基于道床板温度裂缝的治理探究

孙拴虎　李瑣　张新蕾　符惠萍　张悦　韩小龙

摘要：通过实地调研某客运专线道床板裂缝病害，详述了该结构裂缝病害主要是由于低温收缩导致的温度裂缝，并基于温度应力计算公式，提出可从控制材料线膨胀系数及温度变化值等措施避免温度裂缝的产生。列举了常用的裂缝修补方式和裂缝修补材料，并根据裂缝修补等级确定出该实际工程的裂缝修补方式为灌浆法，可将 CD-1型地聚合物注浆材料作为一种新型板式混凝土结构裂缝修补材料运用于实际工程中。待裂缝修补完成后，按照相关技术方案抽样选取道床板裂缝试点进行钻芯，并对其灌浆深度、抗压强度等指标进行检测评估，结果表明各项指标均能满足相关规定要求，其裂缝修补质量良好。

关键词：铁道工程；道床板；混凝土；裂缝修补等级

中图分类号：TU528                            文献标志码：A

0引言

我国地域广大，混凝土建筑物或构筑物在使用期间会遇到各种不同类型的暴露环境，不同地区气候及环境特点差异明显，混凝土结构所处的服役环境和气候类型是影响混凝土耐久性能最直接的因素[1-2]。在混凝土结构中，梁的裂缝病害可能降低构件的承载力，造成材料浪费[2]。板的裂缝病害可能造成板的贯穿裂缝，影响其抗渗等耐久性[3]。此外，在水利建筑中，混凝土裂缝病害可能直接造成渗漏，影响其抗冻性能并破坏结构[4]。虽说混凝土结构均是带裂缝工作的，但裂缝的存在势必影响其安全性能及耐久性能，并且缩短了结构的使用寿命。尤其在干旱、大风、温湿交替频繁以及昼夜温差大的西北地区服役的体表比相对较小的道床板钢筋混凝土结构，裂缝的存在不仅影响铁路道床板的外观质量，而且会危害轨道结构的力学性能及耐久性能，并将进一步危及到铁路运营安全[5]。

铁路道床板服役性能与服役环境密切相关，面对西北地区各种复杂地质条件和环境因素，暴露在大气环境下的混凝土结构持续进行着热量传输和湿度传输。如若道床板所处环境的温湿度低于混凝土内部温湿度时，混凝土中含有的热量和水分将会向外界扩散，引起道床板产生干缩反应；如若混凝土的温湿度低于所在的环境时，混凝土则会从外界环境吸收部分水分和热量，使内部湿度和温度上升，最终导致混凝土膨胀[6-8]。不论是干缩还是膨胀，都将引起混凝土内部产生特征应变，从而产生一定应力，一旦该应力积累到一定程度超过混凝土材料的抗拉强度时，结构将不可避免地产生开裂。此外，混凝土内部温湿环境的变化也会直接影响氯离子的传输和混凝土的碳化速度等。根据国内外调查资料显示，实际工程中混凝土结构80%的裂缝都是由温度、湿度及不均匀沉降等变形作用引起的，而温湿度变化是引起裂缝产生占比最多的因素[9-12]。

1道床板裂缝调研情况

西北某客运专线双块式无砟轨道在运营前期产生了裂缝病害，实际调研中发现，整体道床两侧裂缝基本沿轨枕端部两个棱角处形成贯通裂缝，长度基本为30 cm 左右，有的在轨枕端部中间部位也会形成一条贯通裂缝；整体道床中间部位裂缝基本沿两侧轨枕端部相对棱角處形成贯通裂缝，长度基本为60 cm 左右，裂缝观测如图1～图3所示，观测数据见表1所列。

2裂缝成因分析

调查研究表明，该道床板混凝土出现裂缝是在建设初期，故荷载裂缝产生的概率极低，可予以排除。施工是在冬期环境气温过低的情况下，且施工前未与设计单位和搅拌站就低温环境下大体积混凝土搅拌进行沟通和协商，没有采取相关低温处理措施。使道床板混凝土出现了大量的低温收缩温度裂缝和混凝土凝结收缩裂缝。外加冬季混凝土浇筑后养护条件差，没有及时补水养护并控制养护温度，导致道床板产生开裂现象的概率增大。

铁路道床板表面温度的变化势必影响结构内部的温度变化，进而改变温度场的分布。轨道结构表面温度的影响因素很多，除了结构本身材料的热传导特性外，气象因素对轨道结构表面温度也有很大的影响。在众多气象影响因素中，气温、太阳辐射及风速对轨道结构温度的影响最大。针对道床板温度场与温度应力而言，风速、太阳辐射、气温、气压、风压、风向、湿度及降雨量等是其常见的影响因素，此外气温随季节的变化也会影响道床板自身的温度变化[13-14]。

戚彦福等人[15]根据足尺模型试验研究推出该地区道床板混凝土温度应力的计算公式如式（1）所示：

式中，τ为龄期，α为混凝土线膨胀系数，ΔT 为温度变化值。一旦温度变化引起的温度应力与其他约束产生的内部拉应力耦合超过混凝土材料的抗拉强度，结构将不可避免地产生开裂病害。为此可以从控制材料线膨胀系数及温度变化值等方面避免温度裂缝的产生。

混凝土结构带裂缝工作虽已成为常态化，该道床板混凝土裂缝也不会造成构筑物构造安全性事故的发生，但裂缝的存在势必导致钢筋锈蚀的介质侵入使道床板混凝土产生锈胀开裂，进一步威胁到道床板混凝土结构的工作性能、适用性能和耐久性能。为了延长结构实际使用寿命，完善结构的使用功能，并提高道床板的防水、防渗能力，需对道床板混凝土裂缝进行适宜的修补治理。

3裂缝治理措施

3.1修补方式

现阶段混凝土裂缝修复方法可以大致分为六类，分别有混凝土自修复法、填充和灌浆法、电化学沉积法、结构加固法、表面修补法、混凝土置换法。其中混凝土自修复技术需要一定的介质条件，比如在水环境中或者在足够的湿度条件下来完成；电化学沉积法则主要用于海洋环境条件下的混凝土裂缝修补；结构加固法和混凝土置换法都是应用于结构发生严重损坏和材料失效的情形之下。

考虑到该道床板存在裂缝数量较多，部分裂缝宽度相对较大，且存在贯穿裂缝，该工程中采用裂缝修补等级对道床板混凝土裂缝进行了评定，并给出了各等级对应的修补方式，见表2所列。裂缝处理完成后需在表面粘贴一层碳纤维布以封闭其表面。

3.2修补材料

现阶段有关混凝土裂缝的修补材料包括无机修复材料、有机修复材料以及无机和有机复合修复材料3种，其各自优缺点见表3所列。

在道床板混凝土裂缝修补前期，对各类注浆材料性能和使用条件对比分析，并进行了相应试验，最终选取新研发的 CD-1型地聚合物注浆料作为道床板裂缝主要修补材料展开相关修补工作。

CD-1型地聚合物注浆材料是与陶瓷性能相类似的新型高性能胶凝材料，由 A 和 B 两种组分合成，其结石体通常为深墨绿色，且层间粘结力强。鉴于此，试验选用 CD-1型地聚合物注浆料、硅酸盐快硬水泥、细沙（最大粒径0.2 mm）、水、碱激发剂和减水剂等原材料配置一种具有超高流态自流平、渗透性好、粘结强度高、抗离析、耐久性优异的灌浆材料，将其作为板式混凝土裂缝修补的新型材料，并对其各方面性能进行了试验研究。研究结果表明：该材料初凝时间≥10 min ，终凝时间≤240 min ，不沁水、不收缩，抗水冲刷能力强，能够满足板式混凝土结构裂缝修补的实际要求，因此可将其作为一种新型板式混凝土结构裂缝修补材料运用于工程中。

3.3修补工艺

按照裂缝修补等级对前期实测裂缝数据进行处理分析，得出该工程大多数裂缝修补等级可评定为 II 级，为此选用与之相对应的灌浆法对裂缝病害进行修补处理。修补过程中，无论采用哪种修补材料，其浆体的搅拌工艺都至关重要，直接影响着修补材料的工作性和流变性能。以新型板式混凝土结构裂缝修补材料为例，为了确保其能充分分散达到最大流动度，经试验确定出了其最佳搅拌工艺：首先在搅拌机里将细沙、水泥和粉煤灰干搅拌2 min 左右，再加入地聚合物 A 组分和2/3的水，稳定后慢速搅拌2 min，接着加入地聚合物 B 组分搅拌1 min，然后将其倒入压浆料搅拌机并加入剩余的水进行搅拌，时间为3min。

灌浆法修补混凝土裂缝过程中按照以下工序进行：清缝除尘处理→标注底座位置（间距30～40 cm）→固定底座（底座中心与裂缝对准）→裂缝表面切实密封（形成密封带）→压气试验（0.2～0.4 MPa）→在底座上固定注射筒→灌胶（压力为0.06～0.08 MPa，及时更换注射筒并保证持续压力）→容器清洗，除去残胶→拆除注射筒和底座→裂缝表面打磨处理。

裂缝修补完成后，按照相关技术方案抽样选取道床板裂缝试点进行钻芯，并对其灌浆深度、抗压强度等指标进行检测评估，结果表明各项指标均能满足相关规定要求，其裂缝修补质量良好。

4结论

（1）通过实地调研某道床板裂缝病害分析得出，该工程产生的裂缝主要是低温收缩温度裂缝和混凝土凝结收缩裂缝，不会造成结构安全性事故的发生。因其裂缝宽度大多为0.2～0.5 mm，根据裂缝修补等级采用灌浆法对其进行了裂缝修补治理。后期采用钻芯法检测了裂缝修补质量，结果表明该板式混凝土结构裂缝修补效果良好，能够满足工程要求。

（2）通过对比分析现阶段混凝土裂缝修复方法和修补材料的各自优点和使用范围，按照裂缝修补等级确定其相应等级的裂缝修补措施和具体修补工艺。并提出可将CD-1型地聚合物注浆材料作为一种新型板式混凝土结构裂缝修补材料运用于实际工程中。

（3）修补浆体最佳的搅拌工艺如下：首先在攪拌机里将细沙、水泥和粉煤灰干搅拌2 min左右，再加入地聚合物A组分和2/3的水，稳定后慢速搅拌2 min，接着加入地聚合物B组分搅拌1 min，然后将其倒入压浆料搅拌机并加入剩余的水进行搅拌，时间为3 min。

参考文献：

[1] 孙拴虎，唐先习，何勇，等.基于寒旱地区冲击回波法混凝土无损检测的试验研究[J].混凝土，2018（8）：22-26.

[2] 罗彦，吴志隆，唐赓，等.空心板桥桥面裂缝病害分析及处治方案[J].中外公路，2020，40（4）：151-153.

[3] 刘琴宝.公路桥梁简支空心板裂缝病害处治实践与思考[J].中国公路，2019（10）：100-101.

[4] 赵瑞亮.某水利工程地下洞室高边墙混凝土裂缝原因分析与治理技术[J].铁道标准设计，2007（6）：118-121.

[5] 孙拴虎. 铁路整体道床混凝土干缩特性及开裂防治研究[D].兰州：兰州理工大学，2019.

[6] 王思瑶，胡少伟.内部裂缝缺陷对混凝土断裂性能的影响[J].水利水运工程学报，2020（5）：96-102.

[7] 孙拴虎，唐先习，何勇，等. 基于西北地区道床板裂缝损伤等级的防裂治裂措施探讨[J]. 混凝土与水泥制品，2019（4）：38-41.

[8] 徐红.地铁大体积混凝土结构裂缝防控[J].混凝土，2020（8）：147-150.

[9] 孙拴虎，符惠萍，阎玉菡，等.调节池板式混凝土裂缝治理措施探析[J].甘肃科技纵横，2021，50（9）：43-45.

[10] 周欣，夏文俊，王峻，等.太湖隧道结构混凝土收缩裂缝闭环控制关键技术[J].混凝土，2021（2）：151-156.

[11] 曹辉，臧洋，冯琼，等.微生物作用下混凝土裂缝修复效果试验研究[J].兰州理工大学学报，2022，48（4）：126-131.

[12] 王景斌.双块式无砟轨道道岔间夹直线段道床板裂缝的分析及其防治[J].铁道建筑技术，2015（8）：81-84.

[13] 孙拴虎.风速对混凝土内部湿度场分布的影响[J].水利与建筑工程学报，2019，17（5）：78-82.

[14] 戚彦福，唐先习，孙拴虎，等.基于不同风速的混凝土干缩特性及内部相对湿度试验研究[J]. 水利与建筑工程学报，2019，17（5）：118-122，233.

[15] 戚彦福. 西北铁路整体道床温度与温度应力分布规律及控制措施的研究[D].兰州：兰州理工大学，2020.