CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟道床板裂縫成因分析及控制措施

楊永明

(中國(guó)鐵路總公司工程管理中心，北京　100844)

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CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟道床板裂縫成因分析及控制措施

楊永明

(中國(guó)鐵路總公司工程管理中心，北京100844)

摘要：道床板裂縫是CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道施工質(zhì)量控制的難點(diǎn)，通過(guò)對(duì)裂縫產(chǎn)生原因的理論分析，指出混凝土收縮、溫差和不當(dāng)施工工藝等是產(chǎn)生裂縫的主要原因，提出原材料質(zhì)量控制、優(yōu)化混凝土配合比和施工工藝等方面控制裂縫的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：無(wú)砟道床；裂縫；成因分析；控制措施

1概述

CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道由于具有施工簡(jiǎn)單靈活、工程造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)客運(yùn)專線項(xiàng)目廣泛應(yīng)用，應(yīng)用地域也較廣，從南方炎熱氣候地區(qū)(如武廣、成渝客運(yùn)專線)一直到西北干旱嚴(yán)寒氣候地區(qū)(如蘭新客運(yùn)專線)都有應(yīng)用，在時(shí)速200 km客貨共線長(zhǎng)大隧道內(nèi)也被大量采用。

然而，雙塊式無(wú)砟軌道道床板為現(xiàn)澆連續(xù)板式結(jié)構(gòu)，混凝土在水平方向的變形受到約束，同時(shí)施工時(shí)混凝土易受環(huán)境因素影響，導(dǎo)致其開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)較高，在我國(guó)前期已開(kāi)通和在建的客運(yùn)專線項(xiàng)目均不同程度出現(xiàn)了道床板開(kāi)裂現(xiàn)象，尤其在路基地段更為常見(jiàn)?，F(xiàn)行規(guī)范規(guī)定裂縫寬度不應(yīng)大于0.2 mm，超標(biāo)裂縫和不正常的裂縫嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋼筋銹蝕甚至絕緣節(jié)點(diǎn)失效，裂縫處的滲水還可能導(dǎo)致路基基床翻漿冒泥等問(wèn)題，運(yùn)營(yíng)期裂縫發(fā)展會(huì)造成軌枕塊松動(dòng)等安全問(wèn)題，將會(huì)影響無(wú)砟軌道的使用壽命。因此，降低和減少無(wú)砟軌道板裂縫是質(zhì)量控制的關(guān)鍵點(diǎn)之一，研究裂縫產(chǎn)生原因及技術(shù)措施具有現(xiàn)實(shí)意義。

2裂縫成因分析

無(wú)砟道床產(chǎn)生裂縫的原因較多，且疊加作用，較為復(fù)雜，分析成因主要包括：混凝土干縮、溫差應(yīng)力、不良混凝土品質(zhì)、不當(dāng)施工工藝和道床板養(yǎng)護(hù)不到位等。

2.1混凝土收縮產(chǎn)生裂縫

混凝土收縮是指在混凝土凝結(jié)初期或硬化過(guò)程中出現(xiàn)的體積縮小現(xiàn)象，引起混凝土裂縫的主要有干燥收縮和塑性收縮。干燥收縮是在混凝土硬化后，受外部干燥或高溫環(huán)境影響，內(nèi)部水分散失所引起；塑性收縮是指混凝土未凝結(jié)硬化前，還處于塑性狀態(tài)時(shí)發(fā)生的收縮，主要是由于水分從混凝土表面蒸發(fā)損失導(dǎo)致的混凝土體積收縮，塑性收縮裂縫主要發(fā)生在混凝土暴露表面，裂縫深度一般較淺[1-2]。混凝土收縮主要受用水量、水泥、骨料和外部環(huán)境及養(yǎng)護(hù)條件等因素影響，水灰比、含水量越大，混凝土收縮越大；風(fēng)速越大、環(huán)境越干燥收縮越大；早期不注意養(yǎng)護(hù)或混凝土暴露時(shí)間越長(zhǎng)，收縮越大。收縮裂縫在雙塊式無(wú)砟道床占的比例較大，據(jù)統(tǒng)計(jì)約在60%以上，最為常見(jiàn)的是軌枕四角的八字裂縫[3-4]。

2.2溫差產(chǎn)生裂縫

溫度裂縫產(chǎn)生主要原因是由溫差造成的，可分為結(jié)構(gòu)整體升降溫差、水化熱引起的混凝土內(nèi)外溫差和道床板上下表面的溫度遞度。在路基地段道床板采用連續(xù)結(jié)構(gòu)，在季節(jié)性溫度變化和日照循環(huán)變化下，整體溫度升降所產(chǎn)生的溫度力可導(dǎo)致出現(xiàn)貫通裂縫?；炷翝仓跗?，水泥水化過(guò)程產(chǎn)生水化熱使混凝土形成內(nèi)外溫差，當(dāng)產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生混凝土裂縫?；炷两Y(jié)構(gòu)在太陽(yáng)照射下，由于混凝土熱傳導(dǎo)性能差，道床板上下會(huì)產(chǎn)生表面溫度遞度，可能會(huì)導(dǎo)致道床板表面出現(xiàn)橫向裂縫或翹曲[5-6]。

在一些地區(qū)夏季結(jié)構(gòu)整體溫差可達(dá)到25～30 ℃，蘭新客運(yùn)專線在環(huán)境大溫差期間，環(huán)境平均晝夜溫差為22.0 ℃，因環(huán)境溫差引起的表層混凝土平均晝夜溫差為18.6 ℃，道床板混凝土外側(cè)面最高自身應(yīng)變均值約為225 με，超過(guò)了混凝土極限拉應(yīng)變，對(duì)混凝土裂縫的控制極為不利。

2.3不良混凝土品質(zhì)造成裂縫

造成混凝土品質(zhì)不良的因素主要包括：砂石等原材料含泥量超標(biāo)，混凝土坍落度過(guò)大，混凝土運(yùn)輸過(guò)程中加水，混凝土澆筑時(shí)過(guò)振和抹面時(shí)灑水等，易造成混凝土分布不均勻現(xiàn)象，不均勻材料間存在變形差異，易導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂[7-8]。

2.4不當(dāng)施工工藝造成裂縫

在道床板澆筑過(guò)程中，如果施工工藝不當(dāng)，容易產(chǎn)生各種形式的裂縫，主要有以下幾種原因：一是混凝土布料工藝不當(dāng)，造成骨料分布不均，引起裂縫；二是混凝土抹面時(shí)機(jī)掌握不準(zhǔn)，提前或延遲都可能造成細(xì)小裂縫；三是沒(méi)有及時(shí)松開(kāi)扣件，鋼軌應(yīng)力釋放不及時(shí)產(chǎn)生裂縫；四是拆模過(guò)早，因混凝土強(qiáng)度不足，道床板在自重或施工荷載作用下產(chǎn)生裂縫；五是道床板施工與支承層施工間隔時(shí)間短，支承層變形未完成，支承層的變形導(dǎo)致道床板變形開(kāi)裂。

2.5不良養(yǎng)護(hù)條件造成裂縫

因養(yǎng)護(hù)條件差造成裂縫的常見(jiàn)現(xiàn)象包括：混凝土初凝后，沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行覆蓋、灑水養(yǎng)護(hù)；覆蓋不嚴(yán)密，水分蒸發(fā)快，補(bǔ)水不及時(shí)；道床板裸露時(shí)間長(zhǎng)、養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足等。

3裂縫控制措施

3.1控制支承層施工質(zhì)量

支承層是位于道床板和路基基床表層之間的中間過(guò)渡層，根據(jù)《客運(yùn)專線鐵路無(wú)砟軌道支承層暫行技術(shù)條件》(鐵科技基[2008]74號(hào))的相關(guān)規(guī)定，無(wú)砟軌道支承層施工可采用滑模攤鋪和低塑性混凝土立模澆筑兩種方法。由于滑模攤鋪對(duì)工裝要求高，在鄭西線和武廣線等項(xiàng)目支承層施工均大量采用低塑性混凝土。然而，低塑性混凝土材料普遍存在膠凝材料用量過(guò)多、坍落度大和材料強(qiáng)度高等問(wèn)題，導(dǎo)致支承層材料的收縮量增加，開(kāi)裂明顯，進(jìn)而引起道床板的開(kāi)裂。因此，建議在長(zhǎng)大路基地段應(yīng)采用滑模攤鋪機(jī)施工，困難地段才采用模筑法的施工方案。施工時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)原材料質(zhì)量控制和支承層的養(yǎng)護(hù)，并準(zhǔn)確掌握支承層切縫時(shí)機(jī)及時(shí)進(jìn)行切縫。在施組安排時(shí)，要安排盡量提前施工支承層，使道床板施工與支承層施工間隔至少1個(gè)月以上，使支承層在道床板施工前盡量完成收縮變形[9]。

3.2嚴(yán)格控制混凝土質(zhì)量

(1)控制砂石有害雜質(zhì)含量，中粗砂含泥量≯2.5%，碎石含泥量≯1%，不得含有泥塊，有害雜質(zhì)含量越低，混凝土干縮裂縫越少。(2)每批混凝土外加劑應(yīng)與膠凝材料進(jìn)行相容性試驗(yàn)，保證坍落度損失、含氣量和減水率滿足要求(1 h坍落度損失不得大于20 mm)。(3)按照“低膠材、低用水量、低坍落度、高含氣量”(三低一高)的原則設(shè)計(jì)高性能混凝土，道床板的水泥用量小于160 kg/m3，膠凝材料宜小于400 kg/m3，混凝土水膠比不大于0.34，混凝土坍落度宜不大于160 mm，混凝土含氣量不小于4%。(4)拌和站要嚴(yán)格按照施工配合比和攪拌工藝參數(shù)拌制混凝土，保證坍落度、含氣量等指標(biāo)符合要求。

3.3做好混凝土結(jié)合面清理和濕潤(rùn)工作

路基地段支承層拉毛(鑿毛)質(zhì)量應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，道床板模板安裝前，要徹底清除道床板范圍內(nèi)的雜物，采用空壓機(jī)、高壓水將灰塵、浮渣吹洗干凈?；炷翝仓? h前，應(yīng)對(duì)道床板范圍、雙塊式軌枕周邊進(jìn)行充分濕潤(rùn)，確保新老混凝土面結(jié)合良好。

3.4合理選擇混凝土澆筑時(shí)間

宜在一天溫度變化較小的時(shí)段澆筑混凝土，從澆筑到混凝土初凝溫度變化不得超過(guò)15 ℃，混凝土入模溫度應(yīng)在5～30 ℃。各個(gè)不同地區(qū)應(yīng)根據(jù)本地區(qū)氣溫、風(fēng)速等氣候條件合理確定，要關(guān)注天氣情況，高溫天氣、大風(fēng)天氣、溫差過(guò)大的天氣，除非采取了防護(hù)措施，應(yīng)謹(jǐn)慎澆筑混凝土。

3.5嚴(yán)格施工工藝控制

(1)控制鋼筋保護(hù)層厚度，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖施工，鋼筋保護(hù)層厚度過(guò)大、過(guò)小，都容易產(chǎn)生裂縫。(2)道床板混凝土布料應(yīng)采用一端向另一端連續(xù)進(jìn)行，采用 “之”字形線路三點(diǎn)布料(圖1)，將每一根軌枕下布滿混凝土，不可從一側(cè)自流到另一側(cè)，確保在澆筑斷面內(nèi)均勻布料，防止混凝土離析，產(chǎn)生干縮裂縫。(3)采用二次振搗工藝(圖2)，使用φ50 mm振動(dòng)棒上下、多點(diǎn)振搗，嚴(yán)禁趕料，再使用φ30 mm振動(dòng)棒斜插入軌枕底部并在軌枕四周進(jìn)行振搗。振搗時(shí)間要合適，一般為25～40 s，以混凝土表面不再下沉、表面泛漿、無(wú)氣泡為宜，避免過(guò)振、漏振，保證軌枕底部混凝土密實(shí)以及四周混凝土與軌枕界面粘結(jié)質(zhì)量，防止出現(xiàn)離縫。(4)采用較小坍落度混凝土可以非常有效地減少道床板收縮裂縫，建議在施工中推廣使用斗送混凝土，盡量不采用泵送混凝土，以降低混凝土的坍落度。

圖1　“之”字形路線三點(diǎn)布料澆筑工藝

圖2　二次振搗工藝示意

3.6控制混凝土抹面質(zhì)量

一般要經(jīng)過(guò)4次抹面，完成混凝土振搗后，首先采用長(zhǎng)木抹子將軌枕間混凝土整平；然后采用坡度刮尺刮平混凝土，再次采用木抹子提漿、整平；等混凝土有一定的強(qiáng)度后，再用鋼抹子進(jìn)行抹平壓實(shí)；為防止混凝土表面失水產(chǎn)生細(xì)小裂縫，在混凝土接近初凝時(shí)再次用鐵抹子抹面壓光。雙塊式軌枕45°角和四周容易開(kāi)裂，在混凝土初凝前要重點(diǎn)壓實(shí)抹光。抹面時(shí)嚴(yán)禁灑水潤(rùn)面或撒干水泥。在西北地區(qū)大風(fēng)、干燥等特殊氣候條件下，抹面工作應(yīng)在養(yǎng)護(hù)帳篷內(nèi)進(jìn)行，防止混凝土產(chǎn)生收縮裂縫。

3.7合適時(shí)機(jī)松放扣件

混凝土初凝后，應(yīng)及時(shí)松開(kāi)扣件和魚(yú)尾板螺栓(鋼軌扣件必須徹底松完)，釋放由溫度和徐變引起的鋼軌應(yīng)力，避免鋼軌伸縮破壞混凝土，產(chǎn)生裂縫。可采用手指按壓道床板混凝土表面(無(wú)明顯壓痕)或采用鋼球(D=75 mm、2 kg)壓痕試驗(yàn)(≯30 mm)確定混凝土初凝時(shí)間。

3.8準(zhǔn)確掌握拆模時(shí)間

混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa以上，可以拆除側(cè)向模板，要保證表面及棱角不損壞，道床板混凝土強(qiáng)度達(dá)到5 MPa方可拆除全部模板，拆模過(guò)早容易引起混凝土表面產(chǎn)生拉裂裂縫。

3.9高度重視混凝土養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)是混凝土設(shè)計(jì)性能得以實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，合理的養(yǎng)護(hù)工藝對(duì)減少道床板表面裂縫起著至關(guān)重要的作用，壓光混凝土面后應(yīng)立即開(kāi)始養(yǎng)護(hù)，盡可能縮短混凝土暴露在空氣中的時(shí)間。研究表明，當(dāng)混凝土表面水分蒸發(fā)率大于1 kg/m2·h時(shí)，其表面容易產(chǎn)生塑性收縮裂縫；當(dāng)混凝土溫度、環(huán)境相對(duì)濕度相同時(shí)，風(fēng)速每增加10 km/h，混凝土表面水分的蒸發(fā)速度就增加1倍；或當(dāng)混凝土溫度、風(fēng)速一定的條件下，空氣濕度每降低50%，混凝土表面水分蒸發(fā)率也大約增加1倍[10-11]。

圖3　土工布+塑料布養(yǎng)護(hù)方案

我國(guó)地區(qū)環(huán)境差異大，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)氣候特點(diǎn)確定經(jīng)濟(jì)合理養(yǎng)護(hù)方案。南方地區(qū)可采用土工布+塑料布覆蓋灑水保濕的養(yǎng)護(hù)方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，先在混凝土表面覆蓋一層土工布，再蓋一層塑料布，上部和周邊壓實(shí)，注意覆蓋材料要足夠?qū)?，防止周邊透風(fēng)，保證內(nèi)部處于密封狀態(tài)(圖3)，要根據(jù)天氣的溫度和濕度補(bǔ)水，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于7 d，最好養(yǎng)護(hù)14 d。西北干旱大風(fēng)缺水地區(qū)，可采用外養(yǎng)護(hù)劑或內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑加外養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)方案，在道床板抹面完成后，立即噴灑外養(yǎng)護(hù)劑，外養(yǎng)護(hù)劑會(huì)在混凝土表面形成一層薄膜，阻止水分的揮發(fā)，達(dá)到養(yǎng)護(hù)效果。內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑可以阻止水分的散失，改善混凝土的稠度，消除泌水和降低浮漿厚度，還可以實(shí)現(xiàn)混凝土的分階段減縮，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[12]。蘭新客運(yùn)專線大風(fēng)干旱地區(qū)采用了外養(yǎng)護(hù)劑和內(nèi)外養(yǎng)護(hù)劑結(jié)合的新型養(yǎng)護(hù)方

案，有效地控制了道床板裂縫，取得了較好的效果。

4結(jié)語(yǔ)

道床板裂縫是CRTSⅠ無(wú)砟軌道施工質(zhì)量控制的重難點(diǎn)，在施工過(guò)程中應(yīng)引起足夠重視，當(dāng)出現(xiàn)不正常裂紋時(shí)，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境氣候條件等因素綜合分析，查找原因，并采取相應(yīng)經(jīng)濟(jì)有效應(yīng)對(duì)措施。在路基地段由于采用連續(xù)性結(jié)構(gòu)，會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫和支承層切縫處反射裂縫等，對(duì)此也不必過(guò)度緊張，關(guān)鍵是要控制早期裂縫和不正常的裂縫，盡量減少裂縫的數(shù)量，控制裂縫寬度不超過(guò)0.2 mm。

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，雙塊式軌枕四角由于應(yīng)力集中和新舊混凝土結(jié)合面等綜合原因，普遍易出現(xiàn)八字形裂縫，這種裂縫約占30%以上，在蘭新客運(yùn)專線設(shè)計(jì)中采用在道床板上層縱橫向鋼筋上部、軌枕四周設(shè)置八字形抗裂斜筋，對(duì)控制八字形裂縫的發(fā)展有一定的效果，可以參考借鑒。另外，采取技術(shù)措施增加雙塊式軌枕的四周表面粗糙度，增強(qiáng)混凝土與軌枕的粘結(jié)力，也是今后考慮研究的方向。

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Cause Analysis of Cracks of CRTSⅠDouble-block Ballastless Track Bed and Countermeasures

YANG Yong-ming

(Project Management Center of China Railway Corporation， Beijing 100844, China)

Abstract：The control of cracks in the slab is key issue in the construction of CRTSⅠdouble block ballastless track. The theoretical analysis indicates that the shrinkage of concrete， temperature difference and the improper construction process are the main causes of cracks. Specific technical countermeasures are put forward in terms of quality control of raw materials， optimization of concrete mixture ratio and improvement of construction processes.

Key words：Ballastless track bed; Crack; Cause analysis; Countermeasures

中圖分類號(hào)：U213.2+44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.005

文章編號(hào)：1004-2954(2015)04-0016-03

作者簡(jiǎn)介：楊永明(1975—)，男，高級(jí)工程師，1999年畢業(yè)于西安公路交通大學(xué)機(jī)械制造專業(yè)，E-mail:5054342@qq.com。

收稿日期：2014-06-11； 修回日期：2014-07-16