蘭新鐵路CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道道床板混凝土抗裂技術

王保江

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

新建蘭新鐵路第二雙線橫貫我國西北地區，全長1 776 km，途經安西、煙墩、百里、三十里和達坂城5個風區，沿線大部分地區處于大溫差、大風沙、大蒸發和降水稀少的惡劣自然環境。根據2009年國家發改委批復的《新建蘭新鐵路第二雙線可行性研究報告》，蘭新鐵路第二雙線設計時速為200 km/h以上，其軌道形式采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結構。國內外高速鐵路工程實踐表明，CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道具有造價低、工藝簡單和可維修性好等優勢，但也存在現澆道床板混凝土易出現各種形式開裂的問題。一旦在施工期間對道床板混凝土的開裂未能進行有效控制，投入運營后，在強疲勞荷載和有害介質侵蝕的多重作用下，裂縫極易擴展，不但會增加維護成本，甚至會威脅到行車安全［1］。蘭新鐵路第二雙線面臨的惡劣自然氣候條件使得混凝土早期裂縫比其它地區更難控制，這給CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道施工帶來了前所未有的挑戰。因此，本文根據蘭新鐵路二線工程建設的實際需要，以確保CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結構達到設計使用壽命為目標，針對沿線自然環境和CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結構特征，分析道床板混凝土抗裂技術難點，從混凝土材料和施工兩個方面，提出CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道道床板混凝土抗裂技術，為蘭新鐵路第二雙線CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道施工提供借鑒。

1 蘭新二線道床板混凝土抗裂技術難點

CRTSⅠ型無砟軌道道床板為現澆混凝土，施工時混凝土上表面直接暴露在空氣中，施工質量受環境因素影響很大，同時，道床板混凝土在水平方向的變形遠大于垂直方向的變形，發生變形時道床板混凝土不但受到內部鋼筋和預制軌枕塊的約束，而且底部也受到支承層的約束，在蘭新鐵路第二雙線惡劣的自然環境下開裂的風險極大。道床板混凝土的裂縫控制是無砟軌道質量控制的難點，具體體現在混凝土材料和施工兩個方面，見表1。

表1 蘭新二線道床板混凝土抗裂技術難點

2 低收縮混凝土制備

2.1 低收縮混凝土配合比參數優化

混凝土收縮是影響其抗裂性的重要因素之一［2-3］，通過優化混凝土配合比參數，降低漿體體積率、單方用水量和膠凝材料用量，利用礦物摻合料實現膠凝材料的多元化等手段，可實現減小混凝土收縮進而提高抗裂性的目的。經室內研究確定了蘭新鐵路第二雙線C40道床板低收縮混凝土的配制原則為“低膠材用量、低用水量、低坍落度、高含氣量”(三低一高)。具體內容如下:①膠凝材料用量不宜大于380 kg/m3，摻加不少于30%的優質粉煤灰;②單方用水量不應大于150 kg/m3;③為避免表層浮漿，采用斗送時入模坍落度不應大于140 mm，泵送時坍落度不應大于160 mm;④單方最大漿體體積不應大于0.30 m3(不計空氣體積);⑤入模含氣量不應小于4%。

2.2 內養護技術

2010—2011年，課題組在蘭新二線沿線玉門、柳園、達坂城和吐魯番等地開展了線外試驗段試驗。結果表明，由于自然環境的嚴酷，單純采用優化混凝土配合比參數的常規手段并不能有效抑制大風干旱地區道床板裂紋的產生。內養護技術是混凝土自澆筑成型后就已實現無間歇養護的新技術，是自上世紀引氣技術以來最重要的提升混凝土耐久性技術之一［4-6］。課題組通過借鑒國際上內養護技術成果，對傳統內養護成分進行優選，并復合保水、減縮組分，充分發揮各組分的補水、保水和減縮的疊加效應，研制出具有高抗裂性能的內養護材料［7］。

2.2.1 內養護材料對混凝土收縮性能的影響

圖1為摻內養護材料的C40道床板抗裂混凝土和普通C40道床板混凝土的塑性收縮及長期干縮對比圖。從圖1可以看出，摻內養護材料混凝土72 h時的塑性收縮值僅為普通混凝土的20%;而摻內養護材料混凝土的長期干縮值較普通混凝土降低約36%。無論是在塑性階段還是硬化階段，摻內養護材料均具有顯著的減縮效果。

圖1 內養護材料對道床板混凝土塑性收縮及長期干縮的影響

2.2.2 內養護材料對混凝土抗裂性能的影響

抗裂性能測試試驗裝置見圖2(a)。摻內養護材料的C40道床板抗裂混凝土和普通C40道床板混凝土的抗裂性能對比見圖2(b)。從圖2(b)可以看出，普通混凝土在5 d齡期時發生開裂，而摻內養護材料抗裂混凝土的開裂明顯延遲，在18 d齡期時尚未出現裂紋。可見，內養護材料能明顯提高混凝土的抗裂性能。

圖2 抗裂性能測試試驗裝置及兩種混凝土抗裂性能對比

2.2.3 內養護材料的作用機制

內養護材料的實質是在充分研究內養護混凝土特性的基礎上，賦予其多功能化以滿足蘭新鐵路道床板抗裂的需求。其作用機制為:充分利用高分子保水材料增加水分子間的內聚力和遷移阻力，在阻止水分散失的同時，改善混凝土的稠度以消除泌水和降低浮漿厚度;引入級配化設計的補償收縮組分，以實現混凝土的分階段減縮;利用預蓄水組分在混凝土內部進行水分補償，以實現塑性階段的保水和硬化階段持續補水的自養護功效;發揮多功能組分的疊加效應，實現干旱環境下補償收縮組分的功效最大化(見圖3)。

圖3 內養護材料在混凝土中的作用機制

3 混凝土施工控制

根據工程實際需要，道床板混凝土施工過程質量控制應涵蓋與結構特點和環境特征相適應的混凝土施工技術、科學的節水保濕養護技術和合理的溫度應力釋放措施3個方面。現結合蘭新鐵路道床板混凝土的施工工藝流程對其施工過程控制進行詳細闡述，見圖4。

圖4 道床板混凝土施工工藝流程及過程控制

圖5和圖6分別為道床板混凝土“之”字形路線三點布料澆筑工藝及二次振搗工藝示意圖。采用“之”字形路線三點布料澆筑工藝主要目的是為了保證入模混凝土的整體勻質性，降低混凝土表層浮漿的厚度，進而防止道床板混凝土表面龜裂。二次振搗工藝是在使用φ50振動棒振搗完畢后，再使用φ30振動棒斜插入軌枕底部并在軌枕四周進行振搗。其目的是保證軌枕底部混凝土密實以及四周混凝土與軌枕界面黏結質量，防止出現離縫。

圖5 “之”字形路線三點布料澆筑工藝

圖6 二次振搗工藝示意

4 工程應用

CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道道床板混凝土綜合抗裂技術經蘭新鐵路第二雙線線外試驗段驗證有效后，在蘭新二線張掖以西地區、張掖以東高海拔(2 800 m以上)地區正線施工中得到推廣應用。經后期觀測并對現場道床板混凝土開裂情況進行了統計，結果見圖7。由圖7可看出，采用抗裂技術施工的道床板混凝土八字角裂紋、板面不規則裂紋和道床側邊裂紋均明顯少于采用常規技術施工的道床板混凝土，道床板混凝土裂紋得到有效控制。

圖7 采用常規技術和抗裂技術的兩種道床板混凝土(90 d齡期)開裂情況對比

5 結論

1)采用“低膠材用量、低用水量、低坍落度和高含氣量”(三低一高)的混凝土配制技術，能夠有效降低混凝土的收縮和水化熱。該配制技術是蘭新二線道床板混凝土裂縫控制的基礎。

2)內養護材料與外養護劑養護相結合的“內部抗裂、外部防裂”混凝土裂縫控制技術，能夠與蘭新二線CRTSⅠ型無砟軌道道床板的結構特點和環境特征相適應。該裂縫控制技術是蘭新二線道床板混凝土裂縫控制的關鍵。

3)從提高混凝土勻質性、縮短混凝土暴露時間和及時釋放溫度應力三方面提出的混凝土施工技術措施，是蘭新二線道床板混凝土裂縫控制的保障。

［1］李向國．高速鐵路技術［M］．北京:中國鐵道出版社，2008．

［2］吳華君，方鵬飛．高性能混凝土干燥收縮規律研究［J］．混凝土，2009(8):33-34．

［3］王鐵夢．工程結構裂縫控制［M］．北京:中國建筑工業出版社，1999．

［4］HENKENSIEFKEN R，CASTRO J，KIM H，et al．Internal curing improves concrete performance throughout its life［J］．Concrete Infocus，2009，8(5):22-30．

［5］JENSEN O M，HANSEN P F．Water-entrained cement-based materialsⅡ．Experimental observations［J］．Cement and Concrete Research，2002(32):973-978．

［6］孔祥明，李啟宏．高吸水性樹脂對水泥砂漿體積收縮及力學性能的影響［J］．硅酸鹽學報，2009，37(5):855-861．

［7］朱長華，李享濤，王保江，等．內養護對混凝土抗裂性及水化的影響［J］．建筑材料學報，2013，16(2):221-225．