混凝土枕螺旋道釘錨固材料應用現狀

李世達 李保國 方杭瑋 程冠之 韓寶劍 舒雙爐 夏思盟

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司烏魯木齊高鐵維修段，烏魯木齊 830002；3.雄安高速鐵路有限公司，河北保定 071700）

我國扣件研發初期，采用木栓聯結方式將螺旋道釘固定于軌枕中，但存在聯結不牢固、絕緣性能不足、抗拔強度不足等諸多問題。為解決這些問題，我國于1959年開始螺旋道釘硫磺砂漿錨固技術的研究，并獲得了鐵路技術的重大創新成果［1]。硫磺砂漿錨固解決了道釘錨固技術難題，具有錨固強度高、絕緣性能好、造價低、作業簡單、便于更換等優點［2-3]。但錨固作業時須將硫磺砂漿錨固劑加熱熔融，錨固劑中所含的化學物質在高溫條件下會產生大氣污染物，對環境造成影響，且施工現場須有明火，會帶來一定的防火安全隱患。近年來，隨著我國環保要求日益提高，這種作業方式越來越受到限制。為滿足環保要求研究了替代硫磺砂漿錨固劑的多種材料，如水泥砂漿錨固劑、樹脂砂漿錨固劑等［4-5]。但由于無相應標準規范，且使用時出現過一些問題，故尚未能大面積推廣應用。

針對采用不同錨固劑錨固的典型區段混凝土枕開展現場調研，以確認各類型錨固劑的實際服役狀態。本次調研的成果有望為我國新線軌枕鋪設與既有線軌枕養護維修方案提供相應依據，并為研發或優化新型錨固材料提供重要參考。

1 線路基本情況

考慮不同的錨固劑類型和服役時間，本次調研選取了京滬（北京—上海）鐵路、大秦（大同—秦皇島）鐵路、侯月（侯馬—月山）鐵路、京九（北京—九龍）鐵路、西長（北京西站—長陽線路所）鐵路、（北京地鐵）房山線（東管頭南站—閻村東站）、京原（北京—原平）鐵路、滬昆（上海—昆明）鐵路和京廣（北京—廣州）鐵路共9條線路。各線路的基本情況見表1。

表1 調研線路基本情況

參照Q/CR 352—2016《混凝土枕螺旋道釘錨固》中采用硫磺砂漿進行錨固的相關要求，除精度外，螺旋道釘錨固還有抗拔力、絕緣性能、疲勞性能等指標要求。其中，錨固后的螺旋道釘抗拔力要求不小于60 kN，且抗拔力試驗后螺旋道釘周圍無肉眼可見裂紋；錨固后兩螺旋道釘間的絕緣電阻值要求不小于1.2×105Ω［6-7]；錨固后螺旋道釘應進行2×106次疲勞試驗，要求疲勞試驗后螺旋道釘周圍無肉眼可見裂紋。本次調研參照Q/CR 352—2016 中規定的方法對道釘抗拔力和道釘間的絕緣電阻進行實地測量。

2 硫磺砂漿錨固

硫磺砂漿錨固是將水泥、硫磺、砂子、石蠟按一定配合比混合加熱制得硫磺砂漿，在熔融狀態下注入軌枕預留孔中，降溫后即可實現螺旋道釘固定。硫磺砂漿錨固有一個獨特優勢，即當被錨固的螺旋道釘發生損壞時，可通過將硫磺砂漿加熱重熔的方式取出道釘重新錨固，而且重熔的硫磺砂漿使用效果不變。但是，硫磺砂漿在140 ～160 ℃高溫熬制過程中須使用明火，而且會產生大量酸性氣體和有毒煙霧。

2.1 原材料性能及要求

1）水泥應選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。堿含量不應大于0.6%，三氧化硫含量不應大于3.0%。

2）砂子粒徑不應大于2 mm，含泥量按質量計不應大于1.5%。不應使用具有堿-碳酸鹽反應活性或砂漿棒膨脹率（快速法）大于或等于0.2%的堿-硅酸鹽反應活性的砂子。

3）硫磺一般為粉狀或塊狀Ⅱ-Ⅲ級工業用硫磺，含硫量應在95%以上。配制前打成均勻碎塊。如受潮，應在配制前干燥。

4）石蠟為一般工業用石蠟，配制前要打成碎塊。

5）水泥、硫磺、砂子、石蠟的質量比為1∶2∶3∶0.06或（0.3 ～0.6）∶1∶（1 ～1.5）∶0.03。在滿足錨固性能要求的條件下，可根據原材料、環境溫度、灌注作業要求等因素對原材料比例進行適當調整。

2.2 錨固工藝及要求

硫磺砂漿錨固工藝參照Q/CR 352—2016 附錄A。

2.2.1 錨固作業前準備工作

1）逐根軌枕逐孔檢查軌枕預留孔內壁凹坑狀況。必要時應進行測量，預留孔有凹坑部分的深度范圍應大于螺旋道釘埋深10 mm，單個凹坑深度不宜小于2 mm。

2）應將軌枕預留孔內壁和螺旋道釘表面清理干凈并保持干燥，螺旋道釘表面不應黏附泥土等雜物。遇下雨時不宜進行錨固。

3）當氣溫低于0 ℃時，應適當加熱預留孔周圍混凝土和螺旋道釘。

2.2.2 錨固劑熔制及錨固作業步驟

1）根據作業量，按配合比和一次熔制量稱量各種材料。

2）先將砂子放入鍋內，炒拌加熱至100 ～120 ℃，再將水泥放入鍋內攪拌加熱至130 ℃左右，最后將硫磺和石蠟放入鍋內，繼續文火加熱攪拌，直至拌和融熔物中殘余水分完全揮發，不再出現氣泡，且溫度應達到150 ～170 ℃后方可使用。

3）采用能滿足螺旋道釘錨固定位精度要求的工裝，保證在錨固劑凝固前，螺旋道釘在預留孔內準確定位。

4）灌注錨固劑時，錨固劑表面與承軌面的高差應滿足質量要求，當錨固劑灌注量不足時，應補灌。

5）螺旋道釘錨固后，應清除留存在混凝土軌枕承軌面上的硫磺砂漿殘渣。

6）按要求涂刷絕緣防銹材料。

2.3 現場應用情況

當前我國絕大部分普速鐵路及部分重載鐵路的螺旋道釘采用硫磺砂漿錨固的方式，本次選取了客運量較大的普速線路京滬線和貨運量較大的重載線路大秦線作為調研線路，如圖1所示。

圖1 硫磺砂漿錨固劑使用狀態示例

2.3.1 京滬線

線路運行列車以普速客車為主，行車密度較大。硫磺砂漿錨固軌枕已使用20年，總體使用狀態良好。除部分螺旋道釘由于客車廁所排水原因銹蝕嚴重外，硫磺砂漿錨固劑未發現開裂、剝落現象。根據現場工務歷史資料，該調研區段至今未出現過紅光帶現象，絕緣性能滿足線路要求。現場隨機抽取了2根螺旋道釘進行了抗拔力測試，滿足抗拔力不小于60 kN 的要求。

2.3.2 大秦線

調研區段位于摩天嶺隧道重載線出口方向，曲率半徑R=600 m，線路運行列車主要為貨車C70和C80，軸重約25 ～27 t。年運量約4.5億t。硫磺砂漿錨固的軌枕已使用7年，使用狀態基本良好。根據現場工務歷史資料，大秦線上采用硫磺砂漿錨固劑且不受粉煤灰影響的地段未出現過紅光帶現象，絕緣性能滿足線路要求。現場隨機抽取了2根螺旋道釘進行了抗拔力測試，滿足抗拔力不小于60 kN的要求。

3 水泥砂漿錨固

水泥砂漿錨固劑具有無污染、施工方便、快凝早強、低收縮、不破壞混凝土微觀結構、不會腐蝕道釘表面等優點。使用水泥砂漿錨固劑進行錨固作業時無須加熱，可帶水作業，固化體耐久性良好，克服了傳統硫磺砂漿錨固劑作業時須加熱施工、勞動條件差、環境污染嚴重等缺點，而且其固化體的抗壓強度、抗拔力、抗扭轉力矩等主要技術指標均優于硫磺砂漿錨固。但水泥砂漿錨固的最大缺點是潮濕環境絕緣電阻相對較低，不易滿足Q/CR 352—2016 中1.2×105Ω的潮濕絕緣電阻值要求。由于國內尚無相應的技術標準，導致部分廠家生產的水泥砂漿錨固劑在現場使用過程中出現軌道絕緣性能不足的問題。因此，水泥砂漿錨固劑未能在鐵路軌道中大規模推廣使用。

3.1 原材料性能及要求

1）早期抗壓強度：錨固劑在0 ～10 ℃環境中固化1 h 后的抗壓強度應大于30 MPa，在高于20 ℃的環境中固化1 h 后的抗壓強度應大于50 MPa，且后期強度不下降，固化28 d后抗壓強度應大于60 MPa。

2）抗折強度：標準條件下，錨固劑固化28 d 后的強度應大于12 MPa。

3）原材料中易引起軌枕內鋼筋和螺旋道釘發生腐蝕的氯化物、硫磺、硫化物等有害物質的含量應低于相關標準要求。

4）絕緣性能：標準條件下，錨固劑固化2 d 后，組裝體絕緣電阻值不小于120 kΩ。

3.2 錨固工藝及要求

1）按配合比要求稱量各種原材料。水泥砂漿錨固劑的粉體組分既可與清水混合進行攪拌，也可與配套抗水劑（乳液）進行攪拌。采用清水攪拌時，水灰比為0.14 ～0.16；采用乳液攪拌時，水灰比為0.16。

2）粉體與相應的乳液或清水充分拌和均勻，拌和時間控制在3 min以內，拌和均勻后使用。

3）利用木塞或黏土堵住軌枕預留孔下部，保證木塞或填土上表面距承軌面距離不小于螺旋道釘下部長度。

4）采用能滿足螺旋道釘錨固定位精度要求的工裝，保證在錨固劑凝固前，螺旋道釘在預留孔內準確定位。

5）灌注錨固劑時，錨固劑表面與承軌面的高差應滿足質量要求，當錨固劑灌注量不足時應補灌。

6）螺旋道釘錨固后，應清除留存在混凝土軌枕承軌面上的水泥砂漿殘渣。

7）按要求涂刷絕緣防銹材料。

3.3 現場應用情況

在我國環保要求較高的地區，不能采用硫磺砂漿錨固。因此，部分普速鐵路的個別區段在換鋪軌枕時采用了水泥砂漿錨固劑。本次主要調研了侯月線、京九線、西長線、房山線和京原線中采用水泥砂漿錨固劑的區段，如圖2所示。

圖2 水泥砂漿錨固劑使用狀態示例

3.3.1 侯月線

調研區段為曲率半徑R=2000 m 的重載鐵路，運行貨車主要為C60和C70E，最大軸重約25 t，速度80 km/h。年運量約8000 萬t。采用水泥砂漿錨固劑的軌枕鋪設長度約800 m（上行線）。全部軌枕的螺旋道釘在線下錨固，錨固時一次排放1200 根軌枕，承軌面上多余的錨固劑未清除，也未涂絕緣防銹涂料。自換枕以來，未出現過抗拔力不足、軌道絕緣電阻不足、螺旋道釘松退等問題，整體使用狀態良好。現場測試了4 根螺旋道釘的抗拔力，加載至60 kN 保持3 min 后，螺旋道釘周圍未出現裂紋，滿足抗拔力要求。

3.3.2 京九線

調研區段為直線路基地段，運行列車以普速客車和P64，P70貨車為主，年運量約80 萬t。原道釘采用硫磺砂漿錨固劑錨固，2018年4月大修換枕時，K263+200—K263+450區段上下行線路全部更換為采用水泥砂漿錨固劑的新軌枕。全部軌枕在線下錨固，未涂絕緣防銹涂料，錨固完成并放置15 d 后進行線上鋪設。螺旋道釘錨固質量較好，扣件整體安裝及使用狀態良好。但線路絕緣性能不足，一度出現過紅光帶問題，后來通過提高軌道電壓的方式解決軌道信號問題。現場測試了4 根螺旋道釘的抗拔力，加載至60 kN 保持3 min 后，螺旋道釘周圍未出現裂紋，滿足抗拔力要求。

3.3.3 西長線

調研區段為緩曲線段（接R=800 m圓曲線），運行列車以普速客車和21 t軸重貨車為主。由于普速客車廁所直排致使軌道外側道釘銹蝕嚴重，工務段2018年6月對K17+000—K32+500 區段上下行線路鋼軌外側的螺旋道釘進行改錨。將舊道釘鉆出后，采用水泥砂漿錨固劑錨固新的道釘。改錨作業在線上進行，錨固劑固化24 h 后緊固扣件，未涂絕緣防銹涂料。改錨后整體使用狀態良好，未出現過絕緣電阻偏低情況，推測是因為僅更換了鋼軌外側的螺旋道釘，內側仍然為硫磺砂漿錨固。現場測試了5 根螺旋道釘的抗拔力，其中，4 根滿足抗拔力不小于60 kN 的要求，1 根螺旋道釘在加載至30 ～40 kN時被拔出。

3.3.4 京原線

調研區段在南觀村隧道內，長度710 m。該線路運行列車以21 t軸重貨車為主，速度80 km/h。2018年11月更換采用水泥砂漿錨固劑的寬枕，道釘由豐懷軌枕廠在廠內錨固，錨固狀態良好，承軌面無多余錨固劑，未涂絕緣防銹涂料。至今未出現過抗拔力不足、絕緣電阻不足、螺旋道釘松退等問題，整體使用狀態良好。現場測試了5根螺旋道釘的抗拔力，加載至60 kN保持3 min后，螺旋道釘周圍未出現裂紋，滿足抗拔力要求。

3.3.5 房山線

調研區段無軌道電路，運行列車以21 t 軸重貨車為主，少量客車。2018年11月換枕大修時采用水泥砂漿錨固劑。如圖3 所示，由于錨固時未采用支架固定道釘，而是人工手扶道釘固定，錨固后的螺旋道釘普遍存在歪斜現象，且軌枕承軌面上殘留多余的錨固劑，致使一些扣件部件無法安裝到位。現場測試了4根螺旋道釘的抗拔力，加載至60 kN 保持3 min 后，螺旋道釘周圍未出現裂紋，滿足抗拔力要求。

圖3 房山線水泥砂漿錨固道釘病害

4 樹脂砂漿錨固

樹脂砂漿錨固劑具備錨固強度高、操作工藝簡單、無污染等優點，還具有良好的潮濕絕緣性能，綜合性能較優異，已廣泛應用于植筋錨固等領域。但目前在線路上使用的樹脂砂漿錨固劑還存在一些不足，如低溫凝固時間較長、成本較高等。其存在與水泥砂漿錨固劑類似的問題，即國內尚無相應技術標準，不同廠家生產的樹脂砂漿錨固劑性能不一，故尚未大量應用。

4.1 原材料性能及要求

現場采用的樹脂砂漿錨固劑，原材料主要包括樹脂基料、固化劑和石英砂。

1）抗壓強度：標準環境下固化2 h 后抗壓強度不小于40 MPa。

2）抗折強度：標準環境下固化2 h 后抗折強度不小于5 MPa。

3）有害物質含量：鎘小于75×10-6，鉛小于800×10-6，汞等于0，六價鉻小于1000×10-6，多溴聯苯與多溴二苯醚之和小于500×10-6。

4）耐久性要求：耐酸性介質作用（濃度為5%的H2SO4溶液，（35±2）℃，浸泡30 d），錨固劑與混凝土的正拉黏接強度不小于1.2 MPa 或混凝土破壞；耐堿性（Ca（OH）2飽和溶液，（35±2）℃，浸泡60 d）錨固劑與混凝土的正拉黏接強度不小于1.2 MPa；耐鹽水浸泡作用（海水或人造海水，（35±2）℃，浸泡90 d），錨固劑與混凝土的正拉黏接強度不小于1.2 MPa。

4.2 錨固工藝及要求

1）根據施工量需求，按樹脂基料：固化劑：石英砂=15∶5∶80的配合比稱量各種原材料。

2）將樹脂基料、固化劑與石英砂按比例混合均勻。

3）利用木塞或黏土堵住軌枕預留孔下部，保證木塞或填土上表面與承軌面距離不小于螺旋道釘下部長度。

4）采用能滿足螺旋道釘錨固定位精度要求的工裝，保證在錨固劑凝固前，螺旋道釘在預留孔內準確定位。

5）灌注錨固劑，錨固劑表面與承軌面的高差應滿足質量要求，當錨固劑灌注量不足時，應補灌。

6）螺旋道釘錨固后，應清除干凈留存在混凝土軌枕承軌面上的錨固砂漿殘渣。

7）在25 ℃環境溫度下，錨固完成4 h 后可上線使用；溫度低于25 ℃時完全固化時間將相應延長。

4.3 現場應用情況

在環保標準和軌道絕緣性能要求均較高的普速線路，個別區段在換鋪軌枕時采用了樹脂砂漿錨固劑，本次主要調研了滬昆線、京廣線、房山線和京滬線采用樹脂砂漿錨固劑的區段，如圖4所示。

圖4 樹脂砂漿錨固劑使用狀態示例

4.3.1 滬昆線

調研區段曲率半徑R=6000 m，超高45 mm，客貨共線，客車與貨車比例約為60∶51。客車最高速度160 km/h；貨車主要為C70，軸重23 t。年運量約6000萬t。2012年12月，由于線路道釘銹蝕嚴重，換鋪采用樹脂砂漿錨固劑的軌枕，長度約1 km。發現現場道釘根部錨固劑表面有稍微的粉化、脫落等現象，承軌面多余錨固劑未清除。至今未出現過絕緣性能不足和紅光帶現象。但現場發現有3 根道釘處于失效狀態，可輕易取出，推測是由于現場施工時樹脂砂漿錨固劑各組分比例配置不當或錨固材料在長時間服役條件下發生老化而造成的［8]。現場測試了3 根螺旋道釘的抗拔力，加載至60 kN 保持3 min后，道釘周圍未出現裂紋，滿足抗拔力要求。

4.3.2 京廣線

調研區段為客貨共線，貨車軸重21 t。2018年11月大修換枕時采用樹脂砂漿錨固劑錨固道釘。現場共換鋪約3600 根軌枕。目前整體使用狀態良好，未出現過抗拔力不足、絕緣電阻偏低、螺旋道釘松退等問題。測試了3 根螺旋道釘的抗拔力，加載至60 kN 保持3 min后，道釘周圍未出現裂紋，滿足抗拔力要求。

4.3.3 房山線

調研區段無軌道電路。運行列車以21 t軸重貨車為主，少量客車。2018年11月換枕大修時采用水泥砂漿錨固劑。施工進行至12月份時，由于嚴寒天氣下水泥錨固劑施工困難，因此換用樹脂砂漿錨固劑。由于錨固時未采用支架固定道釘，而是人工手扶道釘固定，錨固后的螺旋道釘普遍存在歪斜現象，且軌枕承軌面上殘留多余的錨固劑，致使一些扣件部件無法安裝到位。目前整體使用狀態良好，未出現過抗拔力不足和螺旋道釘松退等問題。現場測試了4根螺旋道釘的抗拔力，加載至60 kN 保持3 min 后，道釘周圍未出現裂紋，滿足抗拔力要求。

5 結論和建議

1）硫磺砂漿錨固劑整體使用狀態良好，滿足現場使用要求，但由于環保要求的提升，使用范圍受限。

2）水泥砂漿錨固劑凝固速度快，現場施工便捷，其螺旋道釘抗拔力基本滿足要求。但個別廠家生產的水泥砂漿錨固劑絕緣性能較差，導致軌道電路絕緣性能不足。

3）樹脂砂漿錨固劑絕緣性能優良，但目前所調研產品的凝固速度受氣溫影響較大，滿足抗拔力要求所需時間較長，材料耐久性還有待進一步驗證。

4）建議加快制定相應的技術條件，以規范產品質量；加強施工人員培訓，規范施工作業。