磷酸鎂水泥對無砟軌道板損傷裂紋的修復性能

熊鵬光

摘要 在使用過程中長期受到列車荷載和溫度荷載的作用下，板式無砟軌道床道板易出現裂紋使得板內鋼筋銹蝕降低其壽命。通過分析無砟軌道裂縫產生的原因與特點，結合磷酸鎂水泥的工程特性，研究磷酸鎂水泥用于無砟軌道板裂縫修復的適應性。從施工性能和耐久性角度對磷酸鎂水泥和其它修復材料進行對比試驗研究。采用ABAQUS有限元軟件，對磷酸鎂水泥在無砟軌道板修復中的受力和變形性能進行模擬，為磷酸鎂水泥在無砟軌道損傷修復應用提供一定的理論基礎。

關 鍵 詞 無砟軌道;磷酸鎂水泥;損傷修復;有限元模型;水泥

中圖分類號 U213.244? ? ?文獻標志碼 A

Abstract Under the action of train load and temperature load for a long time in service， slab ballastless track bed slab is prone to crack， which leads to corrosion of steel bars in slab and reduces its service life. Based on analysis of cracks in ballastless track slab and properties of magnesium phosphate cement （MPC）， this paper has studied the feasibility of MPC to repair the damage and cracks in ballastless track slab. A comparative test of MPC and other repair materials is carried out from the point of view of construction performance and durability. Moreover， finite element modelling of ballastless track has been built to study the stress and strain properties of MPC in the repair of ballastless track under different temperature load conditions， which would provide a theoretical basis for the use of MPC in repairing ballastless track slab.

Key words ballastless track; magnesium phosphate cement; damage and crack repair; finite element modelling; cement

0 引言

自1964年世界上第一條商業化高速鐵路——日本北海道新干線鋪設運營以來，高速鐵路無砟軌道開始在世界各國迅速發展。我國無砟軌道技術日趨成熟，無砟軌道越來越廣泛應用于我國客運專線的建設中。板式無砟軌道是我國應用最廣泛的無砟軌道形式，其具有良好的整體性、平順性和耐久性[1]。在運行過程中，由于存在復雜的運營環境、使用狀態、載荷條件以及氣候條件的差異，軌道板容易出現變形和裂縫，若不及時進行維修，則會影響列車運行的舒適性和軌道系統的安全性[2]。

目前用于無砟軌道快速維修的材料主要包括快干水泥砂漿、水泥乳化瀝青等無機材料和環氧樹脂、乙烯基樹脂、異丁烯樹脂等有機材料。其中環氧樹脂類有機材料由于具有變形和粘結性能好、易于施工等優點而被廣泛應用，但存在價格昂貴、易老化等耐久性問題[3]。無砟軌道的設計使用年限一般在60年以上，而有機材料在使用5～8年后便開始老化，若使用樹脂類有機材料維修容易增加二次維修的工作量和社會經濟效益的降低。

磷酸鎂水泥（MPC）是一種高強、高耐久性及快硬型水泥，自20世紀70年代開始，在機場修復和道路維修等工程中廣泛應用。除了具備快速硬化和耐久性好等特點，磷酸鎂水泥還可在負溫環境下粘結硬化，而且在制備過程中環境友好具有較低的碳排放[4-9]。然而目前對磷酸鎂水泥在無砟軌道修復應用的相關文獻資料較少，缺乏相應的理論研究。因此，本文以MPC在無砟軌道板損傷裂縫中的修復應用為研究內容，建立CRTSII型板式無砟軌道有限元模型，分析溫度荷載作用下不同裂縫寬度的MPC修復性能，從而對MPC對無砟軌道修復的適應性做一定的探討。

1 無砟軌道快速修復材料特性

高速鐵路無砟軌道的高頻率運行情況和復雜的荷載作用要求修復材料應當滿足“快速修復”和“二次維修”等基本需求，因此，修復材料必須具備快速黏結硬化和新老界面黏結性等性能。除此之外，為了適應復雜多變的現場施工環境，修補材料還需滿足適宜的黏度、低溫適應性和熱工性能方面的要求。表1列出了磷酸鎂水泥砂漿和環氧樹脂黏結時間、黏度和力學強度等工程技術性能，從施工性和耐久性方面分析兩種修復材料的性能特點和差異。

從表1中可以看出，MPC的粘結時間在5～30 min之間，而環氧樹脂的凝結時間在240～1 500 min之間。MPC對外界環境溫度的適應性較強，可以在負溫度下凝結硬化，并且隨著溫度的增加凝結時間逐漸加快，當外界溫度高于30 ℃時，MPC的粘結時間變得十分迅速。因此，在夏季進行施工時，需要采取必要的措施來降低凝結時間[10]。環氧樹脂粘結時間受環境的影響同樣比較大，當外界溫度低至5 ℃，環氧樹脂必須做熱處理，否則難以施工，并且溫度每降低10 ℃，環氧樹脂的凝結時間就會延長60～120 min，若采用熱處理，又需要一定的養護措施[11-13]，因此環氧樹脂對冬季及高寒地區的施工適應性較差。MPC的彈性模量與軌道板混凝土的彈性模量及線膨脹系數較為接近，用磷酸鎂水泥維修無砟軌道，兩者共同抵抗荷載的能力較好。此外，MPC的使用壽命可達50年之久，遠遠高于環氧樹脂類有機材料，是一種高耐久性的修復材料。

2 有限元建模與參數選擇

采用ABAQUS有限元軟件，建立基于路基上的CRTSII型縱聯板式無砟軌道結構模型。無砟軌道模型由鋼軌、扣件、軌枕、軌道板、砂漿層和支撐層組成，各個部件間通過特定的粘結協同工作。各部件的主要參數為：鋼軌斷面采用CHN60型軌枕，鋼軌間距為1 435 mm，每塊軌道板上鋪設10個軌道臺，軌道臺間距取650 mm，鋼軌與軌道臺間的彈性扣件剛度為20 kN/mm，軌道板的尺寸為6 450 mm × 2 800 mm × 200 mm，內設鋼筋桁架，軌道板下為30 mm厚的CA砂漿層，CA砂漿層下鋪設水硬性支撐層，支撐層的尺寸為6 450 mm × 2 950 mm × 300 mm，支撐層內縱橫向鋼筋直徑分別為20 mm和16 mm。

表2給出了各部件材料的屬性，采用分離式鋼筋網架模型，對鋼筋用T3D2truss單元進行模擬，鋼軌、軌道板、支撐層和砂漿層等實體采用C3D8I實體單元進行模擬。鋼軌與軌道臺之間的扣件為Vossloh300型扣件，在模擬時采用ABAQUS的彈簧單元進行鏈接，彈簧單元的剛度采用20 kN/mm，為了避免出現應力集中現象以及考慮扣件和墊片的尺寸采用Coupling的耦合方式進行耦合。軌道板與CA砂漿層、CA砂漿層與支撐層之間假定變形協調，采用Tie方式進行粘接。對于鋼筋與混凝土之間的相互作用采用ABAQUS自帶的embed嵌入技術模擬，鋼筋與床道板混凝土形成耦合作用，來模擬鋼筋混凝土間的粘結滑移。本文主要研究磷酸鎂水泥等修復材料對CRTSII型無砟軌道的力學性能影響，不考慮路基的力學響應，因此將路基簡化成彈性地基，施加ABAQUS自帶的彈性地基約束，路基基床面剛度為76 MPa/m。

為了研究分析溫度荷載對修復材料和無砟軌道的影響，建立如圖1所示預設裂縫的無砟軌道模型，裂縫為位于軌道板上表面且貫穿軌道板的橫向裂縫，裂縫的深度取30 mm，寬度分別取0.5、1、2、3和5 mm，分別采用磷酸鎂水泥砂漿和環氧樹脂兩種材料進行修復并對其修復后的力學特性進行模擬。

3 計算結果與分析

溫度荷載是高速鐵路無砟軌道所受主要荷載之一，在溫度荷載的作用下，軌道板容易出現離縫和表面裂紋等問題。無砟軌道溫度載荷可分為整體溫度荷載和溫度梯度作用，參考文獻資料[9-10]，取無砟軌道整體降溫10 ℃（T1），軌道板上表面溫度差10 ℃（T2）和軌道板整體降溫10 ℃+軌道板上表面溫度差10 ℃（T3）3種荷載工況進行分析。圖2為出現裂縫的軌道板計算的應力云圖，從圖中可見，軌道板上表面出現裂紋時，如果不及時進行修復，其縱向拉應力會在裂紋處產生應力集中現象，并且裂紋越細，應力集中現象越明顯，容易引起裂縫進一步擴展，導致軌道板破壞。

3.1 修復裂縫寬度對軌道板應力與位移的影響

同一溫度工況T3作用下不同裂縫寬度對MPC修復軌道板最大縱向應力的影響如圖3所示。從圖中可見：當裂縫為0.5 mm時，軌道板縱向應力從1.56 MPa增加到了3.05 MPa，增加幅度將近一倍左右。雖然對無砟軌道進行修復后軌道板縱向應力仍然有增大現象，相對于未修復軌道板，MPC修復下軌道板縱向拉應力明顯減小，穩定在1.9 MPa左右。由于MPC有較大的剛度，因此MPC承當了較大的拉應力，并且可以看到隨著裂縫寬度的增加MPC的拉應力呈現遞減的趨勢。為了分析MPC修復后軌道板的變形性能，取T3工況作用下軌道板裂縫上端的縱向伸長量和延伸率進行分析，圖4為MPC修復裂縫寬度對軌道板裂紋上端伸長量和延伸率影響。由圖4可知，未修復軌道板裂縫有較大縱向變形，約為6.7×10-3 mm，而且受裂縫寬度的影響非常小;MPC修復后的裂縫縱向伸長量隨著裂縫寬度的增加而呈現逐漸遞增的趨勢，可以看出MPC修復后裂縫的伸長量遠小于未修復裂縫的伸長量。此外，未修復裂縫的延伸率隨著裂縫寬度的遞增而遞減，而MPC修復的軌道板裂縫研究則維持在0.02%左右。因此可以得出，MPC修復后的軌道板受力變形性能比較穩定，MPC材料修復性能受裂縫寬度影響較小。

3.2 不同溫度工況對軌道板應力與位移的影響

砟軌道整體降溫10 ℃（T1），軌道板上表面溫度差10 ℃（T2）和軌道板整體降溫10 ℃+軌道板上表面溫度差10 ℃（T3）3種荷載工況作用下MPC修復后軌道板縱向應力計算結果如圖5所示。從圖中可見，T1、T2和T3作用下軌道板最大縱向拉應力呈遞增趨勢，其中，MPC的縱向受拉應力均大于軌道板應力，這要求了MPC要有較大的抗拉強度，當在T3作用時MPC要求抗拉強度大于2 MPa。根據Chen等[14]的研究，MPC的受拉性能好于普通硅酸鹽水泥，可以達到3 MPa以上。此外，除了抗拉強度度還要求修復材料應有較好的凝結性能，從表1可知MPC的凝結強度為 2～3 MPa，滿足最不利工況T3的要求。

由圖6可知，不同工況對軌道板縱向變形的影響規律相似，MPC修復后的軌道板裂縫上端的伸長量隨著裂縫的寬度呈現遞增的趨勢，而且遞增速率有所增加，這是由于裂縫的延伸率隨著裂縫寬度的增加而增長。結合圖5可以看出，延伸率和伸長量的增長并沒有帶來縱向拉應力的增加，反而軌道板和MPC的拉應力有所降低。

3.3 修復材料對軌道板應力與位移的影響

環氧樹脂是目前高速鐵路無砟軌道損傷修復的主要材料，為便于分析MPC對無砟軌道修復的適用性，故將環氧樹脂與MPC進行對比，分析兩者修復性能的差異和優劣。圖7和圖8為采用環氧樹脂進行修復后，軌道板縱向最大應力及裂縫伸長量與延伸率隨修復裂縫寬度變化曲線。由圖7可知，MPC修復后的軌道板最大拉應力維持在1.9 MPa左右，相比之下，環氧樹脂修復后軌道板最大拉應力隨著裂縫寬度的增加而迅速增長，而且均大于MPC修復后的最大應力。結合圖3，當裂縫寬度超過3 mm時，此時用環氧樹脂維修軌道板應力在溫度荷載作用下已經超過未修復的應力，即是說環氧樹脂沒有達到維修的效果。而裂縫寬度超過3 mm，在用環氧樹脂修復的話，軌道板將存在過大的拉應力而導致受拉破壞。出現這樣的結構可能有兩方面的原因，一是因為環氧樹脂的彈性模量較小，因此能分擔的縱向拉應力也有限;二是因為環氧樹脂對溫度更為敏感，在溫度荷載作用下，環氧樹脂收縮大于軌道板混凝土的收縮變形，這樣使得軌道板修復處額外增加了修復材料的溫度應力的作用。

由圖8可知，2種修復材料修復下MPC修復后的軌道板裂縫變形較小，MPC與軌道板混凝土有著較為相近的彈性模量，相互抵抗外力變形的能力較好，而且MPC受裂縫寬度的影響小，不同裂縫寬度用MPC修復均能維持較小的變形。這表明與環氧樹脂相比MPC更適用于無砟軌道板的裂紋修補材料。

4 結論

本文對磷酸鎂水泥工程性能進行了分析，探討了磷酸鎂水泥對無砟軌道板裂縫傷損修復后力學特性。建立基于路基上CRTSII型板式無砟軌道結構模型，模擬了溫度荷載作用下帶裂縫的無砟軌道構件受力和變形性能，分析了溫度工況、裂縫寬度等因素對MPC修復材料修復性能的影響，并進行了環氧樹脂和MPC材料修復性能的比對，得出以下結論：

1）軌道板出現裂縫后出現裂縫端部處應力集中現象，裂縫越小應力集中越顯著。裂縫處的延伸率隨著裂縫的寬度增加而減小。裂縫的進一步擴展降低軌道結構的耐久性，應當對軌道板進行修復。

2）MPC有較好的工程性能，凝結時間、凝結強度和施工操作性能均能較好的滿足無砟軌道傷損對維修材料的要求，對溫度荷載作用下MPC修復的軌道板計算結果顯示，MPC材料能有效降低軌道板的應力集中，對裂縫寬度的敏感性較小。

3）軌道板修復材料宜用彈性模量較大的材料，且維修材料應當有較小的線膨脹系數。相對于樹脂類材料，MPC更適于對軌道板表層裂縫的修復。

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[責任編輯 田 豐]