CRTS 雙塊式無砟道床抗裂混凝土性能及應用研究

高 貴

(武九鐵路客運專線湖北有限責任公司，湖北 武漢 430212)

我國高鐵運營里程居世界榜首，板式無砟軌道中雙塊式無砟軌道因其結構整體性強、受力明晰、工藝簡單、造價低等優點在我國高鐵中廣泛應用。工程實踐表明：CRTS 雙塊式無砟軌道結構面臨的主要問題之一是道床現澆混凝土容易開裂；主要表現為道床板表面龜裂，出現軌枕四角“八”字、橫向和軌枕間連通裂紋，其中以軌枕四角處“八”字型開裂最為嚴重[1-6]。道床板混凝土一旦出現開裂，在列車動荷載作用下，裂縫會加速發展，雨水、有害離子等借助裂縫進入混凝土內部引起鋼筋銹蝕破壞或凍脹破壞等，不但增加后期運營維護成本，還會影響列車運行安全。因此，如何有效減少或避免道床板混凝土開裂已成為提高雙塊式無砟軌道結構服役壽命需解決的關鍵問題。

1 道床混凝土裂縫成因分析

通過對武廣高鐵、大西客專等已開通線路道床混凝土開裂情況調研發現：一是并非所有線路都出現明顯的道床混凝土開裂，即便在同一標段范圍，也存在區段開裂嚴重和輕微的情況，追溯施工記錄可知，開裂嚴重區段混凝土坍落度一般較大，且施工中存在離析、泌水現象。二是道床混凝土開裂時間一般出現在混凝土澆筑后7 d～2個月。因此，可初步確定結構性因素(路基沉降變形、橋梁上拱變形、環境溫度應力引起的結構變形等)不是引起道床混凝土開裂的主因，混凝土自身收縮變形過大、抗裂性差才是主要因素。現有道床板混凝土制備和施工方面存在以下對收縮變形不利的影響因素：

(1)混凝土配合比設計不合理。現場施工為縮短工期，通常追求早期強度增長快，配合比設計時，傾向于采用高膠凝材料和高水泥用量，同時為保持工作性和降低坍落度經時損失，又會采用較高的用水量和減水劑摻量，從而導致混凝土收縮變形和開裂風險大幅增加。這也是導致道床混凝土容易開裂的主要原因，國內外關于混凝土開裂方面的研究結論也印證了這一觀點[7-11]。

(2)混凝土施工工藝不合理。現有道床混凝土入模坍落度較大，一般在180～220 mm范圍，加之骨料粒型和級配不好，容易出現離析、泌水等現象；澆筑振搗通常采用軌枕間點卸料、振搗棒趕料的方式，導致稀漿在軌枕四周的積聚，加劇了預制軌枕與現澆道床混凝土收縮變形的不一致，軌枕四角道床板混凝土更易開裂。

(3)養護方式不合理。道床混凝土養護一般是采用棉被或土工布覆蓋澆水養護，但養護過程中工人很難保證澆水頻率并確保棉被或土工布處于潮濕狀態，尤其是風季橋上用于養護的棉被或土工布很容易被吹起，致使養護失效。

2 高抗裂道床混凝土性能試驗

2.1 試驗配合比

試驗采用謝永江、譚鹽賓等[12]提出的綜合防裂方法來提高道床混凝土抗裂能力，該方法提出低開裂敏感性無砟軌道現澆混凝土宜按照“三低一高”(即低膠凝材料用量、低用水量、低坍落度、高含氣量)的思路進行設計，以控制混凝土整體收縮變形量，同時內摻長效補償收縮抗裂材料，以增加混凝土抵抗中長期收縮變形應力的能力。根據該方法建議，將工程常用C40道床混凝土配合比按照“三低一高”技術進行優化設計，試驗配合比見表1，其中，A1為工程常用道床混凝土配合比，A2為采用“三低一高”方案優化配合比，A3為采用“三低一高+抗裂材料”方案優化配合比。

表1 混凝土試驗配合比 kg/m3

2.2 試驗方法

混凝土抗壓強度、軸向抗拉強度和極限拉伸參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2016)進行測試；混凝土干燥收縮參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)中的接觸法進行測試；圓環抗裂試驗參照《鐵路混凝土》(TB/T 3275-2018)中附錄J進行測試。

3 高抗裂道床混凝土性能分析

3.1 強度性能

圖1所示是三種配合比混凝土抗壓強度增長規律。可知：A1組混凝土7 d抗壓強度就達到設計的110%，28 d達到129%，為51.6 MPa，具有典型的早期強度增長較快、強度富余系數高的特點；考慮防裂要求的A2組和A3組混凝土則早期抗壓強度增長率明顯降低，3 d不到25 MPa，7 d僅為設計強度的90%，而后期強度增長正常，28 d和56 d抗壓強度和常規配合比基本接近。混凝土早期強度增長過快，會引起自身收縮變形的快速增加，對降低自身開裂敏感性是不利的，而適當降低混凝土早期強度增長速率，則能提高混凝土徐變，對早期收縮變形以及包括外部環境引起的收縮變形具有一定的松弛緩沖作用，從而提高其抗裂能力。

圖1 道床混凝土抗壓強度

3.2 干縮變形

圖2所示是三種配合比混凝土干燥收縮變化規律。可知：三組配合比混凝土干縮變形值差別明顯，A1組與A2組混凝土各齡期收縮增長幅度基本一致，而A3組混凝土則中后期收縮增長明顯降低。7 d齡期時三組混凝土干縮變形由大到小順序為A1組>A3組>A2組，而7 d后A2組收縮變形增長超過A3組，7～56 d干縮變形值由大到小順序變為A1組>A2組>A3組。結合表1可知，A1組具有最大的膠凝材料用量、水泥用量和用水量，其各齡期收縮變形值也表現為最大。A3組雖然摻加的抗裂材料具有一定的“儲蓄釋水”和“補償收縮”作用，但由于比A2組單方多4 kg水，其早期(7 d前)干縮變形仍然明顯高于后者，說明用水量增加對混凝土早期收縮有增大作用；隨著齡期增加，抗裂材料的補償收縮作用持續發揮，其收縮得到有效抑制和補償，其56 d干縮值僅為393×10-6，比A2組和A1組混凝土分別降低了17%和22%。

3.3 開裂敏感性

極限拉伸值、軸向抗拉強度和圓環開裂時間是反映混凝土開裂敏感性的重要指標，極限拉伸值越大、軸向抗拉強度越大、圓環開裂時間越長，則說明混凝土開裂幾率越小。表2為三組混凝土極限拉伸值和軸向抗拉強度試驗結果，與基準A1組混凝土相比，A2和A3組混凝土28 d極限拉伸值分別提高了6.7%和11.4%，28 d軸向抗拉強度則分別比A1提高了1.8%和3.9%。結果表明，兩種優化方案均能有效降低混凝土開裂敏感性，其中以摻了抗裂材料的A3組混凝土開裂敏感性降低最多。

表2 道床混凝土極限拉伸和抗拉強度(28 d)

表3是三種混凝土圓環抗裂試驗結果。可知，A1組混凝土圓環開裂時間為85 h，抗裂性能最差；A2組比A1組混凝土抗裂性能明顯提高；A3組混凝土則在28 d內未出現開裂，表明其具有很好的抗裂性能。三者差異也表明，降低混凝土膠凝材料用量、降低用水量和降低坍落度的措施可在一定程度降低混凝土開裂敏感性，再摻入自研抗裂材料則能顯著提高混凝土抗裂能力。

表3 道床混凝土抗裂性能

4 工程應用

4.1 工程概況

鄭萬高鐵全線采用CRTS 雙塊式無砟軌道結構，選取湖北段土建四標跨蒙華連續梁處，進行雙線100 m抗裂道床混凝土工程效果驗證試驗，左線采用“三低一高”，右線采用“三低一高+抗裂材料”，同時與道床混凝土常規配合比方案進行對比。在“三低一高”和“三低一高+抗裂材料”試驗段各選擇1塊道床板單元作為長期觀測對象，分別在道床混凝土側立面、沿縱向道床中部以及軌枕四角45°角貼設應力應變傳感器進行長期應力應變測試，傳感器布置如圖3所示。

圖3 道床板表面應變計布置示意圖

4.2 工程試驗效果

三種方案混凝土澆筑、振搗、抹面和養護均采用相同工藝，按照工程現場常規操作工藝施工，4次抹面，見圖4。混凝土到達工作面后，工人布料攤鋪均勻后，用50型振搗棒振搗；振搗完成后，先用標高卡尺控制標高，木抹子抹平提漿，再用鐵抹子抹平收光(鐵抹子抹面4次，最后一次在終凝后壓光)，最后進行保濕養護，養護齡期為14 d。

圖4 混凝土施工

4.2.1 混凝土性能

工程試驗采用表1配合比，現場施工用常規道床板混凝土入模坍落度為220 mm，A2和A3組混凝土入模坍落度為170 mm左右，混凝土狀態如圖5所示。

圖5 不同方案道床混凝土入模狀態

4.2.2 結構實體開裂情況

按圖3對優化方案的道床板不同部位應力應變值進行測試，表4為兩種方案混凝土29 d應力應變值測試結果。通過對比發現：采用“三低一高+抗裂材料”方案的道床混凝土各部位表面應變值均比未摻加抗裂材料的“三低一高”方案降低，側向應變值最大值降低100 με，橫向應變最大值降低80 με，軌枕四角處最大應變值降低150 με。結果表明：抗裂材料降低道床板收縮開裂應力作用明顯；采用“三低一高”和“三低一高+抗裂材料”方案混凝土最大應變值分別為1 000 με和850 με，小于裂縫寬度0.2 mm對應的開裂上限值1 333 με，抗裂能力大幅提高。

表4 道床混凝土結構應力應變值 με

表5所示為3個月齡期時，試驗段三個方案實測開裂數量統計，道床常規配合比開裂條數最多，與其相比，采用“三低一高”方案和“三低一高+抗裂材料”方案的道床混凝土裂縫數量分別降低68%和79%。兩種方案均可有效降低混凝土開裂風險。

表5 試驗段裂縫統計

5 結論

(1)“三低一高”和“三低一高+抗裂材料”兩種技術方案均能有效降低道床混凝土干縮變形和降低開裂敏感性，其中以“三低一高+抗裂材料”方案效果最佳，其56 d干縮值僅為393×10-6，比基準工程常用混凝土降低22%；28 d極限拉伸值提高11.4%，28 d軸向抗拉強度提高3.9%；道床板實體結構裂縫數量可降低79%。

(2)工程實體應力應變監測結果表明：道床混凝土結構側立面應變值最小、縱向中部橫向應變值次之，軌枕四角處應變值最大，“三低一高”和“三低一高+抗裂材料”兩種技術方案均可有效降低混凝土應力應變。