雙塊式無砟軌道道床板裂縫控制研究

崔國慶

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司線路站場設計研究處,武漢 430063)

武廣鐵路客運專線是我國設計時速300 km以上、大規模鋪設無砟軌道的高速鐵路之一,全長1 068.6 km。武廣鐵路客運專線主要采用雙塊式無砟軌道,該軌道自上而下主要由鋼軌、扣件系統、雙塊式軌枕、道床板、支承層或保護層等組成。筆者主要介紹武廣鐵路客運專線路基上雙塊式無砟軌道道床板的裂縫產生機理、結構措施和修補方案。

1 路基上雙塊式無砟軌道的結構特點

武廣鐵路客運專線路基上雙塊式無砟軌道自上而下由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板和支承層等組成,如圖1所示。

圖1 雙塊式無砟軌道橫斷面

道床板為鋼筋混凝土連續結構,采用雙層鋼筋,上層縱向鋼筋為9根φ20 mm HRB335鋼筋,下層為11根φ20 mm HRB335鋼筋,每2根軌枕之間設2根φ16 mm HRB335橫向鋼筋,上下層各1根。

雙塊式無砟軌道作為一種露天放置、反復承受列車荷載的結構物,在其長期使用過程中,在列車荷載、溫度變化、基礎變形以及混凝土自身收縮變形的影響下容易產生裂縫。

由于道床板縱向連續,不設伸縮縫,且其下部與粗糙的支承層頂面粘結在一起,承受較大的約束力,受混凝土收縮徐變以及溫度變化的影響,道床板縱向承受較大的拉力,一旦拉力大于混凝土承載能力,將必然產生裂縫。

2 道床板裂縫的形成機理

道床板裂縫產生的原因可分為兩類：一是結構型裂縫,是由外荷載引起的,包括常規結構計算中的主要應力以及其他的結構次應力造成的受力裂縫；二是材料型裂縫,是由非受力變形變化引起的,主要是由溫度應力和混凝土的收縮引起的。

(1)溫度裂縫

溫度裂縫產生主要原因是由溫差造成的。溫差可分為以下3種：水化熱引起的混凝土內外溫差、結構整體的溫度升降差、結構從上表面至下表面的溫度梯度。

(2)混凝土收縮引起裂縫

混凝土的收縮類型有很多種,其中引起混凝土開裂的主要包括干燥收縮和塑性收縮。

(3)鋼軌的伸長引起裂縫

雙塊式無砟軌道施工若不能及時松開扣件,鋼軌的伸縮將帶動軌枕在新澆混凝土土中移動從而產生裂縫。

(4)混凝土骨料塑性沉落引起的裂縫

當骨料的沉落受到鋼筋的阻擋時,將出現沿鋼筋的走向的裂縫,施工過程中如果模板綁扎的不好、模板沉陷、移動時也會出現此類裂縫。

(5)新舊混凝土不良粘結裂縫

在雙塊式軌枕的側面及角部,常出現由于新舊混凝土粘結不良而引起的裂縫。

(6)其他因素

此外,結構基礎不均勻沉陷、凍脹以及鋼筋銹蝕等均會引起雙塊式無砟軌道產生裂縫。下部支承層中存在裂縫或結構縫時,同樣也會產生反射裂縫。

3 道床板裂縫寬度合理值

為了保證道床板混凝土的耐久性,必須對裂紋寬度和間距加以控制。由于道床板的結構特點和工作環境不同,不能簡單套用一般混凝土結構裂縫控制標準。

德國Schiessl博士于20世紀70～80年代對裂縫處鋼筋的腐蝕風險進行了長達10年的評估研究,得出了不同寬度裂縫與腐蝕深度的關系(圖2)。

圖2 不同寬度裂縫與腐蝕深度的關系

從圖2可以看出,裂縫寬度在0.11～0.40 mm的鋼筋的平均腐蝕深度相似。混凝土在10年的無保護暴露后的腐蝕深度平均值是7.5 μm(裂縫寬度0.21～0.30 mm),9.0 μm(裂縫寬度0.11～0.20 mm)和10.0 μm(裂縫寬度0.31～0.40 mm)。由此研究認為,裂縫寬度對腐蝕速率僅有較小的影響,完全可以認為,裂縫寬度0.50 mm時,腐蝕深度僅稍稍增加。

經過一段時間雨水沖洗,裂縫中混凝土內的Ca(OH)2會被沖洗掉了。這就意味著由于堿度損失,裂縫中的鋼筋發生鈍化和失去防腐蝕的保護,無法阻止裂縫中鋼筋的腐蝕,因此決定道床板耐久性的因素是鋼筋的腐蝕率(橫斷面損失)和混凝土保護層厚度和密度。

另外,根據德國的設計理念和經驗,道床板裂縫寬度即使達到0.5 mm,仍能通過骨料的咬合作用保證荷載的傳遞。

我國《混凝土結構設計規范》(GB50010—2002)規定,混凝土結構的最大裂縫寬度限值為0.2 mm。如果路基地段道床板按最大裂縫限值0.2 mm進行配筋,配筋率將很大,是不經濟的。參考德國設計經驗,結合武廣鐵路客運專線實際情況,路基地段道床板的最大裂縫寬度限值宜取為0.5 mm。

4 減小道床板裂縫的措施

無砟軌道設計使用壽命為60年,為了達到這一目標,很有必要采取措施減小裂縫,尤其是有害裂縫的數量。在武廣鐵路客運專線設計中,主要從結構設計和施工方面采取如下措施。

4.1 混凝土保護層

一般情況下,上層縱向鋼筋放置于軌枕桁架鋼筋之上,其混凝土保護層厚度約為50 mm。直線地段,由于道床板表面設置橫向排水坡,道床板邊緣處縱向鋼筋的保護層厚度將不足50 mm,在這種情況下可對鋼筋位置進行調整,將縱向鋼筋調至橫向鋼筋的下邊,如圖3。

圖3 調整鋼筋位置增大保護層示意

4.2 鋼筋配置

裂縫寬度取決于鋼筋量(或配筋率)。圖4為裂縫寬度、間距與配筋率的關系。

圖4 裂縫寬度、間距與配筋率關系

由圖4可以看出,道床板配筋率越大,最大裂縫寬度越小,裂縫的間距越小；反之亦然。武廣鐵路客運專線設計中道床板按0.8%～0.9%的配筋率進行配筋,裂縫設計控制寬度為0.5 mm,裂縫間距1～2 m左右。

在鋼筋量確定的情況下,采用較小直徑的鋼筋可增大鋼筋與混凝土的接觸面,從而提高混凝土的抗裂性能。

另外,鋼筋的布置應盡量靠近混凝土表面,以增加混凝土的抗裂性。

從這兩方面出發,兼顧混凝土澆筑和振搗的需要,武廣鐵路客運專線路基地段縱向鋼筋采用φ20 mm的鋼筋,上層布置9根,鋼筋間距為110 mm和150 mm。

如果采用φ18 mm的鋼筋,將需要配置25根鋼筋,這種情況下,上層仍布置9根鋼筋將對混凝土抗裂不利,另一方面,縱向鋼筋數量增加將大大增加絕緣卡數量,增加施工的難度。

4.3 混凝土的強度

混凝土強度越高,道床板開裂后裂縫間距越大,裂縫寬度也越大。因此,武廣鐵路客運專線在設計上直接對混凝土強度作出了明確要求：混凝土28 d抗壓強度應控制在35～40 MPa,同時對混凝土中的膠凝材料含量進行控制,避免混凝土后期強度過高。

4.4 施工措施

為了盡量減少裂縫和裂縫的寬度,在施工安排上應做到以下幾點。

(1)控制混凝土質量,減小水灰比,加強搗固,必須時可添加防水密實劑。

(2)道床板施工應與支承層施工盡量間隔較長的時間。支承層充分開裂變形后再施工道床板混凝土，可大大減少反射裂縫的數量和寬度。

(3)道床板混凝土澆筑應選擇合適的時間,避免澆筑后氣溫發生急劇的變化。

(4)混凝土澆筑后應及時松開扣件,避免鋼軌伸縮造成道床板開裂。

(5)混凝土澆筑應盡量選擇在氣溫較低的情況下完成,澆筑后應加強養護。

(6)采用移動棚養護時應將兩端封閉,避免產生隧道效應。

5 道床板裂縫處理

由于影響道床板開裂的因素很多,因此即使設計和施工上采取了很多措施,仍難以徹底避免道床板的開裂,在這種情況下就有必要對道床板裂縫進行修補。

目前常用的裂縫修補方法有環氧樹酯灌注法、表面封閉法、開槽嵌塞法、柔性封閉法。

(1)樹酯灌注法

環氧樹酯和聚氨酯是最常見的裂縫灌注材料。樹酯材料具有較高的機械強度,并能抵抗混凝土所遇到的大多數化學侵蝕,樹酯可以灌入到0.05 mm的裂縫。環氧樹酯灌注法一般適于處理靜止縫和相對干燥的裂縫；聚氨酯對于結構表面干濕環境條件下均可。

(2)表面封閉法

表面封閉法是最簡單和最普通的裂縫修補方法。用于修補對結構影響不大的靜止裂縫(一般裂縫寬度在0.1～0.20 mm),通過密封裂縫來防止水、化學物質和二氧化碳的侵入。如表面聚合物浸入封閉法,可采用低黏度的液態樹酯(或表面涂料膠)涂刷到裂縫表面上,或者在水平表面上沿裂縫構筑臨時的堤圍,使樹脂溢于裂縫表面。

(3)開槽填補法

適用于結構允許開槽而寬度較大但數量不多的裂縫,如支承層或橋面混凝土的裂縫。工序為：開槽—涂刷界面處理漿—壓抹聚合物砂漿—養護。先用鑿子和扁鏟沿裂縫開槽,槽深和寬約3～5 cm,呈U形,用刷子在槽底和兩壁均勻涂刷一層界面處理漿,在界面處理膠尚未硬化之前,將拌制好的聚合物水泥砂漿用抹刀壓入槽中,壓實抹平。

(4)柔性材料法

對于活動性裂縫,可采用具有微膨脹性材料密封修補。沿裂縫邊緣開一凹槽并填入適當的柔性材料。

針對武廣鐵路客運專線的道床板表面裂縫的特點,建議如下。

(1)對于0.2～0.5 mm裂縫一般采用表面封閉法進行處理。處理應采用彈性或柔性材料,并應具有較強的抗紫外線、抗老化性能。

(2)對于寬度大于0.5 mm裂縫,可采用柔性材料法。

在對裂縫進行處理前應進行工藝性試驗,并遵循粘結性能好(長期耐久性好)和處理后的表觀顏色應與原混凝土基本一致的原則。

6 結論

路基地段雙塊式無砟軌道采用連續結構,道床板開裂是不可避免的。為確保無砟軌道60年使用壽命,在無砟軌道設計和施工過程中,應給予充分重視,采取各種有效的預防措施減少裂縫,尤其是寬裂縫的出現和發展。產生裂縫后,應針對不同寬度的道床板裂縫認真研究、區別對待,采用合理的方法進行處理,保證無砟軌道安全、穩定地工作。

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