无砟轨道混凝土冻融破坏的工程修复及防水处理

无砟轨道混凝土冻融破坏的工程修复及防水处理

赵晨羊，吴天成，王帅相

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  110013

摘要：为解决寒冷地区高速铁路无砟轨道出现的混凝土冻融损伤病害，本文在对混凝土结构冻融破坏机理和冻融损伤理论进行一定的梳理和归纳总结的基础上，结合工程实际，提出两类新型研发的适用于高速铁路无砟轨道混凝土冻融破坏修复及防水处理的硅酮嵌缝材料和硅烷浸渍材料，并详细论述了两类新型材料的性能特点及工程实施的工艺流程和作业程序，基于多年高速铁路工务维修养护经验，进一步总结归纳了在高速铁路无砟轨道混凝土冻融破坏修复及防水处理过程中，人员机具的详细配备划分，以期更好的为日后高速铁路工务系统处理类似冻害提供一定的养护维修技术借鉴。

关键词：无砟轨道；混凝土；冻融破坏；修复及防水

在我国东北、华北和西北等寒冷地区，普遍存在着混凝土建筑结构物的冻融伤损病害，有的甚至已经发展到不可修复的地步。冻融破坏会逐渐减小建筑物的桩基础、梁体、墩身、桥面等混凝土结构物的有效承载面积，并会进一步诱发混凝土结构物内部的钢筋锈蚀，加速混凝土结构物整体的老化进程，致使结构物的耐久性、稳定性和承载能力的下降。在《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》中提出，铁路混凝土结构的耐久性必须要达到一百年以上，但是，通过实际工程案例来看，大多数高速铁路混凝土结构的使用寿命基本都无法实现一百年的使用要求，也就是说其耐久性存在着问题。冻融破坏会影响无砟轨道混凝土结构的耐久性，但此类病害往往不受重视，久而久之其耐久性不足，甚至会危及高速铁路行车安全，造成不可挽回的经济损失和人员伤亡。因此，必须重视高速铁路无砟轨道混凝土冻融伤损病害，并针对破坏部位及时采取最为适宜的方法给予修补，以提升无砟轨道混凝土的耐久性，确保高速铁路运行万无一失。

1 混凝土冻融破坏机理及损伤理论

混凝土属于毛细孔多孔结构，其构成成分为水泥砂浆和粗骨料，为了实现必须的和易性，在拌制混凝土的过程中所加入的水一定是多于水泥的水化水，这部分多余出来的水会以游离的形式存在于混凝土结构中形成相互连通的孔隙通道，这种孔隙通道存有的游离水就是致使混凝土结构遭受冻害的基本内在因素。

实际上，混凝土冻融破坏的本质是指在低温条件下，混凝土发生凝固而逐渐硬化，存在于混凝土孔隙中的游离自由水在温度变化的影响下，会使混凝土的内部结构产生膨胀压力。不仅如此，在混凝土内部孔隙之间还会出现渗透压力，继而混凝土结构出现疲劳应力，混凝土才会发生破坏伤损，混凝土的整体力学性能会随着时间的发展而产生改变，其性能将呈现缓慢下降的趋势。通过相关研究可知，混凝土冻融破坏的产生需要具备三个最为基本的必要条件：①在混凝土的孔隙中必须要有水的渗入，使其达到高度饱和的状态；②必须要有温差出现，也就是说一定要出现温度的升降；③冻融循环的次数一定是足够的。因此也就不难理解寒冷地区的各类混凝土结构建筑物会常常发生冻融破坏现象。

混凝土破坏总是由混凝土自身材料开裂的裂缝扩展所引发的，如果裂缝扩展到很严重的程度则会影响到混凝土结构整体的耐久性。因此说研究混凝土的破坏本质就是在研究混凝土这种材料的破坏，混凝土冻融损伤理论就是研究基于冻融循环所引起的材料变化规律及变化行为。混凝土结构自身实质就是一个损伤场，结构体在冻融循环及其他各类影响因素的综合作用下，在损伤场中发生的破坏过程实质就是断裂—损伤的交织变化行为过程。因此，基于对混凝土结构的损伤与时间变化规律的掌握，就可以实现对混凝土结构进行寿命预测、安全稳定性分析等，这对工程结构而言是非常重要的。混凝土并不是较为理想的长期抗疲劳荷载材料，在实际工程中，混凝土构件大多存在着疲劳破坏，混凝土冻融破坏就属于疲劳破坏的一种类型。混凝土冻融破坏的发生是因其内部结构产生复杂应力作用的结果，其破坏过程属于纯物理变化。混凝土在发生冻融循环的过程中，其体积微元的破坏在冻结过程属于加载行为，在融解过程中则属于卸载行为，当温度达到最低点时其所对应的应力达到最大值，相反，当温度达至最高点时其所对应的应力则为最小值。根据混凝土材料自身的力学特性，拉应力引起的混凝土破坏，所以在混凝土发生冻融循环的过程中，其内部的应力为三向受拉状态。伴随着冻融循环的持续进行，内部应力也在不断的进行着卸载再加载，循环往复，最终造成混凝土内部的微元解体，最先失去强度的位置会出现一条细微裂缝，并达到一定程度后混凝土破坏。

2 无砟轨道混凝土冻融破坏的修复及防水

2.1 工程概况

哈大客专无砟轨道线间封闭层混凝土冻融破坏较为严重，混凝土表面起皮、掉块，且开裂问题较为突出。同时，线间封闭层横缝、纵缝中的沥青材料老化、伤损严重，已经失去了防水功能，进一步加速了混凝土的冻融破坏。现场具体伤损情况如图1、2、3所示。

图1 线间封闭层表面破损                  图2 线间封闭层开裂

图3 线间封闭层横、纵缝内老化、破损的沥青

2.2 裂缝修补及破损沥青更换

修补材料采用专门用于高速铁路无砟轨道硅酮嵌缝材料。该材料可填充至裂缝、离缝和伸缩缝内，形成柔性防水层，在温度力和列车动载荷作用下，可跟随缝宽变化而变形，有效防止水进入缝内。硅酮填缝密封材料的分子主链是由硅氧原子交替有序排列而成，主链不含碳原子而类似于无机硅酸盐结构，使其具有良好的热稳定性、优异的耐低温性、耐气候老化性和极佳的耐紫外线照射性能，其寿命是一般材料的3-6倍。

由表1可知该修补材料的性能优点为：①硅酮填缝密封材料为单组份可触变材料，施工简便，可立面施工；②冷施工，无需加热加压设备，环境温度下直接施工且反应过程中无吸热放热问题；③良好的热稳定性和卓越的耐候性，在恶劣环境中能保持30年不龟裂、不变脆的优越耐久性能；④优异的耐玷污性、高度的疏水性和良好的透气性；⑤可使用温度范围在-100℃~315℃，在低温环境下材料不显著变硬变脆，高温环境下材料不流淌或降解，尤其适用于高温、严寒等严酷环境；⑥环保性好，具有良好的生物相容性，对环境友好无害；

表1  硅酮填缝密封材料的性能

主要修补工艺流程为：①裂缝修补：裂缝表面及内部清理→界面处理→灌注硅酮填缝密封材料→刮平；②破损沥青更换：清除横缝、纵缝内填充的沥青→粘结面凿毛处理→界面处理→灌注硅酮填缝密封材料→刮平。

现场作业程序为：①设置施工防护：按规定设置作业标防护；②调查与分工：进行现场调查，统计工作量。一般以6人为一组，开始6人清除沥青裂缝，随后1人开始涂刷界面剂，2人开始灌注硅酮嵌缝材料及刮平，其余3人继续清理；③采用毛刷、刀片等清理裂缝内杂物及周边松动混凝土等，用清除裂缝内杂物，并保证裂缝干燥，采用吹风机或者高压空气清除裂缝内的灰尘及杂物等；④凿毛处理：使用打磨机、锉刀等将横、纵缝的粘结面的浮浆、松动混凝土清除；⑤界面处理：界面剂涂抹应薄层均匀，保证硅酮密封填缝材料与混凝土粘结良好；⑥使用胶枪将嵌缝材料灌入至缝内，并用刮刀压实、刮平；⑦作业完后，由施工负责人按质量标准要求进行质量回检并记录；⑧撤除防护。

2.3 线间封闭层混凝土防水处理

修补材料采用硅烷浸渍材料，其是保护混凝土免受氯盐腐蚀的理想防护材料。硅烷浸渍防腐材料能够有效地阻止氯化物和水侵入混凝土，具有突出的憎水性，同时能保持混凝土的“呼吸作用”，提高混凝土的耐久性。利用硅烷小分子结构的特性，将其应用于混凝土表面，深层渗透混凝土毛细孔壁与水化的水泥发生反应形成聚硅烷氧烷互穿网络结构，并与混凝土材料形成稳定的共价键连接，形成一牢固的憎水层，使毛细孔壁憎水化。同时对紫外线辐射、热、腐蚀性化学物质以及微生物等具有良好的抵抗力。从而有效延长混凝土结构耐久性，节省高昂的维修养护费用。

由表2可知硅烷浸渍材料的性能优点为：①优异的渗透性能，可深层渗透混凝土表层；②独特的透气性能，保持混凝土的“呼吸性”；③长期耐酸、耐紫外线；耐久性好；④可大幅度降低氯离子侵蚀、冻融循环破坏及钢筋腐蚀、霉菌滋生；⑤操作简单对基层要求不高，表面清洁干燥即可，施工周期短；⑥可长久保持混凝土自然外观；⑦环保、经济，节省成本。

表2  硅烷浸渍防腐材料性能

主要修补工艺流程为：混凝土基层处理→喷涂硅烷浸渍材料→自然风干→第二次喷涂硅烷浸渍材料→养护。

现场作业程序为：①设置施工防护：按规定设置作业标防护；②调查与分工：进行现场调查，统计工作量。一般以6人为一组，开始

6人清理，随后1人称量硅烷浸渍材料，1人喷涂，其余4人继续清理；③基层处理：清洁表面，保持干燥，用水泥浆修补蜂窝、露石等明显缺陷；用钢铲刀清除表面碎屑及不牢固的附着物；清除不利于硅烷浸渍的灰尘、油污等有害物与污染物；④施工时混凝土龄期不得小于 28 天，修补好的混凝土龄期不得小于14 天。喷涂硅烷的混凝土表面应为面干状态。使用饮用水冲洗后，则应在冲洗后自然干燥72h；⑤喷涂：使用喷雾器持续喷涂至基底彻底渗透为止。浸渍硅烷工作应自下向上连续喷涂，使被涂立面至少有5s保持目测是湿的状态；而在顶面或底面上，则至少有5s持目测是湿镜面状态。每遍喷涂量为300g/m2，喷涂两遍，两遍之间的时间间隔至少为4h；⑥养护：10h不沾水自然风干，72h后可泼水实验（冬季固化时间适当延长）；⑦作业完后，由施工负责人按质量标准要求进行质量回检并记录；⑧撤除防护。

3 人员机具的配备

3.1 人员配备

(1)裂缝修补及破损沥青更换的人员配备如下表3：

表3  裂缝修补及破损沥青更换人员配备表

(2)线间封闭层混凝土防水处理人员配备如表4：

表4  线间封闭层混凝土防水处理人员配备表

3.2 机具配备

(1)裂缝修补及破损沥青更换施工机具配备如下表：

表5  裂缝修补及破损沥青更换机具配备表

(2)线间封闭层混凝土防水处理人员配备如表6：

表6  线间封闭层混凝土防水处理人员配备表

4 结语

混凝土的冻融破坏属于低周疲劳伤损的一种，在对混凝土结构冻融破坏机理和冻融损伤理论进行梳理和归纳总结的过程中可以发现：在混凝土冻融循环过程中，冻结反应类似于加载过程，而融解反应类似于卸载过程，如此循环往复的反应，进而破坏了混凝土体积微元。结合实际工程应用，提出了两类新型研发的适用于高速铁路无砟轨道混凝土冻融破坏修复及防水处理的硅酮嵌缝材料和硅烷浸渍材料，并对线间封闭层裂缝、破损的沥青进行了修补与更换，达到了提升线间封闭层防水功效，解决了高速铁路无砟轨道混凝土冻融破坏问题，经检测，处理后的混凝土吸水率降低＞90%，实际使用过程中还发现硅酮填缝密封材料的粘结强度很高，且位移能力还强，可满足变形缝的防水要求。

参考文献：

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作者简介：赵晨羊（1993—），男，助理工程师。