.31%。由此可见，对于混凝土和CA砂浆在材料浸水软化方面的研究是比较完善的。但是，这些研究还都停留在宏观的材料性能对比上，有关积水作用下轨道结构内部湿度场的分布以及材料内外层次间性能差异的细观分析还鲜有研究。本文总结无砟轨道水致病害现状，建立CRTSⅠ型双块式轨道湿度场分布模型，分析离缝浸水条件下的湿度影响范围，可为后续无砟轨道水致软化问题的研究提供重要的理论基础。

1 无砟轨道水致病害类型

水致损伤将危害轨道结构性能，增加高速铁路无砟轨道养护维修的工作量。常见的无砟轨道水致病害情况如下。

1.1 道床板(或轨道板)积水

CRTSⅡ型板式无砟轨道、CRTSⅠ型双块式无砟轨道、CRTSⅡ型双块式无砟轨道等均有道床板积水的情况出现。由于道床板裂纹以及轨枕与道床板间裂缝的存在，道床板(或轨道板)顶面积水将通过裂缝浸入道床板内部，影响轨道材料的力学性能，同时道床板内部的钢筋在水的长期锈蚀下也将逐渐失去作用，这将使道床板的稳定性以及耐久性大幅降低。

1.2 轨枕处脱空

轨枕处脱空是双块式无砟轨道常见的损害类型。它主要表现为在轨枕四周新旧混凝土结合面处产生混凝土碎裂、掉块的现象。

轨枕处脱空将导致结构整体性下降，加速道床板的破坏。轨枕处产生松动、空吊的现象，进而影响行车平稳和运行安全。

1.3 层间离缝冒浆

层间离缝冒浆主要包括调整层与混凝土层间离缝冒浆以及混凝土层之间离缝冒浆[11]。CA砂浆层离缝冒浆主要发生在CRTSⅠ型板式和CRTSⅡ型板式无砟轨道中；道床板与支承层间离缝冒浆发生在CRTSⅠ型双块式和CRTSⅡ型双块式无砟轨道中。层间离缝冒浆会使轨道结构的完整性遭到破坏，导致轨道结构产生高低不平顺，使行车平稳性和安全性降低。

由以上病害可见，无砟轨道在富水环境下，其材料容易软化，各部件的界面连接性能退化，结构的整体性遭到破坏，伤损很容易进一步发展。为研究无砟轨道软化机理，有必要对其在富水环境下的湿度场分布开展研究。

2 无砟轨道湿度场分布

2.1 湿扩散方程的建立

本文根据Fick湿度扩散定律对混凝土内部湿度场变化规律进行描述，依据傅里叶热传导方程描述其温度场的变化规律，并对比两者的边界条件，从而建立起湿度场理论模型。

用(,,,)表示时刻多孔物体在点(,,)处的相对湿度，设物体中任意闭合区域Ω的边界为C，当闭曲面内的相对湿度从(,,,1)变化到(,,,2)时，其水分的变化量为

考虑到材料自干燥时水分会有一定程度的消耗，故设(,,,)为自干燥损失函数，用于表示湿度损失速率，即单位时间单位体积内消耗的水分与孔隙体积的比值，则1至2时段内Ω内部由材料自干燥作用而引起的湿度变化为

式中的负号是因为2以水分增加为正，而则以水分损失为正。

任意微小体积内的湿度平衡关系明确后，即可建立控制方程。d时间内水分经法线方向在面积d的传递量为d3，其与通过的面积dS，时间间隔d及湿度沿法线的方向导数正相关且成比 例[12]，即

1至2时段内经该封闭曲面扩散的水分总量为

由质量守恒定律可知，1，2和3之间存在1=2+3的关系：

或

其中：(,,,) =−(,,,)，为水分自耗函数。

湿度场的边界条件同样包括3类：

1) 材料表面湿度为时间的已知函数(,,,)，即：

湿度变化量是已知函数()，即：

2) 材料表面湿度与周围环境湿度的水分交换系数已知，则：

式中：m为材料表面的湿度；H为周围大气的湿度；为水分交换系数。

经分析，湿扩散方程与热传导方程之间存在着相同的结构形式，二者差异对比分析如表1所示。

表1 热传导与湿扩散方程对比分析表

经对比可发现，温度与湿度、换热系数与水分交换系数、导温系数与湿度扩散系数以及绝热升温函数与自干燥损失函数均两两对应。鉴于湿度场与温度场之间的相似度很高，两者的基本物理量也分别对应并且目前热分析计算方法已经较为成熟。因此，将湿扩散控制方程中的基本物理量和参数转化为热传导控制方程的相应物理量和参数后，混凝土结构物的湿度场问题就可以类比温度场的分析方法进行处理。

2.2 计算模型及参数

为研究无砟轨道内部的湿度影响范围，对轨道结构进行适当的简化，选取路基上CRTSⅠ型双块式轨道带层间离缝不含轨枕的断面进行分析。取道床板与支承层相交面为轴，向右为正，以不含离缝时的断面对称轴线为轴，向上为正。为表述方便，下文中将双块式无砟轨道道床板与支承层交界处的位置称为第1台阶，将支承层与基础交界的位置称为第2台阶。暂不考虑道床板内钢筋，将第1，第2台阶层间离缝位置均设在右端，轨道各部分尺寸如图1所示。

由于CRTSⅠ型双块式无砟轨道采用现场浇筑的施工方法，因此设置轨道结构的初始湿度为100%，道床板顶部及轨道侧面始终暴露在湿度为65%的大气环境中，设置第1台阶离缝深度为0.45 m，开口量为0.02 m，第2台阶离缝深度为0.8 m，开口量为0.02 m。设底部基础的湿度环境较好，支承层底面湿度为70%。道床板为C40混凝土，支承层为C20混凝土，层间进行黏接，固定支承层底边。在计算分析时，湿度与温度相对应，湿度扩散系数与导温系数相对应，水分交换系数与换热系数相对应，自干燥损失函数与绝热升温函数相对应。

单位：mm

为研究不同浸水位置对湿度场分布的影响，本文考虑了3种工况，如表2所示。

表2 湿度场分布计算工况

2.3 无砟轨道湿度差时变规律

为简化计算，将第1，第2台阶层间离缝位置均设在右端，与黏结紧密无层间离缝的左端形成对比，进而得到离缝的存在对轨道结构内部湿度场分布的影响，本文以右侧某台阶浸水后各处的湿度值与同等工况下左侧不浸水时相应位置的湿度值的差值定义为湿度差。各工况计算点选取如表2所示，为表达更为直观形象，作计算点分布图如图2所示。其中混凝土养护28 d，养护结束后放置60 d，自干燥作用基本完成，各点于第89 d开始浸水，浸水时间均为90 d。

单位：mm

表2 各工况计算点坐标

经过计算，工况1，2和3的湿度差时程分布曲线分别如图3，图4和图5所示，横坐标是时间，d，纵坐标是湿度差，%，其中图例中数值代表各工况计算点的纵坐标。

图3 工况1湿度差时程分布曲线

图4 工况2湿度差时程分布曲线

图5 工况3湿度差时程分布曲线

2.4 无砟轨道湿度影响范围

计算出浸水90 d后结构左右两侧相同位置处的湿度值进行对比，当湿度差大于或等于5%时，认为浸水作用在此位置上是有影响的，反之则没有。将湿度差≥5%的点绘出，这些点所构成的区域即为无砟轨道长期浸水的湿度影响范围。经过计算，3种工况下双块式无砟轨道浸水90 d后的湿度影响范围分别如图6~8所示。

分析图6~8可知，3种工况下浸水裂缝对轨道结构的横向影响范围均约为0.1 m，竖向影响范围均约为0.15 m。其中工况3中由于第1台阶和第2台阶裂缝同时浸水，使两裂缝中间区域的湿度差产生一定程度的叠加，但浸水作用对远离边界的内部几乎没有影响。由此可见，竖向的湿度影响范围要比横向更广，这是由于离缝深度要远大于开口量，形成了更有影响作用的稳定湿边，且竖向距干燥边界更近，促进了水分的转移。

图6 工况1湿度影响范围

图7 工况2湿度影响范围

图8 工况3湿度影响范围

将图6和图7进行对比，第2台阶裂缝浸水使结构内部产生的最大湿度差为29.1%，而第1台阶裂缝浸水使结构内部产生的最大湿度差为19.9%，可以看出，第2台阶浸水对材料的软化作用明显大于第1台阶浸水，这是由于第2台阶裂缝的深度明显大于第1台阶，由此可见离缝深度越深，浸水边界越长，水分的渗透范围也越广，且随着时间的延续影响会越来越明显。

当无砟轨道层间存在滞留水时，轨道结构内将形成动态平衡系统，包括：层间浸水面的毛细吸水、外表面与大气水分交换以及内部水分自高湿度向低湿度扩散以及水化自干燥等多种作用。

从细观角度进行分析，在一定的湿度条件下，混凝土中的自由水将减弱水泥石中胶凝体颗粒间的范德华力，使混凝土强度有所降低[16]。自由水破坏了混凝土的内部连接，导致湿态混凝土结构内孔隙率增加，破坏了结构的完整性，此时若轨道结构受到振荡水流的动力作用，水害将会进一步发展，最终促使劈裂和冲刷破坏的形成[17−19]。

3 结论

1) 层间离缝浸水对离缝区域附近的湿度场产生影响，但对远离裂缝的区域影响不大。距离浸水边界越近，湿度梯度越大，但随时间的延长湿度最终趋于稳定。

2) 浸水裂缝对结构竖向湿度的影响范围比横向大，随着离缝深度的增加，水分的渗透范围也越广，影响也会越来越明显。

3) 积水致材料劣化是水致病害的先导原因和发生基础，水的侵蚀会大大缩短无砟轨道寿命。建议无砟轨道做好排水设计。此外，在运营过程中如果发现水害现象，应及时修复。

[1] 杨荣山. 轨道工程[M]. 北京: 人民交通出版社, 2013. YANG Rongshan. Track engineering[M]. Beijing: People’s Communications Press, 2013.

[2] Shinmura A, Saouma V. Fluid fracture interaction in pressurized reinforced concrete vessels[J]. Materials and Structures, 1997, 30(196): 72−80.

[3] 彭刚, 王乾峰, 梁春华. 有压孔隙水环境中的混凝土动态抗压性能研究[J]. 土木工程学报, 2015, 48(1): 11−18. PENG Gang, WANG Qianfeng, LIANG Chunhua. Study on dynamic compressive properties of concrete under pore water pressure environment[J]. China Civil Engineering Journal, 2015, 48(1): 11−18.

[4] Kim J K, Lee C S. Prediction of differential drying shrinkage in concrete[J]. Cement and Concrete Research, 1998, 28(7): 985−994.

[5] Parrott L. Moisture profiles in drying concrete[J]. Advances in Cement Research, 1988, 1(3): 164−170.

[6] GUANG Li. The effect of moisture content on the tensile strength properties of concrete[D]. Florida: University of Florida, 2004.

[7] 邓友生, 王欢, 吕泳, 等. 含水率对湿态混凝土抗压性能影响[J]. 混凝土, 2017(7): 66−69. DENG Yousheng, WANG Huan, LÜ Yong, et al. Effect of moisture content on the compressive properties of wet concrete[J]. Concrete, 2017(7): 66−69.

[8] 徐浩, 王平, 孙宏友, 等. 不同浸水历时水泥乳化沥青砂浆动态受压试验[J]. 建筑材料学报, 2015, 18(10): 861−866. XU Hao, WANG Ping, SUN Hongyou, et al. Experiment of dynamic compressive behaviors of cement asphalt mortar under different water immersion duration[J]. Journal of Building Materials, 2015, 18(10): 861−866.

[9] WANG P, XU H, CHEN R. Effect of cement asphalt mortar debonding on dynamic properties of CRTS Ⅱslab ballastless track[J]. Advances in Materials Science and Engineering, 2014(2): 1−8.

[10] 曾晓辉, 邓德华, 谢友均. CRTS I 型水泥乳化沥青砂浆的毛细吸水特性[J]. 西南交通大学学报, 2011, 46(2): 211−216. ZENG Xiaohui, DENG Dehua, XIE Youjun. Capillary water absorption behavior of CA morta[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2011, 46(2): 211−216.

[11] 吴梦瑶, 曹世豪, 郭成满, 等. 高速铁路无砟轨道水致伤损现状及模型分析[J]. 铁道建筑, 2017, 57(9): 132−135. WU Mengyao, CAO Shihao, GUO Chengman, et al. Present state and simulation analysis of water-induced ballastless track damage on high speed railway[J]. Railway Engineering, 2017, 57(9): 132−135.

[12] 李鑫鑫. 孔隙水对混凝土静力特性的影响研究[D]. 重庆: 重庆交通大学, 2014. LI Xinxin. Pore water influence to static mechanical properties of concrete[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University, 2014.

[13] 谷超豪, 李大潜, 陈恕行, 等. 数学物理方程[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002. GU Chaohao, LI Daqian, CHEN Shuxing, et al. Mathematical physics equation[M]. Beijing: Higher Education Press, 2002.

[14] 王永宝, 贾毅, 赵人达. 基于ANSYS的混凝土内湿度场计算方法[J]. 西南交通大学学报, 2017, 52(1): 54−60. WANG Yongbao, JIA Yi, ZHAO Renda. Calculation of internal humidity field of concrete based on ANSYS[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2017, 52(1): 54−60.

[15] 王建, 戴会超, 顾冲时. 混凝土湿度运移数值计算综述[J]. 水力发电学报, 2005, 24(2): 85−89. WANG Jian, DAI Huichao, GU Chongshi. Summary on numerical calculation of moisture transfer in concrete[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2005, 24(2): 85− 89.

[16] 闫东明, 林皋, 刘钧玉, 等. 带初始伤损混凝土的动态抗压性能研究[J]. 大连理工大学学报, 2006, 46(5): 707−711. YAN Dongming, LIN Gao, LIU Junyu, et al. A study on the dynamic compressive behavior of pre-damaged concrete[J]. Journal of Dalian University of Technology, 2006, 46(5): 707−711.

[17] 徐桂弘. 列车荷载下无砟轨道含水裂纹受力特性及影响研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2014. XU Guihong. Crack water characteristics of non-ballasted track under trainload action[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2014.

[18] 杨荣山, 曹世豪, 谢露, 等. 列车荷载与水耦合作用下的无砟轨道水力劈裂机理分析[J]. 铁道学报, 2017, 39(6): 95−103. YANG Rongshan, CAO Shihao, XIE Lu, et al. Hydraulic fracturing mechanism of slab track under coupling effect of train load and water[J]. Journal of the China Railway Society, 2017, 39(6): 95−103.

[19] 曹世豪, 杨荣山, 刘学毅, 等. 无砟轨道层间裂纹内动水压力特性分析[J]. 西南交通大学学报, 2016, 51(1): 36−42. CAO Shihao, YANG Rongshan, LIU Xueyi, et al. Analysis of water pressure in ballastless track crack[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2016, 51(1): 36−42.

(编辑 蒋学东)

Analysis of humidity influence range under immersion between interlayer seams in a ballastless track

LIU Jia, YANG Rongshan, HU Meng, ZHANG Jianqing, WU Mengyao

(MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The deterioration of material caused by accumulated water is the leading cause and foundation of water-induced damage in ballastless tracks. This article summarized the appearance characteristics and hazards of the material softening diseases caused by water in ballastless track. Taking the CRTSI double-block ballastless track on the roadbed as an example, the humidity distribution model of the CRTSI double-block ballastless track was established and analyzed with ANSYS thermal analysis module. The results show that the water immersion in the interior of the crack leads to a sharp increase in the humidity difference near the immersed water boundary. The closer to the immersed water boundary, the more pronounced the change gradient of the humidity difference, and finally tends to be stable. Under the condition that the opening amount is constant, the deeper the crack, the more obvious the effect on the humidity of the structure. It is suggested that considering the water can lead to softening of the material in the design of ballastless track and good drainage design to ensure the durability of the track structure.

double-block ballastless track; seams; material softening caused by water; humidity difference; humidity influence range

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.05.001

U213.244

A

1672 − 7029(2019)05 − 1113 − 07

2018−06−02

国家自然科学基金资助项目(5177081383)

杨荣山(1975−)，男，河北容城人，教授，博士，从事高速重载轨道结构与轨道系统动力学研究；E−mail：120637647@qq.com