嚴寒地區客運專線CRTSⅠ型無砟軌道板生產裂紋成因分析及工藝控制

張建偉，張先軍，杜佰君

(哈大鐵路客運專線有限公司，沈陽 110002)

混凝土的裂紋為混凝土所固有，與氣候溫暖濕潤的南方地區相比，東北地區的混凝土結構裂紋發生的概率相對較高。嚴寒地區CRTSⅠ型無砟軌道板在生產及運營過程中產生的微細裂紋在東北嚴寒地區反復凍融循環情況下，對軌道板的耐久性乃至運營安全構成巨大挑戰。因此控制和減少嚴寒地區高速鐵路CRTSⅠ型軌道板預制中的裂紋發生意義十分重大，有必要從結構設計和生產工藝等方面進行系統研究，提出設計優化方案和改進措施。

1 哈大客運專線的環境特征及工程概況

哈大鐵路客運專線縱貫東北三省，沿線氣候嚴寒，極端最低氣溫－39.9～－32.8℃，最大積雪厚17～30 cm，最大季節凍土深度205 cm。哈大客運專線線路正線全長904 km，其中鋪設 CRTSⅠ型板式無砟軌道826.461雙線km，設計時速350 km，是目前我國乃至世界嚴寒地區設計標準最高、設計運營速度最快的無砟軌道結構。

2 嚴寒地區CRTSⅠ軌道板裂紋主要分布位置［1］

通過調查，CRTSⅠ軌道板裂紋存在主要分布在以下位置。

2.1 錨穴口縱向裂紋

CRTSⅠ型無砟軌道板的生產過程中，調查發現成品板端側面縱向錨穴下方較為普遍的存在1條裂紋，如圖1所示。其發生概率超過1%，裂紋長度為10～30 mm，裂紋寬度大部分介于0.05～0.1 mm，少數超過0.1 mm。

2.2 起吊裂紋

起吊裂紋產生于軌道板起吊位置，大部分以起起吊套管為中心向外延伸，少數延伸至板面;也有沿起吊套管下方或上方呈“八”字形狀。裂縫長度范圍約為3～25 cm，有的甚至在軌道板面橫向貫通，目測明顯［2］。

圖1 縱向錨穴裂紋

2.3 板面裂紋

板面裂紋是指由于混凝土養護不到位、存儲不規范導致混凝土表面干燥、溫差過大在板面產生的細微裂紋。

3 裂紋產生的原因

3.1 混凝土本身的原因

混凝土澆筑后的水泥水化反應是個放熱過程，由于混凝上導熱性能差，灌注初期強度和剛度都較小，對水化熱引起的急劇升溫而產生的變形約束不大，相應的溫度應力也較小［3］。隨著齡期的增長，彈性模量的增高，對混凝土內部降溫收縮的約束也愈來愈大，以至于產生了很大的拉應力。當混凝土抗拉強度不足以抵抗這種拉應力時，便開始出現溫度裂紋。

3.2 結構原因

軌道板厚度為200 mm，縱向錨穴長達139 mm，錨穴下方到軌道板板底只有30.5 mm，厚度太小，剛度減弱，板中受壓混凝土應力增大，板面極易產生裂紋，見圖2。混凝土在振搗過程中上面粗骨料下沉表面沒有石子，粗骨料在混凝土水化凝結過程中對砂漿收縮有相當的抵制作用，當混凝土結構尺寸過薄時混凝土表層含有的粗骨料下沉，表面漿體收縮沒有石子束縛容易開裂。

圖2 錨穴上部(毛面)混凝土結構(單位:mm)

3.3 工藝原因

3.3.1 混凝土坍落度控制不嚴，澆筑時布料不規范

混凝土拌制時砂石料含水率不穩定，計量誤差超標，導致坍落度過大。

在混凝土澆筑過程中，料斗懸空布料，混凝土很難均勻布置到模具邊緣，通過振動，混凝土流動到模具邊緣，加之高頻振動器附著在模具上，錨穴成孔器直接固定在模具上，錨穴成孔器和模具邊緣混凝土振動較其他地方強烈，最終造成模具邊緣及錨穴邊緣粗骨料下沉表面浮漿偏多，導致裂紋發生概率增加。

3.3.2 蒸養階段溫度控制不滿足規范要求

蒸汽養護是用蒸汽在混凝土結構周圍造成濕熱環境，以加速混凝土硬化的方法［4］。軌道板在蒸汽養護恒溫階段，混凝土表面缺水容易產生裂紋。在蒸養的降溫階段，軌道板表面隨著蒸汽溫度降低而快速降低，但芯部溫度降低緩慢，如果芯部溫度與板表面溫差過大，在混凝土表面存在拉力，容易產生裂紋。

在蒸汽養護結束直到入水養護區間段，由于軌道板脫模、倒運、翻轉等環節，軌道板內部溫度比表面溫度高，表面溫度比環境溫度高，軌道板表面極容易干燥失水，如軌道板表面不能有效進行濕潤養護，將可能產生裂紋。

3.3.3 拆模工藝不規范

軌道板自身強度未達到脫模要求，提前脫模，引起軌道板局部開裂;操作人員進行模板拆除時，同側兩端拆模不同步導致錨具產生傾斜，從而擠壓軌道板錨穴位置，導致錨穴口受力產生裂紋;軌道板脫模頂升過程中，4個頂升點未保持水平、定位芯未完全伸入套管內造成局部點受力過大，引起套管開裂。

3.3.4 軌道板存儲不規范

軌道板在存板區或橋上存放時間長，底面(毛面)棱角風吹日曬初步風化，特別是經過冬天凍融循環后棱角處裂紋明顯增多。

3.3.5 軌道板吊裝不規范

軌道板起吊時，因起吊方向未與模型保持垂直，或因模型孔位變形，導致起吊瞬間，預理套管定位芯不能與模型有效脫離，阻礙起吊，引起開裂。

4 裂紋控制的工藝控制及改進措施

4.1 加強混凝土施工過程控制

混凝土布料應均勻進行，布料順序為先周邊后中部，布料分層進行，第1層為5～7 cm，第2層布滿，并確保端部錨穴處骨料均勻飽滿。布料時加強周邊混凝土布料，尤其是模型兩端縱向錨穴處應采用鐵鍬鏟料的方式保證錨穴處布料充分。再開起振搗器，杜絕錨穴處產生浮漿。

在混凝土振搗后，采用平板振動器或長靠尺對混凝土找平，在混凝土初凝時先進行一次全面抹壓，然后進行拉毛，最后在混凝土終凝前，再次在模具邊緣和錨穴上方進行反復抹壓，以避免軌道板下表面塑性收縮裂縫的發生。

混凝土灌注完畢后及時覆蓋棚布，加強車間內保濕，在臺座四周及底部灑水，防止混凝土表面出現干縮裂紋。

4.2 加強軌道板養護控制

蒸汽養護工藝一般分為靜停、升溫、恒溫、降溫4個階段［5］，為了防止軌道板溫差過大或恒溫溫度過高而導致混凝土產生裂縫，在蒸汽養護過程中，應根據軌道板的芯部溫度、表面溫度、環境溫度等及時調整蒸養溫度和蒸汽大小［1］，以嚴格控制蒸養過程中的升、降溫速率及恒溫溫度。

4.2.1 蒸汽養護

靜停階段:軌道板混凝土澆筑后必須在5～35℃的環境中靜停不小于3 h，待混凝土基本達到終凝，方可進行蒸汽養護［3］。該階段主要是保證混凝土中水泥進行一定程度的水化反應，使軌道板具有一定的強度，以防止升溫階段軌道板體積膨脹過快對結構產生破壞。混凝土靜停階段應防止水分蒸發，因為水分蒸發會導致混凝土表面出現收縮裂紋，特別是對錨穴處混凝土比較薄弱的地方極易產生，現場統計表明，采取有效覆蓋措施能明顯降低錨穴口裂紋發生率。

升溫階段:升溫速率的控制主要是調節軌道板的結構強度和由軌道板升溫產生的溫度應力之間的關系，防止升溫過程中軌道板的溫度應力超過其結構強度造成混凝土開裂。軌道板的模板、錨具都是鋼材，在快速升溫過程中，混凝土和鋼材的熱脹變形系數是不同的，例如:鋼材的線性膨脹率為12.90×10－61/℃，混凝土的線性膨脹率為(7～9)×10－61/℃，假定端部模具溫度變化為30℃，且以模具中心向四周形變，縱向錨穴長度為144 mm，因此混凝土與模具之間的變形差為144/2×(12.9－7)×30×10－6=0.012 7 mm，應變差為177×10－6，因此這種情況下作用在錨穴與混凝土界面上的應力可以達到37.2 MPa，如此大的溫度應力將會造成軌道板產生腫脹變形或者在他們接觸的地方產生裂紋。所以升溫速率要盡可能的降低。混凝土升溫速度，夏季控制在不大于15℃/h且均衡，升溫時間不少于2 h;冬季混凝土升溫速度控制在不大于10℃/h且均衡，升溫時間不少于3 h。

恒溫階段:恒溫階段的主要控制參數是恒溫溫度和恒溫時間。綜合考慮強度增長速度和裂紋出現概率，當環境溫度在5～15℃時，恒溫最高溫度控制在38℃較為合理;當環境溫度在15～30℃時，恒溫最高溫度控制在40℃較為合理，這2種方案既可以控制裂紋的出現又能保證生產效率(一天1個工作循環)。恒溫時間不宜超過6 h，5～5.5 h最佳。

降溫階段:降溫階段要緩慢停汽、均勻降溫、保持濕度。混凝土降溫速度，夏季控制在不大于15℃/h左右，降溫時間不少于4 h;冬季混凝土降溫速度控制在不大于10℃/h，降溫時間不少于6 h。實際操作中，在降溫階段的后半段，軌道板和模板溫度比較高，軌道板所在的小環境的溫度一直較高，當小環境溫度高于所設定的溫度時，蒸養系統就會停止向小環境供氣，造成小環境的濕度不夠，導致軌道板產生裂紋。建議采取以下辦法減少裂紋發生。

首先，要在蒸養棚的小環境中設置1個可以方便揭開的小蓋，當發現小環境的溫度高于設定的溫度時，打開小蓋，讓軌道板所在小環境能緩慢降溫，養護系統繼續向小環境供氣，保持小環境的濕度，避免在降溫階段產生裂紋。

總之，必須在蒸養階段控制軌道板的溫度、濕度梯度，防止因溫度應力或體積變形而產生裂縫。在保證軌道板結構強度的前提下，盡量拉長升溫階段和降溫階段的時間，并降低恒溫階段的溫度及縮短恒溫階段時間，可有效降低軌道板裂紋發生率。

4.2.2 室內水養及自然養護

軌道板蒸汽養護結束后，立即在軌道板表面覆蓋土工布并噴灑水槽中水進行養護，在軌道板脫模運轉直到張拉區域時，要時刻保持軌道板表面的土工布濕潤。

軌道板自然養護時應噴灑與軌道板板面溫度相近的水，保證軌道板濕潤。張拉封錨過程中，由養護人員及時覆蓋土工布并灑水養護，水養池中水溫控制在5～30℃以內，從水中取出的軌道板，吊運至存放區后，及時覆蓋土工布進行灑水養護［6］。

冬季制板時，應適當延長水養時間和水養后的室內自然養護時間，蒸養、水養和室內自然養護的累計時間至少7 d后，方可運至室外存板區。

4.2.3 施工環境的溫度及濕度控制

經TJ-2標開原板廠統計，不同室內環境溫度條件下裂紋發生率見表1。

表1 不同廠房環境溫度條件的裂紋發生率

由表1可知，對于相同恒溫階段最高溫度，廠房內環境溫度越低，裂紋發生率越高。對于相同的廠房內環境溫度，恒溫階段最高溫度越高，裂紋發生率越高。因此冬季施工時，應盡量提高室內環境溫度。建議冬季施工時應保證廠房內溫度在15℃以上，相對濕度在60%以上。為避免軌道板受穿堂風的影響，使冷空氣直接接觸軌道板表面，導致溫差過大產生裂紋，在軌道板降溫時應盡量避免門窗開啟。

4.3 規范脫模、吊裝工藝

軌道板脫模時，其強度必須滿足相關要求(一般不小于40 MPa)，同時要合理選擇拆模時間，拆模時板體各部溫差應符合規范要求，氣溫急劇變化時不宜拆模。在脫模的時候表面溫度和環境溫度不宜相差過大，否則容易產生裂紋，建議拆模溫差不超過15℃。另外，軌道板在頂升過程中必須保持水平，定位芯必須全部伸入起吊套管內，并進行預緊。

軌道板起吊時，應保證軌道板垂直上升，平時應加強模型孔位的檢測，對于變形的孔位及時進行修補。另外，為避免拆模時因擠壓、碰撞和粘連導致錨穴、起吊套管等位置產生裂紋，應定期對模型進行維修及養護，保證脫模裝置的正常使用，避兔軌道板與模具在脫模時產生擠壓和碰撞;使用模具前，注意清理干凈錨穴位置，脫模劑必須涂抹均勻、完整，避兔交界處產生粘連。

4.4 改進軌道板蒸汽養護裝置和模具基礎設置［7］

在澆筑模具基礎時，在模具下地面留置水槽并注入水，設置1套自動循環抽水裝置，在蒸汽養護進入恒溫階段軌道板終凝后，將水槽中的水抽到軌道板表面進行灑水或進行水霧養護(水槽中的水隨同蒸汽養護溫度變化而變化)。由于水的比熱較大，升溫降溫速率比蒸汽緩慢，可有效解決軌道板升溫降溫速率問題，同時可有效對軌道板進行時時濕潤養護。如圖3所示。

5 建議

為了減少縱向錨穴口處的裂紋發生率，建議優化CRTSⅠ型軌道板錨穴口處結構設計，改變縱向錨穴孔的大小和縱向錨墊板結構形狀，提高縱向錨穴上下混凝土壁厚，減少縱向錨穴長軸占軌道板厚度比例，如圖4、圖5所示。

另外，混凝土振搗結束后在縱向模具邊緣錨穴上表面均勻布置2根細鋼筋，鋼筋的抗拉性能可以有效減少縱向錨穴裂紋，同時可以增加縱向錨穴上臂(毛面)結構強度。

6 結論

CRTSⅠ型軌道板由于混凝土本身、結構設計及施工工藝的原因容易在錨穴口、起吊套管和軌道板表面等位置產生裂紋。

根據裂紋產生的各種原因及機理，結合哈大客運專線的環境特征，采取強化混凝土施工過程控制，加強軌道板環境溫度和濕度的控制，嚴格執行哈大客運專線制定的自然養護、蒸汽養護和室內水養工藝，優化拆模工藝等措施能夠有效減少軌道板裂紋產生數量及概率。

［1］哈大鐵路客運專線有限公司.哈大客專綜合施工技術研究報告－CRTSⅠ型無砟軌道板預制綜合施工技術研究階段性科研報告［R］.沈陽:哈大鐵路客運專線有限公司，2011.

［2］白小可.淺談 CRTSⅠ型軌道板裂縫控制技術［J］.山西建筑，2010，36(21):290-291.

［3］富文權，韓素芳.混凝土工程裂縫分析與控制［M］.北京:中國鐵道出版社，2003.

［4］李敏霞，李義強.雙塊式無砟軌道生產線蒸汽養護系統設計［J］.工業安全與環保，2010，36(4):45-47.

［5］鐵道部科技司.科技基［2008］74號 客運專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道混凝土軌道板暫行技術條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［6］哈大鐵路客運專線有限公司.哈大客專CRTSⅠ型無砟軌道板質量控制手冊［M］.沈陽:哈大鐵路客運專線有限公司，2009.

［7］張先軍，趙世運.嚴寒地區客運專線CRTSⅠ型無砟軌道板制造蒸養階段裂紋控制技術［J］.國防交通工程與技術，2011(3):49-51.