高速鐵路CRTSⅡ型軌道板裂縫分析與預(yù)防

賀志榮，賈德華，楊 格

(1.中鐵二局股份有限公司，成都 610031;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 051130;3.中鐵二局新運(yùn)公司，成都 610031)

京滬高鐵、京石高鐵、石武高鐵、廣深港高鐵、京沈高鐵、哈大高鐵均采用了板式無(wú)砟軌道技術(shù)，軌道板為混凝土結(jié)構(gòu)，由于混凝土抗拉能力差，軌道板易開(kāi)裂。通過(guò)對(duì)石武高速客專元氏軌道板場(chǎng)工藝試生產(chǎn)CRTSⅡ型板過(guò)程中各種裂縫的研究，找到了一些裂縫的控制方法，供參考。

1 軌道板裂縫的分類及成因分析

軌道板是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，元氏軌道板場(chǎng)試生產(chǎn)過(guò)程中的CRTSⅡ型軌道板混凝土出現(xiàn)裂縫，追溯軌道板產(chǎn)生的原因可分為以下幾類:①由荷載效應(yīng)產(chǎn)生的裂縫;②混凝土收縮產(chǎn)生的裂縫;③鋼筋銹蝕產(chǎn)生的裂縫;④堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生的裂縫;⑤預(yù)應(yīng)力張拉不當(dāng)產(chǎn)生的裂縫;⑥溫度裂縫;⑦施工工藝不當(dāng)產(chǎn)生的裂縫;⑧凍脹裂縫。

1.1 荷載裂縫

在設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中，荷載工況考慮不周，配筋不合理，結(jié)構(gòu)尺寸不足，構(gòu)造處理不當(dāng)，且施工階段不按圖紙施工等均有可能產(chǎn)生荷載裂縫。由于軌道板有“起吊”這一工序，在起吊過(guò)程中如果吊點(diǎn)位置設(shè)計(jì)不合理，很可能產(chǎn)生較大的彎矩，而使得軌道板開(kāi)裂。

荷載裂縫一般與受力鋼筋呈正交或斜交狀態(tài)。若裂縫是由于鋼筋與混凝土黏結(jié)應(yīng)力過(guò)大造成的，則該裂縫方向與鋼筋長(zhǎng)度方向一致，且呈針狀或劈裂狀，見(jiàn)圖1。

1.2 收縮裂縫

混凝土是由氣、液、固三相組成的假固體(指澆筑過(guò)程到養(yǎng)護(hù))，其中尚有未水化的水泥顆粒，還要吸收周?chē)乃帧Ａ硗庖骸⒐滔嚅g的膠凝體，因水分散失，體積會(huì)縮小，引起收縮裂縫。在實(shí)際施工工程中，混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見(jiàn)的。混凝土收縮裂縫可分為以下4種:干燥收縮裂縫、自生收縮裂縫、碳化收縮裂縫、塑性收縮裂縫。

圖1 軌道板荷載裂縫

1.2.1 干燥收縮裂縫

混凝土凝結(jié)硬化之后，隨著表層水分逐步蒸發(fā)，濕度逐步降低，混凝土體積減小，產(chǎn)生縮水收縮(干縮)。因混凝土表層水分損失快，內(nèi)部損失慢，因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力，當(dāng)這種拉力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度，便產(chǎn)生收縮裂縫，混凝土硬化后收縮主要就是縮水收縮。

1.2.2 自生收縮裂縫

在水泥水化的過(guò)程中，水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，水化后體積會(huì)收縮，這種收縮與外界濕度無(wú)關(guān)，且可以是正的(即收縮，如普通硅酸鹽水泥混凝土)，也可以是負(fù)的(即膨脹，如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土)。

1.2.3 碳化收縮裂縫

此類裂縫是因受空氣中CO2的作用而導(dǎo)致水泥砂漿體積縮小現(xiàn)象。影響混凝土碳化收縮的兩個(gè)最基本因素是CO2的濃度和濕度。CO2作為一個(gè)反應(yīng)物，當(dāng)然濃度越高，碳化反應(yīng)越迅速，因而碳化收縮也越大。但濕度卻不然，當(dāng)相對(duì)濕度為55%時(shí)，碳化收縮達(dá)最大值。當(dāng)相對(duì)濕度＞55%時(shí)，碳化收縮隨相對(duì)濕度的增加而減小;當(dāng)相對(duì)濕度＜55%時(shí)，碳化收縮則隨相對(duì)濕度的減小而減小;當(dāng)相對(duì)濕度＜25%時(shí)，碳化收縮幾乎停止。

1.2.4 塑性收縮裂縫

塑性收縮往往發(fā)生在施工過(guò)程中，混凝土澆筑后4～5 h左右，此時(shí)水泥水化反應(yīng)劇烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)，混凝土失水收縮，同時(shí)骨料因自重下沉。因此時(shí)混凝土尚未硬化，所以成為塑性收縮。塑性收縮時(shí)產(chǎn)生的毛細(xì)管壓力值可達(dá)到0.021 MPa左右，毛細(xì)管壓力引起的拉應(yīng)力使固體顆粒凝聚而使混凝土表面收縮，就產(chǎn)生塑性收縮裂縫，見(jiàn)圖2。

圖2 軌道板收縮裂縫

1.3 銹蝕裂縫

軌道板混凝土保護(hù)層受空氣中的二氧化碳侵蝕碳化至鋼筋表面，使鋼筋周?chē)炷翂A度降低;或由于氯化物介入，鋼筋周?chē)入x子含量較高，均可引起鋼筋表面氧化膜被破壞，鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水發(fā)生銹蝕反應(yīng)，其銹蝕物中氫氧化鐵的體積比原來(lái)增長(zhǎng)約2～4倍，從而對(duì)周?chē)炷廉a(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開(kāi)裂、剝離，沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫，即銹蝕裂縫。

1.4 堿骨料反應(yīng)裂縫

堿骨料反應(yīng)(簡(jiǎn)稱ASR)是指水泥中的堿性物質(zhì)與骨料中的活性二氧化硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起混凝土內(nèi)部自膨脹應(yīng)力而開(kāi)裂的現(xiàn)象。堿骨料反應(yīng)因時(shí)間較為緩慢，不易在短時(shí)間內(nèi)被發(fā)現(xiàn)，給混凝土工程帶來(lái)的危害是相當(dāng)嚴(yán)重的。

發(fā)生堿骨料反應(yīng)需要具有三個(gè)條件:首先是混凝土的原材料水泥、混合材、外加劑和水中含堿量高;第二是骨料中有相當(dāng)數(shù)量的活性成分;第三是潮濕環(huán)境，有充分的水分或濕空氣供應(yīng)。因元氏軌道板場(chǎng)地處河北腹地，空氣干燥，且各項(xiàng)原材料指標(biāo)多方控制較嚴(yán)，目前還未檢測(cè)到此類裂縫［1］。

1.5 預(yù)應(yīng)力施工不當(dāng)產(chǎn)生的裂縫

在混凝土沒(méi)有達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度時(shí)就進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉(先張法)，張拉系統(tǒng)放張不同步或放張速度過(guò)快造成應(yīng)力釋放不均衡，或其它放張方法不當(dāng)，都會(huì)引起張拉、放張裂縫［2］。

1.6 溫度裂縫

軌道板混凝土同樣具有熱脹冷縮的性質(zhì)，特別是冬季施工時(shí)廠房?jī)?nèi)溫度只能達(dá)到10℃～15℃之間，而混凝土澆筑完成養(yǎng)護(hù)16 h脫模時(shí)，板體表面溫度在30℃～40℃之間，較大的溫差使軌道板第五條預(yù)裂縫處出現(xiàn)細(xì)小裂紋，這已影響板場(chǎng)軌道板體質(zhì)量。當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化時(shí)，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在內(nèi)部將產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫。

1.7 施工工藝不當(dāng)造成的裂縫

混凝土施工過(guò)程中未嚴(yán)格按照工藝要求進(jìn)行質(zhì)量控制，則有可能產(chǎn)生施工裂縫，主要原因有:

1)拌制混凝土?xí)r不按配合比計(jì)量，任意加水，致使?jié)仓|(zhì)量不均勻，收縮不一致產(chǎn)生裂縫。

2)軌道板模型下五個(gè)支腿的位置不合適需要調(diào)整，或混凝土從攪拌到澆筑的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，致使大量網(wǎng)狀不規(guī)則的裂縫產(chǎn)生;

3)軌道板脫模油使用不當(dāng)造成脫模阻力不均衡，脫模前沒(méi)有吹氣松動(dòng)軌道板或吹氣孔堵塞，脫模時(shí)混凝土強(qiáng)度值不夠高，需要延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，或其它由于未按照規(guī)范要求養(yǎng)護(hù)造成軌道板表面混凝土開(kāi)裂;

4)軌道板脫模前真空吊具的五個(gè)伸出腿不同步，造成預(yù)裂縫處產(chǎn)生裂紋，吊裝起板過(guò)程中吊具的吊點(diǎn)設(shè)計(jì)不合理或沒(méi)有做到輕吊輕放也可能導(dǎo)致成品板開(kāi)裂［2］。

1.8 凍脹裂縫

冬季施工時(shí)，外部環(huán)境氣溫一般為 －10℃ ～0℃，廠房?jī)?nèi)溫度一般為10℃ ～15℃，廠房?jī)?nèi)外溫差＞15℃以上，無(wú)法滿足軌道板出廠溫差＜15℃的要求，若因車(chē)間內(nèi)沒(méi)有采取防凍措施，使混凝土受凍而產(chǎn)生裂縫，即稱為凍脹裂縫。

2 軌道板裂縫預(yù)防措施

2.1 荷載裂縫的防治

軌道板開(kāi)裂極有可能是由于吊點(diǎn)位置不當(dāng)造成的。因此，在進(jìn)行吊點(diǎn)位置布置之前，應(yīng)對(duì)整個(gè)起吊過(guò)程進(jìn)行正確的受力分析，確定合理的吊點(diǎn)位置。

真空吊具按照原設(shè)計(jì)，起吊點(diǎn)中心距CRTSⅡ型軌道板兩端的間距為1.35 m，起吊點(diǎn)到板中的距離為1.90 m，在起板過(guò)程中，板中所受彎矩最大。一塊CRTSⅡ型軌道板按8.5 t計(jì)，摩阻系數(shù)按0.2計(jì)。則中部產(chǎn)生－5.9 kN·m的力矩。底部受拉，頂部受壓，軌道板受力分析見(jiàn)圖3。

圖3 軌道板受力

元氏軌道板場(chǎng)把吊點(diǎn)向內(nèi)側(cè)各移55 cm后，中部產(chǎn)生的力矩為5.9 kN·m，底部受壓，頂部受拉，而CRTSⅡ型軌道板頂部加設(shè)了預(yù)應(yīng)力鋼筋，抗拉效果很好，能充分承受拉力，同時(shí)平緩起吊，防止受力不均或受扭，以上措施運(yùn)用得當(dāng)，可以最大限度避免軌道板中間第五條預(yù)裂縫開(kāi)裂(見(jiàn)圖4)。

圖4 改裝后的真空吊具起吊作業(yè)

2.2 收縮裂縫的防治

滿足施工要求的前提下，混凝土坍落度盡可能小;混凝土的配合比應(yīng)保證混凝土有良好的稠度和保水性;適當(dāng)增加混凝土表面鋼筋的保護(hù)層厚度;應(yīng)選擇干縮率較小的水泥和骨料。

2.3 銹蝕裂縫的防治

采用足夠的保護(hù)層厚度，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土水灰比，加強(qiáng)振搗，保證混凝土的密實(shí)性，防止氧氣侵入，同時(shí)嚴(yán)格控制含氯鹽的外加劑用量。

目前板場(chǎng)除φ20 mm精軋螺紋鋼筋外，大部分采用環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋，并且CRTSⅡ型軌道板采用工廠化施工生產(chǎn)，鋼筋基本上無(wú)銹蝕情況，因此這類裂縫極少發(fā)生。

2.4 堿骨料反應(yīng)裂縫的防治

1)控制混凝土中含堿量。由于混凝土中堿的來(lái)源不僅是從水泥，還可從外加劑、水，甚至有時(shí)從骨料(例如海砂)中來(lái)，因此控制混凝土各種原材料總堿量比單純控制水泥含堿量更重要。

2)隔絕水和濕空氣的來(lái)源。如果能在混凝土工程發(fā)生堿骨料反應(yīng)的部位有效地隔絕水和空氣的來(lái)源，也可以取得緩和堿骨料反應(yīng)對(duì)工程損害的效果。

3)采用非活性骨料。大多數(shù)骨料不具有堿活性，但必須通過(guò)試驗(yàn)來(lái)判定;當(dāng)軌道板承受水濕作用或持久裸露于潮濕環(huán)境或接觸于濕土?xí)r，其砂、石骨料是不得含有可與水泥中堿發(fā)生破壞性反應(yīng)并使混凝土出現(xiàn)過(guò)度膨脹的達(dá)致害量的活性物質(zhì)的;除非是所用水泥含堿低于0.6%或摻用經(jīng)證明可預(yù)防ASR有害膨脹的混合材，這才可以使用含活性物質(zhì)的沙、石骨料［1］。

4)摻用混合材料。摻適量的礦渣、粉煤灰、硅灰等混合材料對(duì)預(yù)防有害的ASR是有效的，當(dāng)然，混合材料對(duì)ASR的抑制效果可隨其種類、特性、摻量等而有不同，宜通過(guò)多次具體試驗(yàn)研究確定。

摻用引氣劑引入混凝土中大量的充分分散的微細(xì)氣泡，可消納ASR的相應(yīng)膠凝量，起到緩解ASR的相應(yīng)有利作用。

2.5 預(yù)應(yīng)力施工不當(dāng)產(chǎn)生的裂縫的防治

CRTSⅡ型軌道板采用整體先張法施工，在混凝土施工養(yǎng)護(hù)結(jié)束后進(jìn)行整體放張作業(yè)，在放張時(shí)，先對(duì)CRTSⅡ型軌道板進(jìn)行超張拉，待松開(kāi)張拉油缸保險(xiǎn)卡環(huán)后再進(jìn)行放張作業(yè)，混凝土先受拉，后受壓，因此混凝土強(qiáng)度要大于放張時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力，必須緩慢放張預(yù)應(yīng)力筋。

2.6 溫度裂縫的防治

在軌道板內(nèi)部設(shè)置測(cè)溫裝置，嚴(yán)格控制軌道板芯部溫度，使軌道板內(nèi)外溫差在可控范圍之內(nèi)。根據(jù)CRTSⅡ型軌道板施工所采集的實(shí)際溫度數(shù)據(jù)，一般在16 h放張作業(yè)時(shí)混凝土芯部溫度在45℃～55℃之間，與環(huán)境內(nèi)外溫差都＞20℃，所以要采用相關(guān)措施來(lái)降低混凝土溫差:

1)廠房?jī)?nèi)升溫，保證溫度在20℃ ～25℃之間，以此保證軌道表面與環(huán)境溫度之差＜20℃;

2)根據(jù)板場(chǎng)前期所做試驗(yàn)，軌道板養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)至20～24 h(14 h后采取降溫措施)，使板芯溫度在自然狀態(tài)下緩慢降低到35℃ ～40℃之間，能有效地降低軌道板中間第五條預(yù)裂縫開(kāi)裂的機(jī)率。

2.7 施工工藝不當(dāng)造成的裂縫的防治

1)混凝土澆筑時(shí)，模板溫度及混凝土入模溫度應(yīng)控制在10℃～30℃。如溫度過(guò)低或過(guò)高則應(yīng)采取升溫或降溫措施。

2)嚴(yán)格控制混凝土振搗時(shí)間，保證振搗密實(shí)無(wú)過(guò)振。

3)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。對(duì)軌道板采用土工布覆蓋灑水，加蓋一層彩條布和一層篷布的養(yǎng)護(hù)法，不僅充分利用了施工余水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，而且還在混凝土凝固后對(duì)其進(jìn)行外部灑水，保證濕度。對(duì)減少收縮裂縫起著重要作用。蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，升溫速度不大于15℃/h，降溫速度不大于10℃/h，降溫時(shí)應(yīng)先緩慢揭開(kāi)篷布，待溫度穩(wěn)定后再解開(kāi)土工布，有了這個(gè)緩沖時(shí)間，混凝土表面就不會(huì)因?yàn)闇夭钸^(guò)大而開(kāi)裂(見(jiàn)圖5)。

圖5 軌道板混凝土三層覆蓋養(yǎng)護(hù)

4)拆模時(shí)防止軌道板受到劇烈沖擊、碰撞。

5)軌道板堆放場(chǎng)地應(yīng)平整，墊塊設(shè)置要合理;軌道板集中存放時(shí)，存放層數(shù)應(yīng)滿足安全要求;沿線存放時(shí)，存放層數(shù)宜為2～4層;存放時(shí)板面朝上并保持水平，吊裝、運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)采取必要的防護(hù)措施，防止軌道板損壞［3-5］。

2.8 凍脹裂縫的防治

冬季施工時(shí)合理延長(zhǎng)軌道板靜停養(yǎng)護(hù)時(shí)間，等板體溫度降到20℃左右時(shí)(一般要停留30～35 h)，利用中午氣溫較高時(shí)(一般為0℃ ～－3℃)轉(zhuǎn)運(yùn)軌道板出廠存放，同時(shí)注意防凍、保溫，防止凍脹裂縫，但一般細(xì)小的凍脹裂縫在輕微打磨后便會(huì)消失(見(jiàn)圖6)。

圖6 打磨后的軌道板

3 結(jié)論

本文介紹了軌道板裂縫的類型及其成因，并針對(duì)不同的開(kāi)裂原因，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，這些方法和措施在元氏軌道板場(chǎng)正式生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛運(yùn)用和改進(jìn)，確保了軌道板質(zhì)量，在鐵道部質(zhì)檢中心上道審查時(shí)一次性順利通過(guò)。目前這些方法和措施已經(jīng)應(yīng)用到京滬、廣深港、津秦、杭甬等正在建設(shè)的高速鐵路、客運(yùn)專線，推動(dòng)了我國(guó)高速鐵路和客運(yùn)專線的發(fā)展，其應(yīng)用前景廣闊。

［1］趙國(guó)堂，蔡弘，李剛.CRTSⅡ型板式軌道鋪設(shè)自動(dòng)精調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備研究［J］.鐵道建筑，2010(11):104-107.

［2］鐵道部工管中心.客運(yùn)專線鐵路無(wú)砟軌道施工手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)［2007］85號(hào) 客運(yùn)專線無(wú)砟軌道鐵路工程施工質(zhì)量驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2007.

［4］欒永平.現(xiàn)澆雙塊式無(wú)砟軌道板裂縫控制機(jī)理和預(yù)防措施［J］.鐵道建筑，2010(1):21-22.

［5］李敏霞，許宏偉，焦永剛.新建鐵路無(wú)砟軌道板養(yǎng)護(hù)溫度測(cè)控研究［J］.鐵道建筑，2011(3):109-111.