馬昆林，龍廣成，謝友均

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410075;2.中南大學(xué) 高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長(zhǎng)沙 410075)

鐵路混凝土預(yù)制構(gòu)件通常采用常壓60 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝，借助蒸汽的熱濕作用促進(jìn)混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展，從而滿足預(yù)制構(gòu)件快速生產(chǎn)的要求。與現(xiàn)場(chǎng)澆筑的常溫養(yǎng)護(hù)混凝土構(gòu)件相比，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝生產(chǎn)的混凝土預(yù)制構(gòu)件在快速獲得早期強(qiáng)度的同時(shí)，常存在一些不可忽視的宏觀、微觀等多尺度質(zhì)量缺陷，如表層裂縫、腫脹變形、內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)粗化、脆性增大以及延遲鈣礬石反應(yīng)等，研究表明這些缺陷通常與蒸汽濕熱養(yǎng)護(hù)有關(guān)[1-5]，本文中統(tǒng)稱為蒸養(yǎng)熱傷損。

國(guó)內(nèi)外很多工程實(shí)踐[6-8]證明，混凝土蒸養(yǎng)過程中的熱傷損效應(yīng)將嚴(yán)重影響蒸養(yǎng)混凝土的服役性能和耐久性能，甚至造成安全隱患。如美國(guó)舊金山海灣San Mateo大橋的蒸養(yǎng)混凝土預(yù)制梁在服役17年后，出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕破壞以至于必須進(jìn)行修補(bǔ)處理，而同期常溫養(yǎng)護(hù)的混凝土未見明顯病害。我國(guó)鐵道工務(wù)部門調(diào)查運(yùn)營(yíng)線路上近兩萬根Ⅱ型蒸養(yǎng)混凝土預(yù)應(yīng)力軌枕表明，絕大多數(shù)軌枕均發(fā)生了不同程度的破壞，營(yíng)運(yùn)狀態(tài)的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕平均使用壽命僅為14年，嚴(yán)重的甚至使用5～8年后已開裂失效，遠(yuǎn)未達(dá)到50年設(shè)計(jì)使用年限。鐵路蒸養(yǎng)混凝土預(yù)制預(yù)應(yīng)力梁體的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)資料亦表明，全路橋梁失格率近20%，有的甚至出現(xiàn)嚴(yán)重裂損、嚴(yán)重漏水和承載力不足[8]。雖然嚴(yán)酷的服役條件也是造成上述問題的重要因素之一，但服役前蒸養(yǎng)混凝土預(yù)制構(gòu)件的性能和質(zhì)量是保證其良好服役性能的首要條件，現(xiàn)行生產(chǎn)工藝制造的高速鐵路蒸養(yǎng)混凝土預(yù)制軌道板、蒸養(yǎng)混凝土預(yù)制箱梁局部常存在表觀裂縫等熱傷損，這些熱傷損在列車運(yùn)行的動(dòng)荷載與環(huán)境作用下極有可能進(jìn)一步擴(kuò)展演化，從而造成混凝土性能加速退化，對(duì)高速鐵路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生安全隱患。

本文結(jié)合實(shí)際工程，對(duì)投入使用4年就發(fā)生嚴(yán)重劣化的混凝土軌道板進(jìn)行研究，探討蒸養(yǎng)混凝土軌道板在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下發(fā)生劣化的重要原因。

1 試驗(yàn)概況

1.1 工程概況

某城際鐵路自正式通車運(yùn)營(yíng)以來，整體狀態(tài)良好。2014年以來，養(yǎng)護(hù)維修人員在例行檢查中發(fā)現(xiàn)該鐵路少數(shù)混凝土軌道板(CRTSⅠ型板式軌道)出現(xiàn)不同程度的開裂，為確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全，工作人員對(duì)開裂的軌道板進(jìn)行了更換。同時(shí)，為了探明軌道板開裂的原因，在有關(guān)單位的協(xié)助下，研究人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)查和取樣。

1.2 試驗(yàn)方法

研究人員采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與取樣試驗(yàn)相結(jié)合的方法，基于國(guó)內(nèi)外最新研究成果和相關(guān)技術(shù)規(guī)程，結(jié)合軌道板的生產(chǎn)和服役現(xiàn)狀，對(duì)軌道板開裂的原因進(jìn)行進(jìn)一步分析。

(1)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及取樣

對(duì)混凝土軌道板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查，對(duì)軌道板未開裂的部位和開裂部位的混凝土進(jìn)行取樣，調(diào)查軌道板的服役環(huán)境。對(duì)該批次軌道板生產(chǎn)情況及相關(guān)資料進(jìn)行調(diào)研分析，包括混凝土原材料、配合比以及生產(chǎn)工藝條件等資料和檢測(cè)報(bào)告。

(2)室內(nèi)試驗(yàn)

采用巖相分析技術(shù)對(duì)所取混凝土試樣內(nèi)粗骨料礦物組成檢測(cè)分析，采用掃描電鏡(SEM)觀察軌道板混凝土不同部位的微觀形貌，采用能譜(EDS)技術(shù)對(duì)混凝土內(nèi)部的微觀產(chǎn)物進(jìn)行組成元素分析，采用X-衍射(XRD)技術(shù)對(duì)混凝土內(nèi)不同部位的組成進(jìn)行成分分析，采用壓汞法對(duì)混凝土的孔隙率進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

該城際鐵路位于我國(guó)東部地區(qū)，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降水約1 200 mm，年平均溫度15.4 ℃，年均相對(duì)濕度約為75%，夏季濕熱，冬季濕冷。該城際鐵路是中國(guó)最繁忙的高速鐵路線路之一，設(shè)計(jì)速度300 km/h，每天7:00～23:00間，平均5～8 min就有一次高速運(yùn)行的列車通過?；炷淋壍腊灞┞队诖髿庵校L(zhǎng)期處于高速行駛列車的動(dòng)荷載和雨水潮濕環(huán)境中，除接觸雨水外，暫時(shí)未發(fā)現(xiàn)軌道板混凝土接觸其他侵蝕性介質(zhì)。

研究人員到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)出現(xiàn)嚴(yán)重劣化后換下的軌道板進(jìn)行詳細(xì)檢查，板的外觀照片(該板開裂后涂刷了防水層)以及裂縫分布特點(diǎn)如圖1所示。從板的外觀可以看到，整塊軌道板出現(xiàn)了較嚴(yán)重的開裂，每個(gè)橡膠墊下面的混凝土基本都出現(xiàn)了裂縫，從板端凸形擋臺(tái)圓弧形端面處混凝土的裂縫分布及板底的劣化情況看，裂縫幾乎貫穿整塊板，鑿除混凝土表面涂刷的防水層，可以看到防水層下部的混凝土也出現(xiàn)了裂縫(圖1(b))。從出現(xiàn)、發(fā)展和分布看，裂縫多為放射狀，分布無明顯規(guī)律性。沿著部分裂縫鑿開混凝土發(fā)現(xiàn)開裂處混凝土中有白色物質(zhì)出現(xiàn)，開裂混凝土內(nèi)部如圖2所示。

圖1 軌道板開裂特征

圖2 開裂混凝土內(nèi)部白色物質(zhì)

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果表明，混凝土采用的原材料為華新金貓P.Ⅱ 42.5水泥，細(xì)骨料為贛江中砂，粗骨料由浙江湖州新開元采石場(chǎng)生產(chǎn)，摻合料為F類粉煤灰，減水劑為武漢格瑞林SP010聚羧酸系減水劑，軌道板混凝土配合比見表1。

表1 軌道板混凝土配合比 kg/m3

為了更好地掌握混凝土的實(shí)際情況，研究人員對(duì)生產(chǎn)軌道板的混凝土原材料及其配合比與生產(chǎn)情況進(jìn)行了調(diào)研分析。有關(guān)部門按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范或暫行技術(shù)要求對(duì)軌道板混凝土原材料進(jìn)行了檢測(cè)，其中混凝土用碎石骨料的堿活性檢測(cè)結(jié)果為：快速砂漿棒法14 d膨脹率為0.18%，巖相法未發(fā)現(xiàn)堿-碳酸鹽反應(yīng)活性礦物；混凝土用砂的堿活性檢測(cè)結(jié)果為：快速砂漿棒法14 d膨脹率為0.15%，巖相法未發(fā)現(xiàn)堿-碳酸鹽反應(yīng)活性礦物；P.Ⅱ 42.5硅酸鹽水泥堿含量(Na2O+0.658K2O)檢測(cè)結(jié)果為0.54%，粉煤灰堿含量為0.39%，減水劑中堿含量為5.86%，混凝土各性能指標(biāo)滿足要求，其總堿含量為2.7 kg/m3。該混凝土軌道板采用蒸養(yǎng)工藝成型，即常溫下靜停2 h、升溫2 h、恒溫8 h、降溫1 h，共13 h，恒溫溫度(60±5) ℃。

2.2 材料測(cè)試

研究人員對(duì)開裂軌道板混凝土內(nèi)的粗骨料取樣并進(jìn)行了XRD成分分析。圖3為開裂軌道板混凝土內(nèi)的粗骨料樣品，圖4為粗骨料樣品的XRD測(cè)試結(jié)果。由圖4可知，粗骨料主要成分為石英(SiO2)、鈉長(zhǎng)石(NaAlSi3O8)和碳酸鈣(CaCO3)。

圖3 開裂混凝土內(nèi)粗骨料樣品

圖4 粗骨料XRD測(cè)試結(jié)果

研究人員對(duì)粗骨料進(jìn)行了巖相分析，巖相分析結(jié)果表明：該軌道板內(nèi)的粗骨料主要由正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英、黑云母及副礦物磷灰石組成。其中正長(zhǎng)石主要為小于1 mm×2 mm的板塊狀，表面發(fā)育呈現(xiàn)出弱的黏土化，黏土化含量35%左右；斜長(zhǎng)石主要為小于1 mm×2 mm的板塊狀，其中部分發(fā)育呈現(xiàn)環(huán)帶結(jié)構(gòu)，多為中性斜長(zhǎng)石，含量25%左右；石英呈現(xiàn)不規(guī)則粒狀，1 mm左右，約三分之一的石英顆粒被碎化到約0.1 mm的細(xì)小顆粒，石英含量32%左右；黑云母為0.3 mm×0.6 mm的片狀，個(gè)別達(dá)1 mm×2.4 mm，部分黑云母發(fā)育弱綠泥石化，綠泥石化含量10%左右。

圖5為粗骨料巖相分析典型顯微照片，圖5(a)為該區(qū)域巖石主要由長(zhǎng)石、石英和黑云母組成，圖5(b)為該區(qū)域的石英顆粒發(fā)育呈現(xiàn)明顯的波狀消光特征，被碎化的石英顆粒波狀消光特征明顯，圖5(b)與圖5(a)為同一視域。

圖5 粗骨料巖相分析典型照片

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

在軌道板未出現(xiàn)可見裂縫的部位，距混凝土表層5、10、50 mm處取樣進(jìn)行孔隙率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。對(duì)軌道板表層混凝土和距表面50 mm處的混凝土樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)形貌觀察，結(jié)果如圖7所示。

圖6 軌道板混凝土孔隙率測(cè)試結(jié)果

由圖6可知，距離軌道板表層越近，混凝土的孔隙率越大，距軌道板表面5 mm處混凝土的孔隙率最大，在所測(cè)試3個(gè)部位的樣品中，距軌道板表面50 mm處混凝土的孔隙率最小。

圖7為距軌道板表層5 mm和50 mm處混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)形貌。由圖7(a)和圖7(b)可知，在軌道板表層混凝土中可以看到明顯的CH晶體，混凝土微觀結(jié)構(gòu)較疏松，水化物相之間的黏結(jié)不夠緊密，水化產(chǎn)物之間有大量孔隙和微裂紋。由圖7(c)和圖7(d)可知，軌道板內(nèi)部混凝土的微觀結(jié)構(gòu)更密實(shí)，水化物相間黏結(jié)緊密，未發(fā)現(xiàn)明顯的孔隙和微裂縫。不同部位混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析表明，該軌道板混凝土表層和內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)不同，混凝土表層疏松多孔且存在微裂縫，內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)較密實(shí)。

圖7 混凝土軌道板表層及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果

研究表明[9-11]，在高溫濕熱作用下，由于溫度應(yīng)力差、熱質(zhì)傳輸以及混凝土中水泥水化不均勻等原因，蒸養(yǎng)混凝土表層與內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能存在較大差異，從而造成蒸養(yǎng)混凝土熱傷損。通過對(duì)出現(xiàn)劣化的蒸養(yǎng)混凝土軌道板表層及內(nèi)部孔隙率和微觀結(jié)構(gòu)形貌的測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)該軌道板混凝土表層孔隙率較大，微觀結(jié)構(gòu)疏松，存在較多孔隙和微裂紋?；诒疚脑囼?yàn)測(cè)試結(jié)果并結(jié)合文獻(xiàn)資料的對(duì)比，認(rèn)為蒸汽養(yǎng)護(hù)熱傷損是造成該軌道板混凝土表層與內(nèi)部較大差異的主要原因。

2.4 膨脹產(chǎn)物

在開裂混凝土處取樣，圖8為采用SEM進(jìn)行的微觀形貌觀察，圖9為采用EDS進(jìn)行的可疑物質(zhì)組成元素分析結(jié)果。

由圖8(a)～圖8(c)可知，在混凝土開裂處發(fā)現(xiàn)大量細(xì)長(zhǎng)針柱狀晶體，圖8(d)是對(duì)針柱狀結(jié)晶體進(jìn)行的EDS元素分析，測(cè)試結(jié)果表明針柱狀結(jié)晶體中主要含有Ca、S、Al等元素，結(jié)合該晶體的形狀及主要組成元素，可以判斷該晶體為鈣礬石(AFt)，分子式為3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O。研究表明[12-14]，混凝土在蒸養(yǎng)條件下會(huì)出現(xiàn)延遲AFt反應(yīng)，即在較高溫度下，AFt會(huì)脫水轉(zhuǎn)化為單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)，當(dāng)溫度恢復(fù)正常時(shí)，AFm又將重新生成AFt，重新生成的AFt具有膨脹性。AFt的生成是在水泥水化完成后出現(xiàn)的，當(dāng)其膨脹應(yīng)力超過水泥石的極限拉應(yīng)力時(shí)，將導(dǎo)致混凝土開裂。

圖8 開裂混凝土內(nèi)部SEM及EDS分析

圖9 開裂混凝土內(nèi)部微觀測(cè)試圖

由圖9 (a)和圖9(c)可知，在混凝土開裂處還發(fā)現(xiàn)了疑似膠凝的板狀開裂物質(zhì)。圖9(b)和圖9(d)的EDS分析結(jié)果顯示，該板狀物質(zhì)中主要含有Si和Ca元素，結(jié)合對(duì)混凝土中骨料巖相的分析結(jié)果，可以判斷該物質(zhì)為為堿-硅酸凝膠。堿-硅酸凝膠體吸水后，將出現(xiàn)較大的體積膨脹，大量凝膠體在混凝土內(nèi)部的積聚、膨脹，將導(dǎo)致混凝土沿著界面產(chǎn)生不均勻膨脹、開裂。

本文研究發(fā)現(xiàn)堿-硅酸凝膠反應(yīng)(ASR)與延遲鈣礬形成(DEF)共同作用對(duì)混凝土造成了劣化。在我國(guó)有關(guān)ASR和DEF共同作用對(duì)混凝土造成破壞的相關(guān)資料還不多，國(guó)外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了在ASR和DEF共同作用下混凝土出現(xiàn)早期劣化的實(shí)例[15-17]。相關(guān)研究也表明，ASR和DEF共同作用下，混凝土劣化速率明顯高于ASR和DEF的單獨(dú)作用。目前，有關(guān)混凝土中ASR與DEF相互影響和生成的機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[18]研究表明，混凝土中AFt生成的數(shù)量與混凝土中堿含量的平方根存在指數(shù)關(guān)系，混凝土孔溶液較高的pH值有利于AFm的存在，孔溶液pH值的降低將會(huì)導(dǎo)致AFt的生成。水侵入混凝土后與堿-硅酸凝膠發(fā)生ASR，將會(huì)降低孔溶液中的pH值，同時(shí)水侵入孔溶液后也會(huì)稀釋孔溶液中的堿，使pH值進(jìn)一步降低，這些都會(huì)導(dǎo)致AFt的生成[19-20]。

3 軌道板劣化原因分析

根據(jù)以上對(duì)軌道板混凝土的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和測(cè)試分析結(jié)果，本文結(jié)合軌道板的服役環(huán)境、軌道板混凝土出現(xiàn)的熱傷損以及堿-硅酸凝膠反應(yīng)(ASR)和延遲鈣礬石的生成(DEF)分析劣化原因。

首先，在蒸汽養(yǎng)護(hù)過程中，該軌道板混凝土出現(xiàn)了一定的熱傷損，熱傷損導(dǎo)致軌道板混凝土的表層結(jié)構(gòu)疏松多孔。第二，該軌道板在服役環(huán)境中不僅受到了高速列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)荷載作用，還長(zhǎng)期處于潮濕多雨的環(huán)境中。第三，長(zhǎng)期的動(dòng)荷載作用將會(huì)導(dǎo)致混凝土微裂紋的演化和擴(kuò)大，在動(dòng)水壓作用下，沿著裂紋侵入混凝土的水分增多。第四，侵入混凝土中的水分與混凝土中含有潛在堿活性的骨料發(fā)生ASR，生成的堿-硅酸凝膠體積膨脹，同時(shí)硬化后在混凝土中發(fā)生了DEF，生成的AFt在混凝土內(nèi)部膨脹，最終導(dǎo)致混凝土軌道板開裂。

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)開裂混凝土軌道板的現(xiàn)場(chǎng)檢查、原材料檢測(cè)以及軌道板混凝土的取樣研究分析結(jié)果，結(jié)合軌道板實(shí)際服役狀態(tài)，本文研究結(jié)論如下：

(1)所研究的混凝土軌道板存在一定的蒸養(yǎng)熱傷損。熱傷損導(dǎo)致混凝土表層與內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異，軌道板混凝土表層孔隙率明顯大于內(nèi)部，表層混凝土結(jié)構(gòu)疏松，存在較多微裂縫等初始缺陷。

(2)蒸養(yǎng)熱傷損導(dǎo)致混凝土軌道板出現(xiàn)微裂紋等缺陷，這些微裂縫在高速列車動(dòng)荷載作用下擴(kuò)展演化，加速了雨水對(duì)混凝土的滲透，侵入混凝土中的水與骨料中的堿-硅酸凝膠發(fā)生的堿-硅酸凝膠反應(yīng)以及在混凝土中同時(shí)發(fā)生的延遲性鈣礬石反應(yīng)生成了大量膨脹性產(chǎn)物，最終導(dǎo)致混凝土軌道板開裂。