干旱區(qū)CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道道床板裂縫成因及防治措施

韓 赟

(蘭新鐵路甘青有限公司，甘肅 蘭州 730000)

CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道以其平穩(wěn)性好、可適應(yīng)不同地質(zhì)條件、施工方法簡單、后期維護少等優(yōu)點，在高速鐵路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。但CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道道床板混凝土是現(xiàn)澆形式，施工質(zhì)量容易受結(jié)構(gòu)形式、環(huán)境因素、混凝土性能、施工裝備及管理水平等因素的影響，尤其是道床板裂縫問題一直難以克服，嚴重的可能導(dǎo)致道床板表面積水滲入內(nèi)部，造成鋼筋銹蝕、混凝土凍脹等，影響道床板壽命，為后期運營安全留下隱患[1-2]。加強CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道道床板裂縫成因研究，有針對性地采取應(yīng)對措施，才能確保無砟軌道的質(zhì)量。

1 道床板裂縫的主要形式及原因分析

1.1 軌枕四角處八字裂縫

在軌枕的4個角上形成沿 45°方向向外延伸的裂縫，嚴重的在兩軌枕之間貫通，形成貫通裂縫。因為2條相鄰的裂縫組成1個八字，故稱八字裂縫(見圖1)。主要原因：①軌枕預(yù)制時收縮已全部完成，澆筑道床板后，軌枕與接觸面混凝土收縮不同步，混凝土收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力，集中沿大致平分軌枕角方向向外延伸，從而導(dǎo)致混凝土沿此方向開裂，形成八字裂縫[3]；②混凝土初凝后，沒有及時松解工具軌。工具軌受外界溫度影響熱脹冷縮，帶動軌枕，導(dǎo)致道床板混凝土在軌枕四角處產(chǎn)生八字裂縫。

圖1 八字裂縫

1.2 軌枕周圍環(huán)向裂縫

道床板沿軌枕四周剝離產(chǎn)生環(huán)向裂縫(見圖2)。主要原因：①軌枕在道床板混凝土澆筑前沒有充分潤濕、表面不清潔或較光滑，混凝土與軌枕界面結(jié)合差，混凝土澆筑后因軌枕吸收了周圍混凝土的水分產(chǎn)生收縮，從而沿軌枕周圍剝離開裂；②軌排框架拆除前，由軌排框架內(nèi)的溫度應(yīng)力推動軌枕發(fā)生縱向位移，從而在軌枕與道床板混凝土之間產(chǎn)生環(huán)向剝離開裂。

圖2 軌枕周圍環(huán)向離縫

1.3 道床板邊緣“7”字裂縫

在道床板兩側(cè)平面與立面交角部位產(chǎn)生水平及豎向相連接的裂縫，形狀如數(shù)字7(見圖3)。主要原因：①道床板兩側(cè)交角部位暴露在空氣中的表面積較大，在混凝土澆筑完畢、模板拆除后不能及時養(yǎng)護，導(dǎo)致混凝土快速失去水分而產(chǎn)生干縮裂縫；②道床板兩側(cè)交角部位鋼筋保護層厚度過大導(dǎo)致混凝土抗拉強度不足以抵抗混凝土內(nèi)部的拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂縫。

圖3 “7”字裂縫

1.4 道床板橫向“1”字裂縫

沿道床板表面形成1條橫向貫通裂縫，垂直于線路方向，見圖4。主要原因：①支承層預(yù)裂縫向上影響至道床板，從而帶動道床板產(chǎn)生裂縫[4]；②地基局部沉降不均勻或沉降較大時，道床板底座板受力不均勻，在自身荷載及外部荷載作用下產(chǎn)生裂縫；③道床板縱向長度較長，約束強、混凝土收縮變形大，所產(chǎn)生的拉應(yīng)力勢必要進行釋放，從而產(chǎn)生了沿縱向以一定間距分布的多條干縮裂縫。

圖4 “1”字裂縫

1.5 道床板表面網(wǎng)狀龜裂

在道床板表面呈現(xiàn)不規(guī)則的網(wǎng)狀開裂，裂縫深度及寬度均很細小，故稱為網(wǎng)狀龜裂。這是由混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力所致，混凝土收縮包括塑性收縮和干燥收縮。這種收縮裂縫在高溫、干旱、大風(fēng)等氣候條件下尤其明顯。塑性收縮主要由人工收面引起，混凝土較長時間暴露在空氣中，表層混凝土因失水較快產(chǎn)生收縮，當(dāng)其抗拉強度不足以抵抗收縮所引起的拉應(yīng)力時就會開裂，或者抹面時隨意灑水，造成混凝土表面強度降低，水灰比過大，多余水分蒸發(fā)后產(chǎn)生表面龜裂。干燥收縮主要是后期養(yǎng)護不到位，混凝土在不飽和空氣中失去內(nèi)部毛細孔水、凝膠水和吸附水從而產(chǎn)生收縮。

2 道床板裂縫預(yù)防措施

針對道床板各種裂縫成因，提出了采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式、改善混凝土配合比、加強混凝土制備及運輸過程控制、改進施工工藝等預(yù)防措施。

2.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式

實踐證明，橋梁段裂縫遠少于路基段。主要原因是橋梁段道床板一般采用單元板，而路基段一般采用連續(xù)板。因此，為避免道床板結(jié)構(gòu)形式不同導(dǎo)致內(nèi)外受力不均，可以根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境溫度等對道床板結(jié)構(gòu)形式進行優(yōu)化。例如蘭新客運專線在無砟軌道施工中，針對路基段落長、氣候干旱少雨等特點，將路基段的連續(xù)式道床板變更為19.5 m單元式道床板，兩端設(shè)置30 mm 伸縮縫，單元板內(nèi)每隔3.9 m設(shè)置1道 10 mm 假縫，伸縮縫和假縫下部采用聚乙烯塑料泡沫板填充，上部采用樹脂嵌縫膠封閉，極大地減少了道床板開裂問題[5](見圖5)。

圖5 蘭新客運專線路基段無砟軌道道床板結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2.2 改善混凝土配合比

針對西北地區(qū)干旱少雨的氣候特點，混凝土配合比應(yīng)堅持“低膠材用量、低用水量、低坍落度、高含氣量”的“三低一高”原則。膠凝材料用量小于380 kg/m3、單方用水量小于150 kg/m3、混凝土坍落度控制在120～140 mm，且坍落度損失小于20 mm。采用減水劑和引氣劑雙摻的方式配制，入模含氣量不小于4%，單方最大漿體體積不應(yīng)大于0.3 m3。寶蘭高速鐵路道床板抗裂混凝土的典型配合比見表1。在此基礎(chǔ)上摻入具有保水、補水和減小收縮功能的內(nèi)養(yǎng)護劑。摻入量一般按膠凝材料的8%控制，以提高混凝土的水化程度，減小混凝土的塑性收縮開裂。

表1 寶蘭高速鐵路道床板抗裂混凝土的典型配合比 kg/m3

注：粗骨料1指粒徑5～10 mm的碎石;粗骨料2指粒徑10～20 mm的碎石。

2.3 加強混凝土制備及運輸過程控制

通過優(yōu)化混凝土配合比，可減小混凝土收縮進而提高抗裂性。根據(jù)西北地區(qū)實際情況，重點控制好以下3個方面：①原材料控制。水泥選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，且堿含量不宜大于0.6%；粉煤灰燒失量不宜超過5%；細骨料選用級配合理、質(zhì)地堅固、吸水率低、空隙率小的潔凈天然河砂；粗骨料選用粒形良好、質(zhì)地堅固、線膨脹系數(shù)小的潔凈碎石。②混凝土攪拌。先向攪拌機投入細骨料、粗骨料、水泥、礦物摻合料等，攪拌均勻后，再加入拌合水和外加劑，繼續(xù)攪拌到均勻為止。③混凝土運輸。運輸必須確保澆筑工作連續(xù)進行，當(dāng)罐車到達澆筑現(xiàn)場時，應(yīng)使罐車高速旋轉(zhuǎn)20～30 s方可卸料。運輸過程和澆筑前嚴禁加水，若出現(xiàn)坍落度損失較大情況，應(yīng)在監(jiān)理旁站、技術(shù)人員指導(dǎo)下加入適量外加劑，并高速攪拌1 min。

2.4 改進施工工藝

結(jié)合西北地區(qū)氣候環(huán)境條件，重點控制好以下4個環(huán)節(jié)：①準備?；炷翝仓?，先采用高壓霧化水對支承層、軌枕進行潤濕，確保支承層和軌枕完全濕潤，不得有明顯積水。②澆筑。采用吊斗法澆筑，按“S” 形順序均勻布料(見圖6)。澆筑后立即用干毛刷將散落在軌枕上的混凝土清除，不得用水清理。③振搗。為減少八字裂縫及軌枕塊周邊剝離開裂，宜采用雙振搗工藝[6](見圖7)。第1次采用φ50振搗棒在軌枕之間振搗，第2次采用φ30振搗棒在軌枕四周進行振搗。 ④抹面。混凝土入模約0.5 h內(nèi)先采用橫梁刮尺控制混凝土兩側(cè)標(biāo)高及橫向排水坡，然后用木抹子提漿、粗平抹面，1～2 h內(nèi)再用鋼抹子抹平(至少2遍)，初凝前用鋼抹子抹面壓光。

圖6 “S”形澆筑

圖7 雙振搗方式

2.5 加強早期養(yǎng)護

混凝土澆筑完成后，應(yīng)及時進行保溫保濕養(yǎng)護。根據(jù)不同地段采用相應(yīng)養(yǎng)護方式：①路基、橋梁段以及隧道洞口200 m范圍內(nèi)可采用涂外養(yǎng)護液+“兩布一膜”覆蓋養(yǎng)護方式[7]。使用低壓噴霧器噴涂2遍外養(yǎng)護液，按0.3～0.4 kg/m2控制用量，間隔時間不超過45 min，每遍互相搭接，噴涂不均時采用滾筒補充刷涂，保證厚薄基本一致，成膜厚度不小于0.2 mm，外養(yǎng)護液成膜前嚴禁灑水，然后采用“兩布一膜”復(fù)合土工膜進行覆蓋養(yǎng)護。②隧道洞口200 m往內(nèi)區(qū)段可采用“兩布一膜”+灑水養(yǎng)護方式。為保證充分灑水又節(jié)約用水，采取在道床板頂面敷設(shè)水管，并在水管上通過試驗確定出水孔距，以滴灌方式灑水，上面覆蓋“兩布一膜”土工布，保證養(yǎng)護期間道床板混凝土足夠濕潤，養(yǎng)護用水溫度與道床板混凝土表面溫度之差不得大于15 ℃。

2.6 改進施工條件

針對西北干旱的氣候特點，對施工暴露段(橋梁及路基段)在道床板振搗完成后應(yīng)及時跟進施工作業(yè)棚，在施工作業(yè)棚內(nèi)進行混凝土裸露面的修整、抹平和壓光。施工作業(yè)棚應(yīng)牢固、可靠并起到防風(fēng)、防曬的作用。

2.7 適時拆除工裝

工裝的拆除時機對道床板混凝土質(zhì)量影響非常大，拆除過早則可能引起軌道板精度的變化，過晚則因鋼軌的熱脹冷縮帶動軌枕產(chǎn)生縱向位移，形成裂縫。一般情況下在混凝土初凝(選用質(zhì)量2.5 kg，直徑7.5 cm 鋼球輕輕放置混凝土表面，觀察1 min后，壓痕直徑不大于3 cm時表示混凝土已初凝)后進行軌排應(yīng)力釋放。釋放順序為：首先按順序旋升螺柱支腿1/4～1/2 圈(1～2 mm)；然后松開軌道扣件和軌道魚尾板螺栓，魚尾板及扣件松動時首先解除接頭處的魚尾板，之后采用跳解的方式解鎖。

3 結(jié)語

上述措施在蘭新客運專線、寶蘭高速鐵路無砟軌道運用后，道床板裂縫得到了明顯遏制，其中蘭新客運專線裂縫由初期施工時的87.5%(主要為八字裂縫)下降到約2.5%，寶蘭高速鐵路除局部存在小于0.2 mm 的細小八字裂紋外，其余裂縫基本消除。由此可見，上述施工工藝的改進、混凝土原材料和配合比的改善、適時拆除工裝等措施可以有效控制CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道道床板裂縫，對其他類似工程具有借鑒意義。