無機納米抗裂減滲劑對無砟軌道道床板混凝土抗裂性能的影響

高貴 劉晶偉 王毅東 杜運祥 董蕓 喻幼卿

1.武九鐵路客運專線湖北有限責任公司，武漢 430212；2.中鐵十二局集團第一工程有限公司，西安 710028；3.長江水利委員會長江科學院，武漢 430010；4.武漢工程大學，武漢 430070

雙塊式無砟軌道具有施工工藝簡單、建設成本低、可維修性好等突出優(yōu)點，已在我國高速鐵路建設中得到大規(guī)模應用［1］。混凝土開裂是雙塊式無砟軌道道床板的主要病害形式，主要表現(xiàn)為軌枕邊角處八字形裂縫、側(cè)面裂縫、橫向裂縫等。道床板混凝土裂縫產(chǎn)生的原因有溫度驟變、水分蒸發(fā)、不均勻沉降等［2］。溫度驟變及水分蒸發(fā)會引起混凝土體積收縮，形成收縮裂縫，不均勻沉降會引起貫穿性裂縫，也稱為結(jié)構(gòu)性裂縫［3］。道床板嚴重開裂將會導致絕緣節(jié)點失效、混凝土結(jié)構(gòu)破壞、路基下沉等系列問題［4-8］。這些問題不但增加工務部門的維修工作量，而且直接影響無砟軌道的安全性和耐久性，因此提高道床板混凝土抗裂性能對于保障雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)壽命至關重要。

本文首先通過室內(nèi)試驗對摻入無機納米抗裂減滲劑（以下簡稱抗裂劑）的混凝土抗裂性能及耐久性能進行研究，并在鄭萬（鄭州—萬州）鐵路7 標段試驗段進行了現(xiàn)場澆筑試驗，對抗裂劑的抗裂效果進行了驗證。

1 室內(nèi)試驗

1.1 原材料

水泥采用華新水泥有限公司的P·O 42.5水泥；粉煤灰為華電襄陽發(fā)電有限公司生產(chǎn)的F 類Ⅱ級粉煤灰；細骨料和粗骨料均由保康縣宏鑫建筑材料有限公司生產(chǎn)，細骨料為機制中砂；粗骨料為料徑5～20 mm連續(xù)級配碎石；外加劑為山西山大合盛新材料股份有限公司生產(chǎn)的緩凝型聚羧酸系高性能減水劑、武漢天衣新材料有限公司生產(chǎn)的無機納米抗裂減滲劑；水為自來水。

以鄭萬線7標段無砟軌道混凝土設計配合比為基準，摻入膠凝材料用量1%及2%的抗裂劑，混凝土設計強度等級為C40。試驗配合比見表1。按表1 配合比分別制備A1、A2、及A3三個混凝土試件。

表1 室內(nèi)試驗配合比 kg·m-3

1.2 試驗依據(jù)

根據(jù)TB∕T 3398—2015《CRTSⅠ型板式無砟軌道混凝土軌道板》進行混凝土配合比設計及試驗。

根據(jù)GB 8076—2008《混凝土外加劑》、T∕ASC 6006—2019《混凝土無機納米抗裂減滲劑》及CCES 01—2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計與施工指南》等對是否摻入抗裂劑的軌道板混凝土進行抗裂性能及耐久性能試驗。

1.3 試驗結(jié)果與分析

1.3.1 混凝土絕熱溫升

混凝土的絕熱溫升試驗結(jié)果見表2。

表2 絕熱溫升試驗結(jié)果

由表1 可知：與A1 試件相比，A2 試件絕熱溫升降幅在2.2%～11.9%，A3 試件絕熱溫升降幅在2.9%～14.4%。這說明抗裂劑的加入能夠減輕混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫升程度，有利于抑制溫度裂縫的生成，對混凝土抗裂性能、密實性能均有所改善。

1.3.2 混凝土電通量

56 d 齡期時A1、A2、A3 試件的電通量分別為1 016、861、789 C。與A1 試件相比，A2、A3 試件電通量分別降低15.26%、22.34%，表明摻入抗裂劑有利于提高混凝土耐久性能。摻入抗裂劑的試件電通量均小于等于1 000 C，滿足TB∕T 3398—2015要求。

1.3.3 混凝土抗裂性能

先采用單個試件測試混凝土抗裂性能，再通過平板抗裂試驗測試混凝土抗裂效果。混凝土抗裂性能試驗結(jié)果見表3。

表3 混凝土抗裂性能試驗結(jié)果

由表3 可知：摻入了抗裂劑的A2、A3 試件的抗壓強度與未摻加抗裂劑的A1 試件差別不大，均能滿足C40 混凝土設計要求；A2、A3 試件的抗拉強度和極限拉伸值較A1 均有明顯改善，A2、A3 試件抗拉強度比A1 試件分別提高8.48%、11.99%，極限拉伸值比A1試件分別提高11.21%、18.10%；A2、A3試件的收縮率比與A1試件差別不大。

混凝土平板抗裂試驗的主要目的是對是否摻入抗裂劑的混凝土抗裂性能進行比較。受模板厚度限制，試驗時要求剔除粒徑20 mm 的粗骨料，而表1 中粒徑20 mm 的粗骨料占50%以上，為達到C40 混凝土強度要求以及拌和物的和易性要求，在表1 配合比的基礎上進行了調(diào)整（表4），試驗結(jié)果見表5。

表4 混凝土平板抗裂試驗配合比

表5 混凝土平板抗裂試驗結(jié)果

由表5 可以看出：摻入抗裂劑后平均開裂面積減少3 mm2，每平方米裂縫數(shù)量減少8.3 根，每平方米開裂面積減少64.9 mm2，抗裂性等級由Ⅱ級提高到Ⅰ級［8］，抗裂劑的抗裂效果明顯。

2 現(xiàn)場澆筑試驗

根據(jù)表1 的配合比，在鄭萬高速鐵路7 標段無砟軌道道床板試驗段進行了澆筑試驗。為了滿足混凝土現(xiàn)場施工要求，對表1 中的用水量及減水劑進行了微調(diào)，見表6。

表6 道床板混凝土現(xiàn)場試驗配合比 kg·m-3

采用三種配合比澆筑混凝土道床板，澆筑后對道床板表面進行了觀察。第1 天及第69 天的情形見圖1。

圖1 三種道床板表面狀態(tài)

由圖1 可見：第1 天時三種道床板表面平整度均好，無裂縫產(chǎn)生；第69 天時，沒摻抗裂劑的C1 道床板表面出現(xiàn)1 條長6 cm 裂縫，摻抗裂劑的B2 和B3 道床板表面沒有出現(xiàn)裂縫。

3 結(jié)論

1）室內(nèi)抗裂性能試驗結(jié)果表明：摻入抗裂劑的A2、A3 試件的抗拉強度和極限拉伸值較未摻抗裂劑的A1 試件有明顯改善；A2、A3 試件的抗壓強度、收縮率比與A1試件相差不大，均能滿足C40混凝土設計要求。摻入抗裂劑的同時減少了水泥用量，混凝土的抗裂性能及耐久性能仍有所改善，絕熱溫升也有所降低，有利于道床板施工時采取溫控措施。混凝土平板抗裂試驗結(jié)果表明：摻入抗裂劑后道床板混凝土抗裂性等級由Ⅱ級提高到Ⅰ級。可見，抗裂劑的抗裂效果明顯。

2）室內(nèi)耐久性能試驗結(jié)果表明：56 d 齡期時A2、A3 試件電通量分別比A1 試件降低15.26%、22.34%，摻入抗裂劑有利于提高混凝土耐久性能。

3）現(xiàn)場澆筑試驗結(jié)果表明：第69天時摻入抗裂劑的兩塊道床板表面均未見裂紋及裂縫，未摻入抗裂劑的道床板表面發(fā)現(xiàn)了少量明顯的八字形裂縫，說明摻入抗裂劑對混凝土道床板抗裂性能有明顯改善效果。