無(wú)砟軌道新老混凝土界面性能影響因素綜述*

黃誠(chéng)，楊洋，陳國(guó)政，孫悅，丁邦威，朱麗偉

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院 江蘇 南京 211167）

0 引言

隨著中國(guó)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)水平以及科技水平的不斷提高，鐵路可行駛速度也在不斷突破，具有優(yōu)越性能的無(wú)砟軌道被大范圍采用。無(wú)砟軌道雖適應(yīng)性強(qiáng)、不易出現(xiàn)病害，但隨著無(wú)砟軌道 (Ballastless track)是指采用混凝土、瀝青混合料等整體基礎(chǔ)取代散粒碎石道床的軌道結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)作無(wú)碴軌道，是當(dāng)今世界先進(jìn)的軌道技術(shù)。長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)營(yíng)，難以避免各種各樣的病害。作為雙塊無(wú)砟軌道的重要組成部分，道床板和支承層的工作狀態(tài)對(duì)軌道系統(tǒng)的運(yùn)行有著重要的影響。因此，研究由道床板和支撐層組成的復(fù)合板的界面性能具有重要的意義[1]。

1 發(fā)展現(xiàn)狀及分類(lèi)

20世紀(jì)60年代，中國(guó)便開(kāi)始對(duì)無(wú)砟軌道進(jìn)行研究。雖然在20世紀(jì)70~80年代發(fā)展逐步減緩，但是隨著三次世界高鐵熱潮的掀起，無(wú)砟軌道高速鐵路網(wǎng)絡(luò)體系也逐步建立。

雙塊式無(wú)砟軌道系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展基本成型。因其有著不同的下部基礎(chǔ)，可分為路基、橋梁和隧道3種。路基上雙塊式無(wú)砟軌道下部基礎(chǔ)為支承層；橋上雙塊式無(wú)砟軌道下部布設(shè)底座板；而隧道內(nèi)雙塊式無(wú)砟軌道下部基礎(chǔ)未布設(shè)任何結(jié)構(gòu)[2]。

2 無(wú)砟軌道病害

2.1 道床板上拱

道床板的上拱現(xiàn)象主要出現(xiàn)的3個(gè)地段分別為路橋過(guò)渡段、路隧過(guò)渡段和施工后澆帶地段。施工時(shí)無(wú)砟軌道道床板表面溫度較低，由于水泥水化作用導(dǎo)致道床板內(nèi)部溫度上升，與外部形成溫度差。從而導(dǎo)致道床板內(nèi)產(chǎn)生的縱向溫度應(yīng)力急速增大，促使傳遞到道床板邊緣的縱向溫度應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致分層出現(xiàn)在強(qiáng)度不足的道床板和支承層粘結(jié)面處，表現(xiàn)的形式是道床板與下部支承層分離，道床板向上形成路拱。此外，由于澆筑時(shí)間的不一致，導(dǎo)致道床板兩側(cè)溫度梯度不均衡，其引起的道床板兩側(cè)翹曲變形不一致。其中促使道床板出現(xiàn)上拱還有翹曲變形差值的改變[3~4]。

2.2 道床板開(kāi)裂

在實(shí)際工程施工中，道床板的溫度變化大，而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力將會(huì)引起道床板開(kāi)裂。構(gòu)成道床板的混凝土內(nèi)水分散失導(dǎo)致的收縮也會(huì)促使道床板開(kāi)裂；新老混凝土的結(jié)合面易受環(huán)境因素的影響，道床板開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步提高[5]。

2.3 支承層離縫滲漿

道床板的施工溫度較低，與運(yùn)行時(shí)溫度有很大差別，由于溫度的升高導(dǎo)致道床板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫；在道床板施工階段，支承層表面處理不當(dāng)會(huì)留有雜物，從而容易造成裂縫；施工時(shí)，支承層的頂面要作為無(wú)砟軌道的運(yùn)輸通道，此間的磨損使得支承層的表面粗糙度降低，從而導(dǎo)致粘結(jié)力降低；道床板與支承層之間的填充物經(jīng)過(guò)磨損、老化、材料缺失。以上4種情況都是導(dǎo)致支承層出現(xiàn)離縫滲漿的原因[5]。

3 道床板與支承層界面性能影響因素及防護(hù)措施

伴隨著高速鐵路的飛快發(fā)展，無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)形式也在不斷地完善。無(wú)砟軌道雖然耐久性好，但一旦出現(xiàn)病害，其力學(xué)性能會(huì)受到極大的影響。作為雙塊式無(wú)砟軌道的重要組成部分，道床板與支承層的界面性能?chē)?yán)重影響著雙塊式無(wú)砟軌道的整體力學(xué)性能。道床板與支承層形成的復(fù)合板病害研究實(shí)質(zhì)上是新老混凝土界面粘結(jié)性能能否滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)條件的研究[6]。

3.1 新老混凝土的強(qiáng)度

3.1.1 界面接縫方式

修補(bǔ)之后的新老混凝土界面的粘結(jié)效果主要取決于砂漿或混凝土澆筑的方向。實(shí)際施工中會(huì)對(duì)混凝土構(gòu)件的頂面底面?zhèn)让孢M(jìn)行不同程度的修補(bǔ)，接縫方式的不同會(huì)導(dǎo)致各界面新老混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度產(chǎn)生差異，隨之影響到混凝土強(qiáng)度。

3.1.2 老混凝土預(yù)先潤(rùn)濕情況

工程中對(duì)老混凝土表面濕潤(rùn)，但研究表明，粘結(jié)面水膜的存在會(huì)影響新老混凝土的粘結(jié)性能。老混凝土水膠比較高，新混凝土水膠比低修補(bǔ)新混凝土?xí)r會(huì)產(chǎn)生“汲水”現(xiàn)象，增加界面處新混凝土的水膠比導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度降低。

3.2 植筋情況

在剪切開(kāi)裂后，試件仍具有較強(qiáng)的承載力和良好的延性，即使在植筋加固的新老混凝土粘結(jié)界面存在裂縫，試件仍能繼續(xù)工作。相比較而言，采用植筋加固的新老混凝土粘結(jié)不僅可以改變新老混凝土粘結(jié)的延性破壞，使其產(chǎn)生裂縫后界面仍具有較好的抗剪性能，故結(jié)構(gòu)可帶裂縫工作，可適當(dāng)?shù)奶岣咝吕匣炷琳辰Y(jié)面的抗剪性能[7]。

3.3 界面的粗糙度

修護(hù)混凝土的方法主要分成3個(gè)步驟，分別為：（1）老混凝土表層清理；

（2）老混凝土表層澆筑粘結(jié)面；

（3）在表層澆注新混凝土并且按時(shí)養(yǎng)護(hù)。故混凝土修護(hù)需要對(duì)老混凝土表層進(jìn)行清理，表層處理的方法是將老混凝土經(jīng)過(guò)風(fēng)化腐蝕后的結(jié)合層表面上殘留的雜質(zhì)清除。如將部分骨料裸露在混凝土表層，可一定程度的提高粘結(jié)面的粗糙度。由于粘結(jié)面粗糙，老混凝土更容易浸透。為增加粘結(jié)強(qiáng)度，可除去混凝土表面的異物然后對(duì)結(jié)合面進(jìn)行合理的粗糙處理，或者也可適量增大混凝土表面積。

4 復(fù)合板界面性能的防護(hù)措施

4.1 提高新老混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度

4.1.1 施工工藝

界面接縫方式的優(yōu)良選擇可以大大提高新老混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，在幾種不同的修補(bǔ)方式中，頂面粘結(jié)為最優(yōu)選擇。自重作用下，新混凝土產(chǎn)生向下壓力，與老混凝土緊密結(jié)合，界面裂縫水化作用后與老混凝土形成良好咬合。除此以外，界面劑的厚度也需一個(gè)合適值。界面劑的最優(yōu)涂抹厚度在0.5~1.5mm之間，一般不超過(guò)3mm。

4.1.2 界面粘結(jié)材料

當(dāng)膠凝材料通過(guò)化學(xué)變形形成膠結(jié)力時(shí)，新老混凝土之間的膠結(jié)力很弱，導(dǎo)致界面粘結(jié)強(qiáng)度低于新老混凝土本身的粘結(jié)強(qiáng)度。在新老混凝土結(jié)構(gòu)加固工程中，可以選擇合適的界面劑來(lái)提高新老混凝土界面的膠結(jié)力。界面劑也要根據(jù)不同的情況選擇不同材料，常見(jiàn)的界面劑有膨脹劑、水泥凈漿和粉煤灰。當(dāng)混凝土被外界化學(xué)因素侵蝕影響而破壞時(shí)，我們須改用其他種類(lèi)的砂漿或界面劑并且增加保護(hù)層的厚度，從而形成新的保護(hù)層。

4.2 優(yōu)化植筋方式

采用植筋法加固粘結(jié)新老混凝土界面時(shí)，要合理配置植筋率；合理選取植筋的種類(lèi)、孔徑。錨固植筋時(shí)，注意選擇合適的錨固長(zhǎng)度。不僅要關(guān)注植筋本身對(duì)新老混凝土界面的加固，且需關(guān)注植筋表面與混凝土的粘接性能，可選用帶肋鋼筋，進(jìn)而增加強(qiáng)度與剛度。此外，使用合適的錨固劑，采用箍筋加固也有優(yōu)化植筋對(duì)新老混凝土界面的加固作用。植筋技術(shù)施工時(shí)間短，操作簡(jiǎn)單，作業(yè)空間小，合理的植筋方式將有著更廣泛的利用空間[8]。

4.3 提高粘結(jié)面摩阻力

提高粘結(jié)面摩阻力可通過(guò)提升界面粗糙度實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐表明，諸多處理方法中，人工鑿毛法處理后的界面粗糙度不如高壓水射法。但考慮到簡(jiǎn)單實(shí)用、造價(jià)低、適合大范圍使用等諸多優(yōu)點(diǎn)，工程實(shí)際中往往選用人工鑿毛法。在界面涂抹合適厚度且種類(lèi)合適的膨脹劑，會(huì)在混凝土中產(chǎn)生膨脹力加大界面的摩擦力。此外，界面植筋防銹除銹也可增加界面摩阻力，提高界面粘結(jié)強(qiáng)度。

5 結(jié)語(yǔ)

道床板與支承層是否出現(xiàn)病害及出現(xiàn)病害的程度取決于其表面粘結(jié)性能，其實(shí)質(zhì)是新老混凝土的界面粘結(jié)強(qiáng)度是否滿(mǎn)足軌道系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)要求。隨著高速鐵路的發(fā)展，關(guān)于新老混凝土界面性能研究與應(yīng)用也日益普遍，但有關(guān)問(wèn)題還有待深入研究并改善。