無砟軌道混凝土道床板多重防裂措施應用研究

樓梁偉，程巖，仲新華，朱長華，崔強

(1．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2．寧杭鐵路有限責任公司，江蘇杭州 310007)

無砟軌道混凝土道床板多重防裂措施應用研究

樓梁偉1，程巖2，仲新華1，朱長華1，崔強2

(1．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2．寧杭鐵路有限責任公司，江蘇杭州 310007)

無砟軌道道床板開裂已成為高速鐵路建設和運營過程中經常遇到的問題。針對無砟軌道道床板現澆混凝土容易開裂的現狀，結合工程實例，采取內摻養護材料、外噴高效養護劑的“內部抗裂、外部防裂”雙重裂控技術，并配合新型保濕養護膜的附加防裂措施。實踐證明，該方法有效解決了道床板混凝土的開裂問題，提升了無砟軌道道床板施工質量，可供同類工程借鑒。

無砟軌道 道床板 混凝土 防裂措施

無砟軌道采用混凝土整體結構是高速鐵路客運專線軌道結構的發展趨勢。道床板開裂在高速鐵路建設和運營過程中經常會遇到，無砟軌道道床板為現澆板式鋼筋混凝土結構，混凝土內部受到鋼筋和軌枕單元的約束，外部受到支承層的約束，同時混凝土暴露面積大，會導致道床板開裂［1］。道床板裂縫一旦形成，特別是貫穿裂縫的存在，會降低道床板的絕緣性能，削弱無砟軌道的承載能力，降低無砟軌道的耐久性，同時還會嚴重危害到行車安全。因此，防止無砟軌道道床板混凝土早期開裂，抑制混凝土后期開裂趨勢，對實現軌道結構的設計功能和長期使用性能具有重要意義。

為解決現澆混凝土道床板的開裂問題，采取了內摻內養護材料、外噴高效養護劑以及粘貼透水模板布三重技術措施，并對道床板后期裂損情況進行了跟蹤調查與分析。

1 道床板典型開裂形式

以路基段CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道為例，其組成結構從下至上依次為路基基床表層(級配碎石)、C20混凝土支承層、C40混凝土道床板、雙塊式軌枕(鋼筋桁架)、扣件以及鋼軌。顯然，受新舊混凝土約束、溫度應力、干燥收縮、構造措施、施工控制不當等因素的影響，混凝土道床板施工后容易開裂。

圖1為無砟軌道現澆混凝土道床板典型開裂形式示意圖。根據開裂部位和特征的不同，可將道床板開裂分為4種主要形式:①軌枕八字角裂縫;②橫向裂縫;③側向裂縫;④表面不規則裂縫。上述開裂形式在德國高速鐵路和臺灣高速鐵路的混凝土道床板中都有出現，而且運營后在列車荷載以及溫度、雨水等環境因素的共同作用下，裂縫會不斷延伸和擴展［2］。國內相關報道亦是屢見不鮮［3-5］。不論何種形式的開裂，都會對軌道結構服役性能產生影響，并最終給線路行車安全帶來不利影響。

圖1 無砟軌道道床板典型開裂形式

2 道床板防裂技術措施

2.1 摻內養護材料

內養護材料是一種新型的混凝土添加組分，其原理是利用引入的輕骨料或高吸水樹脂(SAP)等吸收、預蓄存水分，以持續補償混凝土凝結硬化過程中的水分消耗，延緩混凝土內部濕度降低速率，可顯著降低混凝土的收縮［1］。其作用機制如圖2所示。

圖2 SAP作用機理示意

試驗段采用普通高性能混凝土、優化配合比后的混凝土以及摻內養護材料的混凝土分別進行澆筑，內養護材料為中鐵科學技術開發公司生產的TK-ICM型。試驗段澆筑里程及施工方案詳見示意圖3，道床板混凝土配合比見表1。

圖3 試驗段澆筑里程及方案(單位:m)

表1 道床板混凝土配合比kg/m3

道床板混凝土采取集中攪拌、泵送施工的方法，坍落度嚴格控制在150～180 mm，含氣量控制在3.0%～4.0%。混凝土要求人工攤鋪，嚴禁在澆筑過程中使用振搗棒拖、趕混凝土，并配備專人進行均勻振搗，避免側模、軌枕附近的混凝土出現漏振現象，但亦不得過振。

混凝土澆筑7 d后的外觀如圖4所示。從圖4中可以發現，左線道床板混凝土因摻加了內養護材料，其外觀顏色均勻，呈現青色，表面密實，拆模前后無缺棱掉角，而右線中未摻內養護材料的道床板混凝土則顏色發白，表面分布較多氣孔，感觀較為粗糙。這是由于內養護材料改善了混凝土工作性能，減少了混凝土表面泌水，提高水泥水化程度，優化了混凝土微觀孔結構，大大增強了混凝土的密實度，改善了細觀效果。

圖4 混凝土外觀質量

2.2 噴涂高效養護劑

無砟軌道道床板屬于現澆混凝土結構，呈現寬幅(2 800 mm)以及薄壁(265 mm)的特點，具有較小的體表比，混凝土暴露面積大，因而混凝土在硬化過程中容易失水，出現塑性收縮、干燥收縮等引起的裂縫。此外，混凝土終凝前無法灑水養護，現有覆蓋措施無法保證養護質量。為避免混凝土早期失水過多，降低道床板混凝土早期開裂的風險，噴涂高效養護劑是目前行之有效的養護方式之一。

養護劑是一種高分子涂膜材料，噴灑在混凝土表面后固化，形成一層致密的薄膜，使混凝土表面與空氣隔絕，防止水分過快蒸發，保證混凝土早期具有較好的保濕養生條件。養護劑噴涂隨混凝土施工跟進作業，待混凝土收漿后，表面無泌水，并用手指輕輕壓無印痕，隨即施工。

試驗段采用中國鐵道科學研究院生產的TKC-Ⅰ型高效養護劑，其性能指標詳見表2。養護劑用量控制在0.2～0.3 kg/m2，并根據當時施工環境，如氣溫、溫度、風速等，通過試噴后適當調整后確定。現場采取先噴灑后局部滾涂的方法，確保養護劑均勻覆蓋在道床板混凝土表面。養護劑噴涂后效果如圖5所示。

表2 高效養護劑性能指標

圖5 高效養護劑

2.3 粘貼透水模板布

無砟軌道道床板屬于長距離帶狀薄壁結構，受溫度、濕度、應力等因素的影響明顯，因此需要采取科學、有效的養護方式，以保證實體結構質量。與傳統灑水覆蓋養護方式不同，透水模板布是以改性高分子聚合物纖維為主要材料，經過特殊工藝加工制成的新型養護材料，如圖6所示。養護膜一側通過專用粘結膠密貼于模板內側，另一側則緊貼于混凝土，它能夠顯著提高混凝土表面的密實度，改善混凝土的抗裂性能。無砟軌道道床板專用透水模板布施工工藝為:模板表面清理→模板表現噴涂專用膠→粘貼專用透水模板布→立模澆筑混凝土→拆模后沖洗清理→二次周轉使用。

圖6 透水模板布

施工時，需特別注意透水模板布與模板粘貼牢固，并保證平整無褶皺，否則影響使用效果，有害觀瞻。圖7為采用透水模板布的道床板混凝土與未采用透水模板布的道床板混凝土外觀質量對比圖(拆模當天拍攝)。

圖7 混凝土外觀質量

通過圖7對比發現，采用透水模板布技術的道床板混凝土表面更為細致、密實，顏色均勻，砂斑、氣泡等問題極為少見;反之，未采用透水模板布的道床板混凝土表面則分布較多氣泡、砂眼，手指輕扣即出現較深印痕，顯得較為酥松。原因在于:①透水模板布緊貼于混凝土表面，其保濕作用能確保混凝土在早期養護階段保持較大濕度，降低產生微裂縫的風險;②透水模板布具有良好的孔徑尺寸與分布，能有效排出混凝土表面多余水分和空氣，使混凝土形成一層富含水化硅酸鈣的致密層，從而有效減少混凝土表面的氣泡，大大提高混凝土表面的密實度，改善抗裂性能。

3 裂損情況調查

2012年6月21日和2012年12月25日兩次對摻內養護材料、未摻內養護材料以及優化配合比后的混凝土道床板的裂損情況進行了調查。每一調查區段的長度約為25 m，各選取38個軌枕單元進行逐個查看，主要包括開裂的部位、數量、寬度以及長度。為便于對調查結果進行分類描述，將道床板裂縫進行了分類，主要有以下幾種形式:

1)軌枕塊八字角裂縫。軌枕塊邊角裂縫引發于軌道塊四個邊角位置，長短不一，嚴重時同排或同列相鄰軌道塊邊角裂縫相互連通或延伸至道床板外側邊緣。

2)道床板橫向裂縫。道床板橫向裂縫主要有三種形式:其一為在支承層切縫位置出現，約占橫向裂縫的50%，為主要出現方式，該類裂縫較為嚴重，往往沿整個道床板橫截面貫通;其二為軌枕塊邊角裂縫連通形成，在局部區段比較嚴重;第三種橫向裂縫位于不同排軌枕塊之間，為單獨出現，較為少見。

3)表面不規則裂縫。表面不規則裂縫并非普遍現象，如龜裂等，多與施工時混凝土狀態及施工后養護情況有關。

試驗段道床板混凝土裂損調查統計結果見表3。

表3 道床板裂縫數調查結果

現場兩次調查表明，隨著時間的延長，道床板混凝土開裂趨勢有所增加。從表3可知，區段Ⅰ采取內摻內養護材料、外噴高效養護劑，并附加透水模板布的綜合措施，混凝土道床板在自然環境中暴露7個月后未出現可見裂縫，而暴露一年后出現了3條因支撐層切縫引起的橫向貫穿裂縫，1條八字角短裂縫以及少量表面不規則微裂縫。區段Ⅱ未摻內養護材料，一年后混凝土道床板開裂較為嚴重，尤其以軌枕邊角處開裂居多，占開裂總數的80%以上，其中最大裂縫寬度達0.28 mm，最長裂縫達800 mm。區段Ⅲ采用優化配合比后的混凝土進行施工，混凝土道床板開裂情況較區段Ⅱ有所改善，但仍出現較多裂縫，至第二次觀測期間，已有7條裂縫橫向貫通整個道床板，且個別裂縫最大寬度已超過0.2 mm。

圖8為實際調查過程中發現的部分混凝土道床板的裂損現象，其中軌枕塊八字角裂縫較為普遍。分析認為，道床板混凝土在收縮或不均勻沉降過程中，容易在預制混凝土軌枕與現澆混凝土結合部位，尤其在邊角處產生應力集中，使得混凝土在持續拉應力狀態下開裂，并隨時間逐漸延伸發展。

圖8 混凝土裂損現象

4 結語

結合工程實踐，為解決無砟軌道道床板混凝土的開裂問題，本文采取了多重防裂措施，綜合效果良好。總結如下:

1)采用內養護材料，實現了混凝土內部水分補償，減少了混凝土的收縮尤其是塑性收縮和干燥收縮，提高了混凝土的抗裂性。

2)噴涂高效養護劑，可在混凝土澆筑后短時間內實施，克服了灑水養護只能在混凝土硬化后進行的缺點，大幅減少混凝土因失水干燥而產生的早期收縮裂縫。

3)粘貼透水模板布，能夠形成長效保濕機制，減少混凝土表面浮漿，提高混凝土的密實度，進而增強道床板混凝土的抗裂性。

需要指出的是，除采取上述措施外，施工過程中需密切關注混凝土原材料質量、配合比控制、二次抹面、切縫時機等各影響環節，切實加強施工質量管理，從而有效避免道床板混凝土開裂。

［1］朱長華，王保江，裘智輝，等．CRTSⅠ型無砟軌道道床板裂縫成因分析及應對措施［J］．施工技術，2012，41(5):77-79．

［2］劉振民，錢振地，張雷．雙塊式無砟軌道道床板混凝土裂縫的分析與防治［J］．鐵道建筑，2007(6):99-101．

［3］欒永平．現澆雙塊式無砟軌道板裂縫控制機理和預防措施［J］．鐵道建筑，2010(1):21-22．

［4］王會永，閆紅亮．整體道床無砟軌道現澆道床板新老混凝土黏結面應力分析［J］．鐵道建筑，2010(6):111-113．

［5］任娟娟，劉學毅，趙坪銳．連續道床板裂縫計算方法及影響因素［J］．西南交通大學學報，2010，45(1):34-39．

U215．4+4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．05．41

1003-1995(2013)05-0137-04

2012-11-20;

2013-02-20

中國鐵道科學研究院基金項目(2011YJ87);上海鐵路局科研開發項目(2012084)

樓梁偉(1982—)，男，浙江諸暨人，助理研究員，碩士。

(責任審編 王紅)