高原鐵路無砟軌道道床板裂縫控制措施

何財基 苗國林 李享濤 東懷正 裘智輝 劉偉斌

（1.川藏鐵路有限公司，成都 610043；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.西藏鐵路建設(shè)有限公司，拉薩 850000）

無砟軌道現(xiàn)澆混凝土道床板具有施工便捷、造價較低、工程適應性強等優(yōu)點，在我國鐵路建設(shè)中應用廣泛［1-2]。其中，CRTSⅠ型雙塊式、彈性支承塊式和長枕埋入式是較為常見的結(jié)構(gòu)形式。工程實踐表明［3-5]，無砟軌道現(xiàn)澆混凝土道床板在施工過程中易出現(xiàn)龜裂、軌枕四角處八字裂縫、板面橫向貫通裂縫、軌枕環(huán)向離縫等開裂問題。氣候環(huán)境惡劣時道床板開裂現(xiàn)象更為嚴重。道床板裂縫將影響結(jié)構(gòu)耐久性、軌枕穩(wěn)定性及其道床板整體受力特性，嚴重時甚至影響到列車運營安全。因此，研究高原地區(qū)現(xiàn)澆混凝土道床板開裂控制措施，對減少無人區(qū)鐵路軌道工程的養(yǎng)護維修量具有重要意義。

本文主要從結(jié)構(gòu)、材料和施工工藝三個方面提出減少高原鐵路無砟軌道道床板開裂的措施，并通過現(xiàn)場試驗驗證其對高原環(huán)境的適應性，為今后高原鐵路無砟軌道施工質(zhì)量控制提供借鑒。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

1.1 道床板鋪設(shè)方式

無砟軌道道床板的鋪設(shè)方式分為連續(xù)式和分塊式。連續(xù)式道床板整體結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，在列車荷載作用下抗彎能力較強，但對溫度變化敏感，受上部和下部強約束的影響，混凝土所受的水平縱向應力遠大于橫向應力，易發(fā)生橫向開裂［6]，而分塊式道床板在溫度力作用下內(nèi)部應力小，板端位移量小，有利于減少裂縫的數(shù)量和寬度［7]。綜合考慮2 種道床板的受力特點，高原鐵路無砟軌道宜按分塊式道床板設(shè)計。

1.2 道床板厚度

無砟軌道結(jié)構(gòu)所受荷載主要來自上部列車動荷載，列車頻繁的動載作用會造成道床板與底座板剝離，尤其是道床板厚度不足時兩者間離縫會更嚴重。圖1 為道床板寬度280 cm 時彎曲應力隨道床板厚度變化曲線。可知，道床板厚度從24 cm 增至42 cm，道床板所受的彎曲應力由1.89 MPa 降至0.83 MPa。增加道床板厚度可有效減小列車動荷載作用下道床板所承受的彎曲應力。為了減小列車動荷載對道床板的破壞作用，無砟軌道道床板厚度不宜小于35 cm。

圖1 彎曲應力隨道床板厚度的變化曲線

1.3 道床板寬度

道床板厚度35 cm 時彎曲應力隨道床板寬度的變化曲線見圖2。可知，道床板寬度由240 cm 增至280 cm 時，道床板所受的彎曲應力由1.18 MPa 降至1.08 MPa，道床板寬度達到280 cm 以上時彎曲應力基本無變化。這說明在一定范圍內(nèi)增加道床板寬度，可有效減小列車動荷載作用下道床板所受的彎曲應力，道床寬度宜按280 cm設(shè)計。

圖2 彎曲應力隨道床板寬度變化曲線

1.4 抗裂鋼筋

現(xiàn)澆板式無砟軌道軌枕四周道床板混凝土應力較集中，須采取適宜構(gòu)造措施。如軌枕四周可增設(shè)八字抗裂鋼筋（圖3）。按環(huán)境條件惡劣程度的不同，抗裂鋼筋有單排和雙排兩種布置方式。相比單排布置，雙排布置抗裂鋼筋對道床板抗裂作用更強。該方案在蘭新、寶蘭、興泉鐵路進行了應用，增設(shè)抗裂鋼筋后道床板整體溫度縱向應力減小5.27%［8]，減少了軌枕四周八字裂縫的出現(xiàn)概率。

圖3 斜向抗裂鋼筋布置

2 材料優(yōu)化措施

2.1 低收縮道床板混凝土配制

減小混凝土的塑性收縮和干燥收縮是降低混凝土開裂的重要途經(jīng)。通過優(yōu)化配合比，降低膠凝材料用量、水膠比和坍落度，適當提高含氣量，可提高混凝土的勻質(zhì)性，降低混凝土的塑性收縮及干燥收縮，從而達到提高混凝土抗裂性的目的。“三低一高”低收縮道床板混凝土配制技術(shù)要點［9-10]：①混凝土膠凝材料用量宜控制在380 kg/m3左右，不得大于400 kg/m3；②混凝土單方最大漿體體積不應大于0.32 m3；③混凝土砂率不宜大于40%；④混凝土的含氣量宜控制在4%～6%；⑤混凝土坍落度不宜大于140 mm。

2.2 基于內(nèi)養(yǎng)護的高抗裂道床板混凝土技術(shù)

高原地區(qū)太陽輻射強、晝夜和全年氣溫波動大、大風干燥，大部分地區(qū)全年8 級以上的大風日在50 d以上，1月平均氣溫均低于0 ℃，極端最低氣溫低于-20 ℃。在如此惡劣環(huán)境下進行無砟軌道施工，還須采取技術(shù)措施進一步提高混凝土自身的抗裂性能。針對干燥環(huán)境下混凝土濕度補償需要，課題組提出摻內(nèi)養(yǎng)護劑的方法提高道床板混凝土的抗裂性能。圖4為摻內(nèi)養(yǎng)護劑混凝土的塑性收縮和干燥收縮隨齡期的變化曲線。可知，與基準混凝土相比，摻內(nèi)養(yǎng)護劑混凝土72 h齡期塑性收縮降低85%，240 d齡期干燥收縮降低36%。無論在塑性階段還是硬化階段，內(nèi)養(yǎng)護劑均具有優(yōu)異的減縮效果，使混凝土抗裂性能得到明顯提升。

圖4 摻內(nèi)養(yǎng)護劑混凝土塑性收縮與干燥收縮隨齡期變化曲線

圖5 圓環(huán)約束開裂試驗裝置

圖6 內(nèi)養(yǎng)護劑對砂漿抗裂性能的影響

采用圓環(huán)約束開裂法評價混凝土的抗裂性能，試驗裝置見圖5，內(nèi)養(yǎng)護劑對與C40 道床混凝土同配比砂漿（篩除碎石）抗裂性能的影響見圖6。可知，基準砂漿在接近5 d 齡期時開裂，開裂前鋼環(huán)最大應變?yōu)?7×10-6；摻內(nèi)養(yǎng)護劑砂漿至18 d 齡期時仍未開裂，且其收縮引起的鋼環(huán)應變與基準砂漿相比一直處于較低水平。可見，內(nèi)養(yǎng)護劑能提高砂漿硬化后的抗裂性能。這主要是因為保水組分在砂漿內(nèi)部遷移和阻滯水分可提高砂漿黏聚力，減緩砂漿表面水分的散失；濕度調(diào)控組分在砂漿內(nèi)部進行水分補償，為水泥水化提供良好的內(nèi)部濕度環(huán)境，可降低砂漿的塑性收縮和自收縮。

3 施工工藝優(yōu)化措施

3.1 機械化施工

為避免道床板混凝土澆筑過程中離析、分層，需采用“三低一高”低收縮道床板混凝土進行施工。因高原條件下傳統(tǒng)施工工藝導致工人勞動強度高，針對高抗裂道床板混凝土施工性能特點，課題組提出己字形三點布料澆筑工藝（圖7）并研制了機械振搗機。采用該布料工藝可提高混凝土入模后的勻質(zhì)性，減少混凝土表層浮漿，抑制表面龜裂和八字裂縫。機械振搗機（圖8）由行走系統(tǒng)、振搗系統(tǒng)、升降系統(tǒng)等組成，橫向布設(shè)4 根φ100 高頻振搗器，保證軌枕底部混凝土密實和界面黏結(jié)質(zhì)量，避免振搗、抹面過程中工人隨意灑水，減少軌枕四周離縫、八字裂縫出現(xiàn)的概率。

圖8 機械振搗機

3.2 高效保濕養(yǎng)護

養(yǎng)護是減少道床板混凝土開裂的重要環(huán)節(jié)。工程上道床板養(yǎng)護常采用灑水覆蓋、滴灌等傳統(tǒng)養(yǎng)護方法，但均須在養(yǎng)護期間不間斷補水，且暴露面積大的現(xiàn)澆混凝土還存在灑水早易起皮、灑水晚易開裂的問題。針對高原地區(qū)道床板混凝土養(yǎng)護時效性強的特點，課題組提出了成膜保濕養(yǎng)護方法。最后一次抹面后，在道床板混凝土表面噴灑或涂刷成膜養(yǎng)護劑，形成一層連續(xù)致密薄膜以阻止水分散失進而達到高效保濕養(yǎng)護的目的。成膜型養(yǎng)護劑對混凝土塑性開裂性能的影響見表1。可知，與基準混凝土相比，噴涂成膜型養(yǎng)護劑混凝土的開裂時間延遲3.4 h，裂縫數(shù)量、最大裂縫寬度、最大裂縫長度和開裂面積均顯著減小，這說明成膜型養(yǎng)護劑可有效防止表層混凝土水分散失，進而提高道床板混凝土的抗裂性能。

4 工程應用

表2 試驗段裂縫統(tǒng)計結(jié)果

拉林（拉薩—林芝）鐵路為160 km/h 客貨共線鐵路，在地質(zhì)情況良好且長度大于1 km 的隧道內(nèi)鋪設(shè)彈性支承塊式無砟軌道，先期施工的道床板已出現(xiàn)不同程度的開裂。為驗證上述無砟軌道道床板綜合抗裂技術(shù)措施在高原地區(qū)的適應性，選擇代表性工點開展了現(xiàn)場試驗。在道床板合理設(shè)計、機械化施工的基礎(chǔ)上，設(shè)計了三種方案重點研究增設(shè)抗裂鋼筋、摻內(nèi)養(yǎng)護劑、噴涂成膜型養(yǎng)護劑對道床板混凝土抗裂性能的影響。對現(xiàn)場道床板開裂情況進行了持續(xù)觀測，140 d齡期的觀測結(jié)果見表2。可知：方案2 和方案3 均能有效降低道床板混凝土的裂縫數(shù)量和最大裂縫寬度，且方案3效果更明顯。與方案2比較，方案3混凝土每延米裂縫數(shù)量降低了78.4%，每平方米道床板裂縫總長度降低了92.8%，最大裂縫寬度減小了72.2%，徹底消除了貫穿裂縫，表明內(nèi)養(yǎng)護劑的抗裂效果顯著。方案1和方案2混凝土表面龜裂嚴重（圖9（a）），而方案3混凝土表面均沒有出現(xiàn)龜裂（圖9（b）），說明內(nèi)養(yǎng)護劑能有效阻止混凝土早期水分散失。

圖9 道床板現(xiàn)場試驗效果

5 結(jié)語

因環(huán)境嚴酷、原材料品質(zhì)差，高原地區(qū)道床板開裂敏感性高。高原鐵路無砟軌道道床板裂縫控制是一項系統(tǒng)工程，需從結(jié)構(gòu)、材料和施工三方面采取綜合技術(shù)措施。增設(shè)抗裂鋼筋能一定程度上降低道床板的八字裂縫，摻內(nèi)養(yǎng)護劑不僅能顯著降低道床板八字裂縫，還能有效避免橫向貫穿裂縫，機械化施工能有效降低軌枕四周離縫，噴涂成膜型養(yǎng)護劑可顯著降低道床板表層龜裂。本文提出的道床板裂縫控制措施可為高原鐵路無砟軌道工程建設(shè)提供借鑒。