無(wú)砟軌道的道床板混凝土抗干縮開(kāi)裂性能

周小菲，王強(qiáng)，閻培渝

(清華大學(xué) 土木工程系 土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100084)

無(wú)砟軌道具有良好的穩(wěn)定性和平順性，并且其耐久性好、維護(hù)工作量小、費(fèi)用低，因此無(wú)砟軌道在高速鐵路建設(shè)中越來(lái)越受到重視[1-2]。道床板是雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性有至關(guān)重要的影響。道床板是混凝土結(jié)構(gòu)，采用泵送混凝土連續(xù)澆筑的方式施工。連續(xù)澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂很普遍，大多是由非荷載因素引起的[3-5]。現(xiàn)代混凝土大量使用礦物摻和料及外加劑[6]。現(xiàn)代混凝土組成上的復(fù)雜性導(dǎo)致了其開(kāi)裂問(wèn)題的復(fù)雜性。無(wú)砟軌道的混凝土道床板的表面積大，干燥收縮大，控制其干縮裂縫是無(wú)砟軌道施工的一個(gè)難點(diǎn)。混凝土的干縮裂縫的產(chǎn)生不僅與混凝土的干燥收縮值有關(guān)，也與混凝土的彈性模量和抗拉強(qiáng)度密切相關(guān)。保持水膠比不變的前提下，摻入粉煤灰能夠降低混凝土的干燥收縮[7-9]，但用粉煤灰等質(zhì)量替代部分水泥后會(huì)導(dǎo)致混凝土早期強(qiáng)度降低[10-11]，因而摻加粉煤灰是否有利于提高混凝土的抗干縮開(kāi)裂的能力是一個(gè)需要綜合考慮的問(wèn)題。摻加適量的膨脹劑可以減少混凝土的收縮，并使處于約束狀態(tài)下的混凝土密實(shí)性提高，提高其抗?jié)B能力，但由于膨脹劑使用不科學(xué)而導(dǎo)致工程防裂無(wú)效、開(kāi)裂更嚴(yán)重、后期強(qiáng)度倒縮等現(xiàn)象也屢見(jiàn)不鮮。因而，用膨脹劑配制補(bǔ)償收縮混凝土，可在一定程度上有效控制結(jié)構(gòu)物的開(kāi)裂[12]。干燥收縮小的混凝土并不意味著其抗干縮開(kāi)裂的能力強(qiáng)，在無(wú)砟軌道的道床板混凝土抗裂性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)道床板混凝土的受力特點(diǎn)設(shè)計(jì)有效的評(píng)價(jià)方法，可以對(duì)不同配合比的混凝土的抗干縮開(kāi)裂性能進(jìn)行對(duì)比。本文作者分析了傳統(tǒng)環(huán)試驗(yàn)在評(píng)價(jià)道床板混凝土抗裂性能時(shí)的不足，提出了用帶缺口的環(huán)試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)道床板混凝土的抗裂性能的方法，并用該方法對(duì)比研究了不同配合比的C30混凝土的抗干縮開(kāi)裂性能。

1 原材料和配合比

試驗(yàn)原料為P.O.42.5普通硅酸鹽水泥；二級(jí)粉煤灰；硫鋁酸鈣-氧化鈣類HCSA膨脹劑；河砂細(xì)度模數(shù)為3.0；粗骨料為石灰?guī)r碎石，粒徑為5～10 mm；聚羧酸減水劑。水泥、粉煤灰和膨脹劑的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示。

表1 原材料的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of raw materials %

設(shè)計(jì)了5組C30的混凝土(表2)，其中第1組為純水泥混凝土，第2組和第3組混凝土分別摻加15%和30%的粉煤灰，第4組和第5組混凝土分別摻加5%和10%的膨脹劑。通過(guò)調(diào)整高效減水劑的摻量使各組混凝土拌和物的坍落度在120～160 mm之間，通過(guò)調(diào)整水膠比使各組混凝土的28 d強(qiáng)度基本相同。

表2 混凝土的配合比及28 d強(qiáng)度Table 2 Mix proportion and 28-day strength of concrete

2 結(jié)果與討論

2.1 帶缺口的環(huán)試驗(yàn)方法

2.1.1 無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)道床板的受力特點(diǎn)

軌枕和道床板是雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。軌枕采用工廠預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)安裝的方法，道床板采用泵送混凝土連續(xù)澆筑施工的方法。道床板表面積和體積比較大。水泥水化、水分蒸發(fā)和溫度梯度等因素易導(dǎo)致道床板產(chǎn)生體積變形而開(kāi)裂，裂縫寬度和間距往往超過(guò)現(xiàn)行技術(shù)條件要求。常見(jiàn)道床板混凝土開(kāi)裂示意圖如圖1所示。

圖1 道床板混凝土開(kāi)裂示意圖Fig.1 Schematic diagram of cracking of non-ballast track slab concrete

針對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中的混凝土道床板，采用有限元進(jìn)行分析，建立道床板在枕軌約束下的收縮模型(圖2)。圖2所示為按照某道床板的實(shí)際幾何形狀及尺寸建立的有限元模型，其中淺色部分為澆筑的道床板混凝土，深色部分為預(yù)制軌枕。圖2中，道床板橫截面寬度為2.8 m，所取道床板單元縱長(zhǎng)1 250 mm，厚240 mm；軌枕長(zhǎng)700 mm，寬350 mm，軌枕底面嵌入軌道板，嵌入深度為120 mm。在有限元計(jì)算中，取混凝土的彈性模量為30 GPa，泊松比為0.2，線膨脹系數(shù)為10×10-6/℃。本文實(shí)測(cè)C30混凝土的7 d干燥收縮值為137.5×10-6，在計(jì)算中將混凝土的收縮采用當(dāng)量溫差法等效。當(dāng)量溫差法的思路為通過(guò)對(duì)混凝土早期的自由收縮應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，將各個(gè)齡期混凝土的收縮變形換算成溫降收縮，采用降溫荷載作為場(chǎng)荷載來(lái)進(jìn)行有限元分析。本文中干縮值為137.5×10-6，即假定變溫荷載為-13.75 ℃。

圖2 道床板幾何模型Fig.2 Geometric model of non-ballast track slab concrete

圖3 應(yīng)力點(diǎn)位置示意圖Fig.3 Sketch map of stress position

取圖3所示道床板表面上BAC路徑進(jìn)行研究，該線段上的應(yīng)力-長(zhǎng)度曲線如圖4所示。取圖3所示道床板上A點(diǎn)位置厚度方向AA′進(jìn)行研究，其應(yīng)力-厚度曲線如圖5所示。根據(jù)圖4和圖5的結(jié)果可知：在BAC路徑上，在軌枕角點(diǎn)附近存在應(yīng)力極值，軌枕角點(diǎn)處沿著厚度方向，由表及里應(yīng)力逐漸降低。可見(jiàn)，在接近軌枕的外表面角點(diǎn)處應(yīng)力相對(duì)較大，這與圖1所示道床板的開(kāi)裂趨勢(shì)基本一致。計(jì)算結(jié)果顯示，枕軌外表面角點(diǎn)處的應(yīng)力極值為9.713 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)C30混凝土的抗拉強(qiáng)度。

2.1.2 傳統(tǒng)環(huán)試驗(yàn)混凝土的受力分析

圖4 BAC路徑的應(yīng)力-長(zhǎng)度曲線Fig.4 Stress-length curve of BAC direction

圖5 AA′方向應(yīng)力-厚度曲線Fig.5 Stress-thickness relationship of AA′ direction

圖6 傳統(tǒng)圓環(huán)試驗(yàn)裝置示意圖Fig.6 Traditional ring test device

傳統(tǒng)的環(huán)開(kāi)裂試驗(yàn)裝置如圖6所示，其中，R1，R2為鋼環(huán)的內(nèi)、外徑，R2與R3之間為混凝土環(huán)澆筑區(qū)；本試驗(yàn)中，R1=127.5 mm，R2=152.5 mm，R3=187.5 mm，混凝土高度h=140 mm。按照?qǐng)D6的實(shí)際幾何形狀及尺寸，建立有限元模型，荷載取值與圖2中相同，鋼環(huán)的彈性模量取200 GPa，泊松比取0.26。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，混凝土外表面的主拉應(yīng)力沿著高度方向的分布如圖7所示。圖7顯示，在同樣的荷載條件下，混凝土環(huán)表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力分布與無(wú)砟軌道道床板截然不同，最大應(yīng)力出現(xiàn)在混凝土環(huán)上下面邊緣處，因此傳統(tǒng)環(huán)試驗(yàn)不能很好地反映實(shí)體結(jié)構(gòu)的受力情況。同時(shí)，圖7中的最大應(yīng)力僅為3.400 MPa，與圖2的計(jì)算結(jié)果相差很大。本文采用傳統(tǒng)環(huán)試驗(yàn)方法對(duì)多組C30混凝土的抗開(kāi)裂能力進(jìn)行了對(duì)比研究，各組混凝土在試驗(yàn)過(guò)程中都沒(méi)有發(fā)生明顯的開(kāi)裂，因此采用該試驗(yàn)方法進(jìn)行配合比的選擇是無(wú)效的。

圖7 采用傳統(tǒng)環(huán)試驗(yàn)混凝土外表面第一主應(yīng)力沿高度分布Fig.7 Major principal stress distribution of concrete’s surface calculated based on traditional ring test

2.1.3 帶缺口環(huán)試驗(yàn)混凝土的受力分析

為了更準(zhǔn)確地模擬雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中道床板混凝土所受到的約束應(yīng)力，制作了小型缺口預(yù)埋鋼片(圖8)，預(yù)埋入傳統(tǒng)試驗(yàn)環(huán)中(圖 9)。預(yù)埋鋼片的作用在于控制混凝土局部的拉應(yīng)力，使其接近無(wú)砟軌道中開(kāi)裂位置的應(yīng)力大小。取圓環(huán)表面上缺口截面上路徑BAC，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果作出該線段上第一主應(yīng)力隨高度的變化曲線(圖10)。圖10顯示，缺口處的拉應(yīng)力比其他位置高很多，最大值為6.193 MPa，超過(guò)C30混凝土的抗拉強(qiáng)度。對(duì)比圖4和圖10所示的應(yīng)力分布模擬結(jié)果可以看出：2種應(yīng)力分布吻合很好，端部應(yīng)力的峰值比較接近(分別為7.3 MPa和6.2 MPa)。因此，相對(duì)于傳統(tǒng)環(huán)試驗(yàn)，用帶缺口環(huán)試驗(yàn)來(lái)對(duì)比研究不同配合比混凝土在無(wú)砟軌道道床板上應(yīng)用時(shí)的抗裂性能更合適。

圖8 預(yù)埋件尺寸圖(單位：mm)Fig.8 Dimension of embedded parts

圖9 預(yù)埋件安裝示意圖Fig.9 Schematic diagram of installation of embedded parts

圖10 缺口截面應(yīng)力沿高度方向的分布Fig.10 Stress distribution on notch cross section along height direction

2.1.4 帶缺口環(huán)試驗(yàn)方法

混凝土環(huán)在澆筑24 h后拆模，去除底盤，并放置于特制的十字架上，以保證混凝土環(huán)和鋼環(huán)的收縮不受底盤或地面的約束。通過(guò)溫濕度記錄儀記錄混凝土表面附近處的空氣溫度和濕度，通過(guò)均勻地貼在鋼環(huán)內(nèi)側(cè)4個(gè)方向的4個(gè)應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)鋼環(huán)的應(yīng)變。試驗(yàn)中確定了3種溫濕度條件，嚴(yán)酷等級(jí)分別為：非嚴(yán)酷、中等嚴(yán)酷、非常嚴(yán)酷。其中，非嚴(yán)酷的條件為：溫度20 ℃、相對(duì)濕度55%～65%；中等嚴(yán)酷的條件為：溫度30 ℃，相對(duì)濕度34%～40%；非常嚴(yán)酷的條件為：溫度40 ℃、相對(duì)濕度20%～25%。

(1)試驗(yàn)條件1即非嚴(yán)酷條件如圖11所示。將混凝土環(huán)試件置于密封的塑料箱中，通過(guò)飽和K2CO3溶液調(diào)節(jié)箱內(nèi)的濕度，當(dāng)混凝土的失水與K2CO3固體的溶解達(dá)到新的平衡后，密封箱內(nèi)的相對(duì)濕度穩(wěn)定在55%～65%之間。用空調(diào)控制試驗(yàn)溫度條件為20 ℃。

圖11 溫度20 ℃、相對(duì)濕度55%～65%的試驗(yàn)條件Fig.11 Condition of 20℃ and relative humidity of 55～65%

(2)試驗(yàn)條件2即中等嚴(yán)酷條件如圖12所示。將混凝土環(huán)置于密閉的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，室內(nèi)放置1臺(tái)電動(dòng)取暖器來(lái)為試驗(yàn)環(huán)境增溫及降濕，并同時(shí)采用空調(diào)進(jìn)行除濕。

圖12 溫度30 ℃，相對(duì)濕度34%～40%的試驗(yàn)條件Fig.12 Condition of 30 ℃ and relative humidity of 34%～40%

(3)試驗(yàn)條件3即非常嚴(yán)酷條件如圖13所示。采用4個(gè)275 W的紅外線取暖燈均勻布置在環(huán)的四周，距離混凝土環(huán)表面25 cm，并通過(guò)空調(diào)輔助調(diào)節(jié)濕度。通過(guò)溫濕度記錄儀可知，混凝土表面附近處的空氣溫度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后迅速穩(wěn)定在 40 ℃左右，相對(duì)濕度在20%～30%之間。

圖13 溫度40 ℃、相對(duì)濕度20%～25%的試驗(yàn)條件Fig.13 Condition of 40 ℃ and relative humidity of 20%～25%

2.2 帶缺口環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 試驗(yàn)條件1的結(jié)果

對(duì)表2中的1號(hào)、2號(hào)和4號(hào)混凝土在試驗(yàn)條件1下進(jìn)行了15 d的試驗(yàn)研究，3組混凝土均未出現(xiàn)開(kāi)裂。因此，在該試驗(yàn)條件下，用帶缺口環(huán)試驗(yàn)方法無(wú)法對(duì)C30混凝土的抗裂性能進(jìn)行對(duì)比研究。在實(shí)際工程中，無(wú)砟軌道的道床板混凝土所處的溫度和濕度條件往往比該試驗(yàn)條件惡劣，因此，需進(jìn)一步為帶缺口環(huán)試驗(yàn)創(chuàng)造更為惡劣的環(huán)境條件。

2.2.2 試驗(yàn)條件2的結(jié)果

對(duì)表2中的5組混凝土在試驗(yàn)條件2下進(jìn)行了帶缺口環(huán)開(kāi)裂試驗(yàn)，1號(hào)和2號(hào)混凝土在試驗(yàn)開(kāi)始3～5 d后出現(xiàn)了可見(jiàn)裂縫，3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)混凝土并沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂。圖14所示為1號(hào)和2號(hào)混凝土在環(huán)約束下表面收縮應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線。隨著干燥收縮的發(fā)展，混凝土在早期形成的微裂縫逐步張開(kāi)，最后達(dá)到肉眼可見(jiàn)的程度，可見(jiàn)裂縫出現(xiàn)的時(shí)間在圖14中的陰影部分(80～100 h)時(shí)間段。在可見(jiàn)裂縫出現(xiàn)之前，在約束狀態(tài)下，2號(hào)混凝土的應(yīng)變量比1號(hào)混凝土的小，這是因?yàn)榉勖夯一炷恋母稍锸湛s比純水泥混凝土的小；但100 h之后，2號(hào)混凝土的應(yīng)變量大于1號(hào)混凝土的應(yīng)變量，這個(gè)階段混凝土表面應(yīng)變量的增加主要表現(xiàn)為裂縫的張開(kāi)，100 h后粉煤灰混凝土的裂縫寬度大于純水泥混凝土的裂縫寬度。

圖14 混凝土在環(huán)約束下表面收縮應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線Fig.14 Shrinkage strain development with time on surface of concrete in ring test

由此可見(jiàn)，在此試驗(yàn)條件下，少量粉煤灰的摻入對(duì)混凝土的抗裂性是不利的，且混凝土在開(kāi)裂后形成的裂縫更寬。通過(guò)摻加30%的粉煤灰或5%～10%的膨脹劑，對(duì)提高混凝土的抗裂性是有利的。

2.2.3 試驗(yàn)條件3的結(jié)果

該試驗(yàn)環(huán)境的溫度高、濕度低，混凝土的干燥收縮發(fā)展迅速，因而混凝土內(nèi)部的拉應(yīng)力也增長(zhǎng)較快，各組混凝土均在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生了開(kāi)裂。圖15所示為1號(hào)混凝土所對(duì)應(yīng)的鋼環(huán)的應(yīng)變隨時(shí)間變化圖。從圖15可以看出，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，混凝土的干燥收縮發(fā)展很快，鋼環(huán)受到混凝土的壓力作用而產(chǎn)生收縮變形。在這個(gè)過(guò)程中，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力隨著時(shí)間不斷增長(zhǎng)，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土發(fā)生開(kāi)裂，此時(shí)混凝土環(huán)和鋼環(huán)內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)急劇下降，混凝土開(kāi)裂的時(shí)刻可以從應(yīng)變圖中得到。圖16顯示，混凝土的開(kāi)裂主要發(fā)生在預(yù)埋件的位置。

圖15 1號(hào)混凝土的鋼環(huán)應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.15 Strain development of steel ring with time of No.1 concrete

圖16 混凝土開(kāi)裂圖Fig.16 Cracking of concrete

1～5號(hào)混凝土的開(kāi)裂時(shí)間分別為510，240，80，1 240，110 min。隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土的開(kāi)裂時(shí)間提前，說(shuō)明摻入粉煤灰后，混凝土抗干縮開(kāi)裂的性能變差。在本文中，各組混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度相近，2號(hào)和3號(hào)混凝土的水膠比較1號(hào)混凝土的低。根據(jù)前人的研究結(jié)果[7-9]，用水量一定時(shí)，用粉煤灰替代部分水泥后，有利于減小混凝土的干燥收縮；同時(shí)，水膠比的降低有利于減小混凝土的干燥收縮，因而 2號(hào)和3號(hào)混凝土的干燥收縮小于1號(hào)混凝土的干燥收縮。早齡期時(shí)，由于粉煤灰的活性很低，粉煤灰主要起微集料填充的作用；隨著水化齡期的增長(zhǎng)，粉煤灰的火山灰活性逐漸發(fā)揮[13-16]。因此，粉煤灰混凝土的強(qiáng)度發(fā)展速率比純水泥混凝土的慢。可以推測(cè)，盡管2號(hào)和3號(hào)混凝土與1號(hào)混凝土的28 d強(qiáng)度接近，但比1號(hào)的早期強(qiáng)度低。粉煤灰在早期以填料的形式存在，這對(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度發(fā)展不利。綜上可知，粉煤灰既起到減小混凝土干燥收縮的正面作用，又起到降低混凝土早期強(qiáng)度的負(fù)面作用。根據(jù)帶缺口環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果可知，粉煤灰對(duì)混凝土抗干縮開(kāi)裂所起的負(fù)面作用大于正面作用。表3顯示，2號(hào)和3號(hào)混凝土開(kāi)裂時(shí)，鋼環(huán)的應(yīng)變僅為93×10-6和68×10-6，而1號(hào)混凝土開(kāi)裂時(shí)，鋼環(huán)的應(yīng)變?yōu)?33×10-6，這說(shuō)明干燥收縮小并不意味著開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)小。

膨脹劑的摻量為5%時(shí)(4號(hào)混凝土)，混凝土的開(kāi)裂時(shí)間明顯推遲。4號(hào)混凝土與1號(hào)混凝土的水膠比相同，膨脹劑摻量為5%時(shí)對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響很小。但膨脹劑對(duì)減小混凝土早期收縮作用明顯，4號(hào)混凝土開(kāi)裂時(shí)，鋼環(huán)的應(yīng)變?yōu)?44×10-6，明顯小于1號(hào)混凝土開(kāi)裂時(shí)鋼環(huán)的最大應(yīng)變。當(dāng)膨脹劑摻量為10%時(shí)(5號(hào)混凝土)，混凝土的開(kāi)裂時(shí)間早于純水泥混凝土，這說(shuō)明膨脹劑摻量較大時(shí)對(duì)混凝土抗干縮開(kāi)裂的性能不利。這可能是因?yàn)榕蛎泟┰诜磻?yīng)過(guò)程中消耗了部分水，影響了水泥的水化，對(duì)強(qiáng)度的發(fā)展不利。5號(hào)混凝土預(yù)埋件位置處混凝土開(kāi)裂圖如圖 17所示。從圖17可見(jiàn)：膨脹劑摻量較大時(shí)，除了在預(yù)埋件位置處有較大的裂縫外，在混凝土環(huán)外側(cè)表面也有很多可見(jiàn)的裂縫，這可能是由于膨脹劑摻量較大時(shí)，無(wú)約束的混凝土試件膨脹量大，可能在內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，對(duì)混凝土的內(nèi)部產(chǎn)生了一定的破壞。

圖17 5號(hào)混凝土預(yù)埋件位置處混凝土開(kāi)裂圖Fig.17 Cracking of No.5 concrete in place of embedded parts

3 結(jié)論

(1)采用本文設(shè)計(jì)的帶缺口混凝土環(huán)開(kāi)裂試驗(yàn)?zāi)軌蚴谷笨诮孛胬瓚?yīng)力很好地接近實(shí)體結(jié)構(gòu)破壞截面的應(yīng)力，以此方法來(lái)評(píng)價(jià)不同配合比混凝土在無(wú)砟軌道道床板結(jié)構(gòu)中應(yīng)用時(shí)的抗干縮開(kāi)裂性能是有效的。

(2)在溫度20 ℃、相對(duì)濕度55%～65%的試驗(yàn)條件下，各組混凝土的抗裂性能相差不大。在溫度30 ℃、相對(duì)濕度34%～40%的試驗(yàn)條件下，純水泥混凝土和摻15%粉煤灰的混凝土的抗裂性較差，摻30%粉煤灰的混凝土和摻膨脹劑的混凝土抗裂性較好。

(3)在溫度40 ℃、相對(duì)濕度20%～25%的試驗(yàn)條件下，當(dāng)28 d抗壓強(qiáng)度基本相等時(shí)，粉煤灰混凝土的抗干縮開(kāi)裂能力比純水泥混凝土的差，且粉煤灰摻量越大，混凝土的抗干縮開(kāi)裂能力越差；摻加適量膨脹劑摻量，混凝土的抗干縮開(kāi)裂能力比純水泥混凝土的好，但當(dāng)膨脹劑摻量過(guò)大時(shí)，混凝土的抗干縮開(kāi)裂能力將變差。

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