双块式无砟轨道道床板裂缝控制研究

崔国庆

(中铁第四勘察设计院集团有限公司线路站场设计研究处,武汉 430063)

武广铁路客运专线是我国设计时速300 km以上、大规模铺设无砟轨道的高速铁路之一,全长1 068.6 km。武广铁路客运专线主要采用双块式无砟轨道,该轨道自上而下主要由钢轨、扣件系统、双块式轨枕、道床板、支承层或保护层等组成。笔者主要介绍武广铁路客运专线路基上双块式无砟轨道道床板的裂缝产生机理、结构措施和修补方案。

1 路基上双块式无砟轨道的结构特点

武广铁路客运专线路基上双块式无砟轨道自上而下由钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板和支承层等组成,如图1所示。

图1 双块式无砟轨道横断面

道床板为钢筋混凝土连续结构,采用双层钢筋,上层纵向钢筋为9根φ20 mm HRB335钢筋,下层为11根φ20 mm HRB335钢筋,每2根轨枕之间设2根φ16 mm HRB335横向钢筋,上下层各1根。

双块式无砟轨道作为一种露天放置、反复承受列车荷载的结构物,在其长期使用过程中,在列车荷载、温度变化、基础变形以及混凝土自身收缩变形的影响下容易产生裂缝。

由于道床板纵向连续,不设伸缩缝,且其下部与粗糙的支承层顶面粘结在一起,承受较大的约束力,受混凝土收缩徐变以及温度变化的影响,道床板纵向承受较大的拉力,一旦拉力大于混凝土承载能力,将必然产生裂缝。

2 道床板裂缝的形成机理

道床板裂缝产生的原因可分为两类：一是结构型裂缝,是由外荷载引起的,包括常规结构计算中的主要应力以及其他的结构次应力造成的受力裂缝；二是材料型裂缝,是由非受力变形变化引起的,主要是由温度应力和混凝土的收缩引起的。

(1)温度裂缝

温度裂缝产生主要原因是由温差造成的。温差可分为以下3种：水化热引起的混凝土内外温差、结构整体的温度升降差、结构从上表面至下表面的温度梯度。

(2)混凝土收缩引起裂缝

混凝土的收缩类型有很多种,其中引起混凝土开裂的主要包括干燥收缩和塑性收缩。

(3)钢轨的伸长引起裂缝

双块式无砟轨道施工若不能及时松开扣件,钢轨的伸缩将带动轨枕在新浇混凝土土中移动从而产生裂缝。

(4)混凝土骨料塑性沉落引起的裂缝

当骨料的沉落受到钢筋的阻挡时,将出现沿钢筋的走向的裂缝,施工过程中如果模板绑扎的不好、模板沉陷、移动时也会出现此类裂缝。

(5)新旧混凝土不良粘结裂缝

在双块式轨枕的侧面及角部,常出现由于新旧混凝土粘结不良而引起的裂缝。

(6)其他因素

此外,结构基础不均匀沉陷、冻胀以及钢筋锈蚀等均会引起双块式无砟轨道产生裂缝。下部支承层中存在裂缝或结构缝时,同样也会产生反射裂缝。

3 道床板裂缝宽度合理值

为了保证道床板混凝土的耐久性,必须对裂纹宽度和间距加以控制。由于道床板的结构特点和工作环境不同,不能简单套用一般混凝土结构裂缝控制标准。

德国Schiessl博士于20世纪70～80年代对裂缝处钢筋的腐蚀风险进行了长达10年的评估研究,得出了不同宽度裂缝与腐蚀深度的关系(图2)。

图2 不同宽度裂缝与腐蚀深度的关系

从图2可以看出,裂缝宽度在0.11～0.40 mm的钢筋的平均腐蚀深度相似。混凝土在10年的无保护暴露后的腐蚀深度平均值是7.5 μm(裂缝宽度0.21～0.30 mm),9.0 μm(裂缝宽度0.11～0.20 mm)和10.0 μm(裂缝宽度0.31～0.40 mm)。由此研究认为,裂缝宽度对腐蚀速率仅有较小的影响,完全可以认为,裂缝宽度0.50 mm时,腐蚀深度仅稍稍增加。

经过一段时间雨水冲洗,裂缝中混凝土内的Ca(OH)2会被冲洗掉了。这就意味着由于碱度损失,裂缝中的钢筋发生钝化和失去防腐蚀的保护,无法阻止裂缝中钢筋的腐蚀,因此决定道床板耐久性的因素是钢筋的腐蚀率(横断面损失)和混凝土保护层厚度和密度。

另外,根据德国的设计理念和经验,道床板裂缝宽度即使达到0.5 mm,仍能通过骨料的咬合作用保证荷载的传递。

我国《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)规定,混凝土结构的最大裂缝宽度限值为0.2 mm。如果路基地段道床板按最大裂缝限值0.2 mm进行配筋,配筋率将很大,是不经济的。参考德国设计经验,结合武广铁路客运专线实际情况,路基地段道床板的最大裂缝宽度限值宜取为0.5 mm。

4 减小道床板裂缝的措施

无砟轨道设计使用寿命为60年,为了达到这一目标,很有必要采取措施减小裂缝,尤其是有害裂缝的数量。在武广铁路客运专线设计中,主要从结构设计和施工方面采取如下措施。

4.1 混凝土保护层

一般情况下,上层纵向钢筋放置于轨枕桁架钢筋之上,其混凝土保护层厚度约为50 mm。直线地段,由于道床板表面设置横向排水坡,道床板边缘处纵向钢筋的保护层厚度将不足50 mm,在这种情况下可对钢筋位置进行调整,将纵向钢筋调至横向钢筋的下边,如图3。

图3 调整钢筋位置增大保护层示意

4.2 钢筋配置

裂缝宽度取决于钢筋量(或配筋率)。图4为裂缝宽度、间距与配筋率的关系。

图4 裂缝宽度、间距与配筋率关系

由图4可以看出,道床板配筋率越大,最大裂缝宽度越小,裂缝的间距越小；反之亦然。武广铁路客运专线设计中道床板按0.8%～0.9%的配筋率进行配筋,裂缝设计控制宽度为0.5 mm,裂缝间距1～2 m左右。

在钢筋量确定的情况下,采用较小直径的钢筋可增大钢筋与混凝土的接触面,从而提高混凝土的抗裂性能。

另外,钢筋的布置应尽量靠近混凝土表面,以增加混凝土的抗裂性。

从这两方面出发,兼顾混凝土浇筑和振捣的需要,武广铁路客运专线路基地段纵向钢筋采用φ20 mm的钢筋,上层布置9根,钢筋间距为110 mm和150 mm。

如果采用φ18 mm的钢筋,将需要配置25根钢筋,这种情况下,上层仍布置9根钢筋将对混凝土抗裂不利,另一方面,纵向钢筋数量增加将大大增加绝缘卡数量,增加施工的难度。

4.3 混凝土的强度

混凝土强度越高,道床板开裂后裂缝间距越大,裂缝宽度也越大。因此,武广铁路客运专线在设计上直接对混凝土强度作出了明确要求：混凝土28 d抗压强度应控制在35～40 MPa,同时对混凝土中的胶凝材料含量进行控制,避免混凝土后期强度过高。

4.4 施工措施

为了尽量减少裂缝和裂缝的宽度,在施工安排上应做到以下几点。

(1)控制混凝土质量,减小水灰比,加强捣固,必须时可添加防水密实剂。

(2)道床板施工应与支承层施工尽量间隔较长的时间。支承层充分开裂变形后再施工道床板混凝土，可大大减少反射裂缝的数量和宽度。

(3)道床板混凝土浇筑应选择合适的时间,避免浇筑后气温发生急剧的变化。

(4)混凝土浇筑后应及时松开扣件,避免钢轨伸缩造成道床板开裂。

(5)混凝土浇筑应尽量选择在气温较低的情况下完成,浇筑后应加强养护。

(6)采用移动棚养护时应将两端封闭,避免产生隧道效应。

5 道床板裂缝处理

由于影响道床板开裂的因素很多,因此即使设计和施工上采取了很多措施,仍难以彻底避免道床板的开裂,在这种情况下就有必要对道床板裂缝进行修补。

目前常用的裂缝修补方法有环氧树酯灌注法、表面封闭法、开槽嵌塞法、柔性封闭法。

(1)树酯灌注法

环氧树酯和聚氨酯是最常见的裂缝灌注材料。树酯材料具有较高的机械强度,并能抵抗混凝土所遇到的大多数化学侵蚀,树酯可以灌入到0.05 mm的裂缝。环氧树酯灌注法一般适于处理静止缝和相对干燥的裂缝；聚氨酯对于结构表面干湿环境条件下均可。

(2)表面封闭法

表面封闭法是最简单和最普通的裂缝修补方法。用于修补对结构影响不大的静止裂缝(一般裂缝宽度在0.1～0.20 mm),通过密封裂缝来防止水、化学物质和二氧化碳的侵入。如表面聚合物浸入封闭法,可采用低黏度的液态树酯(或表面涂料胶)涂刷到裂缝表面上,或者在水平表面上沿裂缝构筑临时的堤围,使树脂溢于裂缝表面。

(3)开槽填补法

适用于结构允许开槽而宽度较大但数量不多的裂缝,如支承层或桥面混凝土的裂缝。工序为：开槽—涂刷界面处理浆—压抹聚合物砂浆—养护。先用凿子和扁铲沿裂缝开槽,槽深和宽约3～5 cm,呈U形,用刷子在槽底和两壁均匀涂刷一层界面处理浆,在界面处理胶尚未硬化之前,将拌制好的聚合物水泥砂浆用抹刀压入槽中,压实抹平。

(4)柔性材料法

对于活动性裂缝,可采用具有微膨胀性材料密封修补。沿裂缝边缘开一凹槽并填入适当的柔性材料。

针对武广铁路客运专线的道床板表面裂缝的特点,建议如下。

(1)对于0.2～0.5 mm裂缝一般采用表面封闭法进行处理。处理应采用弹性或柔性材料,并应具有较强的抗紫外线、抗老化性能。

(2)对于宽度大于0.5 mm裂缝,可采用柔性材料法。

在对裂缝进行处理前应进行工艺性试验,并遵循粘结性能好(长期耐久性好)和处理后的表观颜色应与原混凝土基本一致的原则。

6 结论

路基地段双块式无砟轨道采用连续结构,道床板开裂是不可避免的。为确保无砟轨道60年使用寿命,在无砟轨道设计和施工过程中,应给予充分重视,采取各种有效的预防措施减少裂缝,尤其是宽裂缝的出现和发展。产生裂缝后,应针对不同宽度的道床板裂缝认真研究、区别对待,采用合理的方法进行处理,保证无砟轨道安全、稳定地工作。

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