鄭濟(jì)鐵路鄭璞段無(wú)砟道床裂紋分析及預(yù)防措施

李士強(qiáng)

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300450)

車(chē)站采用的雙塊式無(wú)砟軌道通常由軌枕、現(xiàn)澆混凝土道床板和底座板(支承層)組成，其中軌枕與凝結(jié)硬化后的混凝土道床接觸位置易出現(xiàn)“八”字裂紋?；诖祟?lèi)現(xiàn)象的產(chǎn)生，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)諸多討論分析：國(guó)內(nèi)學(xué)者車(chē)曉娟[1]著重考慮了配筋的影響，對(duì)比分析了預(yù)應(yīng)力板和普通板上裂紋的產(chǎn)生狀況以及軌道板單層和雙層配筋的優(yōu)缺點(diǎn)；依據(jù)《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)暫定規(guī)定》，劉揚(yáng)[2]全方位描述了無(wú)砟軌道的耐久性，提出雙塊式無(wú)砟軌道裂紋寬度極限值；還有學(xué)者[3-4]指出時(shí)間對(duì)于混凝土中裂紋發(fā)展至關(guān)重要，初期微細(xì)裂紋的產(chǎn)生大都?xì)w因于混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑時(shí)水泥水化致使混凝土在凝結(jié)硬化過(guò)程中形成內(nèi)外溫差，控制澆筑溫度后仍產(chǎn)生裂紋，但裂紋的寬度隨時(shí)間會(huì)逐漸縮小，可以通過(guò)選擇合適的配筋率改善此類(lèi)裂紋的發(fā)生；郝遠(yuǎn)行[5]基于斷裂力學(xué)理論，利用有限元分析軟件ABAQUS，指出軸向溫度荷載相對(duì)于溫度梯度、列車(chē)載荷對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的危害遠(yuǎn)大于表面裂紋；相關(guān)學(xué)者[6-8]就混凝土領(lǐng)域的裂紋分析摒棄傳統(tǒng)理論研究，創(chuàng)新應(yīng)用了斷裂力學(xué)理論，取得了相關(guān)研究成果。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者就裂紋的研究多集中于有限元分析，實(shí)際施工過(guò)程中裂紋的產(chǎn)生受諸多因素的影響，降低裂紋發(fā)生的系統(tǒng)性研究討論較少?；诖搜芯苛⒆阌卩崫?jì)鐵路鄭璞段項(xiàng)目，分析了施工過(guò)程中雙塊式無(wú)砟道床裂紋的成因，綜合裂紋成因提出優(yōu)選水泥、摻加礦物摻合料、改良新舊混凝土接觸面涂刷界面劑等措施，從而降低裂紋發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

1 雙塊式無(wú)砟道床裂紋分析

鄭濟(jì)鐵路鄭璞段項(xiàng)目車(chē)站雙塊式無(wú)砟軌道施工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)無(wú)砟軌道道床出現(xiàn)不同程度的開(kāi)裂現(xiàn)象，且裂紋多集中于雙塊式軌枕與現(xiàn)澆混凝土道床的交界位置。究其產(chǎn)生裂紋的主要原因概括為三類(lèi)：①塑性收縮產(chǎn)生開(kāi)裂；②溫度裂紋；③新拌道床混凝土與雙塊式預(yù)制軌枕粘結(jié)不良產(chǎn)生裂紋。針對(duì)裂紋產(chǎn)生原因，在道床混凝土澆筑過(guò)程中，在保證強(qiáng)度的前提下，應(yīng)采取措施降低水泥水化熱、減小混凝土收縮值及提高鋼筋混凝土護(hù)筋性。

2 低熱水泥選擇

2.1 原材料及試驗(yàn)方法

選取安徽海螺水泥股份有限公司(代號(hào)HL)、山東山水水泥集團(tuán)有限責(zé)任公司(代號(hào)SS)、以及北京金隅有限公司(代號(hào)JY)生產(chǎn)的P.O 42.5 低堿水泥，其化學(xué)成分見(jiàn)表1、礦物組成見(jiàn)表2；集料由當(dāng)?shù)匕韬险咎峁?，?xì)集料細(xì)度模數(shù)2.7、含泥量1.0%，粗集料粒徑5～25 mm含泥量0.2%，壓碎指標(biāo)5%；減水劑為河北三楷深發(fā)股份科技有限公司的高性能聚羧酸減水劑。

表1 不同廠家水泥化學(xué)組成 %

表2 不同廠家水泥礦物組成 %

水泥水化熱測(cè)試依據(jù)《水泥水化熱測(cè)定方法》(GB/T12959-2008)；混凝土抗壓強(qiáng)度依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2019)；混凝土收縮率試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082-2009)。

雙塊式無(wú)砟道床混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40，混凝土配合比設(shè)計(jì)：水泥∶砂∶石∶水∶減水劑=400∶739∶1 109∶152∶4(kg/m3)。

2.2 三種水泥水化熱對(duì)比分析

不同齡期下三種水泥水化熱發(fā)展趨勢(shì)如圖1所示。綜合圖1發(fā)展可知：①水化熱發(fā)展趨勢(shì)隨著水化時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，其中水化齡期1～3 d時(shí)水化熱增長(zhǎng)趨勢(shì)最為顯著，即此階段水泥水化速率較快，3～7 d水化熱增長(zhǎng)趨勢(shì)稍緩，7～28 d水化熱增長(zhǎng)趨勢(shì)最緩，之后趨于平緩。②同水化齡期下三種水泥水化熱排序依次為JY>SS>HL。究其原因，水泥水化進(jìn)程大致分三個(gè)階段：一階段，鈣礬石形成階段，水泥熟料中C3A率先發(fā)生水化，并在石膏存在的條件下生成鈣礬石(AFt)；二階段，C3S開(kāi)始水化，形成C-S-H和Ca(OH)2，同時(shí)釋放熱量，隨著水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行水泥體系中石膏消耗完畢，AFt相向AFm轉(zhuǎn)化，同時(shí)伴隨熱量的產(chǎn)生，C4AF和C2S也不同程度的參與了水化反應(yīng)；三階段，結(jié)構(gòu)的形成與發(fā)展，此階段放熱速率很小并趨于穩(wěn)定，隨著產(chǎn)物的增多，水泥水化生成的水化產(chǎn)物相互搭接、排序，最終生成硬化漿體?；谏鲜鏊嗨M(jìn)程可知，水泥水化熱量大都來(lái)源于C3A、C3S，通過(guò)表2可知，兩種成分之和JY (50.44%+9.15%) >SS(50.13%+8.40%) > HL(49.65%+8.41%)，因此三種水泥水化熱依次為JY>SS>HL。

圖1 三種水泥水化熱趨勢(shì) 圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度趨勢(shì) 圖3 混凝土收縮值趨勢(shì)

2.3 三種水泥強(qiáng)度分析

不同齡期下三種水泥配置的混凝土強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)如圖2所示。綜合圖2可得：①齡期3～28 d時(shí)，混凝土強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)為JY>SS>HL，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加海螺水泥(HL)配置的混凝土強(qiáng)度增速最快；56 d時(shí)強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)為HL>SS>JY，3～56 d混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)量依次為HL(35.1 MPa)>SS(31.1 MPa)>JY(30.0 MPa)。②混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)量V變化趨勢(shì)為V(3～7 d) >V(7～14 d)>V(14～28 d) >V(28～56 d)，之后隨著齡期的增加，混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)率趨于平穩(wěn)。

混凝土強(qiáng)度發(fā)展呈上述趨勢(shì)發(fā)展的主要原因：①水泥四種礦物的水化速率為C3A>C4AF>C3S>C2S，水泥水化第一階段為C3A發(fā)生水化，若干小時(shí)后C3S開(kāi)始水化，同時(shí)伴隨著C4AF、C2S不同程度的水化，因此混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展的關(guān)鍵為C3A、C4AF、C3S水化后的水化結(jié)晶相，由表2可知三種水泥中C3A、C4AF、C3S占比組分依次為 JY(68.65%)>SS(67.80%)>HL(67.30%)，由此可以解釋齡期3～28 d時(shí)混凝土強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)為JY>SS>HL。②水泥四種礦物水化性質(zhì)為，C3A水化速率快，早期強(qiáng)度較高，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢甚至倒縮，C3S水化速率較快，早期強(qiáng)度較高，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率較大；C4AF水化速率略低于C3A，早期強(qiáng)度較高，后期強(qiáng)度也較高；C2S水化速率較慢，早期強(qiáng)度低，28 d后強(qiáng)度增長(zhǎng)速率較高。因此水泥組分中C3A、C4AF、C3S是3～28 d強(qiáng)度增速的關(guān)鍵，28～56 d，C2S、C3S 、C4AF是強(qiáng)度提高的關(guān)鍵，三種水泥中C2S、C3S 、C4AF含量依次為HL(84.76%)>SS(84.74%)>JY(83.42%)，即56 d時(shí)強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)為HL>SS>JY。

2.4 三種水泥收縮值分析

不同齡期下三種水泥配置的混凝土收縮值發(fā)展趨勢(shì)如圖3所示。綜合圖3可得：①同齡期下混凝土收縮值發(fā)展趨勢(shì)為JY>SS>HL，養(yǎng)護(hù)齡期1～56 d，混凝土收縮值增量依次為JY (132.4×10-6)>SS(131.9×10-6)>HL(131.3×10-6)；②不同齡期下混凝土收縮值變化趨勢(shì)為V(1～3 d) >V(7～14 d)>V(14～28 d)>V(28～56 d)>V(3～7 d)。收縮值趨勢(shì)的變化與混凝土內(nèi)部水泥的水化進(jìn)程息息相關(guān)，變化趨勢(shì)越大其內(nèi)部的水化反應(yīng)越劇烈，消耗內(nèi)部水分量增多，使得混凝土收縮值增大。收縮值上述發(fā)展的主要原因?yàn)椋孩貱3A發(fā)生水化反應(yīng)后體積干縮變形較大，抗堿、鹽蝕能力較差；C4AF水化反應(yīng)后干縮變形小，兼具耐磨和抗硫酸鹽侵蝕能力；C3S水化反應(yīng)后體積干縮性較??；C2S水化反應(yīng)后干縮性小且兼具抗水、硫酸鹽侵蝕能力。推斷出水泥水化進(jìn)程中干縮的主要來(lái)源為C3A、C3S，由表2可知三種水泥中C3A、C3S 占比依次為JY(59.59%)>SS(58.53%)>HL(58.06%)，因此三種水泥配置的混凝土收縮值發(fā)展趨勢(shì)為JY>SS>HL。②水泥礦物組分中C3A水化反應(yīng)速率快，且集中于水化反應(yīng)的早期階段，1～3 d時(shí)水化反應(yīng)最為劇烈，收縮值趨勢(shì)變化最大；隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，C3A組分隨之減少，C3S組分的水化開(kāi)始起主導(dǎo)，因此收縮值趨勢(shì)發(fā)展集中于齡期1～3 d，齡期28 d后收縮值趨勢(shì)逐漸趨于平緩。

綜合上述分析，海螺水泥具有水化熱低、后期強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)佳以及收縮值低等優(yōu)點(diǎn)，因此本研究以及工程實(shí)際應(yīng)用中均優(yōu)選海螺水泥。

3 礦物摻合料選擇

3.1 原材料及試驗(yàn)方法

混凝土配合比設(shè)計(jì)中水泥、粉煤灰和礦粉的配比見(jiàn)表3，其它組分為：砂∶石∶水∶減水劑=739∶1 109∶152∶40(kg/m3)。摻加粉煤灰、礦粉等活性礦物摻合料一方面降低混凝土成本，另一方面降低混凝土水化熱、確?；炷梁笃趶?qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)，基于此開(kāi)展礦物摻合料類(lèi)型、摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度、硬化漿體孔溶液pH值以及收縮值分析。礦物摻合料：粉煤灰由當(dāng)?shù)仉姀S提供，細(xì)度18%，燒失量1.4%；礦粉由安陽(yáng)礦粉廠提供，比表面積420 m2/kg，7 d活性指數(shù)86%、28 d活性指數(shù)110%。

表3 混凝土中部分組分的用量 kg/m3

孔溶液pH值分析試驗(yàn)方法：取混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)完成后新鮮的界面，用研缽磨細(xì)，之后過(guò)200目篩網(wǎng)，將所得粉體以1∶50比例浸泡于蒸餾水中，振蕩，靜止，取上清液測(cè)試pH值。

3.2 強(qiáng)度分析

五種配合比3～90 d強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)如圖4所示。綜合圖4可得：①養(yǎng)護(hù)齡期3 d時(shí)，五種配合比抗壓強(qiáng)度值相差不大，即此階段礦物摻合料未參與混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)，3 d內(nèi)混凝土強(qiáng)度的發(fā)展主要依靠水泥的水化。②養(yǎng)護(hù)齡期3～90 d五種配合比發(fā)展趨勢(shì)均遵循 C3>C5>C4>C2>C1規(guī)律，且五種混凝土3～90 d混凝土抗壓強(qiáng)度增量為C3(37.6 MPa)>C5 (35.3 MPa)>C4(33.7 MPa)>C2(31.4 MPa)>C1(28.9 MPa)。③五種配合比混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展主要集中于3～28 d，28～56 d強(qiáng)度增長(zhǎng)值均大于56～90 d，之后趨于穩(wěn)定。

圖4 混凝土抗壓強(qiáng)度

五種配合比不同齡期下遵循C3>C5>C4>C2>C1規(guī)律的主要原因?yàn)椋孩偎?礦粉二元復(fù)合膠凝組分混凝土(C2)強(qiáng)度大于水泥-粉煤灰二元復(fù)合膠凝組分混凝土(C1)，粉煤灰多以球形固態(tài)顆粒分布，摻入混凝土中可有效調(diào)節(jié)水泥水化結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，有利于混凝土早期工作性，但其在內(nèi)部發(fā)揮的火山灰性甚微，物理填充性能較為顯著，隨著摻入量的增多，混凝土中水泥組分的減少勢(shì)必造成強(qiáng)度的下降；與之不同的礦粉多以片狀結(jié)構(gòu)分布，礦粉的比表面積高于水泥，其火山灰性顯現(xiàn)需依靠高堿環(huán)境，水泥水化孔溶液堿性逐漸增大，礦粉內(nèi)部隨之發(fā)生解離、重組等一系列水化反應(yīng)，相同截面微結(jié)構(gòu)斷面水化產(chǎn)物增多，強(qiáng)度增大，因此C2>C1。②水泥-礦粉-粉煤灰三元復(fù)合膠凝組分混凝土(C3、C5、C4)強(qiáng)度值均高于水泥-礦粉、水泥-粉煤灰二元復(fù)合膠凝組分，粉煤灰的摻加主要以球形填充的物理作用為主，礦粉則是在水泥水化后高堿環(huán)境基礎(chǔ)上發(fā)揮自身火山灰特性生成水化產(chǎn)物，礦粉的比表面積大于水泥，早期拌和過(guò)程中極易泌水，且礦粉和水泥微結(jié)構(gòu)都呈片狀分布，易造成水泥-礦粉顆粒間團(tuán)聚，水泥-礦粉-粉煤灰三元復(fù)合膠凝組分可發(fā)揮粉煤灰、礦粉的雙重作用，因此三元復(fù)合組分膠凝混凝土強(qiáng)度高于二元復(fù)合膠凝組分混凝土強(qiáng)度，其中C3配合比中礦粉、粉煤灰的摻入量最佳、強(qiáng)度達(dá)到最大值。

3.3 孔溶液pH值分析

混凝土硬化漿體孔溶液pH值是保證鋼筋混凝土護(hù)筋性的關(guān)鍵，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役年限的增加，孔溶液pH值勢(shì)必呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)孔溶液pH值下降到12.16以下時(shí)，鋼筋在混凝土中開(kāi)始發(fā)生銹蝕，繼而產(chǎn)生膨脹，致使結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、剝落，因此研究硬化漿體孔溶液pH值發(fā)展至關(guān)重要。分析圖5可得：①同齡期下五種配合比孔溶液pH值遵循 C2>C5>C3>C4>C1發(fā)展趨勢(shì)，主要?dú)w結(jié)于混凝土中膠凝材料遇水后的pH的變化，水泥遇水反應(yīng)溶液呈堿性，粉煤灰遇水溶液呈弱酸性，礦粉遇水后溶液呈弱堿性，因此隨著粉煤灰摻量的增加孔溶液pH也隨之下降。②3～28 d孔溶液pH值變化趨勢(shì)較大，此階段pH值變化值越大內(nèi)部的水化反應(yīng)越劇烈，五種配合比變化趨勢(shì)為C3(0.59)>C5(0.49)>C4(0.47)>C2(0.45)>C1 (0.33)。③隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，齡期28～90 d孔溶液pH值變化值逐漸趨于穩(wěn)定，內(nèi)部水化進(jìn)程趨于平穩(wěn)。

圖5 混凝土孔溶液pH值

3.4 收縮值分析

現(xiàn)澆混凝土道床與達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的軌枕結(jié)構(gòu)存在混凝土收縮值不同的問(wèn)題，減小道床混凝土收縮值對(duì)控制雙塊式無(wú)砟道床因收縮值不同帶來(lái)的結(jié)構(gòu)開(kāi)裂至關(guān)重要。基于上述抗壓強(qiáng)度、硬化漿體孔溶液pH值發(fā)展趨勢(shì)可知，水泥-礦粉-粉煤灰三元膠凝組分優(yōu)于水泥-礦粉、水泥-粉煤灰二元膠凝膠粉，因此展開(kāi)水泥-礦粉-粉煤灰三元膠凝組分C3、C4、C5收縮值的分析。不同齡期下C3、C4、C5收縮值的發(fā)展趨勢(shì)如圖6所示，綜合圖6可得：①齡期1 d至3 d時(shí)，三種配合比收縮值發(fā)展趨勢(shì)為C4>C3>C5，通過(guò)強(qiáng)度發(fā)展可知該齡期下礦物摻和料未參與水化反應(yīng)，粉煤灰需水量較強(qiáng)且早期未參與反應(yīng)，隨著混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中未參與水化反應(yīng)的自由水的減少，引發(fā)干燥收縮，增大收縮值，因此早期混凝土收縮值隨著粉煤灰摻量的增加而增大。②齡期7～28 d，三種配合比收縮值發(fā)展趨勢(shì)為 C5>C3>C4 ，隨著混凝土中膠凝組分水化反應(yīng)的進(jìn)行，混凝土堿性增強(qiáng)，礦粉在高堿環(huán)境下解離、重組形成新的水化產(chǎn)物，水化進(jìn)程中同時(shí)消耗大量自由水、毛細(xì)孔水，增大收縮值，三元膠凝組分中隨礦粉摻量的增加收縮值而增大。③礦物摻合料的增加可延緩水化反應(yīng)，養(yǎng)護(hù)齡期28 d后，混凝土內(nèi)部仍具備微弱的水化反應(yīng)，強(qiáng)度略有增加，相較于C4、C5，C3配合比中水泥水化、礦粉水化、粉煤灰有效填充達(dá)到最穩(wěn)定狀態(tài)，因此C3配合比養(yǎng)護(hù)齡期28～56 d時(shí)收縮值最小。

圖6 收縮值發(fā)展趨勢(shì)

綜合上述性能指標(biāo)對(duì)比分析，工程實(shí)踐中優(yōu)先選擇C3配合比。

4 混凝土界面處理

首先確定目前使用的雙塊式軌枕混凝土配合比，成型100 mm×100 mm×515 mm混凝土試件養(yǎng)護(hù)至28 d，然后從中鋸開(kāi)，對(duì)新裸露的混凝土界面進(jìn)行處理，處理完成后放置于100 mm×100 mm×515 mm試模中再次澆筑另一半混凝土，最后養(yǎng)護(hù)至56 d，測(cè)其56 d抗折強(qiáng)度和收縮值，其中再次澆筑的另一半混凝土選擇C3配合比。界面區(qū)處理的代號(hào)分別為：界面區(qū)未處理(JC0)、界面區(qū)粗糙處理(JC1)、界面區(qū)涂刷有機(jī)界面劑(JC2)、界面區(qū)涂刷無(wú)機(jī)高性能界面劑(JC3)。

界面區(qū)經(jīng)處理后56 d 抗折強(qiáng)度、收縮值發(fā)展如7所示。綜合圖7可知：①56 d抗折強(qiáng)度發(fā)展 JC3>JC2>JC1>JC0，界面區(qū)涂刷無(wú)機(jī)高性能界面劑時(shí)56 d抗折強(qiáng)度值最高，無(wú)機(jī)高性能界面劑在新舊混凝土過(guò)渡區(qū)發(fā)生水化反應(yīng)，起到高效粘結(jié)新舊混凝土作用。②56 d收縮值發(fā)展 JC0 > JC1> JC2> JC3，未做處理的收縮值最大，涂刷無(wú)機(jī)高性能界面劑的收縮值最小。綜合比較界面區(qū)處理方式優(yōu)選涂刷無(wú)機(jī)高性能界面劑。

圖7 56 d 抗折強(qiáng)度、收縮值發(fā)展

5 工程應(yīng)用

綜合上述研究分析，將上述研究成果應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)雙塊式無(wú)砟道床施工中：道床混凝土配合比選擇C3，混凝土中水泥膠凝組分選擇海螺水泥，施工前在雙塊式軌枕周?chē)克o(wú)機(jī)高性能界面劑，工程實(shí)踐證明有效減少了雙塊式道床裂紋，如圖8所示。

圖8 雙塊式無(wú)砟道床混凝土結(jié)構(gòu)