西北地区铁路整体道床混凝土裂缝施工控制关键技术研究

2015-07-25王晓云董朝阳

铁路技术创新 2015年5期

关键词：裂缝控制西北地区

王晓云董朝阳

王晓云董朝阳

摘要：结合西北地区具体情况，对混凝土整体道床在施工阶段裂缝控制的研究方案、研究内容和方法进行论述，阐明裂缝产生的主要原因，提出裂缝控制研究的重点，对西北地区整体道床混凝土裂缝控制的进一步研究具有一定的指导作用。

关键词：铁道工程；整体道床；裂缝控制；西北地区

0 引言

高速铁路是当今世界铁路建设的主要发展方向。近年来，我国高速铁路建设取得飞速发展，运营里程已居世界第1位。在我国新建的高速铁路中，主要采用无砟的整体式道床。

在我国的西北地区，客运专线广泛采用无砟轨道方式，而在一些普通铁路的隧道内，考虑到整体道床的优点，同样采用整体道床的结构形式。整体道床在施工过程中，混凝土开裂是非常难于控制的问题，因为整体道床本身就相当于体表比较小的钢筋混凝土板，加上西北地区干旱、大风及昼夜温差大的特点，都会对混凝土在凝结硬化初期的收缩及由此导致的混凝土开裂产生较大的影响。如在兰新客运专线建设过程中，有的路段因为混凝土开裂现象较严重（见图1），甚至出现将整体道床拆除重建的现象。因此，解决这一问题是非常关键和必要的。调研西北地区部分施工现场整体道床裂缝开展的情况，结合西北地区干旱、大风、昼夜温差大的特点进行相关的理论分析，总结出导致整体道床出现裂缝的几方面的原因，并对相应的研究方法进行论证。

1 道床结构设计

图1 整体道床开裂

1.1 问题分析

从无砟轨道的结构设计方法可知，设计考虑的因素主要是列车运营过程中各因素对整体道床的影响，而未考虑施工阶段整体道床混凝土裂缝的控制。混凝土整体道床产生裂缝最严重的时间往往是在混凝土的凝结硬化阶段，特别是混凝土施工完成的1～2d。该阶段混凝土由于凝结硬化会产生体积收缩，强度逐渐增大，当混凝土体积收缩受到限制时，会产生收缩应力，若收缩应力大于混凝土当时的强度，混凝土就会产生开裂。这种开裂在整体道床的施工中非常普遍，严重时可能会因为裂缝过多而造成返工现象。

从道床产生的裂缝形式来看，主要包括整体道床表面的龟裂裂纹和道床内轨枕端部的“八”字形裂缝。对于道床表面的龟裂裂缝而言，大部分仅在混凝土表面产生，裂缝宽度较细且纵横交错，呈龟裂状，外形没有任何规律（见图2—图3）。若这种龟裂裂缝宽度较大、数量较多且深度较深时，应采取相应的处理措施，开裂严重时就可能将道床拆除重建。道床内轨枕端部的八字形裂缝，从轨枕端部的2个角向外延伸，有的一直延伸到整体道床边缘，从侧面可以看出裂缝较深（见图4—图7），这种裂缝如不及时处理，在运营过程中可能会由于列车荷载等的作用不断加大，影响整体道床的受力，且雨水容易顺着裂缝深入道床，使道床内的钢筋锈蚀，影响其耐久性。

从道床内的钢筋布置（见图8）及轨枕结构形式可知，导致混凝土开裂主要有以下因素：（1）钢筋的布置较少，没有专门防止混凝土表面开裂的构造钢筋；（2）在轨枕端部等容易出现混凝土应力集中的区域，没有配置适宜的防裂钢筋。

图2 对整体道床顶面龟裂裂缝进行标识

1.2 研究方法

针对整体道床内部构造钢筋布置较少的情况，结合道床表面的裂缝开展特征，在道床内适当位置布置构造钢筋和防裂钢筋。结合新配置的钢筋，利用ANSYS软件建立数值分析模型，模拟混凝土凝结硬化自收缩过程中裂缝产生的可能性，并通过模拟结果对钢筋进行调整。对于调整好防护钢筋布置的整体道床板，通过试验对混凝土凝结硬化初期的抗裂性能进行验证。

图3 整体道床表面龟裂裂缝分布

图4 轨枕端部整体道床八字形裂缝

图5 整体道床八字形裂缝侧面深度

图6 轨枕端八字形裂缝顶面

图7 轨枕端八字形裂缝侧面　

图8 整体道床的钢筋布置

2 混凝土配合比

2.1 问题分析

混凝土凝结硬化的自收缩，在很大程度上取决于混凝土内的水泥用量及水灰比，水泥用量越多，水灰比较大，收缩就越大。

混凝土按照拌合物的和易性，可分为干硬性混凝土、半干硬性混凝土、塑性混凝土、流动性混凝土等。不同的混凝土，其水泥用量和水灰比也不同。在西北地区整体道床施工过程中，较多的路段采用塑性混凝土，塑性混凝土由于加入减水剂等添加剂，混凝土和易性增加，用水量减少。但由于各施工单位在配置混凝土时，配合比不尽相同，且混凝土添加剂等加入量也不一致，导致有的路段整体道床施工后混凝土开裂较轻，有的路段开裂较严重。

2.2 研究方法

研究首先收集各施工路段混凝土的配合比，包括不同路段采用的砂石料的粒径、级配等，然后结合整体道床的混凝土开裂情况，对配合比进行调整，对于调整好的配合比，则进行相关的试验研究，以验证混凝土在凝结硬化过程中的收缩性能。

3 混凝土施工工艺

3.1 问题分析

混凝土的施工工艺主要包括混凝土的搅拌、运输、振捣及混凝土振捣后的抹平等处理工艺。混凝土的搅拌和运输主要采用商品混凝土，混凝土的搅拌、运输等工艺相对规范和成熟，因此对混凝土开裂的影响不大。混凝土施工工艺对裂缝影响主要是混凝土的振捣及后期处理，特别是对于整体道床而言，由于其结构形状呈板式，体表比较小，振捣往往采用插入式振动器，振捣完后采用表面抹平的方式，如果在这一阶段施工工艺不合适，则很容易就出现裂缝，而这一点又往往不被重视。另外，应适当增加混凝土表面的收面次数，发现细小裂缝立即收面，避免在混凝土初凝前产生裂缝。在混凝土初凝结束前用抹子拍打容易出现裂缝的区域，特别是双块式轨枕或长轨枕与新混凝土的结合部位，也可在一定程度上避免裂缝的出现。

3.2 研究方法

采用试验研究的方法，对采用不同施工工艺的混凝土表面的开裂情况进行研究。不同的施工工艺包括不同的混凝土振捣方式和次序、振捣完以后的抹平及后续的表面收面等步骤，以研究适宜的混凝土表面裂缝控制措施。

4 混凝土养护

4.1 问题分析混凝土的养护对控制混凝土早期的开裂具有至关重要的作用。混凝土的养护方法相对较多，主要包括自然养护法和蒸汽养护法。蒸汽养护法养护效果相对较好，但对于我国西北地区的整体道床混凝土而言，采用蒸汽养护法是不现实的。在自然养护法中，可采取草袋覆盖、喷淋洒水等措施进行保湿养护。但这种方法要消耗掉大量的水，对于我国干旱的西北地区，这种方法也不太现实。采用较多的方法是在混凝土表面喷涂养生液或覆盖养生膜等。

4.2 研究方法

首先调研各施工单位在整体道床施工时采用的混凝土养护方法，然后经过对比分析，选择几种较适宜的混凝土养护方法进行试验，验证各种混凝土养护方法的效果，以确定适宜的整体道床养护方法。

5 结束语

整体道床在施工阶段产生的裂缝数量在其总裂缝数量中占有相当大的比例。因此，对其在此阶段裂缝的产生及控制措施的研究具有重要意义。结合我国西北地区气候特点，对整体道床施工阶段混凝土裂缝产生的原因及控制措施进行研究，得出相应结论，研究成果对整体道床混凝土裂缝的控制具有重要意义，但还需试验研究进一步验证，并在实际应用中不断改进和完善。