彈性支承塊式無砟軌道混凝土裂紋控制措施

東懷正 曾曉輝 謝永江 潘自立 裘智輝

1.西藏鐵路建設有限公司，西藏林芝860100；2.中南大學，長沙410075；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；4.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都610031

1 工程概況

一鐵路位于西南高原地區(qū)，沿線山高谷深，氣候條件極端惡劣。其所處地段平均海拔為3 564 m，最高海拔達5 438 m，相對高差1 890 m。空氣干燥稀薄，缺氧，氣溫低，晝夜溫差大，紫外線強，高原大風干旱。

該鐵路線路長度1 km以上隧道洞內(nèi)采用彈性支承塊式無砟軌道［1］，全線無砟軌道共計193 km，混凝土工程量約20萬m3。受列車運營荷載等因素的影響，2020年前施工的22.7 km無砟軌道中，道床板彈性支承塊四角發(fā)生八字形裂紋的比例高達89.2%，其中有76%已經(jīng)延伸至道床板邊緣，同時存在龜裂紋、橫向和豎向表面裂紋。支承塊四角的八字形裂紋縫寬基本小于0.2 mm，深度約5 cm，貫穿保護層深度；發(fā)展至道床板邊緣的裂紋縫寬在0.1～0.4 mm，個別可達0.5 mm，最深處未穿透套靴。

2 道床板混凝土裂紋原因分析

2.1 無砟軌道結構特性和混凝土性能因素

彈性支承塊結構下窄上寬，列車通過時道床板混凝土受到擠壓作用。同時，彈性支承塊四角為直角設計，混凝土收縮、徐變時該區(qū)域應力相對集中［2］。結構特性和混凝土自身性能因素都會導致支承塊四角產(chǎn)生八字形裂紋。

2.2 高原低氣壓環(huán)境條件

從調(diào)研結果來看，高原低氣壓環(huán)境導致混凝土出現(xiàn)一系列問題，而開裂是這些問題的外在表現(xiàn)。

高原低氣壓環(huán)境致使空氣中含水率較低，混凝土內(nèi)部水分散失過快，在強風作用下混凝土表面極易出現(xiàn)早期塑性開裂與后期干燥收縮變形。

高原低氣壓環(huán)境致使混凝土引氣較為困難，混凝土氣泡穩(wěn)定性差，混凝土拌和物極易離析泌水，表層混凝土水灰比過大，硬化的混凝土較為硬脆，抵抗變形能力弱，易出現(xiàn)開裂。

混凝土早期塑性裂縫、后期干燥收縮均與孔隙毛細張力關系密切。低氣壓環(huán)境下，混凝土孔隙毛細張力增大，導致混凝土失水的拉應力增大，進而導致混凝土開裂。

2.3 高原環(huán)境條件惡劣

高原風速大，隧道內(nèi)部煙囪效應與穿堂風效應強。強風引起混凝土表面溫度驟降，水分快速蒸發(fā)，進而導致混凝土產(chǎn)生溫度裂縫與收縮開裂。

高原環(huán)境溫差大，晝夜溫差、垂直溫差、區(qū)域溫差、季節(jié)溫差等導致混凝土內(nèi)部溫度梯度大，產(chǎn)生溫度裂縫。

2.4 原材料質(zhì)量品質(zhì)較差

高原地區(qū)混凝土砂石骨料的生產(chǎn)技術水平不高，生產(chǎn)裝備落后，生產(chǎn)工藝不可控；生產(chǎn)用母巖差異大，節(jié)理多，綜合質(zhì)量不高；砂石骨料粒形差，針片狀與含泥量高。這些均會導致混凝土坍落度損失快，干燥收縮大，強度低，易開裂。

由于高原地區(qū)嚴重缺乏粉煤灰等礦物摻和料資源，而從內(nèi)地運輸?shù)姆勖夯移焚|(zhì)一般，因此混凝土膠凝材料用量高，水化熱大，干燥收縮大，且外加劑材料性能不佳，導致混凝土坍落度大，均質(zhì)性差，進而易開裂。

2.5 高性能混凝土制備困難

由于該鐵路沿線優(yōu)質(zhì)砂石料與礦物摻和料資源缺乏，且高原低氣壓環(huán)境條件使得混凝土引氣困難，所拌制的混凝土較為干澀，坍落度、含氣量損失大，且易泌水、離析、分層，混凝土工作性差，施工現(xiàn)場易出現(xiàn)浮漿、浮泡，加之澆筑工藝中振搗不密實，易導致混凝土開裂。

2.6 施工工藝控制不到位

混凝土澆筑過程中澆筑順序、振搗形式和遍數(shù)、收面遍數(shù)、養(yǎng)護條件等控制不嚴，也是產(chǎn)生裂紋的重要原因。同時，混凝土澆筑后初凝時間掌握不準確，松扣件時間過早易產(chǎn)生結構裂紋。

3 道床板混凝土裂紋控制措施

基于上述現(xiàn)場調(diào)研分析，結合中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心、中國鐵道科學研究院集團有限公司、中南大學、中鐵第一勘察設計院集團有限公司、中鐵二院工程集團有限責任公司等專家評審意見和各類現(xiàn)場對比試驗，制定了一系列控制措施，以控制道床板混凝土開裂。

3.1 結構補強

為減少支承塊四角八字形裂紋產(chǎn)生，在彈性支承塊四周增設環(huán)向抗裂鋼筋，彈性支承塊四角增設斜向抗裂鋼筋，從而減小該區(qū)域應力集中。

3.2 加強原材料控制

嚴格控制混凝土砂石骨料質(zhì)量，尤其是碎石針片狀含量，并注意砂石級配控制，宜采用連續(xù)級配石子。砂細度模數(shù)應大于2.8，并加強砂石含泥量檢測頻次，砂石含泥量應不大于2.5%。同時，砂石料應盡可能提前進場并靜置3～5 d，以穩(wěn)定含水率。

嚴格控制外加劑質(zhì)量。采購時選擇價格合理、誠信度高的大廠家，保證每批外加劑都具有穩(wěn)定的品質(zhì)。每批材料進場除正常試驗檢測外，還必須進行混凝土試拌驗證。

根據(jù)現(xiàn)場各種試驗對比結果，通過采用低熱水泥等特種膠凝材料可以減少膠凝材料需水量，降低水泥水化時的自身收縮變形，降低混凝土水化放熱量，進而明顯減少混凝土早期微裂紋，提高混凝土抗折強度［3］。

混凝土中摻加粉煤灰等優(yōu)質(zhì)礦物摻和料以減少混凝土自身收縮變形，通過礦物摻和料的二次水化增大混凝土密實性，減少混凝土干燥收縮。要特別注意粉煤灰質(zhì)量波動對混凝土性能的影響，加大粉煤灰的檢測頻次。在高原地區(qū)原材料缺乏的情況下宜采用火山灰等其他優(yōu)質(zhì)礦物摻和料。

高原地區(qū)一般采用環(huán)境地表水拌和混凝土，易導致混凝土坍落度損失過快，且影響混凝土耐久性。因此要嚴格控制拌和水中Na+、K+、SO42-、Cl-等離子的含量。

3.3 控制混凝土配合比

混凝土中膠凝材料用量過高會使混凝土早期塑性開裂增大，并使混凝土自收縮變形、干燥收縮量、水化放熱增大。因此在保證強度的情況下，膠凝材料用量應盡量少。在高原地區(qū)道床板C40混凝土中，膠凝材料總用量不宜大于400 kg/m3，其中輔助膠凝材料用量不小于20%。

混凝土水膠比過大會導致混凝土干燥收縮量大，致使水化后期出現(xiàn)裂紋。因此要嚴格控制水膠比，應小于0.37，用水量不應大于150 kg/m3。

纖維通過橋接效應達到阻止裂縫擴展的目的，還可以防止混凝土泌水、離析，改善混凝土表層密實性，因此可通過加入抗裂纖維來提高混凝土抗裂性。通過現(xiàn)場試驗，建議在混凝土中摻入體積摻量為1%的抗裂纖維［4］。

低氣壓會增大新拌混凝土的表面張力，影響氣泡膜對引氣劑等的吸附，進而影響氣泡內(nèi)壓、衰變、演化以及氣孔結構，低氣壓還會增大氣泡形成的界面能。因此，在高原環(huán)境下，混凝土存在引氣困難、氣泡不穩(wěn)定的技術難題。通過現(xiàn)場試驗，宜采用高原型引氣劑來穩(wěn)定氣泡并增大混凝土含氣量，進而提高混凝土的抗裂性。

在混凝土中摻入減縮劑可以降低混凝土孔隙溶液的表面張力，減少混凝土干燥失水時的毛細管壓力，進而減小混凝土干燥收縮率，提高混凝土抗裂性。同時通過摻入一定量的膨脹劑，補償混凝土水化以及干燥的收縮，達到阻止混凝土開裂的目的。

現(xiàn)場對比試驗發(fā)現(xiàn)，采用養(yǎng)護劑能明顯降低混凝土塑性開裂，且內(nèi)摻養(yǎng)護劑的效果明顯優(yōu)于外涂。內(nèi)摻養(yǎng)護劑的混凝土內(nèi)部相對濕度在14 d時仍保持較高水平（95%以上），且內(nèi)部相對濕度隨預儲水組分摻量的增加而增大［5］。

3.4 混凝土性能參數(shù)

考慮到高原地區(qū)勞動強度不宜過大，混凝土坍落度應控制在180 mm左右，混凝土坍落度損失1 h應不大于20 mm，尤其應注意混凝土含氣量損失導致的坍落度損失。

考慮到高原地區(qū)混凝土抗凍性、和易性、抗裂性的需要，混凝土含氣量應控制5%左右。由于高原低氣壓環(huán)境導致混凝土含氣量損失較快，因此混凝土含氣量1 h損失應不大于2%［6］。

混凝土絕熱溫升不宜過高，道床板混凝土內(nèi)部最高溫度與環(huán)境溫度之差不宜高于5℃。

3.5 施工工藝

混凝土澆筑時宜平行布料，從中間往兩側進行振搗，尤其要注意彈性支承塊底部混凝土的振搗，防止支承塊底部氣泡未排出而造成混凝土中出現(xiàn)空洞、混凝土密實度下降。

至少配備兩根φ50和兩根φ30振搗棒。φ50振搗棒在前，主要用于布料后的攤料和塊間振搗；φ30振搗棒在后，對每個支承塊周邊進行振搗，左右側各一根。一般單點混凝土振搗1次，注意防止混凝土過振。由于混凝土坍落度較大，過振極易導致混凝土浮漿、浮泡，并導致表層混凝土水膠比過大而使得混凝土開裂。

應注意混凝土收面時間，過早與過晚收面均不利于混凝土抗裂。收面時間宜控制在初凝后1 h左右。嚴禁加水、灑水或加水泥漿進行收面；嚴禁反復揉搓收面。

混凝土宜帶模養(yǎng)護2 d以上，嚴禁過早脫模；脫模時應注意軌道排架四邊螺栓同步松動，初始螺栓宜半圈或四分之一圈同步松動；嚴禁重錘敲擊等暴力脫模。

混凝土模板表面宜涂刷兼具養(yǎng)護功能的脫模劑以快速脫模，并對道床側邊進行養(yǎng)護。

3.6 養(yǎng)護工藝

混凝土在初凝后覆蓋養(yǎng)護，拆除軌排后清掃道床板頂面，布設噴淋水管，水管噴淋扣間距以1.2 m為宜，土工布全幅寬覆蓋，再覆蓋一層厚塑料布防止水分散失。

由于水泥水化放熱，混凝土表層將升溫3～5℃，因此應注意養(yǎng)護水的溫度，防止與混凝土表層溫度的溫差過大。嚴禁采用冷水直接作為養(yǎng)護水。

現(xiàn)場觀測結果表明，采用土工布覆蓋養(yǎng)護14 d的道床混凝土在撤除養(yǎng)護后即開始出現(xiàn)裂縫。因此，建議土工布覆蓋保濕養(yǎng)護時間延長至28 d，每天澆水不少于2次，保持土工布濕潤。由于道床側面水較難進入（尤其是超高段的較高一側），建議道床兩側涂刷或噴涂養(yǎng)護劑。

經(jīng)現(xiàn)場試驗，混凝土表面涂刷或噴涂專門的養(yǎng)護材料可滲入混凝土內(nèi)部，與水泥發(fā)生反應形成堅固的凝膠體，一方面可防止混凝土內(nèi)部水分散失，達到養(yǎng)護的目的，另一方面可提高表層混凝土的抗裂性。

混凝土強度未達到75%前，應注意避免在其表面進行作業(yè)；嚴禁3 d齡期內(nèi)在道床混凝土表面放置軌道排架、模板、支承塊等。

為防止隧道穿堂風引起的干燥效應、溫降效應等引發(fā)的混凝土開裂風險，在隧道口設置擋風布簾或采用移動式擋風簾。

4 結語

通過對高原混凝土開裂問題進行深入分析，經(jīng)過現(xiàn)場不斷試驗，確定了混凝土道床綜合防裂措施。在后期的道床板施工中，道床混凝土總裂縫數(shù)量比之前減少35%～70%，寬裂縫與貫穿裂縫數(shù)量減少70%～90%，裂縫總長度降低了75%～95%，裂縫深度減少約80%，絕大多數(shù)裂縫為淺表微裂紋，有效提升了無砟軌道道床板混凝土的抗裂性能。相關技術措施簡單易操作，切實可行，為高原鐵路混凝土施工積累了豐富的經(jīng)驗。