混凝土枕螺旋道钉锚固材料应用现状

2021-05-09李世达李保国方杭玮程冠之韩宝剑舒双炉夏思盟

铁道建筑 2021年4期

李世达李保国方杭玮程冠之韩宝剑舒双炉夏思盟

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司乌鲁木齐高铁维修段，乌鲁木齐 830002；3.雄安高速铁路有限公司，河北保定 071700）

我国扣件研发初期，采用木栓联结方式将螺旋道钉固定于轨枕中，但存在联结不牢固、绝缘性能不足、抗拔强度不足等诸多问题。为解决这些问题，我国于1959年开始螺旋道钉硫磺砂浆锚固技术的研究，并获得了铁路技术的重大创新成果［1]。硫磺砂浆锚固解决了道钉锚固技术难题，具有锚固强度高、绝缘性能好、造价低、作业简单、便于更换等优点［2-3]。但锚固作业时须将硫磺砂浆锚固剂加热熔融，锚固剂中所含的化学物质在高温条件下会产生大气污染物，对环境造成影响，且施工现场须有明火，会带来一定的防火安全隐患。近年来，随着我国环保要求日益提高，这种作业方式越来越受到限制。为满足环保要求研究了替代硫磺砂浆锚固剂的多种材料，如水泥砂浆锚固剂、树脂砂浆锚固剂等［4-5]。但由于无相应标准规范，且使用时出现过一些问题，故尚未能大面积推广应用。

针对采用不同锚固剂锚固的典型区段混凝土枕开展现场调研，以确认各类型锚固剂的实际服役状态。本次调研的成果有望为我国新线轨枕铺设与既有线轨枕养护维修方案提供相应依据，并为研发或优化新型锚固材料提供重要参考。

1 线路基本情况

考虑不同的锚固剂类型和服役时间，本次调研选取了京沪（北京—上海）铁路、大秦（大同—秦皇岛）铁路、侯月（侯马—月山）铁路、京九（北京—九龙）铁路、西长（北京西站—长阳线路所）铁路、（北京地铁）房山线（东管头南站—阎村东站）、京原（北京—原平）铁路、沪昆（上海—昆明）铁路和京广（北京—广州）铁路共9条线路。各线路的基本情况见表1。

表1 调研线路基本情况

参照Q/CR 352—2016《混凝土枕螺旋道钉锚固》中采用硫磺砂浆进行锚固的相关要求，除精度外，螺旋道钉锚固还有抗拔力、绝缘性能、疲劳性能等指标要求。其中，锚固后的螺旋道钉抗拔力要求不小于60 kN，且抗拔力试验后螺旋道钉周围无肉眼可见裂纹；锚固后两螺旋道钉间的绝缘电阻值要求不小于1.2×105Ω［6-7]；锚固后螺旋道钉应进行2×106次疲劳试验，要求疲劳试验后螺旋道钉周围无肉眼可见裂纹。本次调研参照Q/CR 352—2016 中规定的方法对道钉抗拔力和道钉间的绝缘电阻进行实地测量。

2 硫磺砂浆锚固

硫磺砂浆锚固是将水泥、硫磺、砂子、石蜡按一定配合比混合加热制得硫磺砂浆，在熔融状态下注入轨枕预留孔中，降温后即可实现螺旋道钉固定。硫磺砂浆锚固有一个独特优势，即当被锚固的螺旋道钉发生损坏时，可通过将硫磺砂浆加热重熔的方式取出道钉重新锚固，而且重熔的硫磺砂浆使用效果不变。但是，硫磺砂浆在140 ～160 ℃高温熬制过程中须使用明火，而且会产生大量酸性气体和有毒烟雾。

2.1 原材料性能及要求

1）水泥应选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。碱含量不应大于0.6%，三氧化硫含量不应大于3.0%。

2）砂子粒径不应大于2 mm，含泥量按质量计不应大于1.5%。不应使用具有碱-碳酸盐反应活性或砂浆棒膨胀率（快速法）大于或等于0.2%的碱-硅酸盐反应活性的砂子。

3）硫磺一般为粉状或块状Ⅱ-Ⅲ级工业用硫磺，含硫量应在95%以上。配制前打成均匀碎块。如受潮，应在配制前干燥。

4）石蜡为一般工业用石蜡，配制前要打成碎块。

5）水泥、硫磺、砂子、石蜡的质量比为1∶2∶3∶0.06或（0.3 ～0.6）∶1∶（1 ～1.5）∶0.03。在满足锚固性能要求的条件下，可根据原材料、环境温度、灌注作业要求等因素对原材料比例进行适当调整。

2.2 锚固工艺及要求

硫磺砂浆锚固工艺参照Q/CR 352—2016 附录A。

2.2.1 锚固作业前准备工作

1）逐根轨枕逐孔检查轨枕预留孔内壁凹坑状况。必要时应进行测量，预留孔有凹坑部分的深度范围应大于螺旋道钉埋深10 mm，单个凹坑深度不宜小于2 mm。

2）应将轨枕预留孔内壁和螺旋道钉表面清理干净并保持干燥，螺旋道钉表面不应黏附泥土等杂物。遇下雨时不宜进行锚固。

3）当气温低于0 ℃时，应适当加热预留孔周围混凝土和螺旋道钉。

2.2.2 锚固剂熔制及锚固作业步骤

1）根据作业量，按配合比和一次熔制量称量各种材料。

2）先将砂子放入锅内，炒拌加热至100 ～120 ℃，再将水泥放入锅内搅拌加热至130 ℃左右，最后将硫磺和石蜡放入锅内，继续文火加热搅拌，直至拌和融熔物中残余水分完全挥发，不再出现气泡，且温度应达到150 ～170 ℃后方可使用。

3）采用能满足螺旋道钉锚固定位精度要求的工装，保证在锚固剂凝固前，螺旋道钉在预留孔内准确定位。

4）灌注锚固剂时，锚固剂表面与承轨面的高差应满足质量要求，当锚固剂灌注量不足时，应补灌。

5）螺旋道钉锚固后，应清除留存在混凝土轨枕承轨面上的硫磺砂浆残渣。

6）按要求涂刷绝缘防锈材料。

2.3 现场应用情况

当前我国绝大部分普速铁路及部分重载铁路的螺旋道钉采用硫磺砂浆锚固的方式，本次选取了客运量较大的普速线路京沪线和货运量较大的重载线路大秦线作为调研线路，如图1所示。

图1 硫磺砂浆锚固剂使用状态示例

2.3.1 京沪线

线路运行列车以普速客车为主，行车密度较大。硫磺砂浆锚固轨枕已使用20年，总体使用状态良好。除部分螺旋道钉由于客车厕所排水原因锈蚀严重外，硫磺砂浆锚固剂未发现开裂、剥落现象。根据现场工务历史资料，该调研区段至今未出现过红光带现象，绝缘性能满足线路要求。现场随机抽取了2根螺旋道钉进行了抗拔力测试，满足抗拔力不小于60 kN 的要求。

2.3.2 大秦线

调研区段位于摩天岭隧道重载线出口方向，曲率半径R=600 m，线路运行列车主要为货车C70和C80，轴重约25 ～27 t。年运量约4.5亿t。硫磺砂浆锚固的轨枕已使用7年，使用状态基本良好。根据现场工务历史资料，大秦线上采用硫磺砂浆锚固剂且不受粉煤灰影响的地段未出现过红光带现象，绝缘性能满足线路要求。现场随机抽取了2根螺旋道钉进行了抗拔力测试，满足抗拔力不小于60 kN的要求。

3 水泥砂浆锚固

水泥砂浆锚固剂具有无污染、施工方便、快凝早强、低收缩、不破坏混凝土微观结构、不会腐蚀道钉表面等优点。使用水泥砂浆锚固剂进行锚固作业时无须加热，可带水作业，固化体耐久性良好，克服了传统硫磺砂浆锚固剂作业时须加热施工、劳动条件差、环境污染严重等缺点，而且其固化体的抗压强度、抗拔力、抗扭转力矩等主要技术指标均优于硫磺砂浆锚固。但水泥砂浆锚固的最大缺点是潮湿环境绝缘电阻相对较低，不易满足Q/CR 352—2016 中1.2×105Ω的潮湿绝缘电阻值要求。由于国内尚无相应的技术标准，导致部分厂家生产的水泥砂浆锚固剂在现场使用过程中出现轨道绝缘性能不足的问题。因此，水泥砂浆锚固剂未能在铁路轨道中大规模推广使用。

3.1 原材料性能及要求

1）早期抗压强度：锚固剂在0 ～10 ℃环境中固化1 h 后的抗压强度应大于30 MPa，在高于20 ℃的环境中固化1 h 后的抗压强度应大于50 MPa，且后期强度不下降，固化28 d后抗压强度应大于60 MPa。

2）抗折强度：标准条件下，锚固剂固化28 d 后的强度应大于12 MPa。

3）原材料中易引起轨枕内钢筋和螺旋道钉发生腐蚀的氯化物、硫磺、硫化物等有害物质的含量应低于相关标准要求。

4）绝缘性能：标准条件下，锚固剂固化2 d 后，组装体绝缘电阻值不小于120 kΩ。

3.2 锚固工艺及要求

1）按配合比要求称量各种原材料。水泥砂浆锚固剂的粉体组分既可与清水混合进行搅拌，也可与配套抗水剂（乳液）进行搅拌。采用清水搅拌时，水灰比为0.14 ～0.16；采用乳液搅拌时，水灰比为0.16。

2）粉体与相应的乳液或清水充分拌和均匀，拌和时间控制在3 min以内，拌和均匀后使用。

3）利用木塞或黏土堵住轨枕预留孔下部，保证木塞或填土上表面距承轨面距离不小于螺旋道钉下部长度。

4）采用能满足螺旋道钉锚固定位精度要求的工装，保证在锚固剂凝固前，螺旋道钉在预留孔内准确定位。

5）灌注锚固剂时，锚固剂表面与承轨面的高差应满足质量要求，当锚固剂灌注量不足时应补灌。

6）螺旋道钉锚固后，应清除留存在混凝土轨枕承轨面上的水泥砂浆残渣。

7）按要求涂刷绝缘防锈材料。

3.3 现场应用情况

在我国环保要求较高的地区，不能采用硫磺砂浆锚固。因此，部分普速铁路的个别区段在换铺轨枕时采用了水泥砂浆锚固剂。本次主要调研了侯月线、京九线、西长线、房山线和京原线中采用水泥砂浆锚固剂的区段，如图2所示。

图2 水泥砂浆锚固剂使用状态示例

3.3.1 侯月线

调研区段为曲率半径R=2000 m 的重载铁路，运行货车主要为C60和C70E，最大轴重约25 t，速度80 km/h。年运量约8000 万t。采用水泥砂浆锚固剂的轨枕铺设长度约800 m（上行线）。全部轨枕的螺旋道钉在线下锚固，锚固时一次排放1200 根轨枕，承轨面上多余的锚固剂未清除，也未涂绝缘防锈涂料。自换枕以来，未出现过抗拔力不足、轨道绝缘电阻不足、螺旋道钉松退等问题，整体使用状态良好。现场测试了4 根螺旋道钉的抗拔力，加载至60 kN 保持3 min 后，螺旋道钉周围未出现裂纹，满足抗拔力要求。

3.3.2 京九线

调研区段为直线路基地段，运行列车以普速客车和P64，P70货车为主，年运量约80 万t。原道钉采用硫磺砂浆锚固剂锚固，2018年4月大修换枕时，K263+200—K263+450区段上下行线路全部更换为采用水泥砂浆锚固剂的新轨枕。全部轨枕在线下锚固，未涂绝缘防锈涂料，锚固完成并放置15 d 后进行线上铺设。螺旋道钉锚固质量较好，扣件整体安装及使用状态良好。但线路绝缘性能不足，一度出现过红光带问题，后来通过提高轨道电压的方式解决轨道信号问题。现场测试了4 根螺旋道钉的抗拔力，加载至60 kN 保持3 min 后，螺旋道钉周围未出现裂纹，满足抗拔力要求。

3.3.3 西长线

调研区段为缓曲线段（接R=800 m圆曲线），运行列车以普速客车和21 t轴重货车为主。由于普速客车厕所直排致使轨道外侧道钉锈蚀严重，工务段2018年6月对K17+000—K32+500 区段上下行线路钢轨外侧的螺旋道钉进行改锚。将旧道钉钻出后，采用水泥砂浆锚固剂锚固新的道钉。改锚作业在线上进行，锚固剂固化24 h 后紧固扣件，未涂绝缘防锈涂料。改锚后整体使用状态良好，未出现过绝缘电阻偏低情况，推测是因为仅更换了钢轨外侧的螺旋道钉，内侧仍然为硫磺砂浆锚固。现场测试了5 根螺旋道钉的抗拔力，其中，4 根满足抗拔力不小于60 kN 的要求，1 根螺旋道钉在加载至30 ～40 kN时被拔出。

3.3.4 京原线

调研区段在南观村隧道内，长度710 m。该线路运行列车以21 t轴重货车为主，速度80 km/h。2018年11月更换采用水泥砂浆锚固剂的宽枕，道钉由丰怀轨枕厂在厂内锚固，锚固状态良好，承轨面无多余锚固剂，未涂绝缘防锈涂料。至今未出现过抗拔力不足、绝缘电阻不足、螺旋道钉松退等问题，整体使用状态良好。现场测试了5根螺旋道钉的抗拔力，加载至60 kN保持3 min后，螺旋道钉周围未出现裂纹，满足抗拔力要求。

3.3.5 房山线

调研区段无轨道电路，运行列车以21 t 轴重货车为主，少量客车。2018年11月换枕大修时采用水泥砂浆锚固剂。如图3 所示，由于锚固时未采用支架固定道钉，而是人工手扶道钉固定，锚固后的螺旋道钉普遍存在歪斜现象，且轨枕承轨面上残留多余的锚固剂，致使一些扣件部件无法安装到位。现场测试了4根螺旋道钉的抗拔力，加载至60 kN 保持3 min 后，螺旋道钉周围未出现裂纹，满足抗拔力要求。

图3 房山线水泥砂浆锚固道钉病害

4 树脂砂浆锚固

树脂砂浆锚固剂具备锚固强度高、操作工艺简单、无污染等优点，还具有良好的潮湿绝缘性能，综合性能较优异，已广泛应用于植筋锚固等领域。但目前在线路上使用的树脂砂浆锚固剂还存在一些不足，如低温凝固时间较长、成本较高等。其存在与水泥砂浆锚固剂类似的问题，即国内尚无相应技术标准，不同厂家生产的树脂砂浆锚固剂性能不一，故尚未大量应用。

4.1 原材料性能及要求

现场采用的树脂砂浆锚固剂，原材料主要包括树脂基料、固化剂和石英砂。

1）抗压强度：标准环境下固化2 h 后抗压强度不小于40 MPa。

2）抗折强度：标准环境下固化2 h 后抗折强度不小于5 MPa。

3）有害物质含量：镉小于75×10-6，铅小于800×10-6，汞等于0，六价铬小于1000×10-6，多溴联苯与多溴二苯醚之和小于500×10-6。

4）耐久性要求：耐酸性介质作用（浓度为5%的H2SO4溶液，（35±2）℃，浸泡30 d），锚固剂与混凝土的正拉黏接强度不小于1.2 MPa 或混凝土破坏；耐碱性（Ca（OH）2饱和溶液，（35±2）℃，浸泡60 d）锚固剂与混凝土的正拉黏接强度不小于1.2 MPa；耐盐水浸泡作用（海水或人造海水，（35±2）℃，浸泡90 d），锚固剂与混凝土的正拉黏接强度不小于1.2 MPa。

4.2 锚固工艺及要求

1）根据施工量需求，按树脂基料：固化剂：石英砂=15∶5∶80的配合比称量各种原材料。

2）将树脂基料、固化剂与石英砂按比例混合均匀。

3）利用木塞或黏土堵住轨枕预留孔下部，保证木塞或填土上表面与承轨面距离不小于螺旋道钉下部长度。

4）采用能满足螺旋道钉锚固定位精度要求的工装，保证在锚固剂凝固前，螺旋道钉在预留孔内准确定位。

5）灌注锚固剂，锚固剂表面与承轨面的高差应满足质量要求，当锚固剂灌注量不足时，应补灌。

6）螺旋道钉锚固后，应清除干净留存在混凝土轨枕承轨面上的锚固砂浆残渣。

7）在25 ℃环境温度下，锚固完成4 h 后可上线使用；温度低于25 ℃时完全固化时间将相应延长。

4.3 现场应用情况

在环保标准和轨道绝缘性能要求均较高的普速线路，个别区段在换铺轨枕时采用了树脂砂浆锚固剂，本次主要调研了沪昆线、京广线、房山线和京沪线采用树脂砂浆锚固剂的区段，如图4所示。

图4 树脂砂浆锚固剂使用状态示例

4.3.1 沪昆线

调研区段曲率半径R=6000 m，超高45 mm，客货共线，客车与货车比例约为60∶51。客车最高速度160 km/h；货车主要为C70，轴重23 t。年运量约6000万t。2012年12月，由于线路道钉锈蚀严重，换铺采用树脂砂浆锚固剂的轨枕，长度约1 km。发现现场道钉根部锚固剂表面有稍微的粉化、脱落等现象，承轨面多余锚固剂未清除。至今未出现过绝缘性能不足和红光带现象。但现场发现有3 根道钉处于失效状态，可轻易取出，推测是由于现场施工时树脂砂浆锚固剂各组分比例配置不当或锚固材料在长时间服役条件下发生老化而造成的［8]。现场测试了3 根螺旋道钉的抗拔力，加载至60 kN 保持3 min后，道钉周围未出现裂纹，满足抗拔力要求。

4.3.2 京广线

调研区段为客货共线，货车轴重21 t。2018年11月大修换枕时采用树脂砂浆锚固剂锚固道钉。现场共换铺约3600 根轨枕。目前整体使用状态良好，未出现过抗拔力不足、绝缘电阻偏低、螺旋道钉松退等问题。测试了3 根螺旋道钉的抗拔力，加载至60 kN 保持3 min后，道钉周围未出现裂纹，满足抗拔力要求。

4.3.3 房山线

调研区段无轨道电路。运行列车以21 t轴重货车为主，少量客车。2018年11月换枕大修时采用水泥砂浆锚固剂。施工进行至12月份时，由于严寒天气下水泥锚固剂施工困难，因此换用树脂砂浆锚固剂。由于锚固时未采用支架固定道钉，而是人工手扶道钉固定，锚固后的螺旋道钉普遍存在歪斜现象，且轨枕承轨面上残留多余的锚固剂，致使一些扣件部件无法安装到位。目前整体使用状态良好，未出现过抗拔力不足和螺旋道钉松退等问题。现场测试了4根螺旋道钉的抗拔力，加载至60 kN 保持3 min 后，道钉周围未出现裂纹，满足抗拔力要求。