高原鐵路無砟軌道道床板裂縫控制措施

何財(cái)基 苗國(guó)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(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)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(jià)較低、工程適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)鐵路建設(shè)中應(yīng)用廣泛［1-2]。其中，CRTSⅠ型雙塊式、彈性支承塊式和長(zhǎng)枕埋入式是較為常見的結(jié)構(gòu)形式。工程實(shí)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(shí)道床板開裂現(xiàn)象更為嚴(yán)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(yán)重時(shí)甚至影響到列車運(yùn)營(yíng)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(duì)減少無人區(qū)鐵路軌道工程的養(yǎng)護(hù)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(gè)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(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證其對(duì)高原環(huán)境的適應(yīng)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(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，在列車荷載作用下抗彎能力較強(qiáng)，但對(duì)溫度變化敏感，受上部和下部強(qiáng)約束的影響，混凝土所受的水平縱向應(yīng)力遠(yuǎn)大于橫向應(yīng)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(yīng)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(diǎn)，高原鐵路無砟軌道宜按分塊式道床板設(shè)計(jì)。

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(dòng)荷載，列車頻繁的動(dòng)載作用會(huì)造成道床板與底座板剝離，尤其是道床板厚度不足時(shí)兩者間離縫會(huì)更嚴(yán)重。圖1 為道床板寬度280 cm 時(shí)彎曲應(yīng)力隨道床板厚度變化曲線?？芍来舶搴穸葟?4 cm 增至42 cm，道床板所受的彎曲應(yīng)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(dòng)荷載作用下道床板所承受的彎曲應(yīng)力。為了減小列車動(dòng)荷載對(duì)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(yīng)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(shí)彎曲應(yīng)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(shí)，道床板所受的彎曲應(yīng)力由1.18 MPa 降至1.08 MPa，道床板寬度達(dá)到280 cm 以上時(shí)彎曲應(yīng)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(dòng)荷載作用下道床板所受的彎曲應(yīng)力，道床寬度宜按280 cm設(shè)計(jì)。

圖2 彎曲應(yīng)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(yīng)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(duì)道床板抗裂作用更強(qiáng)。該方案在蘭新、寶蘭、興泉鐵路進(jìn)行了應(yīng)用，增設(shè)抗裂鋼筋后道床板整體溫度縱向應(yīng)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(dāng)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(dá)到提高混凝土抗裂性的目的?！叭鸵桓摺钡褪湛s道床板混凝土配制技術(shù)要點(diǎn)［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(yīng)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(hù)的高抗裂道床板混凝土技術(shù)

高原地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)、晝夜和全年氣溫波動(dòng)大、大風(fēng)干燥，大部分地區(qū)全年8 級(jí)以上的大風(fēng)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(jìn)行無砟軌道施工，還須采取技術(shù)措施進(jìn)一步提高混凝土自身的抗裂性能。針對(duì)干燥環(huán)境下混凝土濕度補(bǔ)償需要，課題組提出摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(hù)劑混凝土的塑性收縮和干燥收縮隨齡期的變化曲線?？芍c基準(zhǔn)混凝土相比，摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(hù)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(hù)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(yàn)裝置

圖6 內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑對(duì)砂漿抗裂性能的影響

采用圓環(huán)約束開裂法評(píng)價(jià)混凝土的抗裂性能，試驗(yàn)裝置見圖5，內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑對(duì)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?？芍?，基準(zhǔn)砂漿在接近5 d 齡期時(shí)開裂，開裂前鋼環(huán)最大應(yīng)變?yōu)?7×10-6；摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑砂漿至18 d 齡期時(shí)仍未開裂，且其收縮引起的鋼環(huán)應(yīng)變與基準(zhǔn)砂漿相比一直處于較低水平。可見，內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑能提高砂漿硬化后的抗裂性能。這主要是因?yàn)楸ＫM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(jìn)行水分補(bǔ)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(jī)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(jìn)行施工。因高原條件下傳統(tǒng)施工工藝導(dǎo)致工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，針對(duì)高抗裂道床板混凝土施工性能特點(diǎn)，課題組提出己字形三點(diǎn)布料澆筑工藝（圖7）并研制了機(jī)械振搗機(jī)。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(jī)械振搗機(jī)（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(shí)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(jī)械振搗機(jī)

3.2 高效保濕養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)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(hù)常采用灑水覆蓋、滴灌等傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方法，但均須在養(yǎng)護(hù)期間不間斷補(bǔ)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(duì)高原地區(qū)道床板混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，課題組提出了成膜保濕養(yǎng)護(hù)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(hù)劑，形成一層連續(xù)致密薄膜以阻止水分散失進(jìn)而達(dá)到高效保濕養(yǎng)護(hù)的目的。成膜型養(yǎng)護(hù)劑對(duì)混凝土塑性開裂性能的影響見表1。可知，與基準(zhǔn)混凝土相比，噴涂成膜型養(yǎng)護(hù)劑混凝土的開裂時(shí)間延遲3.4 h，裂縫數(shù)量、最大裂縫寬度、最大裂縫長(zhǎng)度和開裂面積均顯著減小，這說明成膜型養(yǎng)護(hù)劑可有效防止表層混凝土水分散失，進(jìn)而提高道床板混凝土的抗裂性能。

4 工程應(yīng)用

表2 試驗(yàn)段裂縫統(tǒng)計(jì)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(zhǎng)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(yàn)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(yīng)性，選擇代表性工點(diǎn)開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在道床板合理設(shè)計(jì)、機(jī)械化施工的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三種方案重點(diǎn)研究增設(shè)抗裂鋼筋、摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑、噴涂成膜型養(yǎng)護(hù)劑對(duì)道床板混凝土抗裂性能的影響。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)道床板開裂情況進(jìn)行了持續(xù)觀測(cè)，140 d齡期的觀測(cè)結(jié)果見表2?？芍悍桨? 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(zhǎng)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(hù)劑的抗裂效果顯著。方案1和方案2混凝土表面龜裂嚴(yán)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(hù)劑能有效阻止混凝土早期水分散失。

圖9 道床板現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果

5 結(jié)語(yǔ)

因環(huán)境嚴(yán)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(xiàng)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(hù)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(jī)械化施工能有效降低軌枕四周離縫，噴涂成膜型養(yǎng)護(hù)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。