青藏鐵路沿線房屋病害治理及運維研究

嚴 晗，靳小飛，王天亮，王 越

(1.中鐵建工集團有限公司建筑工程研究院，北京 100160；2.交通工程結構力學行為與系統安全國家重點實驗室，河北 石家莊 050043；3.中國鐵路青藏集團有限公司，青海 西寧 810007)

0 引言

青藏鐵路是世界上海拔最高的鐵路工程，自運營至今已有10余年，路基、橋梁、隧道、軌道結構等線路單元均保持正常服役狀態，有力保障青藏鐵路正常運營。由于受到凍融、低溫、太陽輻射、雨雪和大風等高原氣候條件的影響，近年來青藏鐵路沿線站臺、雨棚、車間、辦公區等站場或其他附屬建(構)筑物出現不同程度病害現象，包括建筑材料強度降低、開裂、滲水、脫落等，導致房建工程維修頻次增加。隨著川藏鐵路的建設，勢必存在與青藏鐵路沿線房建工程類似的病害問題?；謴秃透纳平?構)筑物功能、保持良好的房屋設備狀態、延長使用壽命已成為高原地區鐵路(房屋設備)管理部門亟待解決的問題。

1 青藏鐵路房屋建筑工程病害調研

通過調研青藏鐵路(格拉段)17處代表性站點及生產生活用房，房建工程主要存在以下病害：①屋面漏水由于環境原因，防水卷材存在損傷及加速老化的現象，采取有組織排水時，雨水口及雨水管部位排水不暢；②站臺雨篷鋼結構銹蝕、涂層剝落、起泡、爆裂等問題較嚴重，尤其是雨篷柱1.7m以上部位較嚴重，部分天溝出現銹蝕穿透現象，影響鐵路整體形象；③圍護結構墻體存在沿保溫層分隔開裂、夾心保溫外墻外葉混凝土墻開裂、基礎下沉開裂及涂料脫落等問題，存在一定安全隱患；④部分車間、辦公和生活區的給排水管道存在排水功能失效、地層脫空等問題，影響工作人員正常工作與生活要求；⑤圍墻、散水、臺階、坡道等沉降開裂，廣場磚粉化。

2 屋面工程病害損傷研究

2.1 屋面防水材料對比性試驗

為驗證屋面防水體系中防水材料的適用性能，對噴涂、成型非固化、噴涂&成型非固化、SBS材料進行高原氣候條件下的物理力學性能試驗。通過系列試驗獲得相應指標，進一步了解不同材料在高寒氣候環境下的物理力學性能，為新型防水材料在高寒地區的應用提供數據參考和選材建議。

2.1.1試驗條件設定

1)凍融溫度條件 正溫(10℃)輻射和負溫(-20， -30，-40℃)凍結，各取12h為1個凍融循環周期，正溫環境時附加太陽輻射，按400W/m2進行控制。凍融循環次數按1，5，10，15，20，…(根據時間剩余安排后續凍融循環量)依次選取。涉及凍融循環試驗的有斷裂伸長率(拉伸性能)、黏結強度(黏附性)、耐候性(人工氣候老化、凍融循環和太陽輻射等)及不透水性等性能。

2)低溫凍結條件 冷凍溫度T按-10，-20，-30， -40℃進行設定，凍結持續時間為12h，涉及凍結試驗的有低溫柔性、低溫彎折性等性能。

3)結合工程實際需要 根據GB/T 328—2007《建筑防水卷材試驗方法》，擬進行斷裂伸長率(拉伸性能)、透水性、低溫柔性、低溫彎折性、耐候性(人工氣候老化、凍融循環和太陽輻射)、黏滯性(自密自愈性)性能測定。

2.1.2試驗結論

1)拉伸性 噴涂材料斷裂伸長率穩定在400%～500%； 成型非固化材料斷裂伸長率穩定在40%～50%；噴涂&成型非固化材料斷裂伸長率穩定在300%～400%；SBS材料斷裂伸長率穩定在60%～70%。

2)不透水性 試驗壓力為0.3MPa，噴涂材料加壓后30min，部分試樣出現滲漏現象；成型非固化材料加壓后25min，部分試樣出現滲水現象；噴涂&成型非固化組合后的透水性能得到有效改善，加壓45min內均無滲水漏水現象，總體不透水性能表現良好；SBS材料加壓后45min內一直處于良好狀態，無漏水滲水現象。

3)低溫柔性及彎折性 4種材料在該指標上表現相似。噴涂材料在-40℃時無明顯裂縫，彎折時發生斷裂；成型非固化材料在不同低溫下性能穩定且達標；噴涂&成型非固化材料在-40℃時材料表面無損、無可見彎折裂痕；SBS材料在-40℃時表面塑料膜微裂，內部主體材質無損。

4)耐候性 成型非固化防水材料在該模擬條件下，表面長期處于軟黏狀態，表面有程度不大的老化。由于檢測周期限定，短期內噴涂、噴涂&成型非固化、SBS材料在該指標上均較穩定，隨凍融及輻射過程，材料表面穩定性較好，無明顯老化。因此，在模擬環境下防水材料的耐候性僅證明試驗期內無恙。

5)黏滯性 噴涂&成型非固化、噴涂材料被尖銳物刺穿后，凍結期內可較好自愈，凍結后恢復至常溫并安裝在滿水容器口內倒置，均無漏水現象；SBS、成型非固化材料被尖銳物刺穿后，凍結期內自愈性較差，凍結后恢復至常溫并安裝在滿水容器口內倒置，可觀察到明顯的滴水現象。但由于SBS材質強度遠高于其他3種防水材料，因此在自愈性指標上應考慮該因素的影響。

2.1.3指標對比

4種材料性能指標對比如表1所示。

表1 指標對比分析

2.2 屋面防水損傷機制

2.2.1試驗模型建立

屋面模型結構層分為鋼筋混凝土層、頁巖粉煤灰層、擠塑板保溫層和水泥砂漿層。為揭示青藏鐵路沿線房屋屋面防水損傷的機制，對SBS和頁巖非固化材料防水結構屋面施加凍融循環、太陽輻射、大風和降雨循環等因素，監測屋面模型鋼筋混凝土層、頁巖粉煤灰層和水泥砂漿層沿屋面模型長度方向與寬度方向的應變、溫度變化。屋面防水結構大尺寸構件模型如圖1所示，試驗如圖2所示。

圖1 屋面防水結構大尺寸構件模型

圖2 試驗示意

2.2.2屋面模型結構層溫度分析

成型非固化防水屋面結構鋼筋混凝土層、頁巖粉煤灰陶粒層、擠塑苯板保溫層、水泥砂漿層沿寬度方向布置的傳感器采集的溫度變化，如圖3所示。

圖3 沿長向溫度變化

圖3中兩條虛線間表示1次凍融循環，兩條虛線間的細實線將1次凍融循環分為2段，前段為-25℃ 凍結過程，后段為20℃融化過程。

在-25℃凍結時，由圖中曲線可以得出，隨著凍結過程中溫度降低，屋面模型水泥砂漿層和擠塑板保溫層溫度降低較快，頁巖粉煤灰層比前兩層溫度下降趨勢緩慢。當屋面模型每層達到最低氣溫時，每層溫度會有一段上升。

在20℃融化時，水泥砂漿層相當于與環境直接接觸，從負溫迅速回升到正溫狀態，擠塑板保溫層溫度隨之迅速上升，水泥砂漿層和擠塑板保溫層降溫與升溫曲線基本一致；兩層溫度在融化階段有下降趨勢，當艙內溫度達到15℃時開始升溫。鋼筋混凝土層和頁巖粉煤灰層由于受外界溫度變化影響較小，所以溫度呈逐漸上升趨勢，最后達到穩定狀態。

由于水泥砂漿層和聚苯板保溫層溫度受高低溫環境試驗艙內溫度影響較大，僅取第8次凍融循環時采集的鋼筋混凝土層與頁巖粉煤灰層溫度，對比這兩層左側溫度(沿長向傳感器采集)與右側溫度(沿寬向傳感器采集)，如圖4所示。

圖4 第8次凍融循環SBS屋面結構層溫度

在凍結過程中，由于受風力模擬器的影響，SBS防水層屋面結構左側鋼筋混凝土層和頁巖粉煤灰層溫度下降比右側快。在融化過程中，由于剛結束低溫凍結過程，左側溫度明顯低于右側溫度，但隨著高低溫環境試驗艙內溫度上升，左側溫度逐漸超過右側溫度，并一直高于右側溫度。因此，風力對于屋面模型溫度的改變是重要因素。

2.2.3屋面模型結構層應變分析

擠塑板保溫層只考慮溫度，并不考慮應變。成型非固化防水層屋面結構在9次凍融循環作用下，每層結構傳感器所測應變如圖5所示。圖5中兩條虛線間表示1次凍融循環，兩條虛線間的細實線將1次凍融循環分為2段，前段為-25℃凍結過程，后段為20℃融化過程。

圖5 成型非固化防水層屋面結構應變

由圖5a可以看出，9次凍融循環每層結構沿寬向應變變化趨勢大致一致，在凍結過程中，應變呈先升高后降低的趨勢；在融化過程中，鋼筋混凝土層和頁巖粉煤灰層應變呈先升高后降低的趨勢，而水泥砂漿層的應變呈迅速降低然后升高、再降低的趨勢，另外鋼筋混凝土層和頁巖粉煤灰層的曲線走向較接近。隨著凍融循環次數增加，水泥砂漿層收縮應變逐漸變大，可以得出，外界環境導致水泥砂漿層出現很大的收縮應變，達到極限時會引起水泥砂漿層開裂，導致滲水。另一方面，水泥砂漿層與防水層緊密連接，水泥砂漿層的收縮應變使防水層產生拉伸效應，進而引起防水材料開裂。

如圖5b所示，屋面模型沿長向應變的增長趨勢與沿寬向基本一致。隨著凍融循環次數的增加，鋼筋混凝土層和頁巖粉煤灰層的收縮應變逐漸增加，這是由于溫度降低，兩層結構沿長向的收縮程度較大引起的；水泥砂漿層的拉伸應變逐漸降低，收縮應變逐漸上升，這是因為在凍結剛開始時，凍脹程度引起拉伸應變的影響逐漸減弱，而在融化過程中收縮程度引起的收縮應變影響逐漸升高。

如圖6所示，取第9次凍融循環進行分析，通過對比水泥砂漿層沿長向與寬向的應變，可以得出，屋面模型在升溫過程中收縮應變出現極大值，沿寬向收縮應變極大值明顯高于沿長向收縮應變極大值，因此屋面模型水泥砂漿層開裂極有可能是沿寬向的收縮應變引起的。

圖6 水泥砂漿層應變對比

2.2.4屋面模型防水層應變分析

從屋面模型防水層4個應變采集點中選擇1個點，取第8,9次凍融循環過程采集的應變進行分析，兩種屋面模型沿長向和寬向應變的變化趨勢相同。在凍結過程中，應變片測得的沿長向和寬向應變都呈上升趨勢，最后趨于波動狀態，為拉伸應變。

在凍融循環作用下，成型非固化防水層的應變數值約為SBS防水層屋面應變數值的1.9倍。SBS防水層和成型非固化防水層應變如圖7所示。成型非固化防水層的應變數值為水泥砂漿找平層寬向應變的40%左右，為長向應變的11%左右。SBS防水層的應變數值為水泥砂漿找平層寬向應變的20%左右，為長向應變的6%左右。說明試驗采取的屋面結構形式做法中，成型非固化防水層與基層水泥砂漿找平層的變形協調性更好。

圖7 SBS防水層和成型非固化防水層應變

2.3 屋面防水設計及大修建議

2.3.1屋面防水設計建議

通過分析材料試驗和大尺寸模型，防水設計時材料選擇應重點考慮以下特性。

1)變形性能 防水材料在凍融作用下不僅自身發生變形，且基層找平層也產生相對變形，同時材料因自然老化變形性能降低，需保證防水材料在合理的大修周期內變形滿足需求。

2)低溫柔性 青藏高原特殊的氣候條件使防水層溫度變化不以自然年為單位，在強紫外線、大風、低溫、防水卷材吸熱等綜合作用下產生類似于凍融的作用，同時考慮防水層和找平層在氣候作用下可能存在溫度變化滯后現象，需考慮防水材料低溫柔性。

3)強度和自愈性 由于找平層的應變相對較大，在凍融作用下產生開裂損傷的概率較其他結構層大，需要卷材強度抵抗找平層開裂時的穿刺，同時防水層輕微損傷后可自行愈合。

應適當加大屋面排水坡度，平屋面坡度可按5%進行設計。試驗及調研發現，屋面坡度大小對屋面排水影響很大，坡度大的屋面結構排水效果好、積水較少，坡度小的屋面結構排水較差、積水較多。

調研中發現屋面排水系統會加劇防水病害程度，尤其是落水口及天溝部位，設計時需采取凍結落水口及雨水管措施，防止逐步冰凍縮小過水面積或形成冰垅影響排水，建議加大落水口漏斗開口，減少落水管彎頭，落水口的設置應考慮日間日照可達到的地方。

2.3.2屋面防水大修建議

從試驗結果來看，在凍融作用下，防水結構層中水泥砂漿找平層的應變較下部對鋼筋混凝土屋面結構、頁巖粉煤灰找坡層大，也比上部防水層大，為提升防水系統服役性能，需改進水泥砂漿找平層。由于倒置式屋面維修不便，加之細石混凝土面層在防水層上，施工時振搗密實度得不到保證，抗滲性能較低，降水會滲入混凝土中，發生凍害，頻繁凍脹位移拉裂防水層，導致屋面漏水。因此以正置式屋面做法進行分析，從以下方面改進找平層。

1)加設鋼絲網 從試驗數據來看，鋼筋混凝土結構層的應變相對較小，在保溫層作用下凍融影響有所降低，且因鋼筋約束變形，屋面找坡中增設鋼絲網可加強剛度，減少變形。

2)采用延性較好的砂漿材料 雖然砂漿找平層的變形比防水層大，但防水層為彈性體材料，具有非常大的變形性能，因此找平層需避免開裂，減少凍融循環時產生的裂縫損傷防水層。找平層可采用水泥石灰砂漿或聚合物砂漿。聚合物砂漿由水泥、集料和分散在水中的有機聚合物攪拌而成，具有防水抗滲效果好、黏結強度高、耐高濕、耐老化、抗凍性好的特點。在水泥砂漿或聚合物砂漿中摻入聚合物乳液成本增加約300元/m3，按照20mm厚找平層進行計算，每平方米增加成本6元，屬于可接受范圍。

3)適當加密變形縫間距 可在找平層設置變形縫施放因凍融產生的變形。變形縫寬度宜為20mm,采用瀝青膠泥或聚氨酯密封膠嵌縫，變形縫間距需依據防水層與找平層間的變形差距與防水材料性能進行分析確定，但應≤6m。施工變形縫處的防水層應以卷材空鋪搭橋的方式進行加強，避免變形縫磨損防水層。

2.3.3屋面防水大修規則建議

《鐵路運輸房建設備大修維修規則》附表中，屋面使用年限在25年內的綜合維修周期為10年，但青藏線由于自然氣候條件特殊，經過統計分析，青藏線格拉段的大修周期宜為5～6年，因此建議將該段大修周期縮短至6年。房屋、構筑物維修內容及標準沒有考慮自然氣候條件對維修工藝和標準的影響，對格拉段大修的指導意義受限，故維修規則需根據格拉段特點進行補充，尤其是調整維修周期，維修工藝應考慮格拉段自然氣候條件的影響，將無人化監測納入檢查方法中。

3 鋼結構涂層病害損傷機制

鋼結構模型以青藏鐵路格拉段房建工程的鋼結構雨篷為原型，對鋼結構噴涂底漆進行防銹處理，底漆采用環氧富鋅漆1遍，環氧云鐵中間漆2遍；面漆采用氯化橡膠漆2遍，在室外弱侵蝕性環境進行。防銹底漆噴涂完并養護一定時間后，噴涂或刷涂薄型和超薄型防火涂料，噴涂設置3種壓力，以研究不同噴涂壓力對防火涂料黏附性能和抵抗外界不利環境的能力。防火涂料噴涂完全按規范要求，首先進行相容性試驗，經檢驗兩種防火涂料與底漆相容性良好，然后分多遍進行噴涂和刷涂施工，其中薄型防火涂料噴涂5mm，超薄型防火涂料噴涂2mm。

將4種鋼結構涂層(薄型+噴涂+噴涂機正常噴涂壓力、薄型+刷涂、超薄型+噴涂+噴涂機正常噴涂壓力、超薄型+刷涂)和3種材質制作的天溝(鍍鋅板、304不銹鋼板、316不銹鋼板)移入高低溫環境試驗艙中，施加太陽輻射、大風、降雨和凍融循環模擬高原環境氣候條件，觀測鋼結構涂層的病害演化過程。

目前在9次凍融循環作用下，3種材質的天溝表面未生銹。通過觀察H型鋼表面變化情況，發現薄型防火涂料(正常噴涂壓力和刷涂)并未出現涂層剝落、起泡和爆裂問題，而超薄型防火涂料(正常噴涂壓力和刷涂)表面都出現裂縫。超薄型防火涂料焊縫處裂縫如圖8所示。超薄型防火涂料刷涂方式下的裂縫如圖9所示。超薄型防火涂料噴涂方式下腹板處裂縫如圖10所示。

圖8 超薄型防火涂料焊縫處裂縫

圖9 超薄型防火涂料刷涂方式下的裂縫

圖10 超薄型防火涂料噴涂方式下腹板處裂縫

超薄型防火涂料在刷涂和噴涂方式下，鋼結構焊縫處的防火涂料表面均產生裂縫，是由于焊縫處噴涂和刷涂存在施工薄弱處，焊縫處的防火涂料并不能完全保證厚度均勻，不能充分黏結，因此在凍融和太陽輻射等不利條件下產生裂縫。

試驗中刷涂防火涂料的裂縫大部分呈豎向且分散性分布，裂縫大部分是豎向分布，而噴涂防火涂料的裂縫呈放射狀分布，這是由于施工過程中，防火涂料經噴槍呈霧狀均勻噴射到鋼結構表面，使得一次施工完成后的防火涂料整體性較好，產生裂縫時呈均勻放射狀，而由于刷涂方向變動和不均勻性，導致防火涂料整體性較差，裂縫位置較分散，趨于刷涂方向。因此，施工過程中建議采用噴涂方法。另一方面原因為正負溫交替變化，導致鋼結構和防火涂料膨脹與收縮變形，從而產生裂縫。正溫時雨水噴霧中少量水分進入防火涂料中，當負溫時水分結冰體積變大，引起脹裂；太陽輻射使防火涂料表面一直處于高溫，不僅降低防火涂料的黏附力，且正溫噴霧時，防火涂料被潤濕，表面高溫使水分迅速蒸發，導致表面開裂。風將防火涂料的水分迅速帶走導致裂縫。

4 給排水管道病害損傷機制

以青藏鐵路格拉段房建工程給排水管道系統為原型，加工給排水管道大尺寸構件(管道內充滿水，有集水井)，將構件埋設于可三向控溫的模型試驗槽土層內，考慮地層分層、管道接口、保溫和地下水位等因素，在模型構筑過程中布設溫度、水分傳感器。模型加工完成后，置于高低溫環境試驗艙內，施加環境溫度、底板溫度和地下水等因素，觀測給排水管道內外、土層溫度、水分及病害演化過程。管道布置如圖11所示，模型槽剖面如圖12所示。

圖11 管道布置

圖12 模型槽剖面

管道外包保溫材料為工況1；工況2～4是在工況1的基礎上，利用熱媒控制管道內溫度分別為1，3，5℃工況1～4均采用聚氨酯、酚醛泡沫保溫。

選取模型中心位置，提取工況1不同天數土體地溫隨深度變化的計算結果，對比現場監測數據，以驗證地溫傳遞情況和模型可靠性，如圖13所示。分析計算周期內的110d(地表溫度全年最高時刻)、200d(地表正溫變負溫時刻)、270d(地表溫度全年最低時刻)計算結果發現，在深度1～2m的計算值與實測值存在一定差異，主要由于此深度為管道埋設深度，對地溫傳遞產生一定影響，但誤差未超過0.5℃，因此，計算結果可信，模型可靠。

圖13 地溫隨深度變化曲線

通過分析發現僅采用管道保溫措施時，在土體凍結期內管道溫度為負值，即該措施無法保證管道內流體不發生凍結。在管道保溫基礎上結合管道內流體加熱，使管道在凍結期內仍保持正溫，具體溫度變化情況需結合溫度等值線做進一步分析。

不同工況270d(地表溫度最低時刻)溫度等值線和凍結線如圖14所示。圖14a，14b中管道熱媒維持溫度為1℃時，凍結線存在于保溫層內，可保持管道內溫度在1℃左右。隨管道溫度升高(見圖14c～ 14f)，0℃凍結線逐漸過渡到管道周圍土體，管道內流體溫度可維持正溫，不發生凍結。

圖14 270d的溫度等值線和凍結線

由于管道內設置熱媒升溫，導致管道周圍土體凍結、融化狀態發生變化，因此，對兼顧防凍效果和經濟效益熱媒溫度的確定，還需結合管道周圍土體的凍脹變形展開分析。

5 服役性能評價體系

5.1 服役性能評價體系建立

構筑物服役性能評價方法基本上分為半定量經驗和非確定性分析方法。半定量經驗分析法難以采用數學模型，導致結果差異性較大；非確定性分析方法彌補上述缺陷，最具代表性的非確定性分析方法為模糊綜合評判法，具有結果清晰、系統性強的特點，能較好解決模糊、難以量化的非確定性問題。同時，僅通過層次分析法結合模糊綜合評判法存在未考慮因素層各因素間關系的弊端，使評價結果可信度不高。為此，利用層次分析法(AHP)結合模糊數學理論，在充分考慮所有影響服役性能因素的基礎上，基于系統可靠度評價和分析青藏鐵路格拉段房建工程服役性能。

影響青藏鐵路格拉段房建工程服役性能的因素很多，具有模糊、難以量化的特點，符合模糊數學理論要求。采用模糊綜合評判法，即模糊數學理論，對該房建工程服役性能進行評價和分析的關鍵步驟之一就是建立全面性、模糊性和層次性的評價指標體系，建立病害類型為準則層，如圖15所示。

圖15 服役性能評價體系

5.2 屋面防水技術性能評價體系建立

影響屋面防水服役性能的主要方面為準則層，準則層的具體病害特征為因素層(隸屬于準則層)的服役性能評價指標體系，如圖16所示。

圖16 屋面防水技術性能評價體系

對噴涂速凝防水涂料、成型非固化防水涂料、噴涂&成型非固化、SBS防水卷材運用層次分析法進行分析，如圖17所示。

圖17 層級結構模型

判斷矩陣以4種防水做法的適用性試驗結果為主要參考，其中溫差主要考慮拉伸性、不透水性；低溫主要考慮彎折性和低溫柔性；強風考慮黏滯性；紫外線考慮耐候性，結合專家打分進行確定。通過分析計算，準則層權重如表2所示。年凍融循環次數C12權重為0.403 8，紫外線強度C41權重為0.149 5， 日溫差C11權重為0.134 6，瞬時大風頻次C32權重為0.133 5，風力等級C31權重為0.066 8，年低溫C21權重為0.054 6，年日照天數C42權重為0.029 9，年低溫天數C22權重為0.027 3。噴涂&成型非固化權重為0.378 9，SBS防水卷材權重為0.273 3，噴涂速凝防水涂料權重為0.231 5，成型非固化防水涂料權重為0.116 2。

表2 準則層權重

根據綜合評價，4種防水方案在青藏鐵路格拉段房屋建筑工程中的適應性順序為噴涂&成型非固化>SBS、防水卷材>噴涂速凝防水涂料>成型非固化，與試驗結論一致。

6 結語

青藏鐵路沿線房建工程病害問題是由材料性能、工藝特點、使用狀態、特殊自然氣候條件等綜合作用導致的。病害類型多、發生機制復雜，溫差、低溫、強風、紫外線及凍土作用使房屋病害頻發。通過對青藏線格拉段病害采取調研、大尺寸試驗、數值仿真模擬等手段，揭示部分病害產生的根源，以構建服役性能評價體系。在屋面防水病害研究的基礎上，進一步完善鋼結構涂層、給排水管道、外圍護體系病害的研究，揭示病害產生機制，提出維修建議。