高速鐵路CRTSⅡ型軌道板裂縫分析與預(yù)防

賀志榮，賈德華，楊 格

(1.中鐵二局股份有限公司，成都 610031;2.中國鐵道科學研究院，北京 051130;3.中鐵二局新運公司，成都 610031)

京滬高鐵、京石高鐵、石武高鐵、廣深港高鐵、京沈高鐵、哈大高鐵均采用了板式無砟軌道技術(shù)，軌道板為混凝土結(jié)構(gòu)，由于混凝土抗拉能力差，軌道板易開裂。通過對石武高速客專元氏軌道板場工藝試生產(chǎn)CRTSⅡ型板過程中各種裂縫的研究，找到了一些裂縫的控制方法，供參考。

1 軌道板裂縫的分類及成因分析

軌道板是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，元氏軌道板場試生產(chǎn)過程中的CRTSⅡ型軌道板混凝土出現(xiàn)裂縫，追溯軌道板產(chǎn)生的原因可分為以下幾類:①由荷載效應(yīng)產(chǎn)生的裂縫;②混凝土收縮產(chǎn)生的裂縫;③鋼筋銹蝕產(chǎn)生的裂縫;④堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生的裂縫;⑤預(yù)應(yīng)力張拉不當產(chǎn)生的裂縫;⑥溫度裂縫;⑦施工工藝不當產(chǎn)生的裂縫;⑧凍脹裂縫。

1.1 荷載裂縫

在設(shè)計計算過程中，荷載工況考慮不周，配筋不合理，結(jié)構(gòu)尺寸不足，構(gòu)造處理不當，且施工階段不按圖紙施工等均有可能產(chǎn)生荷載裂縫。由于軌道板有“起吊”這一工序，在起吊過程中如果吊點位置設(shè)計不合理，很可能產(chǎn)生較大的彎矩，而使得軌道板開裂。

荷載裂縫一般與受力鋼筋呈正交或斜交狀態(tài)。若裂縫是由于鋼筋與混凝土黏結(jié)應(yīng)力過大造成的，則該裂縫方向與鋼筋長度方向一致，且呈針狀或劈裂狀，見圖1。

1.2 收縮裂縫

混凝土是由氣、液、固三相組成的假固體(指澆筑過程到養(yǎng)護)，其中尚有未水化的水泥顆粒，還要吸收周圍的水分。另外液、固相間的膠凝體，因水分散失，體積會縮小，引起收縮裂縫。在實際施工工程中，混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的?；炷潦湛s裂縫可分為以下4種:干燥收縮裂縫、自生收縮裂縫、碳化收縮裂縫、塑性收縮裂縫。

圖1 軌道板荷載裂縫

1.2.1 干燥收縮裂縫

混凝土凝結(jié)硬化之后，隨著表層水分逐步蒸發(fā)，濕度逐步降低，混凝土體積減小，產(chǎn)生縮水收縮(干縮)。因混凝土表層水分損失快，內(nèi)部損失慢，因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力，當這種拉力超過其抗拉強度，便產(chǎn)生收縮裂縫，混凝土硬化后收縮主要就是縮水收縮。

1.2.2 自生收縮裂縫

在水泥水化的過程中，水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，水化后體積會收縮，這種收縮與外界濕度無關(guān)，且可以是正的(即收縮，如普通硅酸鹽水泥混凝土)，也可以是負的(即膨脹，如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土)。

1.2.3 碳化收縮裂縫

此類裂縫是因受空氣中CO2的作用而導致水泥砂漿體積縮小現(xiàn)象。影響混凝土碳化收縮的兩個最基本因素是CO2的濃度和濕度。CO2作為一個反應(yīng)物，當然濃度越高，碳化反應(yīng)越迅速，因而碳化收縮也越大。但濕度卻不然，當相對濕度為55%時，碳化收縮達最大值。當相對濕度＞55%時，碳化收縮隨相對濕度的增加而減小;當相對濕度＜55%時，碳化收縮則隨相對濕度的減小而減小;當相對濕度＜25%時，碳化收縮幾乎停止。

1.2.4 塑性收縮裂縫

塑性收縮往往發(fā)生在施工過程中，混凝土澆筑后4～5 h左右，此時水泥水化反應(yīng)劇烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)，混凝土失水收縮，同時骨料因自重下沉。因此時混凝土尚未硬化，所以成為塑性收縮。塑性收縮時產(chǎn)生的毛細管壓力值可達到0.021 MPa左右，毛細管壓力引起的拉應(yīng)力使固體顆粒凝聚而使混凝土表面收縮，就產(chǎn)生塑性收縮裂縫，見圖2。

圖2 軌道板收縮裂縫

1.3 銹蝕裂縫

軌道板混凝土保護層受空氣中的二氧化碳侵蝕碳化至鋼筋表面，使鋼筋周圍混凝土堿度降低;或由于氯化物介入，鋼筋周圍氯離子含量較高，均可引起鋼筋表面氧化膜被破壞，鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水發(fā)生銹蝕反應(yīng)，其銹蝕物中氫氧化鐵的體積比原來增長約2～4倍，從而對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導致保護層混凝土開裂、剝離，沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫，即銹蝕裂縫。

1.4 堿骨料反應(yīng)裂縫

堿骨料反應(yīng)(簡稱ASR)是指水泥中的堿性物質(zhì)與骨料中的活性二氧化硅發(fā)生化學反應(yīng)，引起混凝土內(nèi)部自膨脹應(yīng)力而開裂的現(xiàn)象。堿骨料反應(yīng)因時間較為緩慢，不易在短時間內(nèi)被發(fā)現(xiàn)，給混凝土工程帶來的危害是相當嚴重的。

發(fā)生堿骨料反應(yīng)需要具有三個條件:首先是混凝土的原材料水泥、混合材、外加劑和水中含堿量高;第二是骨料中有相當數(shù)量的活性成分;第三是潮濕環(huán)境，有充分的水分或濕空氣供應(yīng)。因元氏軌道板場地處河北腹地，空氣干燥，且各項原材料指標多方控制較嚴，目前還未檢測到此類裂縫［1］。

1.5 預(yù)應(yīng)力施工不當產(chǎn)生的裂縫

在混凝土沒有達到規(guī)定強度時就進行預(yù)應(yīng)力張拉(先張法)，張拉系統(tǒng)放張不同步或放張速度過快造成應(yīng)力釋放不均衡，或其它放張方法不當，都會引起張拉、放張裂縫［2］。

1.6 溫度裂縫

軌道板混凝土同樣具有熱脹冷縮的性質(zhì)，特別是冬季施工時廠房內(nèi)溫度只能達到10℃～15℃之間，而混凝土澆筑完成養(yǎng)護16 h脫模時，板體表面溫度在30℃～40℃之間，較大的溫差使軌道板第五條預(yù)裂縫處出現(xiàn)細小裂紋，這已影響板場軌道板體質(zhì)量。當外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化時，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在內(nèi)部將產(chǎn)生應(yīng)力，當應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時即產(chǎn)生溫度裂縫。

1.7 施工工藝不當造成的裂縫

混凝土施工過程中未嚴格按照工藝要求進行質(zhì)量控制，則有可能產(chǎn)生施工裂縫，主要原因有:

1)拌制混凝土時不按配合比計量，任意加水，致使?jié)仓|(zhì)量不均勻，收縮不一致產(chǎn)生裂縫。

2)軌道板模型下五個支腿的位置不合適需要調(diào)整，或混凝土從攪拌到澆筑的時間過長，致使大量網(wǎng)狀不規(guī)則的裂縫產(chǎn)生;

3)軌道板脫模油使用不當造成脫模阻力不均衡，脫模前沒有吹氣松動軌道板或吹氣孔堵塞，脫模時混凝土強度值不夠高，需要延長養(yǎng)護時間，或其它由于未按照規(guī)范要求養(yǎng)護造成軌道板表面混凝土開裂;

4)軌道板脫模前真空吊具的五個伸出腿不同步，造成預(yù)裂縫處產(chǎn)生裂紋，吊裝起板過程中吊具的吊點設(shè)計不合理或沒有做到輕吊輕放也可能導致成品板開裂［2］。

1.8 凍脹裂縫

冬季施工時，外部環(huán)境氣溫一般為 －10℃ ～0℃，廠房內(nèi)溫度一般為10℃ ～15℃，廠房內(nèi)外溫差＞15℃以上，無法滿足軌道板出廠溫差＜15℃的要求，若因車間內(nèi)沒有采取防凍措施，使混凝土受凍而產(chǎn)生裂縫，即稱為凍脹裂縫。

2 軌道板裂縫預(yù)防措施

2.1 荷載裂縫的防治

軌道板開裂極有可能是由于吊點位置不當造成的。因此，在進行吊點位置布置之前，應(yīng)對整個起吊過程進行正確的受力分析，確定合理的吊點位置。

真空吊具按照原設(shè)計，起吊點中心距CRTSⅡ型軌道板兩端的間距為1.35 m，起吊點到板中的距離為1.90 m，在起板過程中，板中所受彎矩最大。一塊CRTSⅡ型軌道板按8.5 t計，摩阻系數(shù)按0.2計。則中部產(chǎn)生－5.9 kN·m的力矩。底部受拉，頂部受壓，軌道板受力分析見圖3。

圖3 軌道板受力

元氏軌道板場把吊點向內(nèi)側(cè)各移55 cm后，中部產(chǎn)生的力矩為5.9 kN·m，底部受壓，頂部受拉，而CRTSⅡ型軌道板頂部加設(shè)了預(yù)應(yīng)力鋼筋，抗拉效果很好，能充分承受拉力，同時平緩起吊，防止受力不均或受扭，以上措施運用得當，可以最大限度避免軌道板中間第五條預(yù)裂縫開裂(見圖4)。

圖4 改裝后的真空吊具起吊作業(yè)

2.2 收縮裂縫的防治

滿足施工要求的前提下，混凝土坍落度盡可能小;混凝土的配合比應(yīng)保證混凝土有良好的稠度和保水性;適當增加混凝土表面鋼筋的保護層厚度;應(yīng)選擇干縮率較小的水泥和骨料。

2.3 銹蝕裂縫的防治

采用足夠的保護層厚度，施工時應(yīng)嚴格控制混凝土水灰比，加強振搗，保證混凝土的密實性，防止氧氣侵入，同時嚴格控制含氯鹽的外加劑用量。

目前板場除φ20 mm精軋螺紋鋼筋外，大部分采用環(huán)氧樹脂涂層鋼筋，并且CRTSⅡ型軌道板采用工廠化施工生產(chǎn)，鋼筋基本上無銹蝕情況，因此這類裂縫極少發(fā)生。

2.4 堿骨料反應(yīng)裂縫的防治

1)控制混凝土中含堿量。由于混凝土中堿的來源不僅是從水泥，還可從外加劑、水，甚至有時從骨料(例如海砂)中來，因此控制混凝土各種原材料總堿量比單純控制水泥含堿量更重要。

2)隔絕水和濕空氣的來源。如果能在混凝土工程發(fā)生堿骨料反應(yīng)的部位有效地隔絕水和空氣的來源，也可以取得緩和堿骨料反應(yīng)對工程損害的效果。

3)采用非活性骨料。大多數(shù)骨料不具有堿活性，但必須通過試驗來判定;當軌道板承受水濕作用或持久裸露于潮濕環(huán)境或接觸于濕土時，其砂、石骨料是不得含有可與水泥中堿發(fā)生破壞性反應(yīng)并使混凝土出現(xiàn)過度膨脹的達致害量的活性物質(zhì)的;除非是所用水泥含堿低于0.6%或摻用經(jīng)證明可預(yù)防ASR有害膨脹的混合材，這才可以使用含活性物質(zhì)的沙、石骨料［1］。

4)摻用混合材料。摻適量的礦渣、粉煤灰、硅灰等混合材料對預(yù)防有害的ASR是有效的，當然，混合材料對ASR的抑制效果可隨其種類、特性、摻量等而有不同，宜通過多次具體試驗研究確定。

摻用引氣劑引入混凝土中大量的充分分散的微細氣泡，可消納ASR的相應(yīng)膠凝量，起到緩解ASR的相應(yīng)有利作用。

2.5 預(yù)應(yīng)力施工不當產(chǎn)生的裂縫的防治

CRTSⅡ型軌道板采用整體先張法施工，在混凝土施工養(yǎng)護結(jié)束后進行整體放張作業(yè)，在放張時，先對CRTSⅡ型軌道板進行超張拉，待松開張拉油缸保險卡環(huán)后再進行放張作業(yè)，混凝土先受拉，后受壓，因此混凝土強度要大于放張時所產(chǎn)生的應(yīng)力，必須緩慢放張預(yù)應(yīng)力筋。

2.6 溫度裂縫的防治

在軌道板內(nèi)部設(shè)置測溫裝置，嚴格控制軌道板芯部溫度，使軌道板內(nèi)外溫差在可控范圍之內(nèi)。根據(jù)CRTSⅡ型軌道板施工所采集的實際溫度數(shù)據(jù)，一般在16 h放張作業(yè)時混凝土芯部溫度在45℃～55℃之間，與環(huán)境內(nèi)外溫差都＞20℃，所以要采用相關(guān)措施來降低混凝土溫差:

1)廠房內(nèi)升溫，保證溫度在20℃ ～25℃之間，以此保證軌道表面與環(huán)境溫度之差＜20℃;

2)根據(jù)板場前期所做試驗，軌道板養(yǎng)護時間延長至20～24 h(14 h后采取降溫措施)，使板芯溫度在自然狀態(tài)下緩慢降低到35℃ ～40℃之間，能有效地降低軌道板中間第五條預(yù)裂縫開裂的機率。

2.7 施工工藝不當造成的裂縫的防治

1)混凝土澆筑時，模板溫度及混凝土入模溫度應(yīng)控制在10℃～30℃。如溫度過低或過高則應(yīng)采取升溫或降溫措施。

2)嚴格控制混凝土振搗時間，保證振搗密實無過振。

3)加強養(yǎng)護。對軌道板采用土工布覆蓋灑水，加蓋一層彩條布和一層篷布的養(yǎng)護法，不僅充分利用了施工余水進行養(yǎng)護，而且還在混凝土凝固后對其進行外部灑水，保證濕度。對減少收縮裂縫起著重要作用。蒸汽養(yǎng)護時，升溫速度不大于15℃/h，降溫速度不大于10℃/h，降溫時應(yīng)先緩慢揭開篷布，待溫度穩(wěn)定后再解開土工布，有了這個緩沖時間，混凝土表面就不會因為溫差過大而開裂(見圖5)。

圖5 軌道板混凝土三層覆蓋養(yǎng)護

4)拆模時防止軌道板受到劇烈沖擊、碰撞。

5)軌道板堆放場地應(yīng)平整，墊塊設(shè)置要合理;軌道板集中存放時，存放層數(shù)應(yīng)滿足安全要求;沿線存放時，存放層數(shù)宜為2～4層;存放時板面朝上并保持水平，吊裝、運輸過程中應(yīng)采取必要的防護措施，防止軌道板損壞［3-5］。

2.8 凍脹裂縫的防治

冬季施工時合理延長軌道板靜停養(yǎng)護時間，等板體溫度降到20℃左右時(一般要停留30～35 h)，利用中午氣溫較高時(一般為0℃ ～－3℃)轉(zhuǎn)運軌道板出廠存放，同時注意防凍、保溫，防止凍脹裂縫，但一般細小的凍脹裂縫在輕微打磨后便會消失(見圖6)。

圖6 打磨后的軌道板

3 結(jié)論

本文介紹了軌道板裂縫的類型及其成因，并針對不同的開裂原因，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，這些方法和措施在元氏軌道板場正式生產(chǎn)過程中得到了廣泛運用和改進，確保了軌道板質(zhì)量，在鐵道部質(zhì)檢中心上道審查時一次性順利通過。目前這些方法和措施已經(jīng)應(yīng)用到京滬、廣深港、津秦、杭甬等正在建設(shè)的高速鐵路、客運專線，推動了我國高速鐵路和客運專線的發(fā)展，其應(yīng)用前景廣闊。

［1］趙國堂，蔡弘，李剛.CRTSⅡ型板式軌道鋪設(shè)自動精調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備研究［J］.鐵道建筑，2010(11):104-107.

［2］鐵道部工管中心.客運專線鐵路無砟軌道施工手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［3］中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)［2007］85號 客運專線無砟軌道鐵路工程施工質(zhì)量驗收暫行標準［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

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

［5］李敏霞，許宏偉，焦永剛.新建鐵路無砟軌道板養(yǎng)護溫度測控研究［J］.鐵道建筑，2011(3):109-111.