雙塊式無砟軌道現澆混凝土的抗裂性能

譚鹽賓 鄭永杰 李康 高貴 楊魯 李林香 王浩 吳俊杰

（1.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；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081；3.武九鐵路客運專線湖北有限責任公司，武漢 430200）

CRTS 雙塊式無砟軌道具有整體性強、彈性逐層遞減、軌道結構高度低、經濟性好等特點，憑借其施工靈活性和高性價比目前已成為我國高速鐵路建設的主要軌道結構形式之一［1］。工程應用實踐表明［2-5］，CRTS 雙塊式無砟軌道建設過程中最常見的問題是現澆道床混凝土開裂，特別是軌枕四角處的“八”字形裂縫最為普遍，也存在裂縫橫向貫通現象。混凝土一旦出現開裂，雨水、有害離子等就會順著裂縫進入混凝土內部，引起內部鋼筋銹蝕破壞，在嚴寒地區還會引起凍脹破壞，從而顯著影響軌道結構的服役壽命。

相關研究表明，80%以上的混凝土結構開裂是由自身收縮變形引起的［6-8］，而混凝土自身收縮變形又與膠凝材料用量、用水量、外加劑用量等因素密切相關。由文獻［9-10］中各種技術途徑對降低混凝土開裂敏感性的研究結果可知，很多方法都可有效提高混凝土的抗裂性能，比如降低水泥細度、鋁酸三鈣含量、堿含量，摻加粉煤灰等礦物摻和料，適當提高骨料最大粒徑，摻入引氣劑等。在此基礎上不同行業和領域形成了諸多相關的技術標準和指南，但鮮有學者研究混凝土的抗裂性能與坍落度、含氣量等工作性能指標之間的關系，而工作性能指標實際上又是現場施工能快速、便捷控制的指標。本文通過平板抗裂試驗系統研究膠凝材料總量、坍落度及抗裂材料對混凝土開裂性能的影響，并分析相關防裂機理，為后續高速鐵路無砟軌道現澆道床混凝土裂縫控制提供技術支撐。

1 試驗概況

1.1 原材料

1）水泥。北京金隅琉璃河廠生產的P·O 42.5 水泥，密度3.1 g/cm3。

2）細骨料。不同目數的分級砂配制的細度模數為2.5的河砂，篩分結果見表1。

表1 按質量計的河砂篩分結果

3）粗骨料。5～10 mm 和10～20 mm 兩級配的石灰巖碎石，質量比為3∶7。

4）礦粉。冀東S95級磨細礦渣粉，密度2.9 g/cm3。

5）粉煤灰。唐山市浩冉商貿有限公司生產的Ⅰ級粉煤灰，45 μm篩余2.7%，需水量比94%，密度2.50 g/cm3。

6）外加劑。河北三楷深發科技股份有限公司生產的保坍型聚羧酸高性能減水劑和引氣劑。

7）防裂材料。中國鐵道科學研究院集團有限公司研發的TK-ICM型內養護劑，密度2.8 g/cm3。

1.2 配合比

試驗用混凝土配合比見表2，其中JZ 組為現場常用的C40等級道床混凝土配合比；QD組為按照低膠凝材料用量、低用水量、低坍落度的技術路線設計的配合比；NY 組是在QD 組配合比的基礎上，內摻6%防裂材料的配合比（相應用水量增加4.5 kg/m3）。

表2 混凝土配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

混凝土采用德國BHS 公司生產的DKX 型雙臥軸攪拌機進行拌和，葉片轉速設置為60 r/min。對于JZ配合比混凝土，攪拌時間為2 min；對于QD，NY配合比混凝土，攪拌時間為4 min。

混凝土坍落度、含氣量及抗壓強度參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》［11］及GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》［12］進行測試。

平板抗裂試驗參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》［13］進行測試。平板抗裂試驗裝置如圖1所示。

圖1 平板抗裂試驗裝置

2 試驗結果及分析

2.1 工作性能

為研究不同坍落度對混凝土抗裂性能的影響，通過調整外加劑用量，控制JZ組和QD組配合比混凝土坍落度分別為50～80 mm，90～120 mm，130～160 mm，170～190 mm，JZ組含氣量為2%～4%，QD組含氣量為6%～8%；對于NY組配合比混凝土，控制混凝土坍落度分別為130～160 mm 和170～190 mm，含氣量為6%～8%，詳情見表3。

表3 混凝土工作性能試驗參數

2.2 力學性能

各組混凝土各齡期力學性能見圖2和圖3。

圖2 不同坍落度混凝土力學性能

圖3 相同坍落度混凝土力學性能

由圖2（a）可知：JZ 組混凝土強度較高，7 d 強度基本達到強度等級的90%，28 d強度即可達到50 MPa，強度富裕系數較高，且坍落度對混凝土力學性能的影響很小，各齡期的強度偏差率不足5%。由圖2（b）可知：QD組混凝土由于膠凝材料總量較少，且未摻加火山灰活性較強的礦渣粉，因此3 d 強度較低，但后期強度普遍穩定增長，90 d強度可滿足強度等級要求。QD組混凝土之間的強度差異主要是由含氣量差異引起的，坍落度對力學性能影響不大。

由圖3可知：NY 組混凝土的早期力學性能發展規律與QD組相差不大，但56 d齡期后強度仍具有增長趨勢，56～90 d 的強度增長率普遍在10%以上。這主要是因為防裂材料中的蓄水組分在混凝土內部濕度降低至一定程度后，釋放自由水促進膠凝材料再次水化。

綜上，坍落度對混凝土力學性能的影響有限，含氣量一定程度上決定了相同配合比混凝土的強度，摻加防裂材料混凝土的長齡期強度具有穩定增長率。

2.3 抗裂性能

收縮是造成混凝土裂縫產生的主要因素，但并不意味著收縮小的混凝土抗裂性能一定好，單純根據收縮率來評判混凝土的開裂風險具有局限性。平板抗裂試驗主要測試塑性階段混凝土由于水分蒸發所產生的收縮應力與自身抗裂性能之間的關系，能較好地評價混凝土開裂性能。

采用平板開裂方法，分別研究了不同坍落度對JZ配合比和QD 配合比混凝土抗裂性能的影響，以及相同坍落度下膠凝材料用量和防裂材料對混凝土抗裂性能的影響。按照GB/T 50082—2009 的數據處理方法，不同坍落度混凝土的平板抗裂試驗結果見表4。

表4 道床混凝土平板抗裂性能

由表4可知：

1）JZ 組和QD 組混凝土的總開裂面積均隨混凝土坍落度的增加而增大；JZ 組坍落度170～190 mm 混凝土總開裂面積約為坍落度50～80 mm 混凝土的2 倍，約為坍落度130～160 mm 混凝土的1.7倍；QD 組坍落度170～190 mm 混凝土總開裂面積約為坍落度130～160 mm 混凝土的5 倍。因此，合理選擇混凝土坍落度對提高混凝土抗裂性能作用明顯。

2）與JZ 組相比，相同坍落度的QD 組混凝土的總開裂面積大幅度降低；坍落度50～80 mm 混凝土未開裂，坍落度130～160 mm 混凝土的總開裂面積僅為JZ 組混凝土的約1/6，坍落度170～190 mm 混凝土的總開裂面積約為JZ 組的1/2。其主要原因是內部膠凝材料及漿體總量減少，混凝土開裂敏感性顯著降低。

3）與QD 組混凝土相比，坍落度170～190 mm 且摻加防裂材料的NY 組混凝土的總開裂面積顯著降低。其主要原因是加入防裂材料能長期保持內部濕度平衡，顯著降低收縮應力。

3 結論

1）對于雙塊式現澆道床混凝土，膠凝材料總量增高，混凝土開裂敏感性顯著增大，抗裂性能差，按照“低膠凝材料用量、低用水量、低坍落度和高含氣量”的技術路線制備道床混凝土，可有效降低混凝土開裂敏感性。

2）作為表征混凝土工作性能的重要指標，坍落度直接影響新拌混凝土的性能，也對混凝土抗裂性能有顯著影響。

3）TK-ICM 型防裂材料兼具“補償收縮”和“儲蓄釋水”的作用，能夠長期保持混凝土內部濕度，降低混凝土的收縮應力，減少混凝土開裂面積。