CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)底座混凝土收縮開裂性能研究

王棟

（合安高鐵股份有限公司，合肥 230011）

在我國高速鐵路結(jié)構(gòu)選型中，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)已成為主要結(jié)構(gòu)形式，與CRTSⅠ型、CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)相比，CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)有效規(guī)避了前兩種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計更為合理［1]：單元式復(fù)合結(jié)構(gòu)體系受力更合理；自密實(shí)混凝土與軌道板通過門型筋相連形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)共同承受列車載荷，耐久性更好；自密實(shí)混凝土取代乳化瀝青砂漿，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，造價也更低；復(fù)合板與底座板通過土工布隔離有利于釋放應(yīng)力，也更利于后期修復(fù)。典型的CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

圖1 CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)組成示意

通過對多條線路無砟軌道結(jié)構(gòu)施工和運(yùn)營期服役狀態(tài)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)整體服役狀況良好，軌道板和自密實(shí)混凝土層出現(xiàn)質(zhì)量病害的情況較少，最易出現(xiàn)質(zhì)量病害的是底座混凝土，主要表現(xiàn)為易開裂，其中限位凹槽四角八字形裂縫和橫向開裂現(xiàn)象突出［2-6]，其次還有表層混凝土粉化、剝落等問題。底座混凝土作為整個無砟軌道結(jié)構(gòu)最下部的受力支承結(jié)構(gòu)，起著支承和傳力的重要作用，其質(zhì)量直接關(guān)系著整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

目前，對底座混凝土開裂問題的防治，工程現(xiàn)場主要還是通過加大凹槽四角倒角半徑、增加防裂鋼絲網(wǎng)片、優(yōu)化配筋率等構(gòu)造措施來防治［7-9]，很少有從混凝土自身收縮控制方面進(jìn)行考慮。而實(shí)際效果顯示：前述構(gòu)造措施僅對減少凹槽四角開裂效果明顯，對底座混凝土橫向開裂作用有限。本文以中國鐵道科學(xué)研究院有關(guān)無砟軌道道床混凝土防裂技術(shù)相關(guān)研究成果［10-11]為基礎(chǔ)，研究采用降低膠凝材料和用水量、降低出機(jī)坍落度、摻加抗裂材料等措施制備的底座混凝土與傳統(tǒng)工程常用的底座混凝土收縮開裂性能的差異，以期為CRTSⅢ型板式無砟軌道現(xiàn)澆底座混凝土裂縫控制提供技術(shù)支撐。

1 原材料與配合比

1.1 原材料

水泥采用北京金隅P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，密度3.1 g/cm3；礦粉采用懷寧縣三合建材S95級磨細(xì)礦渣粉，密度2.9 g/cm3；粉煤灰為皖能銅陵發(fā)電廠的I級粉煤灰，45 μm 篩余2.7%，需水量比94%，密度2.50 g/cm3；細(xì)骨料為贛江中砂，細(xì)度模數(shù)2.6；粗骨料為江西九江產(chǎn)粒徑5 ～10 mm 和10 ～20 mm 的石灰?guī)r碎石，質(zhì)量比為3∶7；外加劑為河北三楷深發(fā)科技公司的保坍型聚羧酸高性能減水劑和引氣劑；抗裂減縮材料為中國鐵道科學(xué)研究院研制的TK-AC 型減縮抗裂劑，密度為2.8 g/cm3。

1.2 配合比

本試驗(yàn)所用的混凝土配合比見表1，其中A 系列為工程現(xiàn)場底座常用C40 混凝土配合比；B 和C 系列為按照有利于降低混凝土收縮的低膠凝材料用量、低用水量、低坍落度和高含氣量的技術(shù)思路設(shè)計的配合比；C系列同時內(nèi)摻8%防裂材料。

表1 混凝土配合比 kg·m-3

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土采用BHS 型60 L 雙臥軸強(qiáng)制攪拌機(jī)進(jìn)行拌和，葉片轉(zhuǎn)速設(shè)置為60 r/min，對于A 組配合比混凝土，攪拌時間為2 min；對于B 組和C 組配合比混凝土，攪拌時間為3 min。

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)》及GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

塑性收縮和干燥收縮參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試；圓環(huán)抗裂試驗(yàn)參照TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》中附錄J進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 工作性能

通過調(diào)整外加劑摻量，將混凝土坍落度分別控制在小坍落度130 mm 和大坍落度180 mm 左右，A1 和A2 組混凝土含氣量控制在4%左右，B1，B2，C1，C2 組混凝土含氣量控制在7%左右，B3 組混凝土含氣量控制在4%左右，各組混凝土拌合物性能見表2?；炷涟韬衔餃y試結(jié)果表明：未提高含氣量的B3組混凝土與A2 組相比，由于單方膠凝材料用量比A2 組降低了79 kg，漿骨比降低，漿體量顯得不足，拌和物包裹性與和易性明顯不如A2 組混凝土。B1，B2，C1，C2 組混凝土由于提高了含氣量，細(xì)微氣泡的引入彌補(bǔ)因漿體量降低帶來的拌和物工作性能的損失，其工作性能狀態(tài)與A1，A2組混凝土基本相似。

表2 混凝土工作性能

2.2 力學(xué)性能

三個系列混凝土抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律見圖2?？芍孩貯 系列混凝土與B，C 系列混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度差異顯著，工程現(xiàn)場常用的A 系列混凝土因膠凝材料用量高、含氣量低而呈現(xiàn)典型的早期強(qiáng)度增長快的特點(diǎn)，A1 和A2 組混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度均超過50 MPa，遠(yuǎn)高于設(shè)計強(qiáng)度等級。②B 和C 系列混凝土由于降低了膠凝材料用量，同時提高了含氣量，因而各齡期強(qiáng)度均比A 系列低，且相同齡期的強(qiáng)度增長率也明顯比A 系列混凝土低，但B 和C 系列混凝土56 d抗壓強(qiáng)度均超過40 MPa，滿足設(shè)計要求。對比圖2（a）和圖2（b）也可看出，坍落度的變化對混凝土抗壓強(qiáng)度影響很小，可忽略不計。

圖2 不同系列混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展

在滿足設(shè)計強(qiáng)度要求的前提下，適當(dāng)降低混凝土早期強(qiáng)度增長速率對提高混凝土的抗裂能力是有利的。因?yàn)橐话愣?，隨抗壓強(qiáng)度和齡期增長，混凝土抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度之比（拉壓比）呈減小趨勢［12]，降低混凝土抗壓強(qiáng)度，即意味著拉壓比增大，這樣混凝土的彈性模量更低，徐變松弛能力更強(qiáng)，在相同收縮應(yīng)力條件下開裂的幾率更低。在實(shí)際施工中，坍落度越大，底座混凝土振搗后表面浮漿泌水層越厚，開裂風(fēng)險越高，抗凍能力越差。因此，在滿足施工要求的前提下，底座混凝土宜盡可能采用低的坍落度。

2.3 體積穩(wěn)定性能

2.3.1 塑性收縮

圖3是不同系列混凝土塑性收縮變化規(guī)律。結(jié)果表明：試驗(yàn)選定的兩種坍落度對三個系列混凝土早期塑性收縮變形影響很?。蝗齻€系列混凝土間的塑性收縮變形差異則很大，其中工程用基準(zhǔn)A 系列混凝土24 h 塑性收縮變形最大，約12×10-4，采取優(yōu)化措施的B 系列混凝土24 h 塑性收縮僅為4×10-4左右，比A 系列降低約67%；摻減縮抗裂劑的C 系列混凝土24 h 塑性收縮變形比A 系列混凝土降低近50%，但比B 系列混凝土高出2×10-4左右。單方膠凝材料用量和用水量的降低對降低混凝土早期塑性收縮變形具有顯著作用，這對于減少早期塑性開裂是極為有利的。減縮抗裂劑具有一定吸水作用，在混凝土塑性階段減少了混凝土內(nèi)部可向表面遷移的自由水，因而會加大混凝土早期塑性收縮，但在混凝土硬化后期，減縮抗裂劑則會大幅降低混凝土干燥收縮變形，以降低硬化混凝土收縮開裂風(fēng)險。

圖3 不同系列混凝土早期塑性收縮

2.3.2 干燥收縮

圖4是不同系列混凝土的干燥收縮變形結(jié)果?？梢钥吹剑喝齻€系列混凝土的干燥收縮變形，仍是高膠凝材料用量和高用水量的A 系列混凝土各齡期干燥收縮值最大；其次是B 系列混凝土，56 d干縮值比A 系列混凝土降低3×10-5；干燥收縮縮變形最小的是摻減縮抗裂劑的C 系列混凝土，C1 組56 d 干縮值比A1 組降低約12×10-5，C2組比A2組降低約7×10-5。

圖4 不同系列混凝土干燥收縮

對比圖3 和圖4 可知，減縮抗裂劑對底座混凝土塑性收縮變形和干燥收縮變形的影響作用是相反的，減縮抗裂劑的吸水作用會一定程度加大混凝土塑性收縮變形，但卻降低混凝土干燥收縮變形。因此，對于摻減縮抗裂劑混凝土而言，早期應(yīng)做好保濕養(yǎng)護(hù)以抵消其對混凝土塑性收縮變形的不利影響。干燥收縮變形的降低，可有效降低混凝土開裂風(fēng)險，而工程實(shí)踐表明：底座混凝土開裂大多數(shù)發(fā)生在混凝土養(yǎng)護(hù)結(jié)束后的階段，即在混凝土澆筑后2 周至3 個月內(nèi)。采用降低膠凝材料用量和用水量，特別是摻加減縮抗裂劑材料可有效降低混凝土后期干縮變形，對降低硬化混凝土開裂風(fēng)險是極為有利的。

2.4 抗裂性能

圓環(huán)抗裂試驗(yàn)主要測試硬化混凝土在相對穩(wěn)定的環(huán)境下（溫度20 ℃，相對濕度60%）長期干燥收縮產(chǎn)生應(yīng)力與自身抗裂性能之間的關(guān)系。對比研究了A1，B1，C1 組混凝土抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果見表3?？芍?，隨著膠凝材料用量和單方用水量的降低，B1組混凝土圓環(huán)開裂齡期比A1 組混凝土晚了159 h，延長幅度達(dá)140%，說明其抗裂能力顯著提高；而摻減縮抗裂劑的C1 組混凝土則經(jīng)過28 d 后，圓環(huán)均未出現(xiàn)開裂，說明其具有極高的抗裂性能。

表3 不同系列混凝土圓環(huán)抗裂性能

3 結(jié)論

通過本次試驗(yàn)，找到了有效降低底座混凝土收縮變形，提高其抗裂能力的有效方法，得到以下結(jié)論：

1）對于底座C40 混凝土而言，試驗(yàn)范圍內(nèi)坍落度變化對混凝土抗壓強(qiáng)度、塑性收縮變形和干燥收縮變形的影響均很小。

2）減縮抗裂劑的摻入對混凝土塑性收縮變形有一定不利影響，可通過加強(qiáng)保濕養(yǎng)護(hù)進(jìn)行消除；減縮抗裂劑可有效降低混凝土干燥收縮變形，顯著提高硬化混凝土抗裂能力。

3）膠凝材料用量和單方用水量是決定混凝土收縮變形和開裂風(fēng)險的關(guān)鍵因素，在保證混凝土工作性和力學(xué)性能的前提下，應(yīng)盡可能降低混凝土膠凝材料用量和單方用水量。