雙塊式無砟軌道道床板混凝土裂縫控制技術(shù)

潘利 王育江 楊睿

1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，南京 211103；2.高性能土木工程材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211103

無砟軌道在結(jié)構(gòu)連續(xù)性、穩(wěn)定性、耐久性等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)有砟軌道，已成為我國(guó)高速鐵路建設(shè)主要軌道結(jié)構(gòu)形式［1-2］。岔區(qū)線形復(fù)雜、荷載大，普遍采用中間長(zhǎng)枕埋入式及兩端雙塊式的現(xiàn)澆無砟軌道整體道床［3］。由于混凝土自身的溫度收縮和自收縮，疊加預(yù)制雙塊式軌枕的約束作用，道床板現(xiàn)澆混凝土很容易開裂。混凝土開裂是高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過程中常見問題，裂縫會(huì)使鋼筋保護(hù)層厚度減小，容易引起鋼筋銹蝕，從而大大降低混凝土耐久性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)降低軌道板結(jié)構(gòu)承載力，影響無砟軌道安全使用和服役壽命。

在無砟軌道道床板混凝土抗裂方面學(xué)者們開展了大量研究。文獻(xiàn)［4］的研究表明摻加合成纖維可以顯著提高早期混凝土極限拉伸應(yīng)變，能夠提高無砟軌道道床板混凝土抗裂性能。文獻(xiàn)［5］通過使用內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料減少混凝土收縮來提高道床板混凝土抗裂性能，并在蘭新鐵路二線應(yīng)用，混凝土裂紋得到有效控制。文獻(xiàn)［6］研究了成膜型養(yǎng)護(hù)劑對(duì)道床板混凝土塑性開裂的影響，并通過工程應(yīng)用驗(yàn)證了成膜型養(yǎng)護(hù)劑可顯著降低道床板表層龜裂。文獻(xiàn)［7］從原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、施工工藝等方面提出了道床板混凝土防裂措施，并取得一定效果。對(duì)于混凝土的收縮開裂，可使用具有補(bǔ)償收縮作用的功能性材料（如抗裂劑）加以抑制，該抗裂技術(shù)已在城市軌道交通、橋梁、隧道等工程中應(yīng)用。本文通過試驗(yàn)研究、開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、工程應(yīng)用三個(gè)方面研究抗裂劑對(duì)無砟軌道道床板混凝土抗裂性能的提升效果。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥為P·O 42.5 水泥，基本性能指標(biāo)見表1。粉煤灰為華能國(guó)電南通實(shí)業(yè)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度為16.3%，需水量比為98%，燒失量為6.5%。細(xì)骨料為江西贛江中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8。粗骨料為粒徑5 ～ 25 mm 級(jí)配碎石。外加劑為減水率24.3%的PCA-I高性能減水劑和GYQ-Ⅲ高效引氣劑。抗裂劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的HME-Ⅳ抗裂劑，比表面積 為 240 m2∕kg，堿 含 量 為0.35%，限制膨脹率：水中7 d 為0.055%、轉(zhuǎn)空氣中21 d為-0.005%。水為生活用水。

表1 水泥基本性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

為對(duì)比摻加抗裂劑試驗(yàn)組與不摻抗裂劑基準(zhǔn)組混凝土性能的差異，對(duì)道床板C40 混凝土配合比中粉煤灰摻量進(jìn)行了調(diào)整，見表2。

表2 試驗(yàn)配合比 kg·m-3

測(cè)試混凝土力學(xué)性能的試件為邊長(zhǎng)100 mm 的立方體，測(cè)試齡期為7、28、56 d。測(cè)試混凝土變形性能的試件為直徑100 mm、高400 mm 圓柱體，從混凝土終凝開始測(cè)試。通過千分表測(cè)試不同齡期的變形值，每組至少測(cè)試3個(gè)試件，取其平均值。測(cè)試齡期為60 d。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土工作性能及力學(xué)性能

混凝土工作性能采用新拌混凝土坍落度和含氣量表征，力學(xué)性能采用抗壓強(qiáng)度表征。試驗(yàn)組與基準(zhǔn)組混凝土工作性能及力學(xué)性能見表3。可知，試驗(yàn)組與基準(zhǔn)組混凝土坍落度、含氣量基本相當(dāng)，7 d 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)組混凝土略低于基準(zhǔn)組混凝土，28、56 d抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)，說明使用抗裂劑對(duì)道床板混凝土工作性能基本無影響，早期強(qiáng)度略微降低，不影響后期強(qiáng)度。

表3 混凝土工作性能及力學(xué)性能

2.2 混凝土變形性能

混凝土變形性能采用自收縮變形表征。混凝土自收縮變形是由于水泥基膠凝材料在凝結(jié)過程中水化反應(yīng)引起體積收縮，其為造成混凝土早期裂縫的重要因素。

試驗(yàn)組與基準(zhǔn)組混凝土自收縮變形見圖1。可知，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行基準(zhǔn)組混凝土持續(xù)收縮，7、28、60 d 變形值分別為-32.1 × 10-6、-83.8 × 10-6、-97.5 ×10-6。摻加抗裂劑后混凝土早期產(chǎn)生了顯著的體積膨脹，7 d 變形值為108.5 × 10-6，之后變形逐漸減小，28、60 d 變形值分別為52.7 × 10-6、27.6 × 10-6。與基準(zhǔn)組相比，60 d 時(shí)試驗(yàn)組產(chǎn)生約125.1 × 10-6的膨脹變形。說明抗裂劑具有明顯的補(bǔ)償收縮作用，可以有效減小混凝土的自收縮變形，從而提升混凝土抗裂性能。

圖1 試驗(yàn)組與基準(zhǔn)組混凝土自收縮變形

3 數(shù)值模擬

結(jié)合無砟軌道道床板混凝土結(jié)構(gòu)尺寸及實(shí)際工況，建立水化-溫度-濕度-約束多場(chǎng)耦合條件下的混凝土收縮變形模型，對(duì)道床板混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。基于應(yīng)力準(zhǔn)則評(píng)估混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)。開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)η的計(jì)算公式為

式中：σt、ft分別為t時(shí)刻混凝土最大拉應(yīng)力及抗拉強(qiáng)度。

η ＜0.7 時(shí)混凝土基本不會(huì)開裂；0.7 ≤η ＜1.0 時(shí)混凝土有較大可能開裂；η≥1.0時(shí)混凝土開裂。

計(jì)算參數(shù)根據(jù)前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)及規(guī)范要求取值。平均氣溫28 ℃、混凝土入模溫度30 ℃。28 d齡期時(shí)抗拉強(qiáng)度2.5 MPa、彈性模量35 GPa、導(dǎo)熱系數(shù)2.3 W∕（m·K）。

通過模擬計(jì)算了道床板中心點(diǎn)、上表面和側(cè)面的開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。試驗(yàn)組與基準(zhǔn)組混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)時(shí)程曲線見圖2。可知：①基準(zhǔn)組道床板表面開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大于1.0，道床板中心點(diǎn)最大開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)達(dá)到1.2，混凝土?xí)_裂；側(cè)面開裂風(fēng)險(xiǎn)稍低，但最大開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)仍在0.7 以上，有較大可能開裂。②試驗(yàn)組混凝土各部位開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均小于0.7，基本不會(huì)開裂。

圖2 道床板混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)時(shí)程曲線

4 工程應(yīng)用

選取鹽城—南通高速鐵路中一無砟軌道區(qū)段作為試驗(yàn)段，其中道床板采用C40混凝土，厚度260 mm，先放置多個(gè)預(yù)制軌枕塊，再澆筑混凝土。混凝土配合比參見表2 中試驗(yàn)組。沿道床板厚度、長(zhǎng)度方向布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。采用可同時(shí)測(cè)溫度和變形的傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)道床板混凝土內(nèi)部溫度和變形。

道床板混凝土溫度和變形時(shí)程曲線見圖3。可知：①由于道床板厚度較小，中心溫度略高于表面溫度，混凝土中心溫度峰值為45.9 ℃，最大溫升值（溫峰值與入模溫度30.0 ℃之差）為15.9 ℃；受澆筑季節(jié)影響，環(huán)境溫度波動(dòng)較大。②道床板厚度、長(zhǎng)度方向最大變形分別為 521.91 × 10-6、245.61 × 10-6，兩個(gè)方向均為膨脹變形。說明試驗(yàn)組混凝土在升溫階段均產(chǎn)生較大膨脹變形，能夠較好補(bǔ)償混凝土的收縮，從而降低混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 道床板抗裂混凝土監(jiān)測(cè)結(jié)果

自混凝土澆筑起30 d 內(nèi)對(duì)道床板不同部位變形進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。從監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，道床板混凝土變形連續(xù)、無明顯突變點(diǎn)。澆筑完成6個(gè)月后觀察道床板混凝土，未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，證明混凝土抗裂性能良好。

5 結(jié)論

1）室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，抗裂劑對(duì)道床板C40 混凝土28 d 后抗壓強(qiáng)度基本無影響，使用抗裂劑后混凝土早期膨脹變形顯著，有效補(bǔ)償了混凝土收縮變形，有利于提升抗裂性能。

2）模擬計(jì)算結(jié)果表明，基準(zhǔn)組道床板混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)較大，道床板中心點(diǎn)和上表面開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大于1.0，使用抗裂劑后道床板結(jié)構(gòu)各部位開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均小于0.7，基本不會(huì)開裂。

3）工程應(yīng)用表明，使用抗裂劑后道床板混凝土在升溫階段產(chǎn)生了明顯的膨脹變形。試驗(yàn)段澆筑完成6個(gè)月后道床板混凝土未發(fā)現(xiàn)裂縫，抗裂效果良好。