蘭新鐵路CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道道床板混凝土抗裂技術(shù)

王保江

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

新建蘭新鐵路第二雙線橫貫我國西北地區(qū)，全長1 776 km，途經(jīng)安西、煙墩、百里、三十里和達(dá)坂城5個(gè)風(fēng)區(qū)，沿線大部分地區(qū)處于大溫差、大風(fēng)沙、大蒸發(fā)和降水稀少的惡劣自然環(huán)境。根據(jù)2009年國家發(fā)改委批復(fù)的《新建蘭新鐵路第二雙線可行性研究報(bào)告》，蘭新鐵路第二雙線設(shè)計(jì)時(shí)速為200 km/h以上，其軌道形式采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外高速鐵路工程實(shí)踐表明，CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道具有造價(jià)低、工藝簡單和可維修性好等優(yōu)勢，但也存在現(xiàn)澆道床板混凝土易出現(xiàn)各種形式開裂的問題。一旦在施工期間對道床板混凝土的開裂未能進(jìn)行有效控制，投入運(yùn)營后，在強(qiáng)疲勞荷載和有害介質(zhì)侵蝕的多重作用下，裂縫極易擴(kuò)展，不但會增加維護(hù)成本，甚至?xí){到行車安全［1］。蘭新鐵路第二雙線面臨的惡劣自然氣候條件使得混凝土早期裂縫比其它地區(qū)更難控制，這給CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道施工帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。因此，本文根據(jù)蘭新鐵路二線工程建設(shè)的實(shí)際需要，以確保CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命為目標(biāo)，針對沿線自然環(huán)境和CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)特征，分析道床板混凝土抗裂技術(shù)難點(diǎn)，從混凝土材料和施工兩個(gè)方面，提出CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道道床板混凝土抗裂技術(shù)，為蘭新鐵路第二雙線CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道施工提供借鑒。

1 蘭新二線道床板混凝土抗裂技術(shù)難點(diǎn)

CRTSⅠ型無砟軌道道床板為現(xiàn)澆混凝土，施工時(shí)混凝土上表面直接暴露在空氣中，施工質(zhì)量受環(huán)境因素影響很大，同時(shí)，道床板混凝土在水平方向的變形遠(yuǎn)大于垂直方向的變形，發(fā)生變形時(shí)道床板混凝土不但受到內(nèi)部鋼筋和預(yù)制軌枕塊的約束，而且底部也受到支承層的約束，在蘭新鐵路第二雙線惡劣的自然環(huán)境下開裂的風(fēng)險(xiǎn)極大。道床板混凝土的裂縫控制是無砟軌道質(zhì)量控制的難點(diǎn)，具體體現(xiàn)在混凝土材料和施工兩個(gè)方面，見表1。

表1 蘭新二線道床板混凝土抗裂技術(shù)難點(diǎn)

2 低收縮混凝土制備

2.1 低收縮混凝土配合比參數(shù)優(yōu)化

混凝土收縮是影響其抗裂性的重要因素之一［2-3］，通過優(yōu)化混凝土配合比參數(shù)，降低漿體體積率、單方用水量和膠凝材料用量，利用礦物摻合料實(shí)現(xiàn)膠凝材料的多元化等手段，可實(shí)現(xiàn)減小混凝土收縮進(jìn)而提高抗裂性的目的。經(jīng)室內(nèi)研究確定了蘭新鐵路第二雙線C40道床板低收縮混凝土的配制原則為“低膠材用量、低用水量、低坍落度、高含氣量”(三低一高)。具體內(nèi)容如下:①膠凝材料用量不宜大于380 kg/m3，摻加不少于30%的優(yōu)質(zhì)粉煤灰;②單方用水量不應(yīng)大于150 kg/m3;③為避免表層浮漿，采用斗送時(shí)入模坍落度不應(yīng)大于140 mm，泵送時(shí)坍落度不應(yīng)大于160 mm;④單方最大漿體體積不應(yīng)大于0.30 m3(不計(jì)空氣體積);⑤入模含氣量不應(yīng)小于4%。

2.2 內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)

2010—2011年，課題組在蘭新二線沿線玉門、柳園、達(dá)坂城和吐魯番等地開展了線外試驗(yàn)段試驗(yàn)。結(jié)果表明，由于自然環(huán)境的嚴(yán)酷，單純采用優(yōu)化混凝土配合比參數(shù)的常規(guī)手段并不能有效抑制大風(fēng)干旱地區(qū)道床板裂紋的產(chǎn)生。內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)是混凝土自澆筑成型后就已實(shí)現(xiàn)無間歇養(yǎng)護(hù)的新技術(shù)，是自上世紀(jì)引氣技術(shù)以來最重要的提升混凝土耐久性技術(shù)之一［4-6］。課題組通過借鑒國際上內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)成果，對傳統(tǒng)內(nèi)養(yǎng)護(hù)成分進(jìn)行優(yōu)選，并復(fù)合保水、減縮組分，充分發(fā)揮各組分的補(bǔ)水、保水和減縮的疊加效應(yīng)，研制出具有高抗裂性能的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料［7］。

2.2.1 內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料對混凝土收縮性能的影響

圖1為摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的C40道床板抗裂混凝土和普通C40道床板混凝土的塑性收縮及長期干縮對比圖。從圖1可以看出，摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料混凝土72 h時(shí)的塑性收縮值僅為普通混凝土的20%;而摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料混凝土的長期干縮值較普通混凝土降低約36%。無論是在塑性階段還是硬化階段，摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料均具有顯著的減縮效果。

圖1 內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料對道床板混凝土塑性收縮及長期干縮的影響

2.2.2 內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料對混凝土抗裂性能的影響

抗裂性能測試試驗(yàn)裝置見圖2(a)。摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的C40道床板抗裂混凝土和普通C40道床板混凝土的抗裂性能對比見圖2(b)。從圖2(b)可以看出，普通混凝土在5 d齡期時(shí)發(fā)生開裂，而摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料抗裂混凝土的開裂明顯延遲，在18 d齡期時(shí)尚未出現(xiàn)裂紋?？梢?，內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料能明顯提高混凝土的抗裂性能。

圖2 抗裂性能測試試驗(yàn)裝置及兩種混凝土抗裂性能對比

2.2.3 內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的作用機(jī)制

內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的實(shí)質(zhì)是在充分研究內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土特性的基礎(chǔ)上，賦予其多功能化以滿足蘭新鐵路道床板抗裂的需求。其作用機(jī)制為:充分利用高分子保水材料增加水分子間的內(nèi)聚力和遷移阻力，在阻止水分散失的同時(shí)，改善混凝土的稠度以消除泌水和降低浮漿厚度;引入級配化設(shè)計(jì)的補(bǔ)償收縮組分，以實(shí)現(xiàn)混凝土的分階段減縮;利用預(yù)蓄水組分在混凝土內(nèi)部進(jìn)行水分補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)塑性階段的保水和硬化階段持續(xù)補(bǔ)水的自養(yǎng)護(hù)功效;發(fā)揮多功能組分的疊加效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)干旱環(huán)境下補(bǔ)償收縮組分的功效最大化(見圖3)。

圖3 內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料在混凝土中的作用機(jī)制

3 混凝土施工控制

根據(jù)工程實(shí)際需要，道床板混凝土施工過程質(zhì)量控制應(yīng)涵蓋與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和環(huán)境特征相適應(yīng)的混凝土施工技術(shù)、科學(xué)的節(jié)水保濕養(yǎng)護(hù)技術(shù)和合理的溫度應(yīng)力釋放措施3個(gè)方面?，F(xiàn)結(jié)合蘭新鐵路道床板混凝土的施工工藝流程對其施工過程控制進(jìn)行詳細(xì)闡述，見圖4。

圖4 道床板混凝土施工工藝流程及過程控制

圖5和圖6分別為道床板混凝土“之”字形路線三點(diǎn)布料澆筑工藝及二次振搗工藝示意圖。采用“之”字形路線三點(diǎn)布料澆筑工藝主要目的是為了保證入?；炷恋恼w勻質(zhì)性，降低混凝土表層浮漿的厚度，進(jìn)而防止道床板混凝土表面龜裂。二次振搗工藝是在使用φ50振動(dòng)棒振搗完畢后，再使用φ30振動(dòng)棒斜插入軌枕底部并在軌枕四周進(jìn)行振搗。其目的是保證軌枕底部混凝土密實(shí)以及四周混凝土與軌枕界面黏結(jié)質(zhì)量，防止出現(xiàn)離縫。

圖5 “之”字形路線三點(diǎn)布料澆筑工藝

圖6 二次振搗工藝示意

4 工程應(yīng)用

CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道道床板混凝土綜合抗裂技術(shù)經(jīng)蘭新鐵路第二雙線線外試驗(yàn)段驗(yàn)證有效后，在蘭新二線張掖以西地區(qū)、張掖以東高海拔(2 800 m以上)地區(qū)正線施工中得到推廣應(yīng)用。經(jīng)后期觀測并對現(xiàn)場道床板混凝土開裂情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖7。由圖7可看出，采用抗裂技術(shù)施工的道床板混凝土八字角裂紋、板面不規(guī)則裂紋和道床側(cè)邊裂紋均明顯少于采用常規(guī)技術(shù)施工的道床板混凝土，道床板混凝土裂紋得到有效控制。

圖7 采用常規(guī)技術(shù)和抗裂技術(shù)的兩種道床板混凝土(90 d齡期)開裂情況對比

5 結(jié)論

1)采用“低膠材用量、低用水量、低坍落度和高含氣量”(三低一高)的混凝土配制技術(shù)，能夠有效降低混凝土的收縮和水化熱。該配制技術(shù)是蘭新二線道床板混凝土裂縫控制的基礎(chǔ)。

2)內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料與外養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)相結(jié)合的“內(nèi)部抗裂、外部防裂”混凝土裂縫控制技術(shù)，能夠與蘭新二線CRTSⅠ型無砟軌道道床板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和環(huán)境特征相適應(yīng)。該裂縫控制技術(shù)是蘭新二線道床板混凝土裂縫控制的關(guān)鍵。

3)從提高混凝土勻質(zhì)性、縮短混凝土暴露時(shí)間和及時(shí)釋放溫度應(yīng)力三方面提出的混凝土施工技術(shù)措施，是蘭新二線道床板混凝土裂縫控制的保障。

［1］李向國．高速鐵路技術(shù)［M］．北京:中國鐵道出版社，2008．

［2］吳華君，方鵬飛．高性能混凝土干燥收縮規(guī)律研究［J］．混凝土，2009(8):33-34．

［3］王鐵夢．工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999．

［4］HENKENSIEFKEN R，CASTRO J，KIM H，et al．Internal curing improves concrete performance throughout its life［J］．Concrete Infocus，2009，8(5):22-30．

［5］JENSEN O M，HANSEN P F．Water-entrained cement-based materialsⅡ．Experimental observations［J］．Cement and Concrete Research，2002(32):973-978．

［6］孔祥明，李啟宏．高吸水性樹脂對水泥砂漿體積收縮及力學(xué)性能的影響［J］．硅酸鹽學(xué)報(bào)，2009，37(5):855-861．

［7］朱長華，李享濤，王保江，等．內(nèi)養(yǎng)護(hù)對混凝土抗裂性及水化的影響［J］．建筑材料學(xué)報(bào)，2013，16(2):221-225．