高鐵岔區(qū)無砟道床板裂紋防控技術研究

陳?，F

（中鐵二十二局集團軌道工程有限公司 北京 100040）

1 引言

整體現澆道床混凝土存在易開裂的問題，特別是在我國東北地區(qū)冬季嚴寒和干燥多風環(huán)境下，岔區(qū)現澆道床混凝土開裂問題帶來的結構耐久性不足的問題更為突出；裂縫的存在給雨、雪進入混凝土內部提供了通道，凍脹作用則進一步加劇了裂縫寬度的發(fā)展速度，隨著時間的推移，最終導致現澆道床混凝土出現凍脹、剝落和粉化等現象，大大降低了現澆道床混凝土結構的耐久性和使用壽命，故解決道床混凝土的裂紋控制問題尤為重要。

2 工程概況

京沈客專遼寧段沈陽西站位于沈陽市于洪區(qū)境內，起訖里程DK674+235.62～DK676+400.73，車站內設置2臺6線。正線的設計是無砟軌道結構，全長2.16 km，其中軌枕埋入段1.36 km，共布設8組無砟道岔，包含6組18＃道岔和2組42＃道岔。

42＃道岔的道床板，表面設向線路外側1%橫向排水坡，C40混凝土現場澆筑。道岔直股的內側鋼軌軌下處道床板厚368 mm，道岔總長207.09 m，為節(jié)段單元結構，共設10個單元，最長43.68 m，最短14.97 m，寬度從3.20～6.53 m漸變，單元間設3 cm的伸縮縫。最外層鋼筋混凝土保護層厚度35～50 mm。18＃道岔設計與42＃道岔僅長度有區(qū)別，18＃道岔總長98.32 m，設5個單元，最長23.89 m，最短13.77 m。道岔板寬度根據道岔幾何形狀合理確定[1]。道床板的縱向為分塊結構，相鄰道床板間設30 mm寬的伸縮縫，其用聚乙烯泡沫塑料板填充并用硅酮密封。沈陽西站道岔無砟軌道斷面，如圖1所示。

圖1 沈陽西站道岔無砟軌道斷面圖(單位:mm)

3 道床板裂縫類型及分析

通過對沈陽西站工后1年的實地統計，岔區(qū)道床混凝土裂紋是普遍存在的，并具有不斷劣化發(fā)展的趨勢。經過對裂紋情況的現場實地觀察記錄和統計，歸類裂紋類型，分析形成原因，提出了解決措施并進行同條件試驗驗證。

3.1 道床板裂縫類型

沈陽西站岔區(qū)無砟軌道道床板裂紋共分為3大類，即離縫、橫向裂縫和不規(guī)則裂縫，其具體形成原因分別論述如下。

（1）軌枕塊界面處離縫。預制軌枕塊與現澆道床板之間存在“新老混凝土”界面，雙塊式軌枕（或埋入式長枕）與道床板接觸區(qū)段，在軌枕塊周邊形成裂紋且長短不定，嚴重時同排列相鄰軌道塊邊角裂縫相互連通或延伸至道床板外側邊緣[2]。成因:道床板與軌枕塊因是新舊混凝土的接觸面故粘結較差，導致預制軌枕塊與現澆道床混凝土接觸面間存在不同幅度的收縮變形，因出廠的預制軌枕塊幾乎不收縮，而現澆道床的混凝土早期收縮較大，養(yǎng)護時因不同步的收縮變形導致應力集中，進而形成離縫。

（2）橫向裂縫。因軌枕塊邊角裂縫連通形成或伸縮縫間距較大時，形成的垂直于道岔方向的裂縫，局部區(qū)段較嚴重時為貫通裂縫。成因:一次現澆道床板單元長度較大，如18＃道岔單元最長為25.17 m，沿直岔方向的收縮不斷累積，最終在薄弱位置開裂。

（3）不規(guī)則裂縫。道床板的混凝土表面有隨機無規(guī)則裂縫，長短深淺不一且分布廣。成因:膠凝材料用量大或單方用水量高、泌水、施工中過振、收面時存在工人灑水潤面、養(yǎng)護不當等，導致道床板上表面漿體富集，因失水過快形成龜裂紋，經凍融和動載等作用發(fā)展為裂縫；澆筑后未及時松鋼軌扣件，因溫度應力未及時釋放而造成開裂。

3.2 道床板裂縫分析

結合出現的裂縫類型，綜合成因，主要從以下三方面進行分析。

（1）混凝土配制。針對實際工況，優(yōu)化道床混凝土配合比，比選后采用“三低一高”進行配制，以減少表面浮漿層；同時，為緩解早期收縮大問題而適量摻加內養(yǎng)護材料，為增強抗拉強度而摻入一定量的纖維等，進而提高抗裂性能。

（2）改變結構形式。通過軌枕廠模板設計調整，對軌枕塊的形狀進行邊緣倒角優(yōu)化，同時在施工前對預制軌枕塊表面涂刷界面劑等，提高軌枕塊與道床混凝土間的粘結力，進而降低界面處的應力集中。

（3）規(guī)范施工作業(yè)。嚴格規(guī)范施工中的作業(yè)流程，采用“低溫入模，快速澆筑”進行現場作業(yè)，降低溫差對開裂的影響；道床板外邊緣應嚴格按設計坡度進行抹面，杜絕積水浸泡等現象；細化抹面收光工序，嚴禁工人灑水抹面；采用覆蓋節(jié)水養(yǎng)護膜進行混凝土節(jié)水保濕養(yǎng)護[3]。

4 混凝土配合比選定及施工工藝

針對裂縫問題，關鍵是混凝土配合比的選用。為確保試驗可比性，道床板澆筑試驗場地位于沈陽西站DK675+290右側的場外線下，場地長144 m，寬38 m，同條件1∶1模擬岔區(qū)實體結構，共有5組雙塊式道床板和1組18＃單開無砟道岔道床板。道岔試驗施工階段自2017年7月開始建設，至2018年7月完成18＃道岔道床混凝土養(yǎng)護施工，歷時1年。雙塊式道床試驗方案為優(yōu)化道床混凝土的配制技術、強化預制軌枕與道床板界面粘結性能。通過對雙塊式試驗段道床混凝土的觀察分析，比選出最優(yōu)試驗方案后，澆筑18＃道岔試驗段進行驗證選定配比。

4.1 混凝土控制指標

通過研究膠凝材料用量、摻和料種類、砂率和含氣量等參數對道床板混凝土收縮的影響，確定東北地區(qū)道床板混凝土配制的材料控制指標為:膠凝材料的用量宜控制在360 kg/m3；摻和料宜選用優(yōu)質粉煤灰和礦粉；砂率不宜大于40%；粗骨料空隙率≤40%；采用減水劑與引氣劑雙摻進行配制，入模含氣量8%～10%；為提高抗裂性并減少表面的浮漿，出機坍落度宜為80～100 mm；用水量≤140 kg/m3。

4.2 選定混凝土配合比

2018年澆筑了5組雙塊式C40混凝土道床板，其長24.0 m，寬3.2 m，均澆筑55.0 m3。

第1組:10月19日，采用“三低一高”低膠凝用量、低用水量、低坍落度、高含氣量[4]進行澆筑。

第2組:10月21日，采用“三低一高”加玻璃纖維進行澆筑，外摻0.3 kg/m3的分散型玻璃纖維以及3.7 kg/m3的集束型玻璃纖維。

第3組:10月22日，采用“三低一高”加內養(yǎng)護材料進行澆筑，內摻27 kg/m3的內養(yǎng)護材料，分別等量取代粉煤灰與礦粉，其摻量為膠凝材料總量的6%。

第4組:10月24日，采用“三低一高”加抗裂防滲劑進行澆筑，摻入9 kg/m3的抗裂防滲劑，其摻量為膠凝材料總量的2%配制[5]。

第5組:11月1日，采用“三低一高”加低熱抗裂水泥進行澆筑，膠凝材料全部由低熱水泥替代。

18＃單開道岔:經過冬期5個月的觀察對比分析，摻入內養(yǎng)護劑的第3組試驗段裂紋效果控制最好，選用其并經調整后的配比進行18＃道床板的澆筑。2019年6月22日至26日，18＃單開5個單元道岔道床混凝土共澆筑174.0 m3，長度分別為23.89、13.77、15.57、25.17、19.80 m。針對混凝土不同配合比的裂紋統計，見表1，經對比分析，選定的第3組配合比澆筑的18＃道岔裂紋大大減少，有效控制了裂紋形成，增強混凝土的抗裂性能，防止混凝土裂縫，提高混凝土的耐久性[6]。

表1 混凝土不同配合比的裂紋統計

4.3 經濟技術性分析

針對試驗配合比和已施工的沈陽西站道岔混凝土進行費用對比，因在拌和、運輸及現場作業(yè)等工藝基本相同，故主要針對原材的耗用進行費用對比?；炷猎慕洕詫Ρ?，見表2，具體費用每立方米超支為58.2元。因混凝土施工工藝有些許變動，但是在原工藝基礎上進行的細節(jié)優(yōu)化，故工藝技術投入較原有較小且易于作業(yè)；而工后的裂紋控制有顯著效果且能確?；炷恋哪途眯?，同時可一次滿足質量要求，避免并大大降低了二次處理或返工費用，綜合考慮后選用新配合比具有明顯優(yōu)勢。

表2 混凝土配合比原材經濟性對比

4.4 施工工藝

混凝土施工質量不僅受材質影響，且與施工技術水平有直接關系，即使混凝土抗裂性良好，若施工作業(yè)不當，也將導致效果不好。高鐵岔區(qū)現澆道床板混凝土施工過程，主要包括混凝土攪拌、運輸、澆筑、振搗、抹面以及養(yǎng)護等環(huán)節(jié)[7]，各環(huán)節(jié)均直接影響配制混凝土的性能。通過現場5組雙塊式試驗段澆筑，確定了適用于低坍落度道床混凝土的施工工藝，具體流程為:攪拌站拌制→混凝土運輸→混凝土澆筑→高頻振搗→收面壓光→噴涂養(yǎng)護劑→松扣件→養(yǎng)護→拆模。

（1）拌和站拌制?！叭鸵桓摺被炷敛捎脧娭剖綌嚢铏C，經試驗確定，坍落度小于100 mm時，攪拌時間≥240 s；坍落度為100～140 mm時，攪拌時間≥180 s。

（2）混凝土運輸。低坍落度混凝土通過全封閉式攪拌運輸車，以改善其在轉運過程中的水分散失，運至施工現場的混凝土確保坍落度≥80 mm。

（3）混凝土澆筑。澆筑前模板內雜物，需清理干凈且無積水，模板接縫處需嵌塞嚴密且緊貼，現場實測標高將設計標高用雙面膠在岔枕和模板位置進行標記。岔區(qū)范圍應一次澆筑，岔前、后的正線宜與道岔一同澆筑。道床板架設完成后，進行絕緣和接地性能測試[8]。架立模板后將接地端子與接地鋼筋焊接。

澆筑過程中對每車混凝土的坍落度、含氣量及入模溫度逐車檢測，坍落度應控制在80 mm，含氣量控制在6%～8%，前三盤必測，以后每10 m3測一次；入模溫度宜在10～30℃，模板溫度宜在5～35℃。按每100 m3取樣3組標養(yǎng)試件進行留置，每澆筑批取樣6組同條件的養(yǎng)護試件進行留置。

因布料方式對混凝土的勻質性影響很大，經過現場試驗后確定布料順序，道床板混凝土澆筑施工時，按照三點“之”字形方式斗送入模進行均勻澆筑。混凝土澆筑布料順序，如圖2所示。

圖2 混凝土澆筑布料順序

（4）高頻振搗。因低坍落度混凝土采用常規(guī)振搗效率低、不易振搗密實，故采用直徑為85 mm的高頻振搗器或振搗臺車，振搗棒需插進下層混凝土面以下為5～10 cm，振搗密實并防止過振、漏振，振搗時不得碰撞模板、鋼筋等；每點振搗時長宜為20～30 s，以混凝土不再下沉、無氣泡且表面微泛漿為佳[9]。

（5）收面壓光。振搗完成表層混凝土后，盡快抹平并壓光其表面?；炷脸跄笆彰?次，抹面以大面平整、無露石露筋為準，嚴禁灑水潤面，不刻意追求光面。首次收抹大面，以軌枕面向下值為混凝土面控制收面高度，排水坡為1%，使表面排水順暢不積水；二次收面為壓實，為避免面層失水而產生裂紋；三次抹面為壓光，應盡量避免過度作業(yè)導致混凝土表面出現質量問題[10]。

（6）噴涂外養(yǎng)護劑。用噴管按十字交叉噴涂，確保外養(yǎng)護劑成膜，1 kg噴涂面積為2～3 m2，噴涂后道床板表面應及時覆蓋土工布，避免風吹日曬[11]。

（7）松扣件。道床板混凝土初凝之后，松動豎向精調螺栓不大于半圈，解開夾板螺栓，松開轉轍器、轍叉心和護輪軌枕木連接螺栓、導曲線鋼軌和基本軌扣件螺栓，釋放鋼軌溫度應力，以防止鋼軌與混凝土的溫差變形不一致而造成混凝土開裂。

（8）養(yǎng)護?；炷恋脑O計性能達標的關鍵是養(yǎng)護作業(yè)。澆筑后在8～12 h開始灑水，隨后覆蓋塑料膜和土工布進行養(yǎng)護，養(yǎng)護時間≥14 d。當環(huán)境溫度低于5℃時，禁止灑水養(yǎng)護，可在混凝土表面噴涂養(yǎng)護液，并采取適當保溫措施[12]。道床板覆蓋養(yǎng)護，如圖3所示。

圖3 道床板覆蓋養(yǎng)護

4.5 注意事項

（1）混凝土在澆筑過程中，因坍落度較低且含水量少，為避免混凝土失水過快，澆筑前須將底座板表面和軌枕面等進行噴灑水潤濕。

（2）振搗和澆筑前后，模板及軌枕應穩(wěn)固，避免因動載等外因影響，如有碰撞或較大振動，須重新測量復核，確保澆筑后道床板的精度滿足設計要求。其達到設計強度的75%之前，嚴禁磕碰。

（3）盡量提前備足所需主要原材，以提高混凝土性能的穩(wěn)定性，確?，F場澆筑質量，使混凝土對裂紋的影響有效可控。

（4）道床板表面設向線路外側1%的橫向排水坡，施工中需注意排水坡方向，同時確保道床板上層鋼筋混凝土保護層厚度滿足要求。

5 結束語

通過工程實踐，采用“三低一高”配置混凝土能有效解決開裂問題，其不僅降低了混凝土的收縮變形，又更好地發(fā)揮了骨料的“骨架”作用，增強了體積穩(wěn)定性。結合施工中總結出的道岔道床板的施工方法，可有效防止施工裂紋產生和控制工后裂紋形成，確保了道岔施工過程可控且工后質量穩(wěn)定，取得明顯的經濟和社會效益。