嚴(yán)寒地區(qū)客運(yùn)專線CRTSⅠ型無砟軌道板生產(chǎn)裂紋成因分析及工藝控制

張建偉，張先軍，杜佰君

(哈大鐵路客運(yùn)專線有限公司，沈陽 110002)

混凝土的裂紋為混凝土所固有，與氣候溫暖濕潤的南方地區(qū)相比，東北地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)裂紋發(fā)生的概率相對較高。嚴(yán)寒地區(qū)CRTSⅠ型無砟軌道板在生產(chǎn)及運(yùn)營過程中產(chǎn)生的微細(xì)裂紋在東北嚴(yán)寒地區(qū)反復(fù)凍融循環(huán)情況下，對軌道板的耐久性乃至運(yùn)營安全構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。因此控制和減少嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路CRTSⅠ型軌道板預(yù)制中的裂紋發(fā)生意義十分重大，有必要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出設(shè)計(jì)優(yōu)化方案和改進(jìn)措施。

1 哈大客運(yùn)專線的環(huán)境特征及工程概況

哈大鐵路客運(yùn)專線縱貫東北三省，沿線氣候嚴(yán)寒，極端最低氣溫－39.9～－32.8℃，最大積雪厚17～30 cm，最大季節(jié)凍土深度205 cm。哈大客運(yùn)專線線路正線全長904 km，其中鋪設(shè) CRTSⅠ型板式無砟軌道826.461雙線km，設(shè)計(jì)時速350 km，是目前我國乃至世界嚴(yán)寒地區(qū)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)最高、設(shè)計(jì)運(yùn)營速度最快的無砟軌道結(jié)構(gòu)。

2 嚴(yán)寒地區(qū)CRTSⅠ軌道板裂紋主要分布位置［1］

通過調(diào)查，CRTSⅠ軌道板裂紋存在主要分布在以下位置。

2.1 錨穴口縱向裂紋

CRTSⅠ型無砟軌道板的生產(chǎn)過程中，調(diào)查發(fā)現(xiàn)成品板端側(cè)面縱向錨穴下方較為普遍的存在1條裂紋，如圖1所示。其發(fā)生概率超過1%，裂紋長度為10～30 mm，裂紋寬度大部分介于0.05～0.1 mm，少數(shù)超過0.1 mm。

2.2 起吊裂紋

起吊裂紋產(chǎn)生于軌道板起吊位置，大部分以起起吊套管為中心向外延伸，少數(shù)延伸至板面;也有沿起吊套管下方或上方呈“八”字形狀。裂縫長度范圍約為3～25 cm，有的甚至在軌道板面橫向貫通，目測明顯［2］。

圖1 縱向錨穴裂紋

2.3 板面裂紋

板面裂紋是指由于混凝土養(yǎng)護(hù)不到位、存儲不規(guī)范導(dǎo)致混凝土表面干燥、溫差過大在板面產(chǎn)生的細(xì)微裂紋。

3 裂紋產(chǎn)生的原因

3.1 混凝土本身的原因

混凝土澆筑后的水泥水化反應(yīng)是個放熱過程，由于混凝上導(dǎo)熱性能差，灌注初期強(qiáng)度和剛度都較小，對水化熱引起的急劇升溫而產(chǎn)生的變形約束不大，相應(yīng)的溫度應(yīng)力也較?。?］。隨著齡期的增長，彈性模量的增高，對混凝土內(nèi)部降溫收縮的約束也愈來愈大，以至于產(chǎn)生了很大的拉應(yīng)力。當(dāng)混凝土抗拉強(qiáng)度不足以抵抗這種拉應(yīng)力時，便開始出現(xiàn)溫度裂紋。

3.2 結(jié)構(gòu)原因

軌道板厚度為200 mm，縱向錨穴長達(dá)139 mm，錨穴下方到軌道板板底只有30.5 mm，厚度太小，剛度減弱，板中受壓混凝土應(yīng)力增大，板面極易產(chǎn)生裂紋，見圖2?；炷猎谡駬v過程中上面粗骨料下沉表面沒有石子，粗骨料在混凝土水化凝結(jié)過程中對砂漿收縮有相當(dāng)?shù)牡种谱饔?，?dāng)混凝土結(jié)構(gòu)尺寸過薄時混凝土表層含有的粗骨料下沉，表面漿體收縮沒有石子束縛容易開裂。

圖2 錨穴上部(毛面)混凝土結(jié)構(gòu)(單位:mm)

3.3 工藝原因

3.3.1 混凝土坍落度控制不嚴(yán)，澆筑時布料不規(guī)范

混凝土拌制時砂石料含水率不穩(wěn)定，計(jì)量誤差超標(biāo)，導(dǎo)致坍落度過大。

在混凝土澆筑過程中，料斗懸空布料，混凝土很難均勻布置到模具邊緣，通過振動，混凝土流動到模具邊緣，加之高頻振動器附著在模具上，錨穴成孔器直接固定在模具上，錨穴成孔器和模具邊緣混凝土振動較其他地方強(qiáng)烈，最終造成模具邊緣及錨穴邊緣粗骨料下沉表面浮漿偏多，導(dǎo)致裂紋發(fā)生概率增加。

3.3.2 蒸養(yǎng)階段溫度控制不滿足規(guī)范要求

蒸汽養(yǎng)護(hù)是用蒸汽在混凝土結(jié)構(gòu)周圍造成濕熱環(huán)境，以加速混凝土硬化的方法［4］。軌道板在蒸汽養(yǎng)護(hù)恒溫階段，混凝土表面缺水容易產(chǎn)生裂紋。在蒸養(yǎng)的降溫階段，軌道板表面隨著蒸汽溫度降低而快速降低，但芯部溫度降低緩慢，如果芯部溫度與板表面溫差過大，在混凝土表面存在拉力，容易產(chǎn)生裂紋。

在蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束直到入水養(yǎng)護(hù)區(qū)間段，由于軌道板脫模、倒運(yùn)、翻轉(zhuǎn)等環(huán)節(jié)，軌道板內(nèi)部溫度比表面溫度高，表面溫度比環(huán)境溫度高，軌道板表面極容易干燥失水，如軌道板表面不能有效進(jìn)行濕潤養(yǎng)護(hù)，將可能產(chǎn)生裂紋。

3.3.3 拆模工藝不規(guī)范

軌道板自身強(qiáng)度未達(dá)到脫模要求，提前脫模，引起軌道板局部開裂;操作人員進(jìn)行模板拆除時，同側(cè)兩端拆模不同步導(dǎo)致錨具產(chǎn)生傾斜，從而擠壓軌道板錨穴位置，導(dǎo)致錨穴口受力產(chǎn)生裂紋;軌道板脫模頂升過程中，4個頂升點(diǎn)未保持水平、定位芯未完全伸入套管內(nèi)造成局部點(diǎn)受力過大，引起套管開裂。

3.3.4 軌道板存儲不規(guī)范

軌道板在存板區(qū)或橋上存放時間長，底面(毛面)棱角風(fēng)吹日曬初步風(fēng)化，特別是經(jīng)過冬天凍融循環(huán)后棱角處裂紋明顯增多。

3.3.5 軌道板吊裝不規(guī)范

軌道板起吊時，因起吊方向未與模型保持垂直，或因模型孔位變形，導(dǎo)致起吊瞬間，預(yù)理套管定位芯不能與模型有效脫離，阻礙起吊，引起開裂。

4 裂紋控制的工藝控制及改進(jìn)措施

4.1 加強(qiáng)混凝土施工過程控制

混凝土布料應(yīng)均勻進(jìn)行，布料順序?yàn)橄戎苓吅笾胁?，布料分層進(jìn)行，第1層為5～7 cm，第2層布滿，并確保端部錨穴處骨料均勻飽滿。布料時加強(qiáng)周邊混凝土布料，尤其是模型兩端縱向錨穴處應(yīng)采用鐵鍬鏟料的方式保證錨穴處布料充分。再開起振搗器，杜絕錨穴處產(chǎn)生浮漿。

在混凝土振搗后，采用平板振動器或長靠尺對混凝土找平，在混凝土初凝時先進(jìn)行一次全面抹壓，然后進(jìn)行拉毛，最后在混凝土終凝前，再次在模具邊緣和錨穴上方進(jìn)行反復(fù)抹壓，以避免軌道板下表面塑性收縮裂縫的發(fā)生。

混凝土灌注完畢后及時覆蓋棚布，加強(qiáng)車間內(nèi)保濕，在臺座四周及底部灑水，防止混凝土表面出現(xiàn)干縮裂紋。

4.2 加強(qiáng)軌道板養(yǎng)護(hù)控制

蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝一般分為靜停、升溫、恒溫、降溫4個階段［5］，為了防止軌道板溫差過大或恒溫溫度過高而導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫，在蒸汽養(yǎng)護(hù)過程中，應(yīng)根據(jù)軌道板的芯部溫度、表面溫度、環(huán)境溫度等及時調(diào)整蒸養(yǎng)溫度和蒸汽大?。?］，以嚴(yán)格控制蒸養(yǎng)過程中的升、降溫速率及恒溫溫度。

4.2.1 蒸汽養(yǎng)護(hù)

靜停階段:軌道板混凝土澆筑后必須在5～35℃的環(huán)境中靜停不小于3 h，待混凝土基本達(dá)到終凝，方可進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)［3］。該階段主要是保證混凝土中水泥進(jìn)行一定程度的水化反應(yīng)，使軌道板具有一定的強(qiáng)度，以防止升溫階段軌道板體積膨脹過快對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。混凝土靜停階段應(yīng)防止水分蒸發(fā)，因?yàn)樗终舭l(fā)會導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)收縮裂紋，特別是對錨穴處混凝土比較薄弱的地方極易產(chǎn)生，現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)表明，采取有效覆蓋措施能明顯降低錨穴口裂紋發(fā)生率。

升溫階段:升溫速率的控制主要是調(diào)節(jié)軌道板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和由軌道板升溫產(chǎn)生的溫度應(yīng)力之間的關(guān)系，防止升溫過程中軌道板的溫度應(yīng)力超過其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成混凝土開裂。軌道板的模板、錨具都是鋼材，在快速升溫過程中，混凝土和鋼材的熱脹變形系數(shù)是不同的，例如:鋼材的線性膨脹率為12.90×10－61/℃，混凝土的線性膨脹率為(7～9)×10－61/℃，假定端部模具溫度變化為30℃，且以模具中心向四周形變，縱向錨穴長度為144 mm，因此混凝土與模具之間的變形差為144/2×(12.9－7)×30×10－6=0.012 7 mm，應(yīng)變差為177×10－6，因此這種情況下作用在錨穴與混凝土界面上的應(yīng)力可以達(dá)到37.2 MPa，如此大的溫度應(yīng)力將會造成軌道板產(chǎn)生腫脹變形或者在他們接觸的地方產(chǎn)生裂紋。所以升溫速率要盡可能的降低?；炷辽郎厮俣龋募究刂圃诓淮笥?5℃/h且均衡，升溫時間不少于2 h;冬季混凝土升溫速度控制在不大于10℃/h且均衡，升溫時間不少于3 h。

恒溫階段:恒溫階段的主要控制參數(shù)是恒溫溫度和恒溫時間。綜合考慮強(qiáng)度增長速度和裂紋出現(xiàn)概率，當(dāng)環(huán)境溫度在5～15℃時，恒溫最高溫度控制在38℃較為合理;當(dāng)環(huán)境溫度在15～30℃時，恒溫最高溫度控制在40℃較為合理，這2種方案既可以控制裂紋的出現(xiàn)又能保證生產(chǎn)效率(一天1個工作循環(huán))。恒溫時間不宜超過6 h，5～5.5 h最佳。

降溫階段:降溫階段要緩慢停汽、均勻降溫、保持濕度。混凝土降溫速度，夏季控制在不大于15℃/h左右，降溫時間不少于4 h;冬季混凝土降溫速度控制在不大于10℃/h，降溫時間不少于6 h。實(shí)際操作中，在降溫階段的后半段，軌道板和模板溫度比較高，軌道板所在的小環(huán)境的溫度一直較高，當(dāng)小環(huán)境溫度高于所設(shè)定的溫度時，蒸養(yǎng)系統(tǒng)就會停止向小環(huán)境供氣，造成小環(huán)境的濕度不夠，導(dǎo)致軌道板產(chǎn)生裂紋。建議采取以下辦法減少裂紋發(fā)生。

首先，要在蒸養(yǎng)棚的小環(huán)境中設(shè)置1個可以方便揭開的小蓋，當(dāng)發(fā)現(xiàn)小環(huán)境的溫度高于設(shè)定的溫度時，打開小蓋，讓軌道板所在小環(huán)境能緩慢降溫，養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)繼續(xù)向小環(huán)境供氣，保持小環(huán)境的濕度，避免在降溫階段產(chǎn)生裂紋。

總之，必須在蒸養(yǎng)階段控制軌道板的溫度、濕度梯度，防止因溫度應(yīng)力或體積變形而產(chǎn)生裂縫。在保證軌道板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，盡量拉長升溫階段和降溫階段的時間，并降低恒溫階段的溫度及縮短恒溫階段時間，可有效降低軌道板裂紋發(fā)生率。

4.2.2 室內(nèi)水養(yǎng)及自然養(yǎng)護(hù)

軌道板蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，立即在軌道板表面覆蓋土工布并噴灑水槽中水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在軌道板脫模運(yùn)轉(zhuǎn)直到張拉區(qū)域時，要時刻保持軌道板表面的土工布濕潤。

軌道板自然養(yǎng)護(hù)時應(yīng)噴灑與軌道板板面溫度相近的水，保證軌道板濕潤。張拉封錨過程中，由養(yǎng)護(hù)人員及時覆蓋土工布并灑水養(yǎng)護(hù)，水養(yǎng)池中水溫控制在5～30℃以內(nèi)，從水中取出的軌道板，吊運(yùn)至存放區(qū)后，及時覆蓋土工布進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)［6］。

冬季制板時，應(yīng)適當(dāng)延長水養(yǎng)時間和水養(yǎng)后的室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)時間，蒸養(yǎng)、水養(yǎng)和室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)的累計(jì)時間至少7 d后，方可運(yùn)至室外存板區(qū)。

4.2.3 施工環(huán)境的溫度及濕度控制

經(jīng)TJ-2標(biāo)開原板廠統(tǒng)計(jì)，不同室內(nèi)環(huán)境溫度條件下裂紋發(fā)生率見表1。

表1 不同廠房環(huán)境溫度條件的裂紋發(fā)生率

由表1可知，對于相同恒溫階段最高溫度，廠房內(nèi)環(huán)境溫度越低，裂紋發(fā)生率越高。對于相同的廠房內(nèi)環(huán)境溫度，恒溫階段最高溫度越高，裂紋發(fā)生率越高。因此冬季施工時，應(yīng)盡量提高室內(nèi)環(huán)境溫度。建議冬季施工時應(yīng)保證廠房內(nèi)溫度在15℃以上，相對濕度在60%以上。為避免軌道板受穿堂風(fēng)的影響，使冷空氣直接接觸軌道板表面，導(dǎo)致溫差過大產(chǎn)生裂紋，在軌道板降溫時應(yīng)盡量避免門窗開啟。

4.3 規(guī)范脫模、吊裝工藝

軌道板脫模時，其強(qiáng)度必須滿足相關(guān)要求(一般不小于40 MPa)，同時要合理選擇拆模時間，拆模時板體各部溫差應(yīng)符合規(guī)范要求，氣溫急劇變化時不宜拆模。在脫模的時候表面溫度和環(huán)境溫度不宜相差過大，否則容易產(chǎn)生裂紋，建議拆模溫差不超過15℃。另外，軌道板在頂升過程中必須保持水平，定位芯必須全部伸入起吊套管內(nèi)，并進(jìn)行預(yù)緊。

軌道板起吊時，應(yīng)保證軌道板垂直上升，平時應(yīng)加強(qiáng)模型孔位的檢測，對于變形的孔位及時進(jìn)行修補(bǔ)。另外，為避免拆模時因擠壓、碰撞和粘連導(dǎo)致錨穴、起吊套管等位置產(chǎn)生裂紋，應(yīng)定期對模型進(jìn)行維修及養(yǎng)護(hù)，保證脫模裝置的正常使用，避兔軌道板與模具在脫模時產(chǎn)生擠壓和碰撞;使用模具前，注意清理干凈錨穴位置，脫模劑必須涂抹均勻、完整，避兔交界處產(chǎn)生粘連。

4.4 改進(jìn)軌道板蒸汽養(yǎng)護(hù)裝置和模具基礎(chǔ)設(shè)置［7］

在澆筑模具基礎(chǔ)時，在模具下地面留置水槽并注入水，設(shè)置1套自動循環(huán)抽水裝置，在蒸汽養(yǎng)護(hù)進(jìn)入恒溫階段軌道板終凝后，將水槽中的水抽到軌道板表面進(jìn)行灑水或進(jìn)行水霧養(yǎng)護(hù)(水槽中的水隨同蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度變化而變化)。由于水的比熱較大，升溫降溫速率比蒸汽緩慢，可有效解決軌道板升溫降溫速率問題，同時可有效對軌道板進(jìn)行時時濕潤養(yǎng)護(hù)。如圖3所示。

5 建議

為了減少縱向錨穴口處的裂紋發(fā)生率，建議優(yōu)化CRTSⅠ型軌道板錨穴口處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改變縱向錨穴孔的大小和縱向錨墊板結(jié)構(gòu)形狀，提高縱向錨穴上下混凝土壁厚，減少縱向錨穴長軸占軌道板厚度比例，如圖4、圖5所示。

另外，混凝土振搗結(jié)束后在縱向模具邊緣錨穴上表面均勻布置2根細(xì)鋼筋，鋼筋的抗拉性能可以有效減少縱向錨穴裂紋，同時可以增加縱向錨穴上臂(毛面)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

6 結(jié)論

CRTSⅠ型軌道板由于混凝土本身、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工工藝的原因容易在錨穴口、起吊套管和軌道板表面等位置產(chǎn)生裂紋。

根據(jù)裂紋產(chǎn)生的各種原因及機(jī)理，結(jié)合哈大客運(yùn)專線的環(huán)境特征，采取強(qiáng)化混凝土施工過程控制，加強(qiáng)軌道板環(huán)境溫度和濕度的控制，嚴(yán)格執(zhí)行哈大客運(yùn)專線制定的自然養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)和室內(nèi)水養(yǎng)工藝，優(yōu)化拆模工藝等措施能夠有效減少軌道板裂紋產(chǎn)生數(shù)量及概率。

［1］哈大鐵路客運(yùn)專線有限公司.哈大客專綜合施工技術(shù)研究報(bào)告－CRTSⅠ型無砟軌道板預(yù)制綜合施工技術(shù)研究階段性科研報(bào)告［R］.沈陽:哈大鐵路客運(yùn)專線有限公司，2011.

［2］白小可.淺談 CRTSⅠ型軌道板裂縫控制技術(shù)［J］.山西建筑，2010，36(21):290-291.

［3］富文權(quán)，韓素芳.混凝土工程裂縫分析與控制［M］.北京:中國鐵道出版社，2003.

［4］李敏霞，李義強(qiáng).雙塊式無砟軌道生產(chǎn)線蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2010，36(4):45-47.

［5］鐵道部科技司.科技基［2008］74號 客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道混凝土軌道板暫行技術(shù)條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［6］哈大鐵路客運(yùn)專線有限公司.哈大客專CRTSⅠ型無砟軌道板質(zhì)量控制手冊［M］.沈陽:哈大鐵路客運(yùn)專線有限公司，2009.

［7］張先軍，趙世運(yùn).嚴(yán)寒地區(qū)客運(yùn)專線CRTSⅠ型無砟軌道板制造蒸養(yǎng)階段裂紋控制技術(shù)［J］.國防交通工程與技術(shù)，2011(3):49-51.