風區(qū)高速鐵路無砟軌道道床板混凝土裂縫產(chǎn)生及控制

孔 云 中鐵四局集團有限公司試驗檢測中心，合肥 230023

1 概述

蘭新鐵路第二雙線途經(jīng)哈密和吐魯番地區(qū)，此地屬典型溫帶大陸性干旱氣候，冬季寒冷干燥，春季多風且冷暖多變，夏季高溫少雨，惡劣的氣候條件對混凝土結構產(chǎn)生了巨大的危害，尤其在道床板施工過程中混凝土容易出現(xiàn)嚴重的開裂現(xiàn)象。為解決這一施工難題，項目部和鐵科院合作，對道床板混凝土施工進行研究，在百里風區(qū)開展多次工藝性試驗，最終有效減少了道床板開裂的現(xiàn)象。

2 道床板混凝土裂縫產(chǎn)生的原因分析

2.1 混凝土內(nèi)外的溫差導致裂縫出現(xiàn)

如果溫差超過一定值時，即產(chǎn)生溫差應力，當溫差應力大于極限抗拉強度時混凝土就會產(chǎn)生裂縫。在哈密百里風區(qū)，極端氣候頻現(xiàn)晝夜溫差大，混凝土在這樣的水化環(huán)境和環(huán)境溫度的變化中發(fā)生劇烈變化，當溫差超標時極易產(chǎn)生溫差裂紋。

2.2 混凝土的收縮變形導致道床板混凝土出現(xiàn)裂縫

混凝土收縮分為溫度收縮、自收縮、干燥收縮和塑性收縮。這幾種收縮有相似的地方也有不同之處，溫度收縮是由于混凝土水化熱的釋放過程中溫度降低而產(chǎn)生的收縮。自收縮和干燥收縮均是由于混凝土中水分遷移引起的，但是自收縮是由于水泥水化過程中消耗水分造成凝膠孔的液面下降，形成彎月面產(chǎn)生所謂的自干燥作用，混凝土體的相對濕度降低、體積減小。而干燥收縮的主要原因是吸附水的消失，當吸附水消失時，造成混凝土的體積收縮。塑性收縮則是由于混凝土表面的蒸發(fā)水不能得到及時補充，而此時混凝土尚處于塑性狀態(tài)，稍微受到一點拉力，混凝土表面就會出現(xiàn)不規(guī)則的裂縫，出現(xiàn)裂縫后混凝土體內(nèi)水分蒸發(fā)會進一步加快，所以裂縫迅速擴展。

2.3 其他因素導致的裂縫

當?shù)来舶寤炷潦艿郊s束力超過極限拉力時混凝土也會產(chǎn)生裂縫，由于雙塊式無砟軌道施工一般采用軌排框架或工具軌兩種施工方式，軌排框架和工具軌均按單元結構將軌枕和鋼軌用扣配件連成一個整體，當混凝土澆筑完成終凝后，未能及時松扣件而釋放軌排的應力，將導致軌枕附近的混凝土開裂。

圖1 溫差裂縫

圖2 塑性裂縫

圖3 不當施工導致的裂縫

3 預防道床板混凝土開裂的主要措施

3.1 道床板混凝土配合比的設計

3.1.1 初步確定水泥用量、單方用水量及水灰比的范圍

道床板配合比按照所處的環(huán)境條件同時符合設計和驗收規(guī)范進行設計，根據(jù)一定齡期的收縮試驗研究發(fā)現(xiàn)影響混凝土收縮的主要因素有水灰比、水泥用量、單方用水量等。

從圖4中可以得出以下結論：水泥用量越大，混凝土收縮率越大，而相同水泥用量條件下隨著水灰比的增大，混凝土收縮逐漸增大，同時單方混凝土用水量增加收縮值也在增大，收縮值越大就越容易開裂。

圖4 水灰比、用水量、膠材用量與混凝土收縮的關系圖

3.1.2 通過試驗研究確定混凝土中粉煤灰摻量和含氣量

為了確定粉煤灰摻量和混凝土含氣量對混凝土收縮率的影響關系，采用相同配合比對粉煤灰摻量進行調(diào)整，從10%～40%替代水泥，對混凝土收縮率進行測試，根據(jù)測試結果圖可以得出：混凝土收縮率隨著齡期增長而增大，隨著粉煤灰摻量的加大混凝土收縮率在逐漸減小，到30%時達到最小值，摻量達到40%時混凝土收縮率又增大，可以確定粉煤灰30%為最佳摻量。通過摻如引氣劑對混凝土進行適當引氣，通過試驗發(fā)現(xiàn)，給道床板混凝土適量的引入空氣含量，對混凝土的收縮有一定的好處，含氣量在4%～6%之間最為有利，當達到7%時收縮率較大。

圖5 粉煤灰摻量與收縮率關系圖

圖6 含氣量與收縮率關系圖

3.1.3 摻加SAP內(nèi)養(yǎng)護劑降低混凝土自收縮減少裂縫的產(chǎn)生

內(nèi)養(yǎng)護劑SAP（超強吸水樹脂）作為一種新型材料，其可顯著提高混凝土的早期膨脹值和限制膨脹率，降低膨脹與收縮變形的差值。內(nèi)養(yǎng)護劑作用機理：SAP具有吸水-釋水功能，摻加SAP將有利于鈣礬石的生成和水泥水化程度的提高，并能有效改善膨脹混凝土的孔結構分布。為了對比SAP內(nèi)養(yǎng)護劑的減縮效果，我們在風區(qū)路基段無砟軌道施工現(xiàn)場開展工藝試驗，測試結果如下圖：

圖7 內(nèi)摻養(yǎng)護劑與收縮率關系圖

從圖中我們不難發(fā)現(xiàn)混凝土在塑性階段，摻內(nèi)養(yǎng)護材料8%的混凝土呈現(xiàn)先膨脹后小幅收縮趨勢，120h時收縮僅為空白18%，具有較好的減縮效應；硬化階段，內(nèi)養(yǎng)護材料可使混凝土終極收縮值降低41%。

3.2 混凝土施工質(zhì)量控制

混凝土終凝后及時對其灑水保濕養(yǎng)護，或者立即噴涂養(yǎng)護劑成膜，并及時覆蓋土工布、塑料布和篷布并壓實拉緊防止被風吹開，養(yǎng)護時間一般不少于21d，期間對于灑水養(yǎng)護的混凝土要及時補水，對于采用養(yǎng)護劑養(yǎng)護的混凝土要檢查養(yǎng)護劑的成膜質(zhì)量是否滿足要求。

4 施工效果

通過一段時間觀察發(fā)現(xiàn)，采用低水膠比、低膠材用量和用水量、低坍落度、適當含氣量同時摻加內(nèi)養(yǎng)護劑的混凝土與其他未采取措施的混凝土相比，降低道床板混凝土開裂的成效非常明顯，裂縫的數(shù)量大幅減少，由開始時的近90%降低到3%，且裂縫的長度寬度基本在規(guī)范允許范圍，達到了預定的效果，有效控制了道床板混凝土的開裂現(xiàn)象，有效地保證了蘭新鐵路道床板混凝土質(zhì)量。