风区高速铁路无砟轨道道床板混凝土裂缝产生及控制

孔 云 中铁四局集团有限公司试验检测中心，合肥 230023

1 概述

兰新铁路第二双线途经哈密和吐鲁番地区，此地属典型温带大陆性干旱气候，冬季寒冷干燥，春季多风且冷暖多变，夏季高温少雨，恶劣的气候条件对混凝土结构产生了巨大的危害，尤其在道床板施工过程中混凝土容易出现严重的开裂现象。为解决这一施工难题，项目部和铁科院合作，对道床板混凝土施工进行研究，在百里风区开展多次工艺性试验，最终有效减少了道床板开裂的现象。

2 道床板混凝土裂缝产生的原因分析

2.1 混凝土内外的温差导致裂缝出现

如果温差超过一定值时，即产生温差应力，当温差应力大于极限抗拉强度时混凝土就会产生裂缝。在哈密百里风区，极端气候频现昼夜温差大，混凝土在这样的水化环境和环境温度的变化中发生剧烈变化，当温差超标时极易产生温差裂纹。

2.2 混凝土的收缩变形导致道床板混凝土出现裂缝

混凝土收缩分为温度收缩、自收缩、干燥收缩和塑性收缩。这几种收缩有相似的地方也有不同之处，温度收缩是由于混凝土水化热的释放过程中温度降低而产生的收缩。自收缩和干燥收缩均是由于混凝土中水分迁移引起的，但是自收缩是由于水泥水化过程中消耗水分造成凝胶孔的液面下降，形成弯月面产生所谓的自干燥作用，混凝土体的相对湿度降低、体积减小。而干燥收缩的主要原因是吸附水的消失，当吸附水消失时，造成混凝土的体积收缩。塑性收缩则是由于混凝土表面的蒸发水不能得到及时补充，而此时混凝土尚处于塑性状态，稍微受到一点拉力，混凝土表面就会出现不规则的裂缝，出现裂缝后混凝土体内水分蒸发会进一步加快，所以裂缝迅速扩展。

2.3 其他因素导致的裂缝

当道床板混凝土受到约束力超过极限拉力时混凝土也会产生裂缝，由于双块式无砟轨道施工一般采用轨排框架或工具轨两种施工方式，轨排框架和工具轨均按单元结构将轨枕和钢轨用扣配件连成一个整体，当混凝土浇筑完成终凝后，未能及时松扣件而释放轨排的应力，将导致轨枕附近的混凝土开裂。

图1 温差裂缝

图2 塑性裂缝

图3 不当施工导致的裂缝

3 预防道床板混凝土开裂的主要措施

3.1 道床板混凝土配合比的设计

3.1.1 初步确定水泥用量、单方用水量及水灰比的范围

道床板配合比按照所处的环境条件同时符合设计和验收规范进行设计，根据一定龄期的收缩试验研究发现影响混凝土收缩的主要因素有水灰比、水泥用量、单方用水量等。

从图4中可以得出以下结论：水泥用量越大，混凝土收缩率越大，而相同水泥用量条件下随着水灰比的增大，混凝土收缩逐渐增大，同时单方混凝土用水量增加收缩值也在增大，收缩值越大就越容易开裂。

图4 水灰比、用水量、胶材用量与混凝土收缩的关系图

3.1.2 通过试验研究确定混凝土中粉煤灰掺量和含气量

为了确定粉煤灰掺量和混凝土含气量对混凝土收缩率的影响关系，采用相同配合比对粉煤灰掺量进行调整，从10%～40%替代水泥，对混凝土收缩率进行测试，根据测试结果图可以得出：混凝土收缩率随着龄期增长而增大，随着粉煤灰掺量的加大混凝土收缩率在逐渐减小，到30%时达到最小值，掺量达到40%时混凝土收缩率又增大，可以确定粉煤灰30%为最佳掺量。通过掺如引气剂对混凝土进行适当引气，通过试验发现，给道床板混凝土适量的引入空气含量，对混凝土的收缩有一定的好处，含气量在4%～6%之间最为有利，当达到7%时收缩率较大。

图5 粉煤灰掺量与收缩率关系图

图6 含气量与收缩率关系图

3.1.3 掺加SAP内养护剂降低混凝土自收缩减少裂缝的产生

内养护剂SAP（超强吸水树脂）作为一种新型材料，其可显著提高混凝土的早期膨胀值和限制膨胀率，降低膨胀与收缩变形的差值。内养护剂作用机理：SAP具有吸水-释水功能，掺加SAP将有利于钙矾石的生成和水泥水化程度的提高，并能有效改善膨胀混凝土的孔结构分布。为了对比SAP内养护剂的减缩效果，我们在风区路基段无砟轨道施工现场开展工艺试验，测试结果如下图：

图7 内掺养护剂与收缩率关系图

从图中我们不难发现混凝土在塑性阶段，掺内养护材料8%的混凝土呈现先膨胀后小幅收缩趋势，120h时收缩仅为空白18%，具有较好的减缩效应；硬化阶段，内养护材料可使混凝土终极收缩值降低41%。

3.2 混凝土施工质量控制

混凝土终凝后及时对其洒水保湿养护，或者立即喷涂养护剂成膜，并及时覆盖土工布、塑料布和篷布并压实拉紧防止被风吹开，养护时间一般不少于21d，期间对于洒水养护的混凝土要及时补水，对于采用养护剂养护的混凝土要检查养护剂的成膜质量是否满足要求。

4 施工效果

通过一段时间观察发现，采用低水胶比、低胶材用量和用水量、低坍落度、适当含气量同时掺加内养护剂的混凝土与其他未采取措施的混凝土相比，降低道床板混凝土开裂的成效非常明显，裂缝的数量大幅减少，由开始时的近90%降低到3%，且裂缝的长度宽度基本在规范允许范围，达到了预定的效果，有效控制了道床板混凝土的开裂现象，有效地保证了兰新铁路道床板混凝土质量。