无砟轨道支承层混凝土损伤机理分析

杨怀志 刘学文 杨志强

1.京沪高速铁路股份有限公司，北京100038；2.东南大学，南京210089

铁路工程的混凝土结构在高速列车荷载下服役，而且受环境中各种因素的影响。荷载与环境因素的耦合作用导致混凝土耐久性问题十分突出。目前，我国高速铁路整体运营状态良好。但是，在日常巡查过程中发现个别地段无砟轨道支承层混凝土出现了表面剥落粉化等问题［1-2］。铁路工程混凝土出现耐久性问题会严重影响高速列车的安全运行，开展高速铁路混凝土的劣化机理研究十分必要［3-6］。

研究高速铁路无砟轨道支承层混凝土损伤劣化行为，探明支承层混凝土损伤劣化机理，对于预防其他目前仍然正常服役混凝土出现耐久性问题，实现损伤混凝土从“事后修”到“预防修”有重要的现实意义。本文以国内一高速铁路为背景，通过对支承层混凝土现场取样，测试其水化产物的pH值，进行X射线衍射、孔结构及气泡特征参数分析，并结合当地近年来的气象资料，探究支承层混凝土破坏的主要原因。

1 试验方案

一高速铁路运营约10年，整体运行状况良好，个别地段现场支承层混凝土呈现不同的服役状态。有些部位仅是表层剥落而内部混凝土无损伤，极个别部位支承层混凝土出现损伤，而现场大部分支承层混凝土呈现完全健康的服役状态，如图1所示。

图1 一高速铁路支承层混凝土服役现状

1.1 现场钻芯取样

选取现场一处损伤支承层混凝土进行钻芯取样，标记为SS1；在邻近位置另一块轨道板处选取损伤支承层混凝土进行钻芯取样，标记为SS2。在现场邻近位置选取健康支承层混凝土进行取样，标记为JK1。样品直径约10 mm，高约20 mm。

将芯样沿横截面平均切割成4个区段，每个区段厚约5 mm。以健康支承层混凝土芯样JK1为例，由外而内依次标记为JK1-1、JK1-2、JK1-3、JK1-4，其中外侧即与空气接触的一侧。SS1、SS2以此类推。

1.2 试验分析

1.2.1 水化产物pH值测试

从切割后的混凝土样品中切取一部分，去除粗骨料后进一步破碎，过200目筛获得水化产物粉体。将粉体样品置于40℃烘箱中烘干至恒重。准确称取1.0 g烘干后的样品，置于150 mL塑料瓶中，加入50 mL去离子水，密封后摇晃均匀，在20℃环境中静置2 d。测试前，将混合溶液摇晃，静置片刻后取上层清液，使用pHS-3C型酸度计测试清液pH值。

1.2.2 X射线衍射分析

进行X射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）分析时，采用的试验样品为过200目筛并烘干至恒重的粉末样品。试验仪器为德国Bruker 08 Advance X射线衍射仪，X射线扫描角度2θ=5°～70°，扫描速度4.0°/min。

1.2.3 孔结构分析

采用压汞法（Mercury Intrusion Porosimetry，MIP）进行孔结构分析。压汞试验的原理是把多孔材料内部连通孔中的气体抽出，然后在外压作用下使汞填充孔隙。压入材料中的汞量与孔径的大小及分布情况有关，孔越小，所需压力越大。

从切割后的混凝土样品中切取一部分，去除粗骨料，获得直径约2 mm的砂浆颗粒。采用PoreMaster GT 60压汞仪进行测试。该仪器包括低压和高压站口各2个，低压为1.5～350 kPa，高压为140～420 MPa，可测量直径在0.003 5～400μm内变化的孔容。

1.2.4 硬化混凝土气泡特征参数

参照ASTM C457Standard Tes t Met hod f or Microscopi cal Determi nati on o f Par ameter s of th e Ai r-Voi d System i n Har dened Concrete（《显微镜测定硬化混凝土气孔参数试验方法》），采用高清摄像头自动扫描系统与图像分析软件二合一的全自动仪，分析混凝土芯样的气孔特征参数。本试验采用MIC-840-01型硬化混凝土气孔结构分析仪。

将切割后的支承层混凝土芯样磨片、抛光、刷黑、涂白后，置于硬化混凝土气泡特征参数测定仪下，采用直线导线法进行分析测试。

2 试验结果及分析

2.1 水化产物p H值

混凝土发生碳化反应时，空气中的CO2与水化产物Ca（OH）2发生化学反应生成CaCO3，水化产物pH值降低。芯样JK1、SS1、SS2的水化产物pH值结果见图2。作为对比，测试了本实验室近期成型的C30混凝土水化产物pH值，结果为11.4。由图2可知：①健康支承层混凝土芯样JK1的水化产物pH值在11.1～11.3，且由外侧至内侧pH值变化不大。②有损芯样SS1的水化产物pH值在10.7～11.3，略低于邻近位置健康服役状态的混凝土芯样，且由外侧至内侧pH值随深度增加而逐渐增大，表明此处混凝土符合碳化侵蚀损伤特征。③对于有损芯样SS2，其内侧混凝土的水化产物pH值大于外侧，也显示了碳化侵蚀损伤特征。

图2 水化产物芯样pH值

图4 有损支承层混凝土芯样SS1的XRD图谱

2.2 XRD分析

芯样JK1、SS1、SS2的水化产物XRD测试结果见图3—图5。可知：①芯样JK1和SS1均出现了钙矾石和石膏的衍射峰，且氢氧化钙的衍射峰强度很低，碳酸钙衍射峰强度很高，表明这两组样品均经历了充分的碳化过程。②对于芯样SS2，外侧混凝土（SS2-1、SS2-2）中氢氧化钙的衍射峰强度低于内侧混凝土（SS2-3、SS2-4），表明外侧混凝土受到了一定程度的碳化侵蚀，而内侧混凝土受碳化侵蚀较少。③3组样品水化产物中均未出现明显的硫酸盐侵蚀特征产物，可排除硫酸盐侵蚀导致的混凝土损伤。

图3 健康支承层混凝土芯样JK1的XRD图谱

图5 有损支承层混凝土芯样SS2的XRD图谱

2.3 MIP孔结构分析

芯样JK1和SS1不同区段的平均孔径及孔隙率见表1。

表1 混凝土芯样平均孔径和孔隙率

由表1可知：①支承层混凝土平均孔径在75.4～134.0 nm，孔隙率大于28%，表明此支承层混凝土内部密实程度较低。②对于健康支承层混凝土，与外侧的JK1-1相比，位于内侧的JK1-3平均孔径降低了13.6%，孔隙率相对降低16.3%；对于有损支承层混凝土，与外侧的SS1-1相比，位于内侧的SS1-3平均孔径降低了43.7%，孔隙率相对降低17.8%。这表明在超过10年的列车动荷载和环境因素耦合作用下，部分支承层混凝土孔结构已发生破坏，混凝土宏观表现出损伤状态。

2.4 混凝土气泡特征参数

芯样JK1、SS1、SS2的气泡特征参数见表2。可知：健康混凝土芯样JK1含气量较高，气泡间距系数较小，而有损混凝土芯样SS1、SS2含气量较低，气泡间距系数较大。研究表明，普通混凝土抗冻性主要与其抗压强度和气泡间距系数相关［2，7-9］。损伤支承层混凝土气泡间距系数较大而健康混凝土气泡间距系数较小，说明冻融循环作用可能是导致支承层混凝土发生破坏的主要原因。

表2 支承层混凝土气泡特征参数

3 气象资料调研

为研究冻融循环作用对支承层混凝土造成的损伤，对该高速铁路建成前后当地近20年主要气象资料进行了调研。

3.1 冬季负温天数

1999—2018年冬季日最低气温为负的天数统计结果见图6。可知，高速铁路建成前（1999—2008年）年均负温天数为34.3 d，建成后（2009—2018年）年均负温天数为50.0 d，增加了45.8%。高速铁路建成后，由于暴雪等极端天气频发，冬季负温天数明显增加，无砟轨道混凝土冻融损伤风险增加，加速了支承层混凝土的损伤劣化。

图6 1999—2018年冬季负温天数

3.2 负温天气降水量

1999—2018年冬季负温天气降水量统计结果见图7。可知，高速铁路建成前年均负温天气降水量为24.0 mm，建成后为32.1 mm，增加了34.0%。特别地，2017年冬季负温天气降水量达到77.2 mm，远高于平均水平，大大增加了无砟轨道混凝土冻融损伤破坏。

图7 1999—2018年冬季负温天气降水量

3.3 降雪天数

1999—2018年的年降雪天数见图8。可知，高速铁路建成前年均降雪天数为9.5 d，建成后为9.0 d，与建成前相比减少了0.5 d。但是，2018年冬季降雪天数为16 d，远超平均水平。降雪天数的增加，也增加了无砟轨道混凝土冻融损伤的风险。

图8 1999—2018年冬季降雪天数

4 结论及建议

混凝土材料耐久性损伤主要有碳化侵蚀、氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应、冻融损伤等，基于现场取得的混凝土芯样试验分析结果及混凝土耐久性破坏机理与特征，可排除化学侵蚀引起的支承层混凝土耐久性损伤。考虑到在高速铁路建成前后，冬季负温天数及负温天气降水量的急剧增加，混凝土强度本身波动较大，判断冻融循环引起的混凝土损伤是混凝土损伤劣化的主要原因。

针对不同损伤程度的混凝土，建议采取不同的整治措施。对于表层轻微损伤混凝土，建议采取表层修补的方法进行加固，以延缓混凝土的进一步损伤，并应时刻注意其损伤发展。对于中等损伤程度的混凝土，建议采取修补砂浆加固的方式进行强化，以保证混凝土服役性能。对于损伤较为严重的混凝土，建议采取整体置换的方式，采用新的混凝土进行完全替换。在新配制的混凝土中，建议提升其强度等级，适当增加混凝土含气量并保证混凝土施工质量，提升混凝土抗冻性能，从而保障高速铁路的安全运营。