雙塊式無(wú)砟軌道現(xiàn)澆混凝土的抗裂性能

譚鹽賓 鄭永杰 李康 高貴 楊魯 李林香 王浩 吳俊杰

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)任公司，武漢 430200）

CRTS 雙塊式無(wú)砟軌道具有整體性強(qiáng)、彈性逐層遞減、軌道結(jié)構(gòu)高度低、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，憑借其施工靈活性和高性價(jià)比目前已成為我國(guó)高速鐵路建設(shè)的主要軌道結(jié)構(gòu)形式之一［1］。工程應(yīng)用實(shí)踐表明［2-5］，CRTS 雙塊式無(wú)砟軌道建設(shè)過(guò)程中最常見(jiàn)的問(wèn)題是現(xiàn)澆道床混凝土開(kāi)裂，特別是軌枕四角處的“八”字形裂縫最為普遍，也存在裂縫橫向貫通現(xiàn)象?；炷烈坏┏霈F(xiàn)開(kāi)裂，雨水、有害離子等就會(huì)順著裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部，引起內(nèi)部鋼筋銹蝕破壞，在嚴(yán)寒地區(qū)還會(huì)引起凍脹破壞，從而顯著影響軌道結(jié)構(gòu)的服役壽命。

相關(guān)研究表明，80%以上的混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂是由自身收縮變形引起的［6-8］，而混凝土自身收縮變形又與膠凝材料用量、用水量、外加劑用量等因素密切相關(guān)。由文獻(xiàn)［9-10］中各種技術(shù)途徑對(duì)降低混凝土開(kāi)裂敏感性的研究結(jié)果可知，很多方法都可有效提高混凝土的抗裂性能，比如降低水泥細(xì)度、鋁酸三鈣含量、堿含量，摻加粉煤灰等礦物摻和料，適當(dāng)提高骨料最大粒徑，摻入引氣劑等。在此基礎(chǔ)上不同行業(yè)和領(lǐng)域形成了諸多相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和指南，但鮮有學(xué)者研究混凝土的抗裂性能與坍落度、含氣量等工作性能指標(biāo)之間的關(guān)系，而工作性能指標(biāo)實(shí)際上又是現(xiàn)場(chǎng)施工能快速、便捷控制的指標(biāo)。本文通過(guò)平板抗裂試驗(yàn)系統(tǒng)研究膠凝材料總量、坍落度及抗裂材料對(duì)混凝土開(kāi)裂性能的影響，并分析相關(guān)防裂機(jī)理，為后續(xù)高速鐵路無(wú)砟軌道現(xiàn)澆道床混凝土裂縫控制提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

1）水泥。北京金隅琉璃河廠生產(chǎn)的P·O 42.5 水泥，密度3.1 g/cm3。

2）細(xì)骨料。不同目數(shù)的分級(jí)砂配制的細(xì)度模數(shù)為2.5的河砂，篩分結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 按質(zhì)量計(jì)的河砂篩分結(jié)果

3）粗骨料。5～10 mm 和10～20 mm 兩級(jí)配的石灰?guī)r碎石，質(zhì)量比為3∶7。

4）礦粉。冀東S95級(jí)磨細(xì)礦渣粉，密度2.9 g/cm3。

5）粉煤灰。唐山市浩冉商貿(mào)有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，45 μm篩余2.7%，需水量比94%，密度2.50 g/cm3。

6）外加劑。河北三楷深發(fā)科技股份有限公司生產(chǎn)的保坍型聚羧酸高性能減水劑和引氣劑。

7）防裂材料。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司研發(fā)的TK-ICM型內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑，密度2.8 g/cm3。

1.2 配合比

試驗(yàn)用混凝土配合比見(jiàn)表2，其中JZ 組為現(xiàn)場(chǎng)常用的C40等級(jí)道床混凝土配合比；QD組為按照低膠凝材料用量、低用水量、低坍落度的技術(shù)路線設(shè)計(jì)的配合比；NY 組是在QD 組配合比的基礎(chǔ)上，內(nèi)摻6%防裂材料的配合比（相應(yīng)用水量增加4.5 kg/m3）。

表2 混凝土配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土采用德國(guó)BHS 公司生產(chǎn)的DKX 型雙臥軸攪拌機(jī)進(jìn)行拌和，葉片轉(zhuǎn)速設(shè)置為60 r/min。對(duì)于JZ配合比混凝土，攪拌時(shí)間為2 min；對(duì)于QD，NY配合比混凝土，攪拌時(shí)間為4 min。

混凝土坍落度、含氣量及抗壓強(qiáng)度參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［11］及GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［12］進(jìn)行測(cè)試。

平板抗裂試驗(yàn)參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［13］進(jìn)行測(cè)試。平板抗裂試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 平板抗裂試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 工作性能

為研究不同坍落度對(duì)混凝土抗裂性能的影響，通過(guò)調(diào)整外加劑用量，控制JZ組和QD組配合比混凝土坍落度分別為50～80 mm，90～120 mm，130～160 mm，170～190 mm，JZ組含氣量為2%～4%，QD組含氣量為6%～8%；對(duì)于NY組配合比混凝土，控制混凝土坍落度分別為130～160 mm 和170～190 mm，含氣量為6%～8%，詳情見(jiàn)表3。

表3 混凝土工作性能試驗(yàn)參數(shù)

2.2 力學(xué)性能

各組混凝土各齡期力學(xué)性能見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 不同坍落度混凝土力學(xué)性能

圖3 相同坍落度混凝土力學(xué)性能

由圖2（a）可知：JZ 組混凝土強(qiáng)度較高，7 d 強(qiáng)度基本達(dá)到強(qiáng)度等級(jí)的90%，28 d強(qiáng)度即可達(dá)到50 MPa，強(qiáng)度富裕系數(shù)較高，且坍落度對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響很小，各齡期的強(qiáng)度偏差率不足5%。由圖2（b）可知：QD組混凝土由于膠凝材料總量較少，且未摻加火山灰活性較強(qiáng)的礦渣粉，因此3 d 強(qiáng)度較低，但后期強(qiáng)度普遍穩(wěn)定增長(zhǎng)，90 d強(qiáng)度可滿足強(qiáng)度等級(jí)要求。QD組混凝土之間的強(qiáng)度差異主要是由含氣量差異引起的，坍落度對(duì)力學(xué)性能影響不大。

由圖3可知：NY 組混凝土的早期力學(xué)性能發(fā)展規(guī)律與QD組相差不大，但56 d齡期后強(qiáng)度仍具有增長(zhǎng)趨勢(shì)，56～90 d 的強(qiáng)度增長(zhǎng)率普遍在10%以上。這主要是因?yàn)榉懒巡牧现械男钏M分在混凝土內(nèi)部濕度降低至一定程度后，釋放自由水促進(jìn)膠凝材料再次水化。

綜上，坍落度對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響有限，含氣量一定程度上決定了相同配合比混凝土的強(qiáng)度，摻加防裂材料混凝土的長(zhǎng)齡期強(qiáng)度具有穩(wěn)定增長(zhǎng)率。

2.3 抗裂性能

收縮是造成混凝土裂縫產(chǎn)生的主要因素，但并不意味著收縮小的混凝土抗裂性能一定好，單純根據(jù)收縮率來(lái)評(píng)判混凝土的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)具有局限性。平板抗裂試驗(yàn)主要測(cè)試塑性階段混凝土由于水分蒸發(fā)所產(chǎn)生的收縮應(yīng)力與自身抗裂性能之間的關(guān)系，能較好地評(píng)價(jià)混凝土開(kāi)裂性能。

采用平板開(kāi)裂方法，分別研究了不同坍落度對(duì)JZ配合比和QD 配合比混凝土抗裂性能的影響，以及相同坍落度下膠凝材料用量和防裂材料對(duì)混凝土抗裂性能的影響。按照GB/T 50082—2009 的數(shù)據(jù)處理方法，不同坍落度混凝土的平板抗裂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 道床混凝土平板抗裂性能

由表4可知：

1）JZ 組和QD 組混凝土的總開(kāi)裂面積均隨混凝土坍落度的增加而增大；JZ 組坍落度170～190 mm 混凝土總開(kāi)裂面積約為坍落度50～80 mm 混凝土的2 倍，約為坍落度130～160 mm 混凝土的1.7倍；QD 組坍落度170～190 mm 混凝土總開(kāi)裂面積約為坍落度130～160 mm 混凝土的5 倍。因此，合理選擇混凝土坍落度對(duì)提高混凝土抗裂性能作用明顯。

2）與JZ 組相比，相同坍落度的QD 組混凝土的總開(kāi)裂面積大幅度降低；坍落度50～80 mm 混凝土未開(kāi)裂，坍落度130～160 mm 混凝土的總開(kāi)裂面積僅為JZ 組混凝土的約1/6，坍落度170～190 mm 混凝土的總開(kāi)裂面積約為JZ 組的1/2。其主要原因是內(nèi)部膠凝材料及漿體總量減少，混凝土開(kāi)裂敏感性顯著降低。

3）與QD 組混凝土相比，坍落度170～190 mm 且摻加防裂材料的NY 組混凝土的總開(kāi)裂面積顯著降低。其主要原因是加入防裂材料能長(zhǎng)期保持內(nèi)部濕度平衡，顯著降低收縮應(yīng)力。

3 結(jié)論

1）對(duì)于雙塊式現(xiàn)澆道床混凝土，膠凝材料總量增高，混凝土開(kāi)裂敏感性顯著增大，抗裂性能差，按照“低膠凝材料用量、低用水量、低坍落度和高含氣量”的技術(shù)路線制備道床混凝土，可有效降低混凝土開(kāi)裂敏感性。

2）作為表征混凝土工作性能的重要指標(biāo)，坍落度直接影響新拌混凝土的性能，也對(duì)混凝土抗裂性能有顯著影響。

3）TK-ICM 型防裂材料兼具“補(bǔ)償收縮”和“儲(chǔ)蓄釋水”的作用，能夠長(zhǎng)期保持混凝土內(nèi)部濕度，降低混凝土的收縮應(yīng)力，減少混凝土開(kāi)裂面積。