干旱区CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道道床板裂缝成因及防治措施

韩 赟

(兰新铁路甘青有限公司，甘肃 兰州 730000)

CRTSⅠ型双块式无砟轨道以其平稳性好、可适应不同地质条件、施工方法简单、后期维护少等优点，在高速铁路建设中得到了广泛应用。但CRTSⅠ型双块式无砟轨道道床板混凝土是现浇形式，施工质量容易受结构形式、环境因素、混凝土性能、施工装备及管理水平等因素的影响，尤其是道床板裂缝问题一直难以克服，严重的可能导致道床板表面积水渗入内部，造成钢筋锈蚀、混凝土冻胀等，影响道床板寿命，为后期运营安全留下隐患[1-2]。加强CRTSⅠ型双块式无砟轨道道床板裂缝成因研究，有针对性地采取应对措施，才能确保无砟轨道的质量。

1 道床板裂缝的主要形式及原因分析

1.1 轨枕四角处八字裂缝

在轨枕的4个角上形成沿 45°方向向外延伸的裂缝，严重的在两轨枕之间贯通，形成贯通裂缝。因为2条相邻的裂缝组成1个八字，故称八字裂缝(见图1)。主要原因：①轨枕预制时收缩已全部完成，浇筑道床板后，轨枕与接触面混凝土收缩不同步，混凝土收缩产生拉应力，集中沿大致平分轨枕角方向向外延伸，从而导致混凝土沿此方向开裂，形成八字裂缝[3]；②混凝土初凝后，没有及时松解工具轨。工具轨受外界温度影响热胀冷缩，带动轨枕，导致道床板混凝土在轨枕四角处产生八字裂缝。

图1 八字裂缝

1.2 轨枕周围环向裂缝

道床板沿轨枕四周剥离产生环向裂缝(见图2)。主要原因：①轨枕在道床板混凝土浇筑前没有充分润湿、表面不清洁或较光滑，混凝土与轨枕界面结合差，混凝土浇筑后因轨枕吸收了周围混凝土的水分产生收缩，从而沿轨枕周围剥离开裂；②轨排框架拆除前，由轨排框架内的温度应力推动轨枕发生纵向位移，从而在轨枕与道床板混凝土之间产生环向剥离开裂。

图2 轨枕周围环向离缝

1.3 道床板边缘“7”字裂缝

在道床板两侧平面与立面交角部位产生水平及竖向相连接的裂缝，形状如数字7(见图3)。主要原因：①道床板两侧交角部位暴露在空气中的表面积较大，在混凝土浇筑完毕、模板拆除后不能及时养护，导致混凝土快速失去水分而产生干缩裂缝；②道床板两侧交角部位钢筋保护层厚度过大导致混凝土抗拉强度不足以抵抗混凝土内部的拉应力，从而产生裂缝。

图3 “7”字裂缝

1.4 道床板横向“1”字裂缝

沿道床板表面形成1条横向贯通裂缝，垂直于线路方向，见图4。主要原因：①支承层预裂缝向上影响至道床板，从而带动道床板产生裂缝[4]；②地基局部沉降不均匀或沉降较大时，道床板底座板受力不均匀，在自身荷载及外部荷载作用下产生裂缝；③道床板纵向长度较长，约束强、混凝土收缩变形大，所产生的拉应力势必要进行释放，从而产生了沿纵向以一定间距分布的多条干缩裂缝。

图4 “1”字裂缝

1.5 道床板表面网状龟裂

在道床板表面呈现不规则的网状开裂，裂缝深度及宽度均很细小，故称为网状龟裂。这是由混凝土收缩产生的拉应力所致，混凝土收缩包括塑性收缩和干燥收缩。这种收缩裂缝在高温、干旱、大风等气候条件下尤其明显。塑性收缩主要由人工收面引起，混凝土较长时间暴露在空气中，表层混凝土因失水较快产生收缩，当其抗拉强度不足以抵抗收缩所引起的拉应力时就会开裂，或者抹面时随意洒水，造成混凝土表面强度降低，水灰比过大，多余水分蒸发后产生表面龟裂。干燥收缩主要是后期养护不到位，混凝土在不饱和空气中失去内部毛细孔水、凝胶水和吸附水从而产生收缩。

2 道床板裂缝预防措施

针对道床板各种裂缝成因，提出了采用优化结构形式、改善混凝土配合比、加强混凝土制备及运输过程控制、改进施工工艺等预防措施。

2.1 优化结构形式

实践证明，桥梁段裂缝远少于路基段。主要原因是桥梁段道床板一般采用单元板，而路基段一般采用连续板。因此，为避免道床板结构形式不同导致内外受力不均，可以根据当地气候环境温度等对道床板结构形式进行优化。例如兰新客运专线在无砟轨道施工中，针对路基段落长、气候干旱少雨等特点，将路基段的连续式道床板变更为19.5 m单元式道床板，两端设置30 mm 伸缩缝，单元板内每隔3.9 m设置1道 10 mm 假缝，伸缩缝和假缝下部采用聚乙烯塑料泡沫板填充，上部采用树脂嵌缝胶封闭，极大地减少了道床板开裂问题[5](见图5)。

图5 兰新客运专线路基段无砟轨道道床板结构(单位：mm)

2.2 改善混凝土配合比

针对西北地区干旱少雨的气候特点，混凝土配合比应坚持“低胶材用量、低用水量、低坍落度、高含气量”的“三低一高”原则。胶凝材料用量小于380 kg/m3、单方用水量小于150 kg/m3、混凝土坍落度控制在120～140 mm，且坍落度损失小于20 mm。采用减水剂和引气剂双掺的方式配制，入模含气量不小于4%，单方最大浆体体积不应大于0.3 m3。宝兰高速铁路道床板抗裂混凝土的典型配合比见表1。在此基础上掺入具有保水、补水和减小收缩功能的内养护剂。掺入量一般按胶凝材料的8%控制，以提高混凝土的水化程度，减小混凝土的塑性收缩开裂。

表1 宝兰高速铁路道床板抗裂混凝土的典型配合比 kg/m3

注：粗骨料1指粒径5～10 mm的碎石;粗骨料2指粒径10～20 mm的碎石。

2.3 加强混凝土制备及运输过程控制

通过优化混凝土配合比，可减小混凝土收缩进而提高抗裂性。根据西北地区实际情况，重点控制好以下3个方面：①原材料控制。水泥选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，且碱含量不宜大于0.6%；粉煤灰烧失量不宜超过5%；细骨料选用级配合理、质地坚固、吸水率低、空隙率小的洁净天然河砂；粗骨料选用粒形良好、质地坚固、线膨胀系数小的洁净碎石。②混凝土搅拌。先向搅拌机投入细骨料、粗骨料、水泥、矿物掺合料等，搅拌均匀后，再加入拌合水和外加剂，继续搅拌到均匀为止。③混凝土运输。运输必须确保浇筑工作连续进行，当罐车到达浇筑现场时，应使罐车高速旋转20～30 s方可卸料。运输过程和浇筑前严禁加水，若出现坍落度损失较大情况，应在监理旁站、技术人员指导下加入适量外加剂，并高速搅拌1 min。

2.4 改进施工工艺

结合西北地区气候环境条件，重点控制好以下4个环节：①准备。混凝土浇筑前，先采用高压雾化水对支承层、轨枕进行润湿，确保支承层和轨枕完全湿润，不得有明显积水。②浇筑。采用吊斗法浇筑，按“S” 形顺序均匀布料(见图6)。浇筑后立即用干毛刷将散落在轨枕上的混凝土清除，不得用水清理。③振捣。为减少八字裂缝及轨枕块周边剥离开裂，宜采用双振捣工艺[6](见图7)。第1次采用φ50振捣棒在轨枕之间振捣，第2次采用φ30振捣棒在轨枕四周进行振捣。 ④抹面。混凝土入模约0.5 h内先采用横梁刮尺控制混凝土两侧标高及横向排水坡，然后用木抹子提浆、粗平抹面，1～2 h内再用钢抹子抹平(至少2遍)，初凝前用钢抹子抹面压光。

图6 “S”形浇筑

图7 双振捣方式

2.5 加强早期养护

混凝土浇筑完成后，应及时进行保温保湿养护。根据不同地段采用相应养护方式：①路基、桥梁段以及隧道洞口200 m范围内可采用涂外养护液+“两布一膜”覆盖养护方式[7]。使用低压喷雾器喷涂2遍外养护液，按0.3～0.4 kg/m2控制用量，间隔时间不超过45 min，每遍互相搭接，喷涂不均时采用滚筒补充刷涂，保证厚薄基本一致，成膜厚度不小于0.2 mm，外养护液成膜前严禁洒水，然后采用“两布一膜”复合土工膜进行覆盖养护。②隧道洞口200 m往内区段可采用“两布一膜”+洒水养护方式。为保证充分洒水又节约用水，采取在道床板顶面敷设水管，并在水管上通过试验确定出水孔距，以滴灌方式洒水，上面覆盖“两布一膜”土工布，保证养护期间道床板混凝土足够湿润，养护用水温度与道床板混凝土表面温度之差不得大于15 ℃。

2.6 改进施工条件

针对西北干旱的气候特点，对施工暴露段(桥梁及路基段)在道床板振捣完成后应及时跟进施工作业棚，在施工作业棚内进行混凝土裸露面的修整、抹平和压光。施工作业棚应牢固、可靠并起到防风、防晒的作用。

2.7 适时拆除工装

工装的拆除时机对道床板混凝土质量影响非常大，拆除过早则可能引起轨道板精度的变化，过晚则因钢轨的热胀冷缩带动轨枕产生纵向位移，形成裂缝。一般情况下在混凝土初凝(选用质量2.5 kg，直径7.5 cm 钢球轻轻放置混凝土表面，观察1 min后，压痕直径不大于3 cm时表示混凝土已初凝)后进行轨排应力释放。释放顺序为：首先按顺序旋升螺柱支腿1/4～1/2 圈(1～2 mm)；然后松开轨道扣件和轨道鱼尾板螺栓，鱼尾板及扣件松动时首先解除接头处的鱼尾板，之后采用跳解的方式解锁。

3 结语

上述措施在兰新客运专线、宝兰高速铁路无砟轨道运用后，道床板裂缝得到了明显遏制，其中兰新客运专线裂缝由初期施工时的87.5%(主要为八字裂缝)下降到约2.5%，宝兰高速铁路除局部存在小于0.2 mm 的细小八字裂纹外，其余裂缝基本消除。由此可见，上述施工工艺的改进、混凝土原材料和配合比的改善、适时拆除工装等措施可以有效控制CRTSⅠ型双块式无砟轨道道床板裂缝，对其他类似工程具有借鉴意义。