無砟軌道修補技術研究

陳文帥,劉雷,牛紅凱,汪倩

無砟軌道修補技術研究

陳文帥1,劉雷1,牛紅凱2,汪倩1

1. 河北軌道運輸職業技術學院, 河北 石家莊 050000 2. 石家莊鐵道大學, 河北 石家莊 050043

隨著我國高速鐵路的快速發展，混凝土結構在服役過程中產生的破損缺陷日益突出，因此無砟軌道的修復技術變得日趨重要。本研究借鑒國外高速鐵路無砟軌道維修經驗，以硫鋁酸鹽水泥為基材，設計了一種適合于我國高速鐵路的軌道板和軌道板砂漿層之間離縫的快速修復材料，通過控制乳膠粉和聚丙烯纖維的摻入量提高強度及耐久性。結果表明：乳膠粉摻入量為0.8，聚丙烯纖維摻入量為0.5時，該水泥砂漿的7 d抗壓強度56.8 MPa，抗折強度16.3 MPa，耐腐蝕系數0.91以上。所制備出的水泥修補砂漿能夠滿足無砟軌道維修標準各項性能的要求。

無砟軌道; 修補技術

經過40多年的發展，高速鐵路逐步形成了以德國、日本、法國三個家為代表的高鐵技術體系。目前，全球已建成投產6850 km時速250多km的高速鐵路。國外運營證明，高鐵具有運能大、速度高、安全舒適、能耗低、污染輕、低成本少、占地少、高效益等特點，發展高鐵稱為經濟發展的強大支撐[1]。2020年，我國高速鐵路的里程將達到10萬多km，百分之八十的全國主要省會城市將全部通車。首都北京到全國省會城市的時間將達到8 h左右，省會城市將在省會建立0.5 h、1 h、2 h的經濟圈，鄰近省會城市將構建2 h、3 h經濟圈。我國人口基數較大，鐵路運營系統將會是一個質的飛躍，我國鐵路系統將會走進全世界最先進的水平[2]。

目前，我國采用的板式無砟軌道分別是CRTSⅠ型、CRTSⅡ型和CRTSⅢ型[3]。高速鐵路無砟軌道近年來才開始使用，因此，在設計、施工和運營維護等方面都沒有足夠的經驗，基礎理論方面尚未成熟，許多關鍵技術問題仍期待科研工作者去解決[4]。尤其是隨著服役年限的增加，混凝土的結構不可避免的出現破損狀況，因此新型修補材料技術與研制尤為重要。

混凝土修補材料的主要性能指標有（1）凝結硬化后漿體與原混凝土的粘結強度；（2）硬化漿體與原混凝土的彈性模量相近；（3）硬化漿體與原混凝土收縮系數相近；（4）硬化漿體與原混凝土相等或相近：（5）具有良好的耐久性[5]。目前主要研究的有收縮補償砂漿[6]，預輔骨料混凝土[7]，摻加碳纖維改善粘結性能[8]等，較多研究集中在聚合物改性混凝土和砂漿。

無砟軌道的傷損形式主要有以下幾種[9]:軌道板結構與砂漿墊層的離縫缺陷；砂漿層內部結構缺損病害、混凝土傷損、結構件的破壞、支承層上部無砟軌道的病害和傷損、無砟軌道發生某些位置變化或沉降等。損傷修復必須堅持的基本原則：

（1）快速搶修。無砟軌道的病害治理維修工作必須保證在4 h以內完成，否則將對列車的正常運行帶來不良的影響[10-12]；

（2）重復維修。修補材料必須兼顧耐久性和可維修性，確保修補后的服役混凝土再次出現傷損時可以完全祛除修補部位或者基于再次破損的部位反復維修。修補受損采用材料不相同時，須確保證新舊材料之間優良的融合性[13-15]。

目前修補的材料主要以樹脂砂漿為主，針對混凝土結構中有機基體的引入是否會對粘結、耐久性產生影響尚不明確，但是隨著服役年限、環境的變化有機物的老化是不爭的實時。因此，為了實現快速修復，研究一種新型的修復材料至關重要。

1 材料與方法

1.1 材料

(1) 水泥：贊皇縣金隅水泥有限公司的42.5快硬硫鋁酸鹽水泥；

(2) 過燒鎂砂：MgO≥87%，平均粒徑40 μm；

(3) 粉煤灰：Ⅱ級，灰黑色的粉末；

(4) 砂：SiO2≥96%；

(5) 聚磷酸鹽：Na5P3O10≥96%，白色粒狀粉末；

(6) 膠粉：市場購得821專用膠粉；

(7) 聚丙烯纖維：白色，直徑為42 μm，長度為16 mm，密度為0.89 g·m-3，彈性模量為7 GPa，抗拉強度為400 MPa。

1.2 方法

1.2.1 配合比設計在此配比基礎上制備的MPC水泥，漿體的初凝時間控制在10~13 min，1 h抗壓強度高于40 MPa，7 d抗壓強度達到50 MPa，符合高鐵無砟軌道對修補材料維修凝結速度快、早期強度高的標準。

1.2.2 砂漿拌和步驟砂漿配合比試驗的步驟如下：

(1) 將水泥、鎂砂緩凝劑、砂和粉煤灰等按不同配比稱量；

(2) 倒入攪拌容器內，加水進行拌合，低速30 s，高速90 s；

(3) 澆筑于試模中，并將其放在震臺上振實；

(4) 帶模養護1 h左右后脫模，自然養護至不同齡期。

1.2.3 性能測試方法(1) 拌合物流動度測試：拌合物砂漿的流動度實驗按GB/T 2419-2016《水泥膠砂流動度測定方法》進行測試；

(2) 強度測試：抗折強度采用水泥膠砂電動抗折試驗機進行測試，測試方法按照《建筑工程飾面磚粘結強度檢驗標準》（JGJ110-2017）；抗壓強度試驗采用WED-300型電子式萬能試驗機測試，測試方法依據《水泥膠砂強度檢驗方法》（GBT 17671-1999）；

(3) 耐腐蝕性能的測試方法：將試件分別浸泡在不同酸堿溶液和清水中，養護至規定齡期，測試不同環境水泥的抗壓強度，計算耐腐蝕系數。同時觀察表觀現象的變化情況。

2 結果與分析

2.1 不同乳膠粉摻量對修補砂漿性能影響

2.1.1 乳膠粉摻量對流動性影響為了提高砂漿的流動性，選用可再分散乳膠粉作為添加劑，添加劑含量分別為：0%、0.2%、0.5%、0.8%、1.0%。

不同乳膠粉摻量下復合砂漿的流動度試驗結果如圖1所示，結果表明，水泥砂漿的流動性隨著乳膠粉摻量的增加而增大，乳膠粉摻量增加至1.0%時，膠砂流動度為196 mm，且砂漿開始呈離析狀態。為了將砂漿流動度控制在160~175 mm之間，乳膠粉摻量為0.5%~0.8%比較合適。

砂漿流動性的提高主要歸結于分散膠粉的摻入，可再分散乳膠粉有一定的減水效應，表面活性成分起到了引氣效果，大大提高了砂漿的流動性，膠粉顆粒之間的潤滑作用的同時也提高了砂漿混合料的流動性。

圖 1 乳膠粉對硫鋁酸鹽水泥砂漿流動度的影響

圖 2 乳膠粉對硫鋁酸鹽水泥砂漿粘結抗折強度的影響

2.1.2乳膠粉摻量對砂漿粘結抗折強度的影響控制再分散乳膠粉的摻量為0~1%，依據新拌砂漿流動度在160~175 mm之間對拌和物的用水量進行調整。

不同乳膠粉摻量下的砂漿粘結抗折強度如圖2所示，一定范圍內，膠粘強度隨著乳膠粉摻量的增加而增加。當摻量為0.8％時，14 d時的抗折強度為6.8 MPa，達到最大值，較空白組增加了58％。乳膠粉的摻入在砂漿中引入了聚合物，聚合物的內聚力會在砂漿之間產生鉚接和橋接，當硬化漿體發生破壞時，吸收來自于斷裂擴展導致的能量，從而阻礙微裂紋的擴展，提高修補砂漿的粘結強度。

2.1.3 乳膠粉摻入對水泥砂漿耐久性能研究酸溶液中砂漿不同齡期腐蝕后的耐腐蝕系數如圖3所示。不同齡期下，水泥砂漿耐腐蝕系數分別達到了0.89、0.79、0.78，均有一定的提高，表明乳膠粉的摻入可以提高砂漿的耐久性。

圖 3 乳膠粉摻量為0.8%下硫鋁酸鹽水泥砂漿耐久性的影響

2.2 不同摻量下聚丙烯纖維對修補砂漿性能的影響

聚丙烯纖維對硫鋁酸鹽水泥（SAC）砂漿抗壓強度的影響如圖4所示。隨著聚丙烯纖維的摻入，砂漿的1 d與3 d抗壓強度均低于空白組，且隨著摻量的增加而逐漸降低，對比聚丙烯纖維不同摻量下7 d和28 d強度，可以得出硬化體強度隨摻量的增加而升高。綜合上述結論可以得出，當聚丙烯纖維摻量為0.5%時，砂漿后期的抗壓強度能夠有效提高，28 d抗壓強度達到56.8 MPa，相較于與無摻加的抗壓強度差別較小。

聚丙烯纖維對硫鋁酸鹽水泥砂漿抗折強度的影響結果如圖5所示，硫鋁酸鹽水泥砂漿的各齡期抗折強度均隨著聚丙烯纖維摻量的增加呈升高的趨勢。

圖 4 聚丙烯纖維對砂漿抗壓強度的影響

圖 5 聚丙烯纖維對砂漿抗折強度的影響

聚丙烯纖維增強修補砂漿是一種非勻質的復合材料，服役混凝土結構在薄弱、缺陷區域發生破壞的主要原因就是結構在受載荷情況下應力和應變的不均勻分部。相關研究證實，特種纖維增加復合材料發生纖維斷裂時的載荷可以達到極限載荷的60%以上。纖維增強修補砂漿處于服役狀態發生斷裂時，斷裂的過程不僅僅限于混凝土結構、纖維的斷裂，同時包括纖維與砂漿基體的粘結以及受損嚴重時纖維的拔出，隨著裂紋的擴展和損傷的累計最終發生宏觀的斷裂，斷裂過程即能量釋放的過程，纖維與砂漿基體的脫粘和纖維被拔出的過程需要克服較大的摩擦阻力，在此過程中需要消耗大量的能量。

3 結論

研制的快速修復水泥砂漿，7 d抗壓強度達到56.8 MPa，抗折強度達到了16.3 MPa，耐腐蝕系數達到了0.91以上，能夠滿足無砟軌道維修標準各項性能的要求，尺寸灌注試驗表明，復合砂漿產品能滿足我國板式無碴軌道鐵路建設的需要。

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Study on the Repair Technology for a Ballastless Track

CHEN Wen-Shuai1, LIU Lei1, NIU Hong-kai2, WANG Qian1

1.050000,2.050043,

With the rapid development of China's high-speed railway, the damage defects caused by the concrete structure during the service process are increasingly prominent, so the repair technology of ballastless track has become more and more important. Based on the experience of repairing the ballastless track plate on foreign high-speed railway, Sulphoaluminate cement was used as the base material to become a rapid repair material for the separation between the track plate and the track plate mortar layer of China's high-speed railway so as to improve the strength and durability by way of controlling the amount of latex powder and polypropylene fibers. The results showed when the latex powder was 0.8 and the polypropylene fiber was 0.5, the 7 days compressive strength, flexural strength and corrosion coefficient of the cement mortar reached 56.8 MPa, 16.3 MPa and 0.91 respectively. The prepared cement repair mortar could meet the performance requirements of the ballastless track dimension standard.

Ballastless track; repair technology

U213.2+44

A

1000-2324(2019)04-0604-04

2018-04-05

2018-05-23

陳文帥(1980-),男,本科,工程師,研究方向:鐵道工程技術，建筑施工. E-mail:hbcws2518@sina.com