嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路岔區(qū)現(xiàn)澆道床混凝土裂縫控制技術(shù)

孫學(xué)奎

（京沈鐵路客運(yùn)專線遼寧有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110006）

無砟軌道是我國高速鐵路建設(shè)主要的軌道結(jié)構(gòu)形式。與傳統(tǒng)有砟軌道相比，無砟軌道具有更高的可靠性、平順性、穩(wěn)定性和耐久性，并且能夠滿足高速鐵路“安全、舒適、維修少”的技術(shù)要求［1-3］。岔區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)具有線形復(fù)雜、軌道截面寬度大、荷載受力大等特點(diǎn)，已建和在建的高速鐵路線路岔區(qū)普遍采用中間長枕埋入式及兩端雙塊式軌枕過渡的整體現(xiàn)澆道床結(jié)構(gòu)形式。近年來，東北、西北、華北等嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路工程建設(shè)和運(yùn)營實(shí)踐表明，道床混凝土結(jié)構(gòu)存在易開裂、凍脹粉化等問題［4-5］。因此，開展岔區(qū)現(xiàn)澆道床混凝土劣化形式及成因分析，提出降低道床混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)的綜合抗裂技術(shù)，對今后嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路建設(shè)具有重要意義。

1 岔區(qū)道床混凝土裂縫特征及成因分析

岔區(qū)無砟軌道雙塊式軌枕過渡段橫斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示，從下到上依次為底座混凝土、道床混凝土、雙塊式軌枕、扣件及鋼軌。

圖1 岔區(qū)無砟軌道雙塊式軌枕過渡段橫斷面結(jié)構(gòu)（單位：mm）

岔區(qū)道床混凝土的主要劣化形式有軌枕周圍的八字角裂縫、道床板單元中間出現(xiàn)的橫向貫通裂縫、混凝土表面龜裂縫（見圖2）、粉化剝落等。雙塊式軌枕過渡段劣化情況普遍較長枕埋入式地段嚴(yán)重。

圖2 雙塊式軌枕過渡段道床混凝土典型裂縫形態(tài)

各類裂縫的成因：

1）八字角裂縫的產(chǎn)生主要是由于預(yù)制軌枕塊與現(xiàn)澆道床混凝土收縮變形不同步［6］。出廠的預(yù)制軌枕塊幾乎不收縮，而現(xiàn)澆道床板屬于典型的平面薄板結(jié)構(gòu)，表面積比較小，早期失水較快加劇了收縮，變形過程中受到軌枕塊所施加的約束力，最終導(dǎo)致開裂。

2）龜裂縫的產(chǎn)生主要是由于岔區(qū)道床混凝土的澆筑普遍采用泵送方式。泵送混凝土存在膠凝材料用量高、單方用水量高、坍落度過大等問題，極易出現(xiàn)過度振搗、表面漿體富集等情況［7-8］，加之早期養(yǎng)護(hù)常常不到位，混凝土表面失水過快，最終導(dǎo)致開裂。另外工人采用灑水潤面的方式進(jìn)行收面作業(yè)時(shí)亦容易導(dǎo)致龜裂縫的產(chǎn)生。

3）橫向貫通裂縫的產(chǎn)生主要是由于岔區(qū)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)單元長度較大。以18#道岔為例，最長的現(xiàn)澆道床板單元為25.17 m，最短的也有13.77 m，一次澆筑距離長且混凝土方量大，沿直岔方向的收縮不斷累積，容易在中部形成收縮應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致開裂。

2 岔區(qū)道床混凝土存在的問題及處理措施

通過對已建線路岔區(qū)無砟軌道現(xiàn)澆道床混凝土的配合比設(shè)計(jì)、制備、施工等各環(huán)節(jié)的系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)主要存在以下3方面的問題：

1）配合比設(shè)計(jì)參數(shù)不科學(xué)。混凝土膠凝材料用量偏高，早期水化速率快，總放熱量高，導(dǎo)致混凝土的收縮變形大。

2）性能指標(biāo)不合理。混凝土坍落度偏大且極易過振，容易產(chǎn)生浮漿層；同時(shí)未考慮岔區(qū)長線連續(xù)澆筑的特點(diǎn)，完全套用普通混凝土的耐久性指標(biāo)，缺乏早期收縮及抗裂性能評價(jià)指標(biāo)。

3）養(yǎng)護(hù)工藝不合理。施工過程中，道床混凝土終凝前普遍存在6～8 h 的養(yǎng)護(hù)暴露期，而此時(shí)間段混凝土表面失水和收縮變形最為劇烈。另外，傳統(tǒng)的土工布+塑料布灑水養(yǎng)護(hù)方式可靠性差，常常流于形式，難以有效保證養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

根據(jù)上述分析并結(jié)合嚴(yán)寒地區(qū)混凝土抗凍融破壞要求，從混凝土配合比設(shè)計(jì)、功能材料使用、施工工藝3方面提出降低道床混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)措施：

1）配合比設(shè)計(jì)。嚴(yán)格控制單方膠凝材料用量及用水量，降低混凝土早期開裂敏感性，盡可能增加粗骨料用量，強(qiáng)化“骨架效應(yīng)”，提高混凝土的體積穩(wěn)定性。擬定膠凝材料用量≤380 kg/m3，用水量≤145 kg/m3，砂率≤40%。

2）功能材料使用。采用中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的TK-I型粉體抗裂劑，以補(bǔ)償?shù)来不炷猎缙谑湛s，降低開裂敏感性。

3）施工工藝。擬定道床混凝土坍落度為（140±20）mm，含氣量為6%～8%，泵送或斗送入模進(jìn)行澆筑，選用高頻振搗器振搗，同時(shí)覆蓋節(jié)水保濕養(yǎng)護(hù)膜進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

3 混凝土塑性收縮試驗(yàn)和早期抗裂試驗(yàn)

3.1 原材料

膠凝材料分別為遼寧亞泰亞新P·O 42.5水泥，沈陽國電康平I 級粉煤灰、冀東S95 級礦渣粉，主要化學(xué)組成及其物理參數(shù)見表1。粗骨料采用遼寧宏發(fā)采石場生產(chǎn)的5～10 mm和10～20 mm的兩級配碎石，表觀密度分別為 2 750，2 700 kg/m3，按質(zhì)量比 4︰6 混合使用，緊密空隙率為40%。細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，表觀密度為2 650 kg/m3，含泥量為0.8%。

表1 膠凝材料主要化學(xué)組成及其物理參數(shù)

功能材料為TK-I 型粉體抗裂劑。外加劑采用河北三楷深發(fā)科技股份有限公司的保坍型聚羧酸減水劑和高效引氣劑，減水率為25%。水為自來水。

3.2 配合比

混凝土試驗(yàn)配合比見表2。其中：JZ組采用現(xiàn)場常用的C40 道床混凝土配合比，坍落度為160～180 mm，含氣量為4%～6%；KL 組采用添加了粉體抗裂劑的配合比，坍落度在140 mm左右，含氣量為6%～8%。

表2 混凝土試驗(yàn)配合比 kg·m-3

3.3 試驗(yàn)方法

混凝土塑性收縮試驗(yàn)和早期抗裂試驗(yàn)均參照GB/T 50082－2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［9］進(jìn)行。塑性收縮試驗(yàn)采用中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的TKY-SSY01 型非接觸式混凝土收縮變形測定儀（見圖3）進(jìn)行測試。采用100 mm×100 mm×515 mm 的棱柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，在混凝土兩端插入標(biāo)靶，并將傳感器固定在2 個標(biāo)靶中間。鑒于試驗(yàn)室電風(fēng)扇無法滿足早期抗裂試驗(yàn)中風(fēng)速和風(fēng)向要求，自行設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)（見圖4）。

圖3 非接觸式混凝土收縮變形測定儀

圖4 混凝土早期抗裂試驗(yàn)

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.4.1 混凝土工作性能及力學(xué)性能

混凝土工作性能及力學(xué)性能見表3。可見：①JZ組混凝土3 d抗壓強(qiáng)度接近30 MPa，約為KL組的2倍，56 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到50 MPa 以上，內(nèi)部水化速率很快，具有較高的早期開裂敏感性。②KL組早期強(qiáng)度較低，28 d 抗壓強(qiáng)度僅為37.3 MPa，表明早期混凝土內(nèi)部水化進(jìn)程較緩慢，水化放熱量低，有效降低了內(nèi)外溫差開裂風(fēng)險(xiǎn)；56 d 抗壓強(qiáng)度為44.2 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級要求。

表3 混凝土工作性能及力學(xué)性能

針對KL 組56 d 強(qiáng)度富余系數(shù)不高的問題，對室內(nèi)振搗成型前后混凝土的含氣量進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，由于KL 組混凝土出機(jī)含氣量較高，加之室內(nèi)振動臺的振動頻率及振擊力有限，振動成型試件中混凝土的含氣量仍在4.5%以上，而采用高頻振搗棒振搗后，混凝土含氣量即可降至3%左右。一般而言，混凝土抗壓強(qiáng)度與含氣量成反比，對于C40 及以上等級混凝土，含氣量每變化1%，抗壓強(qiáng)度相應(yīng)變化5 MPa［10］，因此采用綜合抗裂技術(shù)制備的混凝土實(shí)體強(qiáng)度應(yīng)具有更高的富余系數(shù)。

3.4.2 早期塑性收縮性能

混凝土早期塑性收縮性能見圖5。可見：KL 組混凝土成型24 h塑性收縮率僅為JZ 組的28%，且仍有逐漸降低的趨勢。表明采用綜合抗裂技術(shù)能夠有效降低混凝土的早期塑性收縮值，同時(shí)粉體抗裂劑具有顯著的補(bǔ)償收縮效果，其作用發(fā)揮時(shí)間約在成型8 h左右。

圖5 混凝土早期塑性收縮性能

3.4.3 早期抗裂性能

混凝土早期平板抗裂試驗(yàn)結(jié)果見圖6和表4。

圖6 混凝土早期平板抗裂效果

表4 混凝土早期平板抗裂試驗(yàn)結(jié)果

由圖6和表4可見：2組混凝土同樣出現(xiàn)8條裂縫，但KL 組混凝土的最大裂縫寬度僅為JZ 組的50%，平均開裂面積和總開裂面積為JZ組的40%左右，可見采用綜合抗裂技術(shù)能夠顯著提升混凝土的抗裂性能。

4 工程驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提出綜合抗裂技術(shù)在實(shí)際工程中的有效性，課題組于2017年10月依托京沈客運(yùn)專線線下雙塊式軌枕試驗(yàn)段開展了足尺驗(yàn)證試驗(yàn)。按照表2的配合比分別澆筑2段長24.0 m、寬3.2 m的試驗(yàn)段。JZ 組混凝土坍落度為180 mm，含氣量為5.4%；KL 組混凝土坍落度為140 mm，含氣量為7.9%。鑒于采用泵送方式進(jìn)行混凝土澆筑，振搗后易產(chǎn)生較厚浮漿層，會增大混凝土塑性開裂的風(fēng)險(xiǎn)，因此試驗(yàn)段施工時(shí)均采用斗送方式進(jìn)行澆筑。考慮到斗送布料路徑對混凝土勻質(zhì)性影響很大，根據(jù)道床板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并結(jié)合前期研究成果［8］，試驗(yàn)段混凝土按照“己”字形均勻布料，如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場斗送布料路徑示意

4.1 施工流程

混凝土施工流程包括混凝土攪拌、運(yùn)輸、澆筑、振搗、抹面、養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)。通過現(xiàn)場足尺驗(yàn)證試驗(yàn)，總結(jié)了采用綜合抗裂技術(shù)制備高抗裂混凝土的關(guān)鍵施工流程，見圖8。

圖8 采用綜合抗裂技術(shù)制備混凝土的施工流程

4.2 實(shí)際效果

截止到2018年4月，經(jīng)過6個月的長期觀測，現(xiàn)場雙塊式軌枕試驗(yàn)段開裂情況統(tǒng)計(jì)見表5。可知：采用綜合抗裂技術(shù)施工的試驗(yàn)段僅發(fā)現(xiàn)3 條裂縫，裂縫數(shù)量減少90%，總開裂面積僅為采用常規(guī)技術(shù)施工試驗(yàn)段的4%，可見采用綜合抗裂技術(shù)可顯著提升現(xiàn)澆道床混凝土的抗裂性能。

表5 現(xiàn)場雙塊式軌枕試驗(yàn)段開裂情況統(tǒng)計(jì)

4.3 施工控制要點(diǎn)

采用綜合抗裂技術(shù)制備的混凝土具有“稠而不粘”的特點(diǎn)。施工時(shí)除應(yīng)按照上述流程作業(yè)外，還應(yīng)注意以下控制要點(diǎn)：①下雨天不得施工；風(fēng)力大于3級以上天氣不建議施工。②攪拌機(jī)的下料口處應(yīng)及時(shí)清理殘余混凝土；罐車內(nèi)壁及葉片應(yīng)定期清理，以減少混凝土粘壁、出料困難等現(xiàn)象。③澆筑前應(yīng)對軌枕周邊充分預(yù)濕，保證軌枕處于“飽和面干”狀態(tài)。④采用高頻振搗棒插入式振搗，并遵循“快插慢拔”的原則；振搗時(shí)間以混凝土不再下沉，表面無氣泡逸出為限，且不少于30 s。⑤振搗完畢后應(yīng)立即開始抹面，抹面流程為木抹子初平+鋼抹子收平、壓實(shí)、覆蓋土工布，抹面時(shí)大面平整即可，不用追求光面效果。⑥混凝土抹面完成后應(yīng)立即做好苫蓋措施，起到保溫、防風(fēng)的作用，混凝土終凝后應(yīng)立即覆蓋節(jié)水養(yǎng)護(hù)膜，并澆水保濕養(yǎng)護(hù)。

5 結(jié)論

1）嚴(yán)寒地區(qū)岔區(qū)道床混凝土過早劣化主要是由于開裂和凍脹的共同作用。現(xiàn)行道床混凝土普遍存在膠凝材料用量高、用水量高、坍落度偏大等特點(diǎn)，同時(shí)缺乏相應(yīng)抗裂性評價(jià)指標(biāo)。

2）室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，控制單方膠凝材料用量、用水量等關(guān)鍵配合比參數(shù)，可顯著降低混凝土的早期塑性收縮率，摻加膠凝材料用量6%的粉體抗裂劑，成型8 h后即可發(fā)揮補(bǔ)償收縮的功效，24 h混凝土收縮率降低72%。采用綜合抗裂技術(shù)能夠降低總開裂面積，顯著提升道床混凝土的早期抗裂性能。

3）經(jīng)在京沈客運(yùn)專線雙塊式軌枕試驗(yàn)段現(xiàn)場驗(yàn)證，相比于采用常規(guī)技術(shù)施工的混凝土，采用綜合抗裂技術(shù)施工的混凝土裂縫數(shù)量減小90%，總開裂面積減少96%，具有顯著的抗裂效果。

4）通過對岔區(qū)道床混凝土配合比設(shè)計(jì)、制備和施工等各環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，所提出的綜合抗裂技術(shù)可顯著提升混凝土的抗裂性能，有效解決嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路岔區(qū)道床混凝土早期劣化問題。