橋上CRTS II型板式軌道裂縫及鋼筋銹蝕時變規律

郭建光，元強，曾志平

(1.滬昆鐵路客運專線 江西有限責任公司，江西 南昌 33000；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

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橋上CRTS II型板式軌道裂縫及鋼筋銹蝕時變規律

郭建光1，元強2，曾志平2

(1.滬昆鐵路客運專線 江西有限責任公司，江西 南昌 33000；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

建立一套長期監測系統，監測橋上CRTS II型板式無砟軌道溫度場、典型裂縫及鋼筋銹蝕速率的時變規律。研究結果表明：軌道板和底座板的縫寬日變化幅度分別為0.2 mm和0.1 mm，縫寬均隨溫度的降低呈規律性增長，底座板縫寬變化幅度明顯低于軌道板，這與無砟軌道溫度場分布情況一致。2 a的鋼筋銹蝕速率的監測數據表明，雖然內部鋼筋銹蝕速率較低，但表現出一定增長規律，若不及時進行修補，難以保證無砟軌道達到其設計壽命。

CRTS II 型板式無砟軌道；裂縫；耐久性；銹蝕

CRTS II型板式無砟軌道是我國鋪設里程最長的無砟軌道，應用在京滬、京石武、杭長等高速鐵路客運專線中，總里程超過4 000 km。經過“十二五”的大規模建設，現階段我國高速鐵路已經由大規模建造進入長期安全穩定運營階段，如何科學維護龐大規模的高速鐵路運營線路，使高速鐵路長期保持高安全、高穩定、高可靠的運營品質，是我國現階段面臨的重大課題[1]。CRTS II型板式無砟軌道是縱向連續的3層疊合結構，溫度荷載作用下橋上無砟軌道的梁軌間相互作用更為明顯，受力也更為復雜，其耐久性問題較路基及隧道段的無砟軌道更為突出[2-3]；另外，我國高速鐵路線路具有橋梁比重高的特點，因此，研究橋上CRTS II型板式無砟軌道的性能及其演變意義重大。對已開通客專的CRTS II型板式無砟軌道現場調研表明，雖然無砟軌道總體質量平穩，但仍存在一定的耐久性問題，其中混凝土普遍開裂是主要問題之一[4-8]，裂縫主要分布于底座板，軌道板及其界面，文獻[8]表明軌道板裂縫深度為20～30 mm，寬度為0.1～0.2 mm，但作者對裂縫的調研表明，寬度及深度范圍均大于此值，且裂縫寬度還表現出一定的溫度依賴性。一方面，無砟軌道混凝土開裂影響結構的靜動態力學性能[4-6]；另一方面，無砟軌道作為鋼筋混凝土結構，混凝土保護層起保護鋼筋的作用，如保護層混凝土開裂，將導致有害介質易滲入混凝土內部，而引發鋼筋銹蝕，大大影響無砟軌道鋼筋混凝土的服役壽命[9-10]。混凝土鋼筋銹蝕速率的監測及判斷標準雖然仍具有較大爭議，但通過腐蝕電流來判斷鋼筋的腐蝕速率及水平已基本成為共識[11-12]。對無砟軌道裂縫分布及其時變規律把握不足，以及裂縫對混凝土內部鋼筋銹蝕的影響規律的認識不清，在一定程度上阻礙了CRTS II型板式無砟軌道養護維修制度的制定以及耐久性預測。通過在CRTS II型板式無砟軌道現場安裝監測系統，長期監測無砟軌道的溫度場、典型裂縫的時變規律及裂縫處鋼筋銹蝕速率等關鍵參數，為CRTS II型板式無砟軌道養護維修制度的制定以及耐久性預測提供參考。

1　試驗

選取具有典型特征的某客專某特大橋的無砟軌道作為研究對象，該橋全長2 457.31 m，該橋結構形式為1-24 m+18-32 m+3-24 m+4-32 m+2-24 m+26-32 m+3-32 m簡支箱梁+(70+125+70) m連續梁+11-32 m簡支箱梁，在無砟軌道不同施工階段的典型部位安裝各類傳感器。具體包括在底座板澆筑階段埋入溫度傳感器；在軌道板寬接縫混凝土澆筑階段埋入溫度傳感器和鋼筋銹蝕傳感器，由于鋼筋銹蝕采集數據存在較大的離散性，因此在每個寬接縫裂縫處選擇4根連接鋼筋分別安裝鋼筋銹蝕傳感器；軌道板張拉縱連后在底座板和軌道板的典型裂縫處安裝裂縫寬度計，在安裝無砟軌道裂縫寬度計前采用光學顯微裂縫儀觀察裂縫寬度作為裂縫寬度初始值，現場設備安裝如圖1所示。由于混凝土裂縫較為普遍，采用光學顯微裂縫儀測量了某典型區段無砟軌道的裂縫分布情況。

無砟軌道監測系統主要由傳感器部分(鋼筋銹蝕傳感器、裂縫寬度傳感器、溫度傳感器)、監測數據采集模塊、數據采集存儲公共計算機、遠程觀測控制計算機組成，如圖1(h)所示。每個傳感器對應采集模塊的采集通道保證了各個傳感器進行數據采集的獨立性，提高系統的可靠性。遠程計算機可以通過GPRS 網絡與數據采集存儲公共計算機進行通訊，登陸公共計算機，進行監測數據的采集傳輸，降低了長期監測數據采集的難度，避免因人員無法現場采集造成數據丟失的現象。

2　試驗結果與討論

2.1無砟軌道裂縫

2.1.1裂縫分布情況

在溫度為20～25 ℃范圍內采用光學裂縫觀測儀調查了某段無砟軌道的裂縫分布情況。調查結果表明：軌道板的裂縫主要集中在板間寬接縫位置，裂縫寬度在0.17～0.80 mm范圍內變化，且裂縫大部分為貫通裂縫。另外，少量V型槽也存在微細裂縫。與軌道板相比，底座板裂縫寬度較小，在0.07～0.20 mm范圍內變化。底座板后澆帶位置的裂縫較為明顯，且裂縫深度較大。不同于軌道板，底座板裂縫間距無明顯規律。最大裂縫間距為3.67 m，最小為0.08 m，調查范圍內裂縫平均間距為0.99 m，底座板裂縫分布規律如表1所示。裂縫間距在0.5～1.0 m范圍內最多，占裂縫總量的43.30%，1.0～1.5 m范圍內其次，再次是小于0.5 m，而裂縫間距大于3 m的情況僅占調查總量的1.14%。

(a)軌道板裂縫監測；(b)底座板裂縫監測；(c)安裝溫度傳感器； (d)溫度傳感器(e)鋼筋銹蝕傳感器；(f)鋼筋銹蝕傳感器埋設位置；(g)測點布置圖；(h)監測系統示意圖圖1　無砟軌道監測設備安裝Fig.1 Monitoring setup for ballastless slab track

裂縫間距范圍/m數量所占比例/%0.0～0.55415.380.5～1.015243.301.0～1.510128.771.5～2.0277.692.0～2.592.562.5～3.041.143.0～3.520.573.5～4.020.57

2.1.2軌道板裂縫時變規律

圖2是2014-08-01～2015-02-28間(經歷夏冬季)軌道板裂縫監測數據。監測時間范圍內，裂縫最大寬度為1.16 mm，出現于2015-02-05；最小寬度為0.29 mm，出現于2014-08-04；裂縫寬度累計變化寬度為0.87 mm。由圖中裂縫寬度曲線變化可以看出，在軌道板日溫度周期性變化的影響下，裂縫寬度以24 h為周期呈現不間斷的張合，同時裂縫也在這種往復式的張合過程中隨溫度的降低而變寬。

圖2　軌道板裂縫隨時間變化規律Fig.2 Evolution of crack width of slab with time

圖3是該時間段內軌道板裂縫日最大/最小寬度變化曲線。可以看出，裂縫在8月～9月間，軌道板裂縫寬度變化相對平穩，日變化量在0.1 mm左右；10～11月間，軌道板裂縫寬度不斷增長，裂縫寬度日變化幅度增大；12月～2月這段時期，受到環境低溫和裂縫在不斷張合過程中劣化加劇的雙重影響，軌道板裂縫寬度維持在0.9～1 mm左右，且日變化幅度較初期明顯增大，日變化量在0.2 mm以上。

表2是2014年8月～2015年2月軌道板裂縫寬度月均值，從中可以看出，裂縫寬度明顯隨季節溫度的降低而呈現變寬的趨勢，裂縫寬度變化幅度均在100%以上。

圖3　軌道板裂縫最值Fig.3 Maximum and minimum crack width of slab

8月9月10月11月12月1月2月月最大寬度0.540.590.620.871.141.11.16月最小寬度0.290.380.530.490.630.590.6月平均寬度0.420.480.580.700.920.880.90最大日變化量0.150.150.240.320.290.210.17

2.1.3底座板裂縫寬度

圖4是2014-08-01～2015-02-28間底座板裂縫寬度隨時間變化曲線。

圖4　底座板裂縫寬度隨時間變化規律Fig.4 Evolution of crack width of baseplate with time

圖5是該時間段底座板裂縫日最大/最小寬度變化曲線。可以看出，裂縫在8月～9月間，底座板裂縫寬度變化相對平穩，裂縫寬度日變化量在0.02-0.04 mm間波動；10～11月間，底座板裂縫寬度不斷增長，裂縫寬度日變化幅度增大；12月～2月這段時期，受到環境低溫和裂縫在不斷張合過程中劣化加劇的雙重影響，底座板裂縫寬度維持在0.3 mm以上，且日變化幅度較初期明顯增大，日變化量多在0.1 mm以上。

圖5　底座板裂縫日最值Fig.5 Maximum and minimum crack width of base

表3是該時間段內底座板裂縫的月均寬度。從中可以看出，裂縫寬度明顯隨季節溫度的降低而呈現變寬的趨勢，月裂縫寬度變化幅度均在100%以上。

表3　底座板板裂縫寬度統計

對比軌道板與底座板裂縫寬度變化曲線，可以看出，二者具有相似變化規律，均受到軌道結構日溫度變化影響呈現周期性張合，同時裂縫寬度也呈現出擴張趨勢。但軌道板的裂縫寬度變化幅度較底座板更大。

2.2無砟軌道溫度

2.2.1軌道板溫度

在無砟軌道同截面不同高度處布置了3個溫度傳感器。圖6是某段時間內軌道板溫度梯度監測數據。在該時間段內道板溫度在25 ℃～ 45 ℃之間變化，隨氣溫呈現往復式波動，上部最高板溫為43.37 ℃，中部為41.19 ℃，下部為40.41 ℃；上部最低板溫為25.89 ℃，中部為27.46 ℃，下部為28.51 ℃；上部

最大日溫差為10.89 ℃，中部為7.48 ℃，下部為5.58 ℃；上部最小日溫差為4.45 ℃，中部為2.9 ℃，下部為2.6 ℃。由圖中數據曲線可以看出，軌道板上部日最高溫度高于下部，日最低溫度低于下部，即上部日溫差明顯大于軌道板下部；同時隨著軌道板深度增加，溫度曲線出現一定的滯后性，即軌道板下部日最高/低溫度的出現晚于上部。

圖6　部分軌道板溫度監測數據Fig.6 Evolution of temperature in slab with time

軌道板月均溫度監測數據如表4所示，從中可以看出軌道板從上至下呈現明顯的溫度梯度。即使外界環境溫度降為0℃，軌道板內最低溫度仍高于10℃。夏季，軌道板上部的日溫差高于下部，但軌道板中下部的日溫差無明顯季節差異。軌道板冬季的月溫差明顯高于夏季。結合圖2中裂縫寬度變化情況可知，裂縫寬度與溫度表現出良好的對應性，溫度越高裂縫寬度越窄，溫度越低裂縫寬度越寬。

表4　軌道板溫度監測數據統計

2.2.2底座板溫度

與軌道板不同，底座板由于受軌道板覆蓋的影響，其結構溫度梯度特征表現不明顯，監測過程中在同一截面僅布置了一個溫度傳感器。圖7是某段時間內的底座板溫度監測數據。

圖7　底座板溫度監測數據Fig.7 Evolution of temperature in base plate with time

底座板溫度監測數據月份統計如表5所示。

對比軌道板的平均溫度，可以發現，軌道板與底座板的溫度具有相同的變化趨勢，所不同的是，底座板溫度的單日變化幅度要小于軌道板，這一規律與無砟軌道混凝土傳熱規律相符合，并且，溫度的變化規律與裂縫寬度變化規律完全相符，即軌道板的溫度變化幅度明顯大于底座板，因而軌道板的裂縫寬度變化幅度明顯大于底座板。

表5　底座板溫度監測數據統計

2.3鋼筋銹蝕情況

通過鋼筋銹蝕傳感器獲得的8根軌道板縱連鋼筋在寬接縫處的腐蝕速率情況如圖8所示。

(a)測點1;(b) 測點2;(c)測點3;(d) 測點4;(e)測點5;(f) 測點6;(g)測點7;(h) 測點8圖8　兩年監測期內鋼筋的腐銹速率Fig.8 Corrosion rate of steel within 2 years

由圖可知，測點1處鋼筋的腐蝕速率最高，測點5處鋼筋的腐蝕速率最低。但所有監測點的腐蝕速率均不超過1 μm/y。根據參考文獻[11-14]給出的腐蝕水平，可以認為在這兩年期內鋼筋的腐蝕速率是相當低的，似乎依據目前的監測數據可以推測在服役期內鋼筋將不會出現顯著銹蝕而影響無砟軌道結構的耐久性。

但從8個監測點可以看出，腐蝕速率是隨時間而增加的，對腐蝕速率的平均值加上一定的標準差進行擬合，如圖9所示。

采用圖9中的腐蝕速率擬合值計算60 a的累計銹蝕深度及鋼筋銹蝕速率，如圖10所示。從中可以看出，當采用3倍標準偏差時，60 a鋼筋累計

表6鋼筋混凝土結構服役壽命內鋼筋腐蝕電流與腐蝕速率的評價

Table 6 Ranges of corrosion current values related to the significance in terms of service life of the reinforcement

腐蝕電流Icorr/(μA·cm-2)腐蝕速率Vcorr/(μm·y-1)腐蝕水平≤0.1≤1可忽略0.1-0.51-5低0.5-15-10中等>1>10高

銹蝕深度已達6 mm，約為鋼筋橫截面的30%，已大大超出鋼筋混凝土結構鋼筋銹蝕允許值。因此，對于寬接縫處的鋼筋，應采用統一的方法及時進行修補，以保證無砟軌道的耐久性。

圖9　銹蝕速率擬合值Fig.9 Fitting curve of corrosion rate

圖10　鋼筋累計銹蝕深度及銹蝕速率Fig.10 Accumulatedcorrosion depth and corrosion rate of steel

3　結論

1)軌道板的裂縫日變化幅度約0.2 mm，底座板的裂縫日變化幅度約0.1 mm，冬夏兩季裂縫寬度變化幅度均超過100%。軌道板與底座板的裂縫寬度均隨溫度的降低呈規律性增長，且軌道板裂縫變化明顯幅度低于軌道板。這與監測的無砟軌道溫度場分布情況相吻合。

2)2 a的鋼筋銹蝕速率的監測數據表明，即使軌道板寬接縫裂縫寬度在1 mm以上，內部鋼筋銹蝕速率仍極低。然而，按鋼筋銹蝕速率增加規律發展，無砟軌道鋼筋在60 a內銹蝕程度已超過允許值，因此，應對無砟軌道接縫處的裂縫進行統一修補，以保證無砟軌道60 a的設計壽命。

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Monitoring of the evolution of crack and steel bar corrosion of CRTS II slab trackon bridge

GUO Jianguang2, YUAN Qiang1, ZENG Zhiping1

(1.Jiangxi Corporation of Shanghai-Kunming High Speed Railway, Nanchang 330000, China;2.School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

A monitoring system was installed in CRTS II slab track on bridge in this study, which can monitor the track temperature field, the typical crack change rules and internal steel bar corrosion rate. The results show that the crack daily variations of the slab and base are about 0.2 mm and 0.1 mm respectively. The crack width of the slab and base increased with the decrease of temperature. The change of the base crack is obviously lower than that of the slab, which is consistent with the temperature field distribution of the slab track. The monitoring data of the steel corrosion rate of two years indicates that in spite of the low corrosion rate of the internal steel, the corrosion rate increases with time. If the crack is not repaired timely, the design service life of ballastless track will not be secured.

CRTS II slab track; crack; durability; corrosion

2015-12-20

中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目(2013G003-A-3)

元強(1981-)，男，江西樂安人，副教授，博士，從事土木工程材料研究；E-mail：yuanqiang@csu.edu.cn

U214．0

A

1672-7029(2016)08-1466-08