CRTSⅡ型板式无砟轨道轨道板与宽接缝界面开裂研究

楼梁伟，谢永江，辛学忠，仲新华

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081; 3.沪昆铁路客运专线浙江有限责任公司，浙江 杭州 310016)

CRTSⅡ型板式无砟轨道轨道板与宽接缝界面开裂研究

楼梁伟1，2，谢永江1，2，辛学忠3，仲新华1，2

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081; 3.沪昆铁路客运专线浙江有限责任公司，浙江 杭州 310016)

针对板式无砟轨道轨道板与宽接缝界面开裂进行了调研，分析了开裂的特征、成因及其危害，并提出改进措施。结果表明:轨道板与宽接缝界面开裂宽度半数以上介于0.2～0.5 mm，实测最大宽度为1.7 mm;开裂与混凝土轨道板温差变形、干缩变形密切相关，理论计算裂缝宽度为1.64 mm。界面开裂后渗水将导致水泥沥青砂浆垫层出现唧浆、粉化等现象，采取预设凹槽及柔性嵌缝材料灌缝的技术措施可解决此问题。

板式无砟轨道 宽接缝 界面开裂 成因 改进措施

CRTSⅡ型板式无砟轨道是我国铁路客运专线和高速铁路的主要轨道结构形式，从上至下依次由60 kg/m钢轨、弹性扣件、预制轨道板、砂浆垫层、混凝土底座板(或支承层)等部分组成，轨道板之间通过6根φ20精轧螺纹钢筋纵向连接，形成串联结构体系。紧邻铺设的两块轨道板横向间隙为宽接缝，设计宽度200 mm。宽接缝内部填充的混凝土要求具有良好的体积稳定性和高密实度，以便满足轨道结构功能和施工工艺要求，最大限度地保证无砟轨道的服役寿命。

为避免轨道板与宽接缝在新老混凝土结合面处产生开裂，设计要求宽接缝采用C55微膨胀高性能混凝土，膨胀率应＞2.5×10-4。但工程实践表明［1］，轨道板与宽接缝界面仍普遍出现横向贯通裂缝，裂缝宽度通常在0.1～2.0 mm，最宽时可达2～3 mm，且随温度变化而变化。

针对这一现象，本文实地调研了轨道板与宽接缝的界面开裂情况，选取典型界面裂缝进行观测，深入研究了裂缝产生的主要原因，分析了裂缝产生的危害，并提出宽接缝界面优化设计方法和措施，为类似工程提供借鉴。

1 界面开裂特征

依托在建高速铁路工程，对路基、桥梁、隧道不同区段的轨道板与宽接缝的界面开裂情况进行了调研，如图1所示。观测点布设于界面裂缝处，每侧3个点，分别位于轨道板板端中线位置与距离板侧面各100 mm处，如图2所示。

图1 轨道板与宽接缝界面开裂

图2 界面裂缝观测示意

裂缝每2个月观测1次，裂缝宽度以同侧3点测量结果的平均值表征。根据裂缝宽度平均值对裂缝进行分类，结果见表1与图3。

统计结果显示，轨道板与宽接缝界面裂缝宽度介于0.2～0.5 mm之间的占50%以上。结合图3分析可知，当环境温度从12℃升高至35.0℃，宽度超过0.5 mm的裂缝比例从20.8%减小至0，而后随温度降低至6℃，宽度超过0.5 mm的裂缝比例再次提高至27.1%。这说明轨道板与宽接缝的界面裂缝宽度与环境温度密切相关。当环境温度升高时，裂缝宽度有所减小;反之，裂缝宽度有所增加。

现场实测发现，裂缝最大宽度出现在12月份温度较低时，最大缝宽达到1.7 mm，位于桥梁区段。相比而言，隧道中轨道板与宽接缝的界面开裂程度较轻，最大缝宽未超过0.45 mm，且以0.30 mm以下裂缝居多。分析认为，隧道中环境温差较小，空气湿度恒定，混凝土结构伸缩和翘曲变形小，故界面开裂趋势减弱，宽度亦随之减小，裂缝数量大幅降低。

表1 界面裂缝宽度分布统计

图3 界面裂缝宽度随温度的变化曲线

2 界面开裂成因

无砟轨道结构长期暴露于自然环境中，轨道板的温度和湿度随着大气温度和太阳辐射强度的变化而经历周期性变化。由于混凝土材料的自身特性，随着温湿度的变化，轨道板会产生伸缩变形和翘曲变形，其变形量与界面开裂密切相关。一旦变形过大，处于轨道结构新老混凝土结合的接缝界面处即发生开裂。

通常，混凝土材料在自由状态下的线膨胀系数αf为10×10-6/℃［2］，Ⅱ型轨道板设计配筋率为1.0%，查询相关文献约束度R可取0.40［3］，根据公式(1)计算可知，轨道板线膨胀系数αt为6×10-6/℃。

根据Darter和Barenberg推导的接缝张开公式［3］，轨道板结构长度为6 450 mm，混凝土干缩系数取1.5 ×10-4，按温差40℃考虑，根据公式(2)计算可知，轨道板与宽接缝界面处开裂宽度将达到1.64 mm。

式中:Δl为因混凝土温度变化和干缩产生的界面开裂宽度，mm;C为轨道板与基层摩擦力的修正系数，取0.65;l为接缝间距或轨道板长，mm;αt为混凝土线膨胀系数，/℃;ΔT为温度变化范围，℃;ε为混凝土干缩系数，为(0.5～2.5)×10-4。

理论计算表明，当不同时段轨道板混凝土温差达到40℃时，轨道板与宽接缝界面处开裂宽度将达到1.64 mm，与现场实际测得最大宽度接近。可见，温差和干缩引起的混凝土结构变形是导致界面开裂的主要原因。

3 界面开裂危害

根据现场实际开裂情况及伴生的劣化问题，轨道板、宽接缝与砂浆垫层界面结构可简化为如下模型，如图4所示。

图4 界面开裂示意

已有研究表明［4］，当基层结构内存在自由水时，重复轴载引起的结构损坏比处于干燥时成倍增加。由图4可知，雨水、有害离子等介质通过界面裂缝不断渗透进入宽接缝混凝土界面、轨道板与砂浆层界面以及砂浆毛细孔内部，在行车荷载—水—温度耦合作用下，混凝土与砂浆材料容易过早损伤劣化并引发结构破坏，直接影响到轨道结构的服役性能和耐久性。

图5 层间界面唧浆现象

1)通过界面裂缝形成了输水通道，渗水积聚在轨道板与砂浆垫层界面，砂浆材料趋向于自由水饱和状态。在行车荷载的反复作用下，产生动水压和泵吸作用［5］，使得自由水在接缝和层间界面处高速流动，对砂浆表层形成持续冲刷，松散细粒料随水流从层间界面析出，产生唧浆现象，如图5所示。长此以往，轨道板端部逐渐脱空，加剧错台、翘曲，从而改变板端与垫层结构受力，并导致砂浆碎裂甚至粉化。

2)雨水、雪水等滞留于轨道板与砂浆层界面，一方面，自由水进入砂浆层原生裂隙，砂浆容易发生冻胀劈裂，导致基层材料强度降低，逐渐失去支承力;另一方面，含有害离子的自由水渗入砂浆毛细孔，砂浆层随环境温度周期性变化而发生冻融破坏，由表及里缓慢剥蚀、风化。

4 改进措施

轨道板与宽接缝的界面裂缝是动态变化的，所以考虑从优化宽接缝设计，改善接缝材料以及侧面封闭三个方面入手，阻止雨水直接渗入宽接缝与砂浆垫层中，消除行车荷载、环境作用下雨水、有害离子等介质对轨道结构的破坏作用。

4.1 预设凹槽

在轨道板与宽接缝结合面预设横向贯通凹槽，如图6所示。根据美国ASTM C1193-00和德国DIN 18450水泥混凝土结构接缝宽度与深度推荐值［6］，设计槽宽20 mm，槽深15 mm。为适应宽接缝界面开裂的时变特性，采用自主研发的柔性嵌缝材料充填凹槽。其主要性能见表2。

表2 柔性嵌缝材料主要指标

图6 凹槽结构示意

4.2 喷涂憎水封闭材料

在轨道板与宽接缝界面两侧及轨道板端部与垫层界面两侧各30 mm范围内喷涂憎水型封闭材料，使其在基体表面形成封闭憎水层，如图7所示。

图7 侧面憎水型封闭材料

上述技术措施应用于某高速铁路无砟轨道宽接缝施工(见图8)。后期观测表明，嵌缝材料与混凝土基体粘结良好，无开裂、穿刺破坏、脱落和老化等现象，宽接缝未见表面渗水(见图9)。与此同时，憎水性封闭材料与基体结合良好，未出现起皮、剥落和变色现象，具有良好的憎水性能。

图8 填充预设凹槽

图9 柔性嵌缝材料(1年后)

5 结论

1)调研表明，轨道板与宽接缝界面普遍开裂，并随环境温度增加而减小。裂缝宽度介于0.2 mm至0.5 mm之间的占裂缝总数的50%以上。实测最大宽度达1.7 mm。

2)界面开裂与轨道板温差变形、干缩变形密切相关，经理论推算，按温差40℃考虑，轨道板与宽接缝界面的开裂宽度将达到1.64 mm。

3)轨道板与宽接缝界面开裂加速雨水等有害介质的渗入，在行车荷载和外界环境的反复作用下，砂浆垫层出现唧浆、冻胀、粉化等破坏，可以导致轨道结构受力状态恶化，甚至影响后期运营安全。

4)采取预设凹槽并以柔性嵌缝材料封闭为主，喷涂憎水型防水材料为辅的技术措施，能够解决轨道板与宽接缝界面开裂及渗水问题。所采用的柔性嵌缝材料具有良好的施工性、粘接性、弹韧性和耐候性。

［1］杨金成.Ⅱ型板式无砟轨道结构裂缝产生机理及修补方案研究［J］.石家庄铁道大学学报:自然科学版，2012，25(2): 54-58.

［2］中华人民共和国建设部.GB 50010—2002混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［3］富文权，韩素芳.混凝土工程裂缝分析与控制［M］.北京:化学工业出版社，2001.

［4］LOVERING W R，CEDERGREN H R.Structural Section Drainage［C］//International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements Proceedings.U.S.A.:National Academies Press，1962:193-207.

［5］黄立葵，何慧斌，张迎春，等.水泥混凝土路面的水冲刷破坏［J］.中南公路工程，2003，28(3):18-22.

［6］王硕大，刘晓曦，吴永根，等.机场混凝土道面新型封缝材料灌缝宽度与深度研究［J］.防水材料与施工，2004，37(12): 25-27.

Study on crack in interface between track slab and wide joint for CRTS Ⅱ slab-type ballastless track

LOU Liangwei1，2，XIE Yongjiang1，2，XIN Xuezhong3，ZHONG Xinhua1，2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China; 3.Shanghai-Kunming Railway Passenger Dedicated Line Zhejiang Co.，Ltd.，Hangzhou Zhejiang 310016，China)

In this paper，the interface cracking between track slab and wide joint of slab-type ballastless track was investigated，the cracking characteristics，causes and influences were analyzed，and the improvement measures were put forward.The results showed that more than half of interface cracking width is from0.2 mm to0.5 mm and the measured maximum width is 1.7 mm，cracking is closely related to temperature deformation and dry shrinkage deformation of concrete track slab and theoretical calculation value of cracking width is 1.64 mm，seepage leads to pumping and pulverization of cement emulsified asphalt mortar layer after interface cracking，which can be solved by presupposing groove and crack pouring with flexible sealing material.

Slab-type ballastless track;Wide joint;Interface cracking;Causes;Improvement measures

U213.2+42

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.22

1003-1995(2015)01-0098-04

(责任审编 赵其文)

2014-09-25;

2014-11-18

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2013G008-D)

楼梁伟(1982—)，男，浙江诸暨人，助理研究员，硕士。