無砟軌道支承層混凝土損傷機理分析

楊懷志 劉學文 楊志強

1.京滬高速鐵路股份有限公司，北京100038；2.東南大學，南京210089

鐵路工程的混凝土結構在高速列車荷載下服役，而且受環境中各種因素的影響。荷載與環境因素的耦合作用導致混凝土耐久性問題十分突出。目前，我國高速鐵路整體運營狀態良好。但是，在日常巡查過程中發現個別地段無砟軌道支承層混凝土出現了表面剝落粉化等問題［1-2］。鐵路工程混凝土出現耐久性問題會嚴重影響高速列車的安全運行，開展高速鐵路混凝土的劣化機理研究十分必要［3-6］。

研究高速鐵路無砟軌道支承層混凝土損傷劣化行為，探明支承層混凝土損傷劣化機理，對于預防其他目前仍然正常服役混凝土出現耐久性問題，實現損傷混凝土從“事后修”到“預防修”有重要的現實意義。本文以國內一高速鐵路為背景，通過對支承層混凝土現場取樣，測試其水化產物的pH值，進行X射線衍射、孔結構及氣泡特征參數分析，并結合當地近年來的氣象資料，探究支承層混凝土破壞的主要原因。

1 試驗方案

一高速鐵路運營約10年，整體運行狀況良好，個別地段現場支承層混凝土呈現不同的服役狀態。有些部位僅是表層剝落而內部混凝土無損傷，極個別部位支承層混凝土出現損傷，而現場大部分支承層混凝土呈現完全健康的服役狀態，如圖1所示。

圖1 一高速鐵路支承層混凝土服役現狀

1.1 現場鉆芯取樣

選取現場一處損傷支承層混凝土進行鉆芯取樣，標記為SS1；在鄰近位置另一塊軌道板處選取損傷支承層混凝土進行鉆芯取樣，標記為SS2。在現場鄰近位置選取健康支承層混凝土進行取樣，標記為JK1。樣品直徑約10 mm，高約20 mm。

將芯樣沿橫截面平均切割成4個區段，每個區段厚約5 mm。以健康支承層混凝土芯樣JK1為例，由外而內依次標記為JK1-1、JK1-2、JK1-3、JK1-4，其中外側即與空氣接觸的一側。SS1、SS2以此類推。

1.2 試驗分析

1.2.1 水化產物pH值測試

從切割后的混凝土樣品中切取一部分，去除粗骨料后進一步破碎，過200目篩獲得水化產物粉體。將粉體樣品置于40℃烘箱中烘干至恒重。準確稱取1.0 g烘干后的樣品，置于150 mL塑料瓶中，加入50 mL去離子水，密封后搖晃均勻，在20℃環境中靜置2 d。測試前，將混合溶液搖晃，靜置片刻后取上層清液，使用pHS-3C型酸度計測試清液pH值。

1.2.2 X射線衍射分析

進行X射線衍射（X-ray Diffraction，XRD）分析時，采用的試驗樣品為過200目篩并烘干至恒重的粉末樣品。試驗儀器為德國Bruker 08 Advance X射線衍射儀，X射線掃描角度2θ=5°～70°，掃描速度4.0°/min。

1.2.3 孔結構分析

采用壓汞法（Mercury Intrusion Porosimetry，MIP）進行孔結構分析。壓汞試驗的原理是把多孔材料內部連通孔中的氣體抽出，然后在外壓作用下使汞填充孔隙。壓入材料中的汞量與孔徑的大小及分布情況有關，孔越小，所需壓力越大。

從切割后的混凝土樣品中切取一部分，去除粗骨料，獲得直徑約2 mm的砂漿顆粒。采用PoreMaster GT 60壓汞儀進行測試。該儀器包括低壓和高壓站口各2個，低壓為1.5～350 kPa，高壓為140～420 MPa，可測量直徑在0.003 5～400μm內變化的孔容。

1.2.4 硬化混凝土氣泡特征參數

參照ASTM C457Standard Tes t Met hod f or Microscopi cal Determi nati on o f Par ameter s of th e Ai r-Voi d System i n Har dened Concrete（《顯微鏡測定硬化混凝土氣孔參數試驗方法》），采用高清攝像頭自動掃描系統與圖像分析軟件二合一的全自動儀，分析混凝土芯樣的氣孔特征參數。本試驗采用MIC-840-01型硬化混凝土氣孔結構分析儀。

將切割后的支承層混凝土芯樣磨片、拋光、刷黑、涂白后，置于硬化混凝土氣泡特征參數測定儀下，采用直線導線法進行分析測試。

2 試驗結果及分析

2.1 水化產物p H值

混凝土發生碳化反應時，空氣中的CO2與水化產物Ca（OH）2發生化學反應生成CaCO3，水化產物pH值降低。芯樣JK1、SS1、SS2的水化產物pH值結果見圖2。作為對比，測試了本實驗室近期成型的C30混凝土水化產物pH值，結果為11.4。由圖2可知：①健康支承層混凝土芯樣JK1的水化產物pH值在11.1～11.3，且由外側至內側pH值變化不大。②有損芯樣SS1的水化產物pH值在10.7～11.3，略低于鄰近位置健康服役狀態的混凝土芯樣，且由外側至內側pH值隨深度增加而逐漸增大，表明此處混凝土符合碳化侵蝕損傷特征。③對于有損芯樣SS2，其內側混凝土的水化產物pH值大于外側，也顯示了碳化侵蝕損傷特征。

圖2 水化產物芯樣pH值

圖4 有損支承層混凝土芯樣SS1的XRD圖譜

2.2 XRD分析

芯樣JK1、SS1、SS2的水化產物XRD測試結果見圖3—圖5。可知：①芯樣JK1和SS1均出現了鈣礬石和石膏的衍射峰，且氫氧化鈣的衍射峰強度很低，碳酸鈣衍射峰強度很高，表明這兩組樣品均經歷了充分的碳化過程。②對于芯樣SS2，外側混凝土（SS2-1、SS2-2）中氫氧化鈣的衍射峰強度低于內側混凝土（SS2-3、SS2-4），表明外側混凝土受到了一定程度的碳化侵蝕，而內側混凝土受碳化侵蝕較少。③3組樣品水化產物中均未出現明顯的硫酸鹽侵蝕特征產物，可排除硫酸鹽侵蝕導致的混凝土損傷。

圖3 健康支承層混凝土芯樣JK1的XRD圖譜

圖5 有損支承層混凝土芯樣SS2的XRD圖譜

2.3 MIP孔結構分析

芯樣JK1和SS1不同區段的平均孔徑及孔隙率見表1。

表1 混凝土芯樣平均孔徑和孔隙率

由表1可知：①支承層混凝土平均孔徑在75.4～134.0 nm，孔隙率大于28%，表明此支承層混凝土內部密實程度較低。②對于健康支承層混凝土，與外側的JK1-1相比，位于內側的JK1-3平均孔徑降低了13.6%，孔隙率相對降低16.3%；對于有損支承層混凝土，與外側的SS1-1相比，位于內側的SS1-3平均孔徑降低了43.7%，孔隙率相對降低17.8%。這表明在超過10年的列車動荷載和環境因素耦合作用下，部分支承層混凝土孔結構已發生破壞，混凝土宏觀表現出損傷狀態。

2.4 混凝土氣泡特征參數

芯樣JK1、SS1、SS2的氣泡特征參數見表2。可知：健康混凝土芯樣JK1含氣量較高，氣泡間距系數較小，而有損混凝土芯樣SS1、SS2含氣量較低，氣泡間距系數較大。研究表明，普通混凝土抗凍性主要與其抗壓強度和氣泡間距系數相關［2，7-9］。損傷支承層混凝土氣泡間距系數較大而健康混凝土氣泡間距系數較小，說明凍融循環作用可能是導致支承層混凝土發生破壞的主要原因。

表2 支承層混凝土氣泡特征參數

3 氣象資料調研

為研究凍融循環作用對支承層混凝土造成的損傷，對該高速鐵路建成前后當地近20年主要氣象資料進行了調研。

3.1 冬季負溫天數

1999—2018年冬季日最低氣溫為負的天數統計結果見圖6。可知，高速鐵路建成前（1999—2008年）年均負溫天數為34.3 d，建成后（2009—2018年）年均負溫天數為50.0 d，增加了45.8%。高速鐵路建成后，由于暴雪等極端天氣頻發，冬季負溫天數明顯增加，無砟軌道混凝土凍融損傷風險增加，加速了支承層混凝土的損傷劣化。

圖6 1999—2018年冬季負溫天數

3.2 負溫天氣降水量

1999—2018年冬季負溫天氣降水量統計結果見圖7。可知，高速鐵路建成前年均負溫天氣降水量為24.0 mm，建成后為32.1 mm，增加了34.0%。特別地，2017年冬季負溫天氣降水量達到77.2 mm，遠高于平均水平，大大增加了無砟軌道混凝土凍融損傷破壞。

圖7 1999—2018年冬季負溫天氣降水量

3.3 降雪天數

1999—2018年的年降雪天數見圖8。可知，高速鐵路建成前年均降雪天數為9.5 d，建成后為9.0 d，與建成前相比減少了0.5 d。但是，2018年冬季降雪天數為16 d，遠超平均水平。降雪天數的增加，也增加了無砟軌道混凝土凍融損傷的風險。

圖8 1999—2018年冬季降雪天數

4 結論及建議

混凝土材料耐久性損傷主要有碳化侵蝕、氯離子侵蝕、硫酸鹽侵蝕、堿骨料反應、凍融損傷等，基于現場取得的混凝土芯樣試驗分析結果及混凝土耐久性破壞機理與特征，可排除化學侵蝕引起的支承層混凝土耐久性損傷。考慮到在高速鐵路建成前后，冬季負溫天數及負溫天氣降水量的急劇增加，混凝土強度本身波動較大，判斷凍融循環引起的混凝土損傷是混凝土損傷劣化的主要原因。

針對不同損傷程度的混凝土，建議采取不同的整治措施。對于表層輕微損傷混凝土，建議采取表層修補的方法進行加固，以延緩混凝土的進一步損傷，并應時刻注意其損傷發展。對于中等損傷程度的混凝土，建議采取修補砂漿加固的方式進行強化，以保證混凝土服役性能。對于損傷較為嚴重的混凝土，建議采取整體置換的方式，采用新的混凝土進行完全替換。在新配制的混凝土中，建議提升其強度等級，適當增加混凝土含氣量并保證混凝土施工質量，提升混凝土抗凍性能，從而保障高速鐵路的安全運營。