无砟轨道混凝土道床板多重防裂措施应用研究

2013-01-15楼梁伟程岩仲新华朱长华崔强

铁道建筑 2013年5期

关键词：床板轨枕现浇

楼梁伟，程岩，仲新华，朱长华，崔强

(1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081;2．宁杭铁路有限责任公司，江苏杭州 310007)

无砟轨道混凝土道床板多重防裂措施应用研究

楼梁伟1，程岩2，仲新华1，朱长华1，崔强2

(1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081;2．宁杭铁路有限责任公司，江苏杭州 310007)

无砟轨道道床板开裂已成为高速铁路建设和运营过程中经常遇到的问题。针对无砟轨道道床板现浇混凝土容易开裂的现状，结合工程实例，采取内掺养护材料、外喷高效养护剂的“内部抗裂、外部防裂”双重裂控技术，并配合新型保湿养护膜的附加防裂措施。实践证明，该方法有效解决了道床板混凝土的开裂问题，提升了无砟轨道道床板施工质量，可供同类工程借鉴。

无砟轨道道床板混凝土防裂措施

无砟轨道采用混凝土整体结构是高速铁路客运专线轨道结构的发展趋势。道床板开裂在高速铁路建设和运营过程中经常会遇到，无砟轨道道床板为现浇板式钢筋混凝土结构，混凝土内部受到钢筋和轨枕单元的约束，外部受到支承层的约束，同时混凝土暴露面积大，会导致道床板开裂［1］。道床板裂缝一旦形成，特别是贯穿裂缝的存在，会降低道床板的绝缘性能，削弱无砟轨道的承载能力，降低无砟轨道的耐久性，同时还会严重危害到行车安全。因此，防止无砟轨道道床板混凝土早期开裂，抑制混凝土后期开裂趋势，对实现轨道结构的设计功能和长期使用性能具有重要意义。

为解决现浇混凝土道床板的开裂问题，采取了内掺内养护材料、外喷高效养护剂以及粘贴透水模板布三重技术措施，并对道床板后期裂损情况进行了跟踪调查与分析。

1 道床板典型开裂形式

以路基段CRTSⅠ型双块式无砟轨道为例，其组成结构从下至上依次为路基基床表层(级配碎石)、C20混凝土支承层、C40混凝土道床板、双块式轨枕(钢筋桁架)、扣件以及钢轨。显然，受新旧混凝土约束、温度应力、干燥收缩、构造措施、施工控制不当等因素的影响，混凝土道床板施工后容易开裂。

图1为无砟轨道现浇混凝土道床板典型开裂形式示意图。根据开裂部位和特征的不同，可将道床板开裂分为4种主要形式:①轨枕八字角裂缝;②横向裂缝;③侧向裂缝;④表面不规则裂缝。上述开裂形式在德国高速铁路和台湾高速铁路的混凝土道床板中都有出现，而且运营后在列车荷载以及温度、雨水等环境因素的共同作用下，裂缝会不断延伸和扩展［2］。国内相关报道亦是屡见不鲜［3-5］。不论何种形式的开裂，都会对轨道结构服役性能产生影响，并最终给线路行车安全带来不利影响。

图1 无砟轨道道床板典型开裂形式

2 道床板防裂技术措施

2.1 掺内养护材料

内养护材料是一种新型的混凝土添加组分，其原理是利用引入的轻骨料或高吸水树脂(SAP)等吸收、预蓄存水分，以持续补偿混凝土凝结硬化过程中的水分消耗，延缓混凝土内部湿度降低速率，可显著降低混凝土的收缩［1］。其作用机制如图2所示。

图2 SAP作用机理示意

试验段采用普通高性能混凝土、优化配合比后的混凝土以及掺内养护材料的混凝土分别进行浇筑，内养护材料为中铁科学技术开发公司生产的TK-ICM型。试验段浇筑里程及施工方案详见示意图3，道床板混凝土配合比见表1。

图3 试验段浇筑里程及方案(单位:m)

表1 道床板混凝土配合比kg/m3

道床板混凝土采取集中搅拌、泵送施工的方法，坍落度严格控制在150～180 mm，含气量控制在3.0%～4.0%。混凝土要求人工摊铺，严禁在浇筑过程中使用振捣棒拖、赶混凝土，并配备专人进行均匀振捣，避免侧模、轨枕附近的混凝土出现漏振现象，但亦不得过振。

混凝土浇筑7 d后的外观如图4所示。从图4中可以发现，左线道床板混凝土因掺加了内养护材料，其外观颜色均匀，呈现青色，表面密实，拆模前后无缺棱掉角，而右线中未掺内养护材料的道床板混凝土则颜色发白，表面分布较多气孔，感观较为粗糙。这是由于内养护材料改善了混凝土工作性能，减少了混凝土表面泌水，提高水泥水化程度，优化了混凝土微观孔结构，大大增强了混凝土的密实度，改善了细观效果。

图4 混凝土外观质量

2.2 喷涂高效养护剂

无砟轨道道床板属于现浇混凝土结构，呈现宽幅(2 800 mm)以及薄壁(265 mm)的特点，具有较小的体表比，混凝土暴露面积大，因而混凝土在硬化过程中容易失水，出现塑性收缩、干燥收缩等引起的裂缝。此外，混凝土终凝前无法洒水养护，现有覆盖措施无法保证养护质量。为避免混凝土早期失水过多，降低道床板混凝土早期开裂的风险，喷涂高效养护剂是目前行之有效的养护方式之一。

养护剂是一种高分子涂膜材料，喷洒在混凝土表面后固化，形成一层致密的薄膜，使混凝土表面与空气隔绝，防止水分过快蒸发，保证混凝土早期具有较好的保湿养生条件。养护剂喷涂随混凝土施工跟进作业，待混凝土收浆后，表面无泌水，并用手指轻轻压无印痕，随即施工。

试验段采用中国铁道科学研究院生产的TKC-Ⅰ型高效养护剂，其性能指标详见表2。养护剂用量控制在0.2～0.3 kg/m2，并根据当时施工环境，如气温、温度、风速等，通过试喷后适当调整后确定。现场采取先喷洒后局部滚涂的方法，确保养护剂均匀覆盖在道床板混凝土表面。养护剂喷涂后效果如图5所示。

表2 高效养护剂性能指标

图5 高效养护剂

2.3 粘贴透水模板布

无砟轨道道床板属于长距离带状薄壁结构，受温度、湿度、应力等因素的影响明显，因此需要采取科学、有效的养护方式，以保证实体结构质量。与传统洒水覆盖养护方式不同，透水模板布是以改性高分子聚合物纤维为主要材料，经过特殊工艺加工制成的新型养护材料，如图6所示。养护膜一侧通过专用粘结胶密贴于模板内侧，另一侧则紧贴于混凝土，它能够显著提高混凝土表面的密实度，改善混凝土的抗裂性能。无砟轨道道床板专用透水模板布施工工艺为:模板表面清理→模板表现喷涂专用胶→粘贴专用透水模板布→立模浇筑混凝土→拆模后冲洗清理→二次周转使用。

图6 透水模板布

施工时，需特别注意透水模板布与模板粘贴牢固，并保证平整无褶皱，否则影响使用效果，有害观瞻。图7为采用透水模板布的道床板混凝土与未采用透水模板布的道床板混凝土外观质量对比图(拆模当天拍摄)。

图7 混凝土外观质量

通过图7对比发现，采用透水模板布技术的道床板混凝土表面更为细致、密实，颜色均匀，砂斑、气泡等问题极为少见;反之，未采用透水模板布的道床板混凝土表面则分布较多气泡、砂眼，手指轻扣即出现较深印痕，显得较为酥松。原因在于:①透水模板布紧贴于混凝土表面，其保湿作用能确保混凝土在早期养护阶段保持较大湿度，降低产生微裂缝的风险;②透水模板布具有良好的孔径尺寸与分布，能有效排出混凝土表面多余水分和空气，使混凝土形成一层富含水化硅酸钙的致密层，从而有效减少混凝土表面的气泡，大大提高混凝土表面的密实度，改善抗裂性能。

3 裂损情况调查

2012年6月21日和2012年12月25日两次对掺内养护材料、未掺内养护材料以及优化配合比后的混凝土道床板的裂损情况进行了调查。每一调查区段的长度约为25 m，各选取38个轨枕单元进行逐个查看，主要包括开裂的部位、数量、宽度以及长度。为便于对调查结果进行分类描述，将道床板裂缝进行了分类，主要有以下几种形式:

1)轨枕块八字角裂缝。轨枕块边角裂缝引发于轨道块四个边角位置，长短不一，严重时同排或同列相邻轨道块边角裂缝相互连通或延伸至道床板外侧边缘。

2)道床板横向裂缝。道床板横向裂缝主要有三种形式:其一为在支承层切缝位置出现，约占横向裂缝的50%，为主要出现方式，该类裂缝较为严重，往往沿整个道床板横截面贯通;其二为轨枕块边角裂缝连通形成，在局部区段比较严重;第三种横向裂缝位于不同排轨枕块之间，为单独出现，较为少见。

3)表面不规则裂缝。表面不规则裂缝并非普遍现象，如龟裂等，多与施工时混凝土状态及施工后养护情况有关。

试验段道床板混凝土裂损调查统计结果见表3。

表3 道床板裂缝数调查结果

现场两次调查表明，随着时间的延长，道床板混凝土开裂趋势有所增加。从表3可知，区段Ⅰ采取内掺内养护材料、外喷高效养护剂，并附加透水模板布的综合措施，混凝土道床板在自然环境中暴露7个月后未出现可见裂缝，而暴露一年后出现了3条因支撑层切缝引起的横向贯穿裂缝，1条八字角短裂缝以及少量表面不规则微裂缝。区段Ⅱ未掺内养护材料，一年后混凝土道床板开裂较为严重，尤其以轨枕边角处开裂居多，占开裂总数的80%以上，其中最大裂缝宽度达0.28 mm，最长裂缝达800 mm。区段Ⅲ采用优化配合比后的混凝土进行施工，混凝土道床板开裂情况较区段Ⅱ有所改善，但仍出现较多裂缝，至第二次观测期间，已有7条裂缝横向贯通整个道床板，且个别裂缝最大宽度已超过0.2 mm。

图8为实际调查过程中发现的部分混凝土道床板的裂损现象，其中轨枕块八字角裂缝较为普遍。分析认为，道床板混凝土在收缩或不均匀沉降过程中，容易在预制混凝土轨枕与现浇混凝土结合部位，尤其在边角处产生应力集中，使得混凝土在持续拉应力状态下开裂，并随时间逐渐延伸发展。