无机纳米抗裂减渗剂对无砟轨道道床板混凝土抗裂性能的影响

高贵 刘晶伟 王毅东 杜运祥 董芸 喻幼卿

1.武九铁路客运专线湖北有限责任公司，武汉 430212；2.中铁十二局集团第一工程有限公司，西安 710028；3.长江水利委员会长江科学院，武汉 430010；4.武汉工程大学，武汉 430070

双块式无砟轨道具有施工工艺简单、建设成本低、可维修性好等突出优点，已在我国高速铁路建设中得到大规模应用［1］。混凝土开裂是双块式无砟轨道道床板的主要病害形式，主要表现为轨枕边角处八字形裂缝、侧面裂缝、横向裂缝等。道床板混凝土裂缝产生的原因有温度骤变、水分蒸发、不均匀沉降等［2］。温度骤变及水分蒸发会引起混凝土体积收缩，形成收缩裂缝，不均匀沉降会引起贯穿性裂缝，也称为结构性裂缝［3］。道床板严重开裂将会导致绝缘节点失效、混凝土结构破坏、路基下沉等系列问题［4-8］。这些问题不但增加工务部门的维修工作量，而且直接影响无砟轨道的安全性和耐久性，因此提高道床板混凝土抗裂性能对于保障双块式无砟轨道结构寿命至关重要。

本文首先通过室内试验对掺入无机纳米抗裂减渗剂（以下简称抗裂剂）的混凝土抗裂性能及耐久性能进行研究，并在郑万（郑州—万州）铁路7 标段试验段进行了现场浇筑试验，对抗裂剂的抗裂效果进行了验证。

1 室内试验

1.1 原材料

水泥采用华新水泥有限公司的P·O 42.5水泥；粉煤灰为华电襄阳发电有限公司生产的F 类Ⅱ级粉煤灰；细骨料和粗骨料均由保康县宏鑫建筑材料有限公司生产，细骨料为机制中砂；粗骨料为料径5～20 mm连续级配碎石；外加剂为山西山大合盛新材料股份有限公司生产的缓凝型聚羧酸系高性能减水剂、武汉天衣新材料有限公司生产的无机纳米抗裂减渗剂；水为自来水。

以郑万线7标段无砟轨道混凝土设计配合比为基准，掺入胶凝材料用量1%及2%的抗裂剂，混凝土设计强度等级为C40。试验配合比见表1。按表1 配合比分别制备A1、A2、及A3三个混凝土试件。

表1 室内试验配合比 kg·m-3

1.2 试验依据

根据TB∕T 3398—2015《CRTSⅠ型板式无砟轨道混凝土轨道板》进行混凝土配合比设计及试验。

根据GB 8076—2008《混凝土外加剂》、T∕ASC 6006—2019《混凝土无机纳米抗裂减渗剂》及CCES 01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》等对是否掺入抗裂剂的轨道板混凝土进行抗裂性能及耐久性能试验。

1.3 试验结果与分析

1.3.1 混凝土绝热温升

混凝土的绝热温升试验结果见表2。

表2 绝热温升试验结果

由表1 可知：与A1 试件相比，A2 试件绝热温升降幅在2.2%～11.9%，A3 试件绝热温升降幅在2.9%～14.4%。这说明抗裂剂的加入能够减轻混凝土结构内部温升程度，有利于抑制温度裂缝的生成，对混凝土抗裂性能、密实性能均有所改善。

1.3.2 混凝土电通量

56 d 龄期时A1、A2、A3 试件的电通量分别为1 016、861、789 C。与A1 试件相比，A2、A3 试件电通量分别降低15.26%、22.34%，表明掺入抗裂剂有利于提高混凝土耐久性能。掺入抗裂剂的试件电通量均小于等于1 000 C，满足TB∕T 3398—2015要求。

1.3.3 混凝土抗裂性能

先采用单个试件测试混凝土抗裂性能，再通过平板抗裂试验测试混凝土抗裂效果。混凝土抗裂性能试验结果见表3。

表3 混凝土抗裂性能试验结果

由表3 可知：掺入了抗裂剂的A2、A3 试件的抗压强度与未掺加抗裂剂的A1 试件差别不大，均能满足C40 混凝土设计要求；A2、A3 试件的抗拉强度和极限拉伸值较A1 均有明显改善，A2、A3 试件抗拉强度比A1 试件分别提高8.48%、11.99%，极限拉伸值比A1试件分别提高11.21%、18.10%；A2、A3试件的收缩率比与A1试件差别不大。

混凝土平板抗裂试验的主要目的是对是否掺入抗裂剂的混凝土抗裂性能进行比较。受模板厚度限制，试验时要求剔除粒径20 mm 的粗骨料，而表1 中粒径20 mm 的粗骨料占50%以上，为达到C40 混凝土强度要求以及拌和物的和易性要求，在表1 配合比的基础上进行了调整（表4），试验结果见表5。

表4 混凝土平板抗裂试验配合比

表5 混凝土平板抗裂试验结果

由表5 可以看出：掺入抗裂剂后平均开裂面积减少3 mm2，每平方米裂缝数量减少8.3 根，每平方米开裂面积减少64.9 mm2，抗裂性等级由Ⅱ级提高到Ⅰ级［8］，抗裂剂的抗裂效果明显。

2 现场浇筑试验

根据表1 的配合比，在郑万高速铁路7 标段无砟轨道道床板试验段进行了浇筑试验。为了满足混凝土现场施工要求，对表1 中的用水量及减水剂进行了微调，见表6。

表6 道床板混凝土现场试验配合比 kg·m-3

采用三种配合比浇筑混凝土道床板，浇筑后对道床板表面进行了观察。第1 天及第69 天的情形见图1。

图1 三种道床板表面状态

由图1 可见：第1 天时三种道床板表面平整度均好，无裂缝产生；第69 天时，没掺抗裂剂的C1 道床板表面出现1 条长6 cm 裂缝，掺抗裂剂的B2 和B3 道床板表面没有出现裂缝。

3 结论

1）室内抗裂性能试验结果表明：掺入抗裂剂的A2、A3 试件的抗拉强度和极限拉伸值较未掺抗裂剂的A1 试件有明显改善；A2、A3 试件的抗压强度、收缩率比与A1试件相差不大，均能满足C40混凝土设计要求。掺入抗裂剂的同时减少了水泥用量，混凝土的抗裂性能及耐久性能仍有所改善，绝热温升也有所降低，有利于道床板施工时采取温控措施。混凝土平板抗裂试验结果表明：掺入抗裂剂后道床板混凝土抗裂性等级由Ⅱ级提高到Ⅰ级。可见，抗裂剂的抗裂效果明显。

2）室内耐久性能试验结果表明：56 d 龄期时A2、A3 试件电通量分别比A1 试件降低15.26%、22.34%，掺入抗裂剂有利于提高混凝土耐久性能。

3）现场浇筑试验结果表明：第69天时掺入抗裂剂的两块道床板表面均未见裂纹及裂缝，未掺入抗裂剂的道床板表面发现了少量明显的八字形裂缝，说明掺入抗裂剂对混凝土道床板抗裂性能有明显改善效果。