雙塊式無(wú)砟軌道道床板裂縫控制研究

崔國(guó)慶

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司線路站場(chǎng)設(shè)計(jì)研究處,武漢 430063)

武廣鐵路客運(yùn)專線是我國(guó)設(shè)計(jì)時(shí)速300 km以上、大規(guī)模鋪設(shè)無(wú)砟軌道的高速鐵路之一,全長(zhǎng)1 068.6 km。武廣鐵路客運(yùn)專線主要采用雙塊式無(wú)砟軌道,該軌道自上而下主要由鋼軌、扣件系統(tǒng)、雙塊式軌枕、道床板、支承層或保護(hù)層等組成。筆者主要介紹武廣鐵路客運(yùn)專線路基上雙塊式無(wú)砟軌道道床板的裂縫產(chǎn)生機(jī)理、結(jié)構(gòu)措施和修補(bǔ)方案。

1 路基上雙塊式無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

武廣鐵路客運(yùn)專線路基上雙塊式無(wú)砟軌道自上而下由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板和支承層等組成,如圖1所示。

圖1 雙塊式無(wú)砟軌道橫斷面

道床板為鋼筋混凝土連續(xù)結(jié)構(gòu),采用雙層鋼筋,上層縱向鋼筋為9根φ20 mm HRB335鋼筋,下層為11根φ20 mm HRB335鋼筋,每2根軌枕之間設(shè)2根φ16 mm HRB335橫向鋼筋,上下層各1根。

雙塊式無(wú)砟軌道作為一種露天放置、反復(fù)承受列車荷載的結(jié)構(gòu)物,在其長(zhǎng)期使用過程中,在列車荷載、溫度變化、基礎(chǔ)變形以及混凝土自身收縮變形的影響下容易產(chǎn)生裂縫。

由于道床板縱向連續(xù),不設(shè)伸縮縫,且其下部與粗糙的支承層頂面粘結(jié)在一起,承受較大的約束力,受混凝土收縮徐變以及溫度變化的影響,道床板縱向承受較大的拉力,一旦拉力大于混凝土承載能力,將必然產(chǎn)生裂縫。

2 道床板裂縫的形成機(jī)理

道床板裂縫產(chǎn)生的原因可分為兩類：一是結(jié)構(gòu)型裂縫,是由外荷載引起的,包括常規(guī)結(jié)構(gòu)計(jì)算中的主要應(yīng)力以及其他的結(jié)構(gòu)次應(yīng)力造成的受力裂縫；二是材料型裂縫,是由非受力變形變化引起的,主要是由溫度應(yīng)力和混凝土的收縮引起的。

(1)溫度裂縫

溫度裂縫產(chǎn)生主要原因是由溫差造成的。溫差可分為以下3種：水化熱引起的混凝土內(nèi)外溫差、結(jié)構(gòu)整體的溫度升降差、結(jié)構(gòu)從上表面至下表面的溫度梯度。

(2)混凝土收縮引起裂縫

混凝土的收縮類型有很多種,其中引起混凝土開裂的主要包括干燥收縮和塑性收縮。

(3)鋼軌的伸長(zhǎng)引起裂縫

雙塊式無(wú)砟軌道施工若不能及時(shí)松開扣件,鋼軌的伸縮將帶動(dòng)軌枕在新澆混凝土土中移動(dòng)從而產(chǎn)生裂縫。

(4)混凝土骨料塑性沉落引起的裂縫

當(dāng)骨料的沉落受到鋼筋的阻擋時(shí),將出現(xiàn)沿鋼筋的走向的裂縫,施工過程中如果模板綁扎的不好、模板沉陷、移動(dòng)時(shí)也會(huì)出現(xiàn)此類裂縫。

(5)新舊混凝土不良粘結(jié)裂縫

在雙塊式軌枕的側(cè)面及角部,常出現(xiàn)由于新舊混凝土粘結(jié)不良而引起的裂縫。

(6)其他因素

此外,結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不均勻沉陷、凍脹以及鋼筋銹蝕等均會(huì)引起雙塊式無(wú)砟軌道產(chǎn)生裂縫。下部支承層中存在裂縫或結(jié)構(gòu)縫時(shí),同樣也會(huì)產(chǎn)生反射裂縫。

3 道床板裂縫寬度合理值

為了保證道床板混凝土的耐久性,必須對(duì)裂紋寬度和間距加以控制。由于道床板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作環(huán)境不同,不能簡(jiǎn)單套用一般混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)。

德國(guó)Schiessl博士于20世紀(jì)70～80年代對(duì)裂縫處鋼筋的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10年的評(píng)估研究,得出了不同寬度裂縫與腐蝕深度的關(guān)系(圖2)。

圖2 不同寬度裂縫與腐蝕深度的關(guān)系

從圖2可以看出,裂縫寬度在0.11～0.40 mm的鋼筋的平均腐蝕深度相似?；炷猎?0年的無(wú)保護(hù)暴露后的腐蝕深度平均值是7.5 μm(裂縫寬度0.21～0.30 mm),9.0 μm(裂縫寬度0.11～0.20 mm)和10.0 μm(裂縫寬度0.31～0.40 mm)。由此研究認(rèn)為,裂縫寬度對(duì)腐蝕速率僅有較小的影響,完全可以認(rèn)為,裂縫寬度0.50 mm時(shí),腐蝕深度僅稍稍增加。

經(jīng)過一段時(shí)間雨水沖洗,裂縫中混凝土內(nèi)的Ca(OH)2會(huì)被沖洗掉了。這就意味著由于堿度損失,裂縫中的鋼筋發(fā)生鈍化和失去防腐蝕的保護(hù),無(wú)法阻止裂縫中鋼筋的腐蝕,因此決定道床板耐久性的因素是鋼筋的腐蝕率(橫斷面損失)和混凝土保護(hù)層厚度和密度。

另外,根據(jù)德國(guó)的設(shè)計(jì)理念和經(jīng)驗(yàn),道床板裂縫寬度即使達(dá)到0.5 mm,仍能通過骨料的咬合作用保證荷載的傳遞。

我國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2002)規(guī)定,混凝土結(jié)構(gòu)的最大裂縫寬度限值為0.2 mm。如果路基地段道床板按最大裂縫限值0.2 mm進(jìn)行配筋,配筋率將很大,是不經(jīng)濟(jì)的。參考德國(guó)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合武廣鐵路客運(yùn)專線實(shí)際情況,路基地段道床板的最大裂縫寬度限值宜取為0.5 mm。

4 減小道床板裂縫的措施

無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)使用壽命為60年,為了達(dá)到這一目標(biāo),很有必要采取措施減小裂縫,尤其是有害裂縫的數(shù)量。在武廣鐵路客運(yùn)專線設(shè)計(jì)中,主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方面采取如下措施。

4.1 混凝土保護(hù)層

一般情況下,上層縱向鋼筋放置于軌枕桁架鋼筋之上,其混凝土保護(hù)層厚度約為50 mm。直線地段,由于道床板表面設(shè)置橫向排水坡,道床板邊緣處縱向鋼筋的保護(hù)層厚度將不足50 mm,在這種情況下可對(duì)鋼筋位置進(jìn)行調(diào)整,將縱向鋼筋調(diào)至橫向鋼筋的下邊,如圖3。

圖3 調(diào)整鋼筋位置增大保護(hù)層示意

4.2 鋼筋配置

裂縫寬度取決于鋼筋量(或配筋率)。圖4為裂縫寬度、間距與配筋率的關(guān)系。

圖4 裂縫寬度、間距與配筋率關(guān)系

由圖4可以看出,道床板配筋率越大,最大裂縫寬度越小,裂縫的間距越??；反之亦然。武廣鐵路客運(yùn)專線設(shè)計(jì)中道床板按0.8%～0.9%的配筋率進(jìn)行配筋,裂縫設(shè)計(jì)控制寬度為0.5 mm,裂縫間距1～2 m左右。

在鋼筋量確定的情況下,采用較小直徑的鋼筋可增大鋼筋與混凝土的接觸面,從而提高混凝土的抗裂性能。

另外,鋼筋的布置應(yīng)盡量靠近混凝土表面,以增加混凝土的抗裂性。

從這兩方面出發(fā),兼顧混凝土澆筑和振搗的需要,武廣鐵路客運(yùn)專線路基地段縱向鋼筋采用φ20 mm的鋼筋,上層布置9根,鋼筋間距為110 mm和150 mm。

如果采用φ18 mm的鋼筋,將需要配置25根鋼筋,這種情況下,上層仍布置9根鋼筋將對(duì)混凝土抗裂不利,另一方面,縱向鋼筋數(shù)量增加將大大增加絕緣卡數(shù)量,增加施工的難度。

4.3 混凝土的強(qiáng)度

混凝土強(qiáng)度越高,道床板開裂后裂縫間距越大,裂縫寬度也越大。因此,武廣鐵路客運(yùn)專線在設(shè)計(jì)上直接對(duì)混凝土強(qiáng)度作出了明確要求：混凝土28 d抗壓強(qiáng)度應(yīng)控制在35～40 MPa,同時(shí)對(duì)混凝土中的膠凝材料含量進(jìn)行控制,避免混凝土后期強(qiáng)度過高。

4.4 施工措施

為了盡量減少裂縫和裂縫的寬度,在施工安排上應(yīng)做到以下幾點(diǎn)。

(1)控制混凝土質(zhì)量,減小水灰比,加強(qiáng)搗固,必須時(shí)可添加防水密實(shí)劑。

(2)道床板施工應(yīng)與支承層施工盡量間隔較長(zhǎng)的時(shí)間。支承層充分開裂變形后再施工道床板混凝土，可大大減少反射裂縫的數(shù)量和寬度。

(3)道床板混凝土澆筑應(yīng)選擇合適的時(shí)間,避免澆筑后氣溫發(fā)生急劇的變化。

(4)混凝土澆筑后應(yīng)及時(shí)松開扣件,避免鋼軌伸縮造成道床板開裂。

(5)混凝土澆筑應(yīng)盡量選擇在氣溫較低的情況下完成,澆筑后應(yīng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

(6)采用移動(dòng)棚養(yǎng)護(hù)時(shí)應(yīng)將兩端封閉,避免產(chǎn)生隧道效應(yīng)。

5 道床板裂縫處理

由于影響道床板開裂的因素很多,因此即使設(shè)計(jì)和施工上采取了很多措施,仍難以徹底避免道床板的開裂,在這種情況下就有必要對(duì)道床板裂縫進(jìn)行修補(bǔ)。

目前常用的裂縫修補(bǔ)方法有環(huán)氧樹酯灌注法、表面封閉法、開槽嵌塞法、柔性封閉法。

(1)樹酯灌注法

環(huán)氧樹酯和聚氨酯是最常見的裂縫灌注材料。樹酯材料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度,并能抵抗混凝土所遇到的大多數(shù)化學(xué)侵蝕,樹酯可以灌入到0.05 mm的裂縫。環(huán)氧樹酯灌注法一般適于處理靜止縫和相對(duì)干燥的裂縫；聚氨酯對(duì)于結(jié)構(gòu)表面干濕環(huán)境條件下均可。

(2)表面封閉法

表面封閉法是最簡(jiǎn)單和最普通的裂縫修補(bǔ)方法。用于修補(bǔ)對(duì)結(jié)構(gòu)影響不大的靜止裂縫(一般裂縫寬度在0.1～0.20 mm),通過密封裂縫來防止水、化學(xué)物質(zhì)和二氧化碳的侵入。如表面聚合物浸入封閉法,可采用低黏度的液態(tài)樹酯(或表面涂料膠)涂刷到裂縫表面上,或者在水平表面上沿裂縫構(gòu)筑臨時(shí)的堤圍,使樹脂溢于裂縫表面。

(3)開槽填補(bǔ)法

適用于結(jié)構(gòu)允許開槽而寬度較大但數(shù)量不多的裂縫,如支承層或橋面混凝土的裂縫。工序?yàn)椋洪_槽—涂刷界面處理漿—壓抹聚合物砂漿—養(yǎng)護(hù)。先用鑿子和扁鏟沿裂縫開槽,槽深和寬約3～5 cm,呈U形,用刷子在槽底和兩壁均勻涂刷一層界面處理漿,在界面處理膠尚未硬化之前,將拌制好的聚合物水泥砂漿用抹刀壓入槽中,壓實(shí)抹平。

(4)柔性材料法

對(duì)于活動(dòng)性裂縫,可采用具有微膨脹性材料密封修補(bǔ)。沿裂縫邊緣開一凹槽并填入適當(dāng)?shù)娜嵝圆牧稀?/p>

針對(duì)武廣鐵路客運(yùn)專線的道床板表面裂縫的特點(diǎn),建議如下。

(1)對(duì)于0.2～0.5 mm裂縫一般采用表面封閉法進(jìn)行處理。處理應(yīng)采用彈性或柔性材料,并應(yīng)具有較強(qiáng)的抗紫外線、抗老化性能。

(2)對(duì)于寬度大于0.5 mm裂縫,可采用柔性材料法。

在對(duì)裂縫進(jìn)行處理前應(yīng)進(jìn)行工藝性試驗(yàn),并遵循粘結(jié)性能好(長(zhǎng)期耐久性好)和處理后的表觀顏色應(yīng)與原混凝土基本一致的原則。

6 結(jié)論

路基地段雙塊式無(wú)砟軌道采用連續(xù)結(jié)構(gòu),道床板開裂是不可避免的。為確保無(wú)砟軌道60年使用壽命,在無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)和施工過程中,應(yīng)給予充分重視,采取各種有效的預(yù)防措施減少裂縫,尤其是寬裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展。產(chǎn)生裂縫后,應(yīng)針對(duì)不同寬度的道床板裂縫認(rèn)真研究、區(qū)別對(duì)待,采用合理的方法進(jìn)行處理,保證無(wú)砟軌道安全、穩(wěn)定地工作。

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