兰新铁路CRTSⅠ型双块式无砟轨道道床板混凝土抗裂技术

王保江

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

新建兰新铁路第二双线横贯我国西北地区，全长1 776 km，途经安西、烟墩、百里、三十里和达坂城5个风区，沿线大部分地区处于大温差、大风沙、大蒸发和降水稀少的恶劣自然环境。根据2009年国家发改委批复的《新建兰新铁路第二双线可行性研究报告》，兰新铁路第二双线设计时速为200 km/h以上，其轨道形式采用CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构。国内外高速铁路工程实践表明，CRTSⅠ型双块式无砟轨道具有造价低、工艺简单和可维修性好等优势，但也存在现浇道床板混凝土易出现各种形式开裂的问题。一旦在施工期间对道床板混凝土的开裂未能进行有效控制，投入运营后，在强疲劳荷载和有害介质侵蚀的多重作用下，裂缝极易扩展，不但会增加维护成本，甚至会威胁到行车安全［1］。兰新铁路第二双线面临的恶劣自然气候条件使得混凝土早期裂缝比其它地区更难控制，这给CRTSⅠ型双块式无砟轨道施工带来了前所未有的挑战。因此，本文根据兰新铁路二线工程建设的实际需要，以确保CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构达到设计使用寿命为目标，针对沿线自然环境和CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构特征，分析道床板混凝土抗裂技术难点，从混凝土材料和施工两个方面，提出CRTSⅠ型双块式无砟轨道道床板混凝土抗裂技术，为兰新铁路第二双线CRTSⅠ型双块式无砟轨道施工提供借鉴。

1 兰新二线道床板混凝土抗裂技术难点

CRTSⅠ型无砟轨道道床板为现浇混凝土，施工时混凝土上表面直接暴露在空气中，施工质量受环境因素影响很大，同时，道床板混凝土在水平方向的变形远大于垂直方向的变形，发生变形时道床板混凝土不但受到内部钢筋和预制轨枕块的约束，而且底部也受到支承层的约束，在兰新铁路第二双线恶劣的自然环境下开裂的风险极大。道床板混凝土的裂缝控制是无砟轨道质量控制的难点，具体体现在混凝土材料和施工两个方面，见表1。

表1 兰新二线道床板混凝土抗裂技术难点

2 低收缩混凝土制备

2.1 低收缩混凝土配合比参数优化

混凝土收缩是影响其抗裂性的重要因素之一［2-3］，通过优化混凝土配合比参数，降低浆体体积率、单方用水量和胶凝材料用量，利用矿物掺合料实现胶凝材料的多元化等手段，可实现减小混凝土收缩进而提高抗裂性的目的。经室内研究确定了兰新铁路第二双线C40道床板低收缩混凝土的配制原则为“低胶材用量、低用水量、低坍落度、高含气量”(三低一高)。具体内容如下:①胶凝材料用量不宜大于380 kg/m3，掺加不少于30%的优质粉煤灰;②单方用水量不应大于150 kg/m3;③为避免表层浮浆，采用斗送时入模坍落度不应大于140 mm，泵送时坍落度不应大于160 mm;④单方最大浆体体积不应大于0.30 m3(不计空气体积);⑤入模含气量不应小于4%。

2.2 内养护技术

2010—2011年，课题组在兰新二线沿线玉门、柳园、达坂城和吐鲁番等地开展了线外试验段试验。结果表明，由于自然环境的严酷，单纯采用优化混凝土配合比参数的常规手段并不能有效抑制大风干旱地区道床板裂纹的产生。内养护技术是混凝土自浇筑成型后就已实现无间歇养护的新技术，是自上世纪引气技术以来最重要的提升混凝土耐久性技术之一［4-6］。课题组通过借鉴国际上内养护技术成果，对传统内养护成分进行优选，并复合保水、减缩组分，充分发挥各组分的补水、保水和减缩的叠加效应，研制出具有高抗裂性能的内养护材料［7］。

2.2.1 内养护材料对混凝土收缩性能的影响

图1为掺内养护材料的C40道床板抗裂混凝土和普通C40道床板混凝土的塑性收缩及长期干缩对比图。从图1可以看出，掺内养护材料混凝土72 h时的塑性收缩值仅为普通混凝土的20%;而掺内养护材料混凝土的长期干缩值较普通混凝土降低约36%。无论是在塑性阶段还是硬化阶段，掺内养护材料均具有显著的减缩效果。

图1 内养护材料对道床板混凝土塑性收缩及长期干缩的影响

2.2.2 内养护材料对混凝土抗裂性能的影响

抗裂性能测试试验装置见图2(a)。掺内养护材料的C40道床板抗裂混凝土和普通C40道床板混凝土的抗裂性能对比见图2(b)。从图2(b)可以看出，普通混凝土在5 d龄期时发生开裂，而掺内养护材料抗裂混凝土的开裂明显延迟，在18 d龄期时尚未出现裂纹。可见，内养护材料能明显提高混凝土的抗裂性能。

图2 抗裂性能测试试验装置及两种混凝土抗裂性能对比

2.2.3 内养护材料的作用机制

内养护材料的实质是在充分研究内养护混凝土特性的基础上，赋予其多功能化以满足兰新铁路道床板抗裂的需求。其作用机制为:充分利用高分子保水材料增加水分子间的内聚力和迁移阻力，在阻止水分散失的同时，改善混凝土的稠度以消除泌水和降低浮浆厚度;引入级配化设计的补偿收缩组分，以实现混凝土的分阶段减缩;利用预蓄水组分在混凝土内部进行水分补偿，以实现塑性阶段的保水和硬化阶段持续补水的自养护功效;发挥多功能组分的叠加效应，实现干旱环境下补偿收缩组分的功效最大化(见图3)。

图3 内养护材料在混凝土中的作用机制

3 混凝土施工控制

根据工程实际需要，道床板混凝土施工过程质量控制应涵盖与结构特点和环境特征相适应的混凝土施工技术、科学的节水保湿养护技术和合理的温度应力释放措施3个方面。现结合兰新铁路道床板混凝土的施工工艺流程对其施工过程控制进行详细阐述，见图4。

图4 道床板混凝土施工工艺流程及过程控制

图5和图6分别为道床板混凝土“之”字形路线三点布料浇筑工艺及二次振捣工艺示意图。采用“之”字形路线三点布料浇筑工艺主要目的是为了保证入模混凝土的整体匀质性，降低混凝土表层浮浆的厚度，进而防止道床板混凝土表面龟裂。二次振捣工艺是在使用φ50振动棒振捣完毕后，再使用φ30振动棒斜插入轨枕底部并在轨枕四周进行振捣。其目的是保证轨枕底部混凝土密实以及四周混凝土与轨枕界面黏结质量，防止出现离缝。

图5 “之”字形路线三点布料浇筑工艺

图6 二次振捣工艺示意

4 工程应用

CRTSⅠ型双块式无砟轨道道床板混凝土综合抗裂技术经兰新铁路第二双线线外试验段验证有效后，在兰新二线张掖以西地区、张掖以东高海拔(2 800 m以上)地区正线施工中得到推广应用。经后期观测并对现场道床板混凝土开裂情况进行了统计，结果见图7。由图7可看出，采用抗裂技术施工的道床板混凝土八字角裂纹、板面不规则裂纹和道床侧边裂纹均明显少于采用常规技术施工的道床板混凝土，道床板混凝土裂纹得到有效控制。

图7 采用常规技术和抗裂技术的两种道床板混凝土(90 d龄期)开裂情况对比

5 结论

1)采用“低胶材用量、低用水量、低坍落度和高含气量”(三低一高)的混凝土配制技术，能够有效降低混凝土的收缩和水化热。该配制技术是兰新二线道床板混凝土裂缝控制的基础。

2)内养护材料与外养护剂养护相结合的“内部抗裂、外部防裂”混凝土裂缝控制技术，能够与兰新二线CRTSⅠ型无砟轨道道床板的结构特点和环境特征相适应。该裂缝控制技术是兰新二线道床板混凝土裂缝控制的关键。

3)从提高混凝土匀质性、缩短混凝土暴露时间和及时释放温度应力三方面提出的混凝土施工技术措施，是兰新二线道床板混凝土裂缝控制的保障。

［1］李向国．高速铁路技术［M］．北京:中国铁道出版社，2008．

［2］吴华君，方鹏飞．高性能混凝土干燥收缩规律研究［J］．混凝土，2009(8):33-34．

［3］王铁梦．工程结构裂缝控制［M］．北京:中国建筑工业出版社，1999．

［4］HENKENSIEFKEN R，CASTRO J，KIM H，et al．Internal curing improves concrete performance throughout its life［J］．Concrete Infocus，2009，8(5):22-30．

［5］JENSEN O M，HANSEN P F．Water-entrained cement-based materialsⅡ．Experimental observations［J］．Cement and Concrete Research，2002(32):973-978．

［6］孔祥明，李启宏．高吸水性树脂对水泥砂浆体积收缩及力学性能的影响［J］．硅酸盐学报，2009，37(5):855-861．

［7］朱长华，李享涛，王保江，等．内养护对混凝土抗裂性及水化的影响［J］．建筑材料学报，2013，16(2):221-225．