路基段CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道混凝土裂縫成因分析與防治

章健華，吳維洲

(成綿樂鐵路客運專線有限責任公司，四川成都 610072)

無砟軌道在結構連續(xù)性、平順性、穩(wěn)定性和少維修等方面較傳統(tǒng)有砟軌道具有明顯的優(yōu)越性，是世界各國高速鐵路普遍采用的軌道形式。CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道由于造價相對較低、技術標準相對單一、施工技術容易掌握等優(yōu)點，在我國多條高速鐵路中得到應用。但路基段CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道混凝土裂縫現(xiàn)象較為普遍。無砟軌道混凝土是軌道結構的重要組成部分，一旦出現(xiàn)裂縫，特別是超標裂縫(＞0.2 mm)和貫通性裂縫，在列車長期荷載和自然因素的作用下會逐漸發(fā)展，降低道床混凝土的耐久性，削弱軌道結構的承載能力，增加運營維修工作量，甚至影響行車安全。本文從混凝土材料特性、外荷載、軌道結構設計、混凝土施工及管理等方面分析路基段CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道混凝土裂縫成因，論述了混凝土裂縫對軌道結構的危害，提出了防止或減少道床混凝土有害裂縫的措施。

1 路基段CRTSⅠ型無砟軌道設計及施工

路基段CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結構自下而上分別為支承層、道床混凝土、軌枕(部分嵌入道床混凝土)。支承層設計寬度一般為3 400 mm，厚度為300 mm，采用低塑性C15混凝土支承層(部分線路設計采用水硬性混合料)。支承層連續(xù)鋪設，每5.2 m設置深約105 mm的橫向伸縮假縫。待支承層混凝土達到設計強度后，利用軌排(用25 m的鋼軌將軌枕聯(lián)結成排)精調(diào)軌枕狀態(tài)到位后施工道床混凝土。道床混凝土寬度一般為2 800 mm，厚度265 mm，采用C40鋼筋混凝土結構連續(xù)澆筑而成。在道床混凝土澆筑范圍內(nèi)對支承層表面拉毛處理以利于相互間聯(lián)結，伸縮假縫處道床混凝土用長2.8 m、寬0.2 m聚丙烯土工布與支承層隔離，軌枕應避免設置在伸縮假縫上方。路基段CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道斷面如圖1所示。

2 混凝土裂縫類型

路基段CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道裂縫主要發(fā)生在支承層、道床混凝土以及道床混凝土與支承層、軌枕的聯(lián)結部位，主要有以下幾種類型:

1)混凝土表面呈龜裂或樹枝狀的裂縫。這類裂縫一般在混凝土灌注完成后3 d左右出現(xiàn)，主要是由于混凝土表層浮漿較厚、品質(zhì)不佳、混凝土布料不均勻或早期養(yǎng)護不到位等原因引起的淺表裂縫，裂縫深度一般在1～30 mm。

2)新舊混凝土間出現(xiàn)的裂縫。主要有沿軌枕四周的環(huán)向裂縫、道床混凝土施工縫、道床混凝土與支承層間新舊混凝土界面薄弱處裂縫。此類裂縫相對較深，出現(xiàn)在混凝土灌注完成后10 d左右，隨時間的推移有擴展的趨勢，嚴重時貫通新舊混凝土界面。

3)道床混凝土在軌枕四角出現(xiàn)的角裂縫。這種裂縫由局部應力集中造成，是CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道出現(xiàn)最多的裂縫。

圖1 路基段CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道斷面示意(單位:mm)

4)支承層非橫向假縫處裂縫。支承層混凝土施工完成后，在非橫向假縫處出現(xiàn)橫向裂縫。這類裂縫主要是由于支承層混凝土的假縫設置時間比較遲、支承層與路基表層結構整體溫度升降變形不協(xié)調(diào)、支承層溫度梯度過大等原因引起的。

5)與支承層貫通裂縫對應的軌枕間道床混凝土反射裂縫。支承層假縫處(如圖2)或非假縫處(如圖3)出現(xiàn)貫通裂縫后，在對應的軌枕間道床混凝土出現(xiàn)反射裂縫。反射裂縫主要特征有:①反射裂縫基本上都從軌枕四角開裂發(fā)散至結構邊緣;②反射裂縫多為貫穿裂縫;③反射裂縫的寬度是道床混凝土裂縫中相對較寬的裂縫之一。

圖2 支承層橫向伸縮假縫處軌枕間出現(xiàn)的反射裂縫

圖3 支承層非假縫處出現(xiàn)貫通裂縫后引起的道床混凝土反射裂縫

3 混凝土裂縫成因分析

無砟軌道混凝土裂縫產(chǎn)生的原因主要有4類:①混凝土材料特性引起的材料型裂縫，主要是由溫度應力和混凝土的自身收縮變形引起的;②外荷載引起的結構型裂縫，主要是由常規(guī)結構計算中的主要應力以及其他結構次應力造成的受力裂縫;③因軌道結構設計原因引起的裂縫，如軌枕與道床混凝土、支承層與道床混凝土等新舊混凝土界面結構薄弱處出現(xiàn)的裂縫;④其他原因。

3.1 混凝土材料特性引起的裂縫

1)溫度裂縫

當環(huán)境溫度或結構內(nèi)部溫度發(fā)生變化時，混凝土會熱脹冷縮。若熱脹冷縮產(chǎn)生的變形受到約束，則在結構內(nèi)部產(chǎn)生溫度應力。當溫度應力為拉應力且超過混凝土的抗拉強度時將出現(xiàn)溫度裂縫。因而產(chǎn)生溫度裂縫的主要原因是混凝土結構溫差，主要有3種:水化熱引起的混凝土結構內(nèi)外溫度差、環(huán)境溫度變化引起的整體結構溫度升降差、結構上下表面的溫度梯度。溫度裂縫區(qū)別于其他原因裂縫的最主要特征是裂縫寬度隨溫度變化而變化，由于結構橫向寬度相對較小，溫度裂縫主要表現(xiàn)為垂直線路方向的橫向裂縫。

2)混凝土早期收縮變形

混凝土早期收縮變形主要包括混凝土塑性收縮變形、水泥水化自身收縮變形及干燥收縮變形等?；炷了苄允湛s是指混凝土澆筑后至凝固前產(chǎn)生的體積收縮;水泥水化收縮是指水泥在水化過程中產(chǎn)生一定的體積變化，一般情況下由于混凝土的收縮比膨脹大，其最終表現(xiàn)為收縮變形;干燥收縮指混凝土凝結后在干燥的空氣中因表面持續(xù)失水而引起的收縮。此類裂縫共同的特點是裂縫形狀不規(guī)則，收縮變形也是無砟軌道混凝土早期裂縫產(chǎn)生的主要原因。

3.2 外荷載引起的結構型裂縫

受日照及溫度的影響，用于軌枕精調(diào)的鋼軌長度的變化將給軌枕增加附加應力，在混凝土早期強度較低時，若不能及時松開鋼軌扣件，易在軌枕四周與道床混凝土間產(chǎn)生裂縫，特別是鋼軌外力使軌枕四角產(chǎn)生應力集中，往往會造成軌枕四角出現(xiàn)八字形裂縫。

3.3 道床結構設計原因

1)在軌枕—道床體系中，預制軌枕強度高，表面光滑、致密，新拌混凝土中水泥漿難以滲透，致使水泥漿在軌枕—道床界面過渡區(qū)處聚集形成水膜，降低了界面過渡區(qū)強度。由于軌枕表面與道床混凝土聯(lián)結無附加處理措施，道床混凝土與軌枕之間結構整體性不強，形成軌枕周邊與道床混凝土新舊混凝土聯(lián)結薄弱部位。新澆筑混凝土水分蒸發(fā)引起混凝土體積塑性收縮變形，收縮變形傳遞至薄弱的軌枕—道床界面過渡區(qū)，形成軌枕四周新舊混凝土界面處環(huán)向裂縫。

2)CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道道床混凝土在路基地段設計為連續(xù)結構，混凝土溫度應力在長度方向得不到有效釋放。

3.4 其他原因

1)混凝土材料原因

混凝土配合比設計不佳，如選用水泥品種或等級不當;配合比中水灰比過大;單方混凝土水泥用量大，水泥用量越大用水量就越多，表現(xiàn)為單方混凝土中水泥漿體積越大，混凝土收縮也越大。

2)施工原因

①由于施工管理控制不到位造成混凝土質(zhì)量不穩(wěn)定，主要包括施工時骨料布料不均勻、混凝土澆筑時過振、抹面時灑水灑灰等。上述因素易造成道床混凝土在垂直、水平方向和局部產(chǎn)生材料分布不均或表面浮漿過厚，從而導致混凝土開裂。

②新舊混凝土界面處理不到位，如支承層在道床混凝土澆筑前未按要求鑿毛或表面存在浮渣現(xiàn)象，易造成支承層與道床混凝土間離縫。

③混凝土入模溫度控制不嚴，雙塊式軌枕、支承層表面未濕潤，新澆混凝土入模溫度與雙塊式軌枕、支承層表面溫度差過大，易造成新舊混凝土界面出現(xiàn)裂縫。

④養(yǎng)護不到位，未做到養(yǎng)護期內(nèi)全過程保濕保溫。

⑤其他因素，如路基基礎沉降未穩(wěn)定產(chǎn)生的不均勻沉陷、鋼筋銹蝕等均會引起道床混凝土產(chǎn)生裂縫。

4 CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道混凝土裂縫危害

CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道體系設計應用混凝土結構設計理論，支承層及道床混凝土為非預應力結構，在結構設計上允許結構出現(xiàn)裂縫。在裂縫寬度檢算時，裂縫寬度一般按0.2 mm控制。已有的研究表明鋼筋混凝土結構不論裂縫寬度大小、地區(qū)濕度高低、結構使用時間長短，只要鋼筋上不出現(xiàn)水膜或結露，裂縫處鋼筋基本沒有發(fā)現(xiàn)明顯的銹蝕現(xiàn)象。對于一般二類環(huán)境地區(qū)無砟軌道混凝土結構，當裂縫寬度≤0.2 mm時，裂縫處的鋼筋僅有輕微的表皮銹蝕，對結構使用及耐久性的影響是可以接受的。因而應重點控制無砟軌道混凝土裂縫的寬度，防止或者減少超標裂縫(＞0.2 mm)的產(chǎn)生。

混凝土超標裂縫的危害對軌道結構而言主要有以下幾個方面:

1)支承層混凝土裂縫的危害。支承層是軌道結構的基礎部分，在軌道與基礎結構之間起到承上啟下的傳力作用。裂縫增加了混凝土與空氣的接觸面積，空氣中CO2在足夠濕度的條件下，形成碳酸滲透到混凝土內(nèi)與混凝土中堿性物質(zhì)(氫氧化鈣)互相作用，產(chǎn)生碳酸鈣使混凝土堿度降低，這個過程稱為混凝土碳化。碳化一般不會引起支承層素混凝土性能劣化，但支承層混凝土裂縫的重要危害是雨水通過貫通性裂縫滲入基床表層，形成支承層與基床表層離縫甚至造成基底翻漿冒泥導致軌道結構變形過大，影響線路平順性。如不及時整治處理，將降低道床的使用壽命和承載力，影響行車安全。因而對超標的貫通性裂縫應采取表面封閉或壓漿封閉的處理措施，以免雨水滲入路基基床表層。

2)道床混凝土裂縫的危害。對道床鋼筋混凝土來說，碳化增加了混凝土孔隙中溶液的氫離子的數(shù)量，造成混凝土的堿度降低，混凝土對鋼筋的保護作用減弱。當裂縫孔隙溶液的pH值降低到鋼筋鈍化極限值時，鋼筋失去了自身抗腐蝕性能。此時如果混凝土裂縫深度穿過鋼筋保護層后，導致鋼筋銹蝕，破壞鋼筋與混凝土間咬合黏結力，削弱了混凝土結構承載能力。若裂縫位于鋼筋絕緣節(jié)點上，則降低了鋼筋間的絕緣性，從而影響無砟軌道整體絕緣性能，嚴重時可能危害到線路的安全使用，因此必須高度關注道床混凝土超標裂縫，對裂縫深度達到或超過鋼筋保護的裂縫，應進行壓漿封閉處理。圖4為道床混凝土裂縫雨后經(jīng)過兩個晴天時間，由于未封閉裂縫，道床混凝土下部仍有沁水現(xiàn)象，說明道床混凝土內(nèi)部及鋼筋已有水浸入，如不進行處理，將影響道床的耐久性。

3)支承層與道床混凝土界面裂縫的危害。支承層與道床混凝土界面處理不好，容易在支承層與道床混凝土界面出現(xiàn)離縫，雨水浸入后甚至出現(xiàn)翻漿情況，其危害與路基表層翻漿冒泥相近。圖5為某運營線路支承層與道床混凝土離縫滲漿現(xiàn)場照片。這種病害導致了局部限速運行。

圖4 道床混凝土未封閉裂縫沁水現(xiàn)象

圖5 某運營線路支承層與道床混凝土離縫滲漿

5 控制裂縫的技術措施

5.1 基本思路

根據(jù)裂縫產(chǎn)生的原因，減少或降低CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道混凝土開裂、特別是超標裂縫的技術思路是:①減少混凝土的自身收縮尤其是塑性收縮，提高極限抗拉強度;②優(yōu)化軌道結構，減小結構對混凝土收縮的約束;③提高混凝土的均勻性;④強化新舊混凝土界面處理，提高界面聯(lián)結力。

5.2 優(yōu)化混凝土的配合比，盡量減少水泥用量，降低水灰比

支承層低塑性混凝土及道床混凝土的配合比在滿足設計強度的前提下，不應追求高強度，以盡量減少水泥用量。對于粗、細骨料質(zhì)量控制，建議應比現(xiàn)行規(guī)范所要求的標準更為嚴格。①粗骨料采用二級或多級級配混合而成，提高粗骨料級配質(zhì)量，特別是粒徑5～16 mm的級配組成;②從嚴控制細骨料含泥量;③摻入礦物摻合料，增加保水性;④適當引氣。

5.3 優(yōu)化結構設計

①支承層結構建議采用水硬性混合料，慎重選用質(zhì)量波動較大的低塑性混凝土模筑施工;②連續(xù)道床混凝土結構施工考慮設置后澆帶或采用間隔澆筑法，后澆帶或間隔澆筑間隔時間不宜少于2個月;③進一步研究道床混凝土結構分塊設置的可能性;④研究軌枕—道床混凝土界面過渡區(qū)特征，采用抑制道床混凝土收縮導致軌枕—道床界面產(chǎn)生離縫的措施，如增加軌枕四周粗糙度、刷涂界面劑等。

5.4 加強施工工藝控制及管理

①支承層施工盡量采用滑模攤鋪工藝，以保證材料質(zhì)量的均勻性;②盡量避免使用坍落度較大的泵送混凝土施工，由于地形條件限制，必須采用泵送混凝土施工時，坍落度不宜＞160 mm;③加強混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制，避免混凝土坍落度過大或泌水;④避免過振;⑤嚴格控制好二次抹面時間，避免抹面時灑水灑灰，以減少早期裂縫的形成;⑥加強混凝土養(yǎng)護，尤其是混凝土早期養(yǎng)護，適當延長混凝土養(yǎng)護時間(現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的混凝土養(yǎng)護時間是混凝土施工的最低要求)，并確保養(yǎng)護期內(nèi)混凝土保濕保溫，必要時可噴涂養(yǎng)護劑等進行養(yǎng)護;⑦新舊混凝土界面處理要嚴格，雙塊式軌枕、支承層表面提前濕潤并避免積水，控制新澆混凝土入模溫度與雙塊式軌枕、支承層表面溫度在15℃以內(nèi)，并加強軌枕四周振搗。

6 結語

防止和減少CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道混凝土裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展是無砟軌道結構設計及施工過程中應高度關注的內(nèi)容之一。本文對CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道混凝土裂縫類型及裂縫成因進行分析，從優(yōu)化混凝土配合比和結構設計、加強施工工藝及管理等方面提出了防止和減少混凝土有害裂縫的建議。

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