無砟軌道混凝土道床板多重防裂措施應(yīng)用研究

樓梁偉，程巖，仲新華，朱長華，崔強(qiáng)

(1．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2．寧杭鐵路有限責(zé)任公司，江蘇杭州 310007)

無砟軌道混凝土道床板多重防裂措施應(yīng)用研究

樓梁偉1，程巖2，仲新華1，朱長華1，崔強(qiáng)2

(1．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2．寧杭鐵路有限責(zé)任公司，江蘇杭州 310007)

無砟軌道道床板開裂已成為高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營過程中經(jīng)常遇到的問題。針對無砟軌道道床板現(xiàn)澆混凝土容易開裂的現(xiàn)狀，結(jié)合工程實(shí)例，采取內(nèi)摻養(yǎng)護(hù)材料、外噴高效養(yǎng)護(hù)劑的“內(nèi)部抗裂、外部防裂”雙重裂控技術(shù)，并配合新型保濕養(yǎng)護(hù)膜的附加防裂措施。實(shí)踐證明，該方法有效解決了道床板混凝土的開裂問題，提升了無砟軌道道床板施工質(zhì)量，可供同類工程借鑒。

無砟軌道 道床板 混凝土 防裂措施

無砟軌道采用混凝土整體結(jié)構(gòu)是高速鐵路客運(yùn)專線軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢。道床板開裂在高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營過程中經(jīng)常會遇到，無砟軌道道床板為現(xiàn)澆板式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土內(nèi)部受到鋼筋和軌枕單元的約束，外部受到支承層的約束，同時(shí)混凝土暴露面積大，會導(dǎo)致道床板開裂［1］。道床板裂縫一旦形成，特別是貫穿裂縫的存在，會降低道床板的絕緣性能，削弱無砟軌道的承載能力，降低無砟軌道的耐久性，同時(shí)還會嚴(yán)重危害到行車安全。因此，防止無砟軌道道床板混凝土早期開裂，抑制混凝土后期開裂趨勢，對實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)功能和長期使用性能具有重要意義。

為解決現(xiàn)澆混凝土道床板的開裂問題，采取了內(nèi)摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料、外噴高效養(yǎng)護(hù)劑以及粘貼透水模板布三重技術(shù)措施，并對道床板后期裂損情況進(jìn)行了跟蹤調(diào)查與分析。

1 道床板典型開裂形式

以路基段CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道為例，其組成結(jié)構(gòu)從下至上依次為路基基床表層(級配碎石)、C20混凝土支承層、C40混凝土道床板、雙塊式軌枕(鋼筋桁架)、扣件以及鋼軌。顯然，受新舊混凝土約束、溫度應(yīng)力、干燥收縮、構(gòu)造措施、施工控制不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊懀炷恋来舶迨┕ず笕菀组_裂。

圖1為無砟軌道現(xiàn)澆混凝土道床板典型開裂形式示意圖。根據(jù)開裂部位和特征的不同，可將道床板開裂分為4種主要形式:①軌枕八字角裂縫;②橫向裂縫;③側(cè)向裂縫;④表面不規(guī)則裂縫。上述開裂形式在德國高速鐵路和臺灣高速鐵路的混凝土道床板中都有出現(xiàn)，而且運(yùn)營后在列車荷載以及溫度、雨水等環(huán)境因素的共同作用下，裂縫會不斷延伸和擴(kuò)展［2］。國內(nèi)相關(guān)報(bào)道亦是屢見不鮮［3-5］。不論何種形式的開裂，都會對軌道結(jié)構(gòu)服役性能產(chǎn)生影響，并最終給線路行車安全帶來不利影響。

圖1 無砟軌道道床板典型開裂形式

2 道床板防裂技術(shù)措施

2.1 摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料

內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料是一種新型的混凝土添加組分，其原理是利用引入的輕骨料或高吸水樹脂(SAP)等吸收、預(yù)蓄存水分，以持續(xù)補(bǔ)償混凝土凝結(jié)硬化過程中的水分消耗，延緩混凝土內(nèi)部濕度降低速率，可顯著降低混凝土的收縮［1］。其作用機(jī)制如圖2所示。

圖2 SAP作用機(jī)理示意

試驗(yàn)段采用普通高性能混凝土、優(yōu)化配合比后的混凝土以及摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的混凝土分別進(jìn)行澆筑，內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料為中鐵科學(xué)技術(shù)開發(fā)公司生產(chǎn)的TK-ICM型。試驗(yàn)段澆筑里程及施工方案詳見示意圖3，道床板混凝土配合比見表1。

圖3 試驗(yàn)段澆筑里程及方案(單位:m)

表1 道床板混凝土配合比kg/m3

道床板混凝土采取集中攪拌、泵送施工的方法，坍落度嚴(yán)格控制在150～180 mm，含氣量控制在3.0%～4.0%。混凝土要求人工攤鋪，嚴(yán)禁在澆筑過程中使用振搗棒拖、趕混凝土，并配備專人進(jìn)行均勻振搗，避免側(cè)模、軌枕附近的混凝土出現(xiàn)漏振現(xiàn)象，但亦不得過振。

混凝土澆筑7 d后的外觀如圖4所示。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，左線道床板混凝土因摻加了內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料，其外觀顏色均勻，呈現(xiàn)青色，表面密實(shí)，拆模前后無缺棱掉角，而右線中未摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的道床板混凝土則顏色發(fā)白，表面分布較多氣孔，感觀較為粗糙。這是由于內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料改善了混凝土工作性能，減少了混凝土表面泌水，提高水泥水化程度，優(yōu)化了混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了混凝土的密實(shí)度，改善了細(xì)觀效果。

圖4 混凝土外觀質(zhì)量

2.2 噴涂高效養(yǎng)護(hù)劑

無砟軌道道床板屬于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)寬幅(2 800 mm)以及薄壁(265 mm)的特點(diǎn)，具有較小的體表比，混凝土暴露面積大，因而混凝土在硬化過程中容易失水，出現(xiàn)塑性收縮、干燥收縮等引起的裂縫。此外，混凝土終凝前無法灑水養(yǎng)護(hù)，現(xiàn)有覆蓋措施無法保證養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。為避免混凝土早期失水過多，降低道床板混凝土早期開裂的風(fēng)險(xiǎn)，噴涂高效養(yǎng)護(hù)劑是目前行之有效的養(yǎng)護(hù)方式之一。

養(yǎng)護(hù)劑是一種高分子涂膜材料，噴灑在混凝土表面后固化，形成一層致密的薄膜，使混凝土表面與空氣隔絕，防止水分過快蒸發(fā)，保證混凝土早期具有較好的保濕養(yǎng)生條件。養(yǎng)護(hù)劑噴涂隨混凝土施工跟進(jìn)作業(yè)，待混凝土收漿后，表面無泌水，并用手指輕輕壓無印痕，隨即施工。

試驗(yàn)段采用中國鐵道科學(xué)研究院生產(chǎn)的TKC-Ⅰ型高效養(yǎng)護(hù)劑，其性能指標(biāo)詳見表2。養(yǎng)護(hù)劑用量控制在0.2～0.3 kg/m2，并根據(jù)當(dāng)時(shí)施工環(huán)境，如氣溫、溫度、風(fēng)速等，通過試噴后適當(dāng)調(diào)整后確定?，F(xiàn)場采取先噴灑后局部滾涂的方法，確保養(yǎng)護(hù)劑均勻覆蓋在道床板混凝土表面。養(yǎng)護(hù)劑噴涂后效果如圖5所示。

表2 高效養(yǎng)護(hù)劑性能指標(biāo)

圖5 高效養(yǎng)護(hù)劑

2.3 粘貼透水模板布

無砟軌道道床板屬于長距離帶狀薄壁結(jié)構(gòu)，受溫度、濕度、應(yīng)力等因素的影響明顯，因此需要采取科學(xué)、有效的養(yǎng)護(hù)方式，以保證實(shí)體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。與傳統(tǒng)灑水覆蓋養(yǎng)護(hù)方式不同，透水模板布是以改性高分子聚合物纖維為主要材料，經(jīng)過特殊工藝加工制成的新型養(yǎng)護(hù)材料，如圖6所示。養(yǎng)護(hù)膜一側(cè)通過專用粘結(jié)膠密貼于模板內(nèi)側(cè)，另一側(cè)則緊貼于混凝土，它能夠顯著提高混凝土表面的密實(shí)度，改善混凝土的抗裂性能。無砟軌道道床板專用透水模板布施工工藝為:模板表面清理→模板表現(xiàn)噴涂專用膠→粘貼專用透水模板布→立模澆筑混凝土→拆模后沖洗清理→二次周轉(zhuǎn)使用。

圖6 透水模板布

施工時(shí)，需特別注意透水模板布與模板粘貼牢固，并保證平整無褶皺，否則影響使用效果，有害觀瞻。圖7為采用透水模板布的道床板混凝土與未采用透水模板布的道床板混凝土外觀質(zhì)量對比圖(拆模當(dāng)天拍攝)。

圖7 混凝土外觀質(zhì)量

通過圖7對比發(fā)現(xiàn)，采用透水模板布技術(shù)的道床板混凝土表面更為細(xì)致、密實(shí)，顏色均勻，砂斑、氣泡等問題極為少見;反之，未采用透水模板布的道床板混凝土表面則分布較多氣泡、砂眼，手指輕扣即出現(xiàn)較深印痕，顯得較為酥松。原因在于:①透水模板布緊貼于混凝土表面，其保濕作用能確?；炷猎谠缙陴B(yǎng)護(hù)階段保持較大濕度，降低產(chǎn)生微裂縫的風(fēng)險(xiǎn);②透水模板布具有良好的孔徑尺寸與分布，能有效排出混凝土表面多余水分和空氣，使混凝土形成一層富含水化硅酸鈣的致密層，從而有效減少混凝土表面的氣泡，大大提高混凝土表面的密實(shí)度，改善抗裂性能。

3 裂損情況調(diào)查

2012年6月21日和2012年12月25日兩次對摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料、未摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料以及優(yōu)化配合比后的混凝土道床板的裂損情況進(jìn)行了調(diào)查。每一調(diào)查區(qū)段的長度約為25 m，各選取38個(gè)軌枕單元進(jìn)行逐個(gè)查看，主要包括開裂的部位、數(shù)量、寬度以及長度。為便于對調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分類描述，將道床板裂縫進(jìn)行了分類，主要有以下幾種形式:

1)軌枕塊八字角裂縫。軌枕塊邊角裂縫引發(fā)于軌道塊四個(gè)邊角位置，長短不一，嚴(yán)重時(shí)同排或同列相鄰軌道塊邊角裂縫相互連通或延伸至道床板外側(cè)邊緣。

2)道床板橫向裂縫。道床板橫向裂縫主要有三種形式:其一為在支承層切縫位置出現(xiàn)，約占橫向裂縫的50%，為主要出現(xiàn)方式，該類裂縫較為嚴(yán)重，往往沿整個(gè)道床板橫截面貫通;其二為軌枕塊邊角裂縫連通形成，在局部區(qū)段比較嚴(yán)重;第三種橫向裂縫位于不同排軌枕塊之間，為單獨(dú)出現(xiàn)，較為少見。

3)表面不規(guī)則裂縫。表面不規(guī)則裂縫并非普遍現(xiàn)象，如龜裂等，多與施工時(shí)混凝土狀態(tài)及施工后養(yǎng)護(hù)情況有關(guān)。

試驗(yàn)段道床板混凝土裂損調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 道床板裂縫數(shù)調(diào)查結(jié)果

現(xiàn)場兩次調(diào)查表明，隨著時(shí)間的延長，道床板混凝土開裂趨勢有所增加。從表3可知，區(qū)段Ⅰ采取內(nèi)摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料、外噴高效養(yǎng)護(hù)劑，并附加透水模板布的綜合措施，混凝土道床板在自然環(huán)境中暴露7個(gè)月后未出現(xiàn)可見裂縫，而暴露一年后出現(xiàn)了3條因支撐層切縫引起的橫向貫穿裂縫，1條八字角短裂縫以及少量表面不規(guī)則微裂縫。區(qū)段Ⅱ未摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料，一年后混凝土道床板開裂較為嚴(yán)重，尤其以軌枕邊角處開裂居多，占開裂總數(shù)的80%以上，其中最大裂縫寬度達(dá)0.28 mm，最長裂縫達(dá)800 mm。區(qū)段Ⅲ采用優(yōu)化配合比后的混凝土進(jìn)行施工，混凝土道床板開裂情況較區(qū)段Ⅱ有所改善，但仍出現(xiàn)較多裂縫，至第二次觀測期間，已有7條裂縫橫向貫通整個(gè)道床板，且個(gè)別裂縫最大寬度已超過0.2 mm。

圖8為實(shí)際調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)的部分混凝土道床板的裂損現(xiàn)象，其中軌枕塊八字角裂縫較為普遍。分析認(rèn)為，道床板混凝土在收縮或不均勻沉降過程中，容易在預(yù)制混凝土軌枕與現(xiàn)澆混凝土結(jié)合部位，尤其在邊角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得混凝土在持續(xù)拉應(yīng)力狀態(tài)下開裂，并隨時(shí)間逐漸延伸發(fā)展。

圖8 混凝土裂損現(xiàn)象

4 結(jié)語

結(jié)合工程實(shí)踐，為解決無砟軌道道床板混凝土的開裂問題，本文采取了多重防裂措施，綜合效果良好?？偨Y(jié)如下:

1)采用內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料，實(shí)現(xiàn)了混凝土內(nèi)部水分補(bǔ)償，減少了混凝土的收縮尤其是塑性收縮和干燥收縮，提高了混凝土的抗裂性。

2)噴涂高效養(yǎng)護(hù)劑，可在混凝土澆筑后短時(shí)間內(nèi)實(shí)施，克服了灑水養(yǎng)護(hù)只能在混凝土硬化后進(jìn)行的缺點(diǎn)，大幅減少混凝土因失水干燥而產(chǎn)生的早期收縮裂縫。

3)粘貼透水模板布，能夠形成長效保濕機(jī)制，減少混凝土表面浮漿，提高混凝土的密實(shí)度，進(jìn)而增強(qiáng)道床板混凝土的抗裂性。

需要指出的是，除采取上述措施外，施工過程中需密切關(guān)注混凝土原材料質(zhì)量、配合比控制、二次抹面、切縫時(shí)機(jī)等各影響環(huán)節(jié)，切實(shí)加強(qiáng)施工質(zhì)量管理，從而有效避免道床板混凝土開裂。

［1］朱長華，王保江，裘智輝，等．CRTSⅠ型無砟軌道道床板裂縫成因分析及應(yīng)對措施［J］．施工技術(shù)，2012，41(5):77-79．

［2］劉振民，錢振地，張雷．雙塊式無砟軌道道床板混凝土裂縫的分析與防治［J］．鐵道建筑，2007(6):99-101．

［3］欒永平．現(xiàn)澆雙塊式無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．

［4］王會永，閆紅亮．整體道床無砟軌道現(xiàn)澆道床板新老混凝土黏結(jié)面應(yīng)力分析［J］．鐵道建筑，2010(6):111-113．

［5］任娟娟，劉學(xué)毅，趙坪銳．連續(xù)道床板裂縫計(jì)算方法及影響因素［J］．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，45(1):34-39．

U215．4+4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．05．41

1003-1995(2013)05-0137-04

2012-11-20;

2013-02-20

中國鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目(2011YJ87);上海鐵路局科研開發(fā)項(xiàng)目(2012084)

樓梁偉(1982—)，男，浙江諸暨人，助理研究員，碩士。

(責(zé)任審編 王紅)