CRTSⅠ型轨道板裂纹分析及控制

邢明照，张旭东，胡志理，刘前进

（1.中交哈大铁路客运专线工程指挥部，吉林 长春 130033；2.中交一公局第一工程有限公司，北京 102205）

1 引言

新建铁路哈尔滨至大连铁路客运专线（以下简称哈大铁路）是国家“十一五”规划的重点建设工程项目之一。哈大铁路设计采用无砟轨道系统，采用的轨道板由中铁第一勘察设计院、铁道第三勘察设计院和中国铁道科学研究院共同设计，型号为CRTSⅠ型轨道板，设计图号为哈大客专通（轨），轨道板设计行车速度300～350 km/h，设计使用寿命60 a。

哈大线TJ-3标段CRTSⅠ型轨道板于2009年5月试生产，6月批量生产。在批量生产过程中，发现在轨道板的个别锚穴处混凝土表面有微细裂纹，这引起大家的广泛关注和重视。混凝土结构一旦出现裂纹，环境中的雨水等介质将会通过裂纹渗透进去，尤其在极端温度达零下40℃的东北严寒地区，将会加速混凝土的冻融破坏，大大降低轨道板的使用寿命。

因此，针对轨道板裂纹进行原因分析，采取措施予以控制非常重要。

2 轨道板裂纹形式及成因

2.1 裂纹形式

大部分裂纹发生在纵向锚穴处，个别横向锚穴处也偶有出现，裂纹宽度大部分在0.02～0.05 mm，具体形式如下：

第一种：裂纹由底板向锚穴方向延伸。

第二种：裂纹由锚穴向底板面延伸。

第三种：裂纹在锚穴处贯通。

2.2 裂纹成因

从上述的裂纹形式看，产生的原因如下：

（1）塑性收缩。一般发生在早期，混凝土浇筑后4 h左右，水泥水化反应激烈，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发，混凝土失水收缩，因此时混凝土尚未硬化，称为塑性收缩。塑性收缩所产生的量级很大，可达1%左右[1]。按科技基 [2008]74号《客运专线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道混凝土轨道板暂行技术条件》的要求，混凝土浇筑完成需静置3 h以上，如在静置过程中不采取措施，混凝土表面的水分将急剧蒸发，造成失水收缩，产生裂纹，随着失水不断加剧，裂纹向锚穴处延伸，这种情况在拆模前即能在混凝土表面发现，第一种裂纹即有这方面的原因。

（2） 缩水收缩（干缩）。一般发生在混凝土硬结以后，随着表层水分逐步蒸发，湿度逐步降低，混凝土体积减小，称为缩水收缩（干缩）。因混凝土表层水分损失快，内部损失慢，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，表面收缩变形受到内部混凝土的约束，致使表面混凝土承受拉力，混凝土的抗拉强度是抗压强度的1/10左右，当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝[2]。这种情况一般发生在蒸养过程中的降温阶段，因此时停止提供蒸汽，蒸养棚内的湿度随着掀开篷布降温而急剧降低，造成混凝土表面水分损失加快，以致表面混凝土收缩加大，产生干缩裂纹，第一、三种裂纹如在拆模后发现，则是由这方面的原因造成。

（3） 温度应力。混凝土硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，在表面引起拉应力[2]。从图1增加表面温度监控曲线的温控图看，在升温及恒温阶段芯部与表面的温度差很小，温差一般在5～10℃，因为轨道板是薄板结构，板的混凝土厚度仅有200 mm，因此裂纹不会在升温和恒温阶段出现，裂纹的产生是在降温阶段出现的。在降温过程中，一般的降温方法是将篷布掀开一个角或两个角控制棚内温度进行降温，棚内气温降低的速度一般较快且波动较大，相应的棚内湿度急速降低，混凝土表面温度和湿度波动较大，恒温时蒸汽温度越高，与环境温度的温差越大，棚内混凝土表面的温度和湿度变化就越剧烈。而在此阶段开始降温时，芯部温度达到峰值且下降的趋势非常缓慢，一般还要滞后一段时间，所以在降温期间混凝土表面受到的内外温差产生的拉应力的影响很大，当拉应力超出混凝土的抗裂能力时即会出现裂纹，尤其在锚穴到底板之间的混凝土最易出现裂纹，因此处的混凝土较薄，温度和湿度散失最快，轨道板纵向锚穴弧顶处混凝土厚度最小仅有30 mm，且灌注混凝土时不可避免表面浮浆较多，而横向锚穴处为60 mm，裂纹的出现就要少得多。这就是上述第一、三种裂纹出现的主要原因。若蒸汽温度与环境温度温差较大，且厂房通风畅通的话，裂纹则贯穿整个锚穴处的底板混凝土。

图1 增加表面温度监控曲线的温控图

（4）外力原因。主要有两方面外力原因，即拆模和凿毛。按图纸要求，当混凝土强度达到40 MPa以上时，拆除端、侧模。在端、侧模板上设置有锚穴成孔器，锚穴成孔器固定在模板上。拆模时需将端、侧模板连带锚穴成孔器整体推移开。P4962轨道板每侧横向锚穴有16个，锚穴成孔器较多，阻力较大，人为操作脱模装置平推模板时很难保证同步，即使在模板底部设置滑道导轨，仍不能达到很好的同步性。这样，退模时端、侧模上下部位受力不均，锚穴与底板间的混凝土受到比较大的外力，导致该处出现裂纹，甚至造成磕损掉块。采用钢制锚穴成孔器，成孔器与混凝土之间没有任何的缓冲余地，很容易导致锚穴与底板间的混凝土开裂。

另外，纵向锚穴凿毛时，由于锚穴上下弧顶混凝土很薄仅有30 mm，凿毛不当极易产生裂纹。

上述两种情况的裂纹基本上为由锚穴向板面延伸。

3 控制措施

3.1 改进锚穴成孔器的制造工艺，消除外力影响

在锚穴成孔器上镶嵌耐高温、耐油腐蚀且弹性良好的橡胶圈，柔韧的橡胶圈可充分缓解脱模时锚穴成孔器对混凝土产生的外力冲击，不致损伤锚穴处混凝土。

成孔器镶嵌橡胶圈基本上归类为3种形式，使用效果都比较良好。

（1）锚穴成孔器整体镶嵌橡胶圈，这种形式的做法是根据橡胶圈的厚度先将钢制成孔器适当加工，保证镶嵌橡胶圈后的尺寸符合图纸要求。这种整体镶嵌橡胶圈的形式不仅有效缓冲了脱模时锚穴成孔器对混凝土的冲击力，又因根部不设置倒角，有利于后期砂浆的封锚操作。缺点是橡胶圈面积较大，摩阻力也较大，以致橡胶圈根部极易与模板不密贴而进浆，如清理残渣不及时，将加快橡胶圈的变形，加大更换频率，从而加大成本。

（2）锚穴成孔器后半部镶嵌橡胶圈，镶嵌之前的做法类似第一种形式，同样根部不设置倒角。该种形式脱模效果良好，橡胶圈的成本和更换频率优于第一种形式。

（3） 在钢制锚穴成孔器根部直接套上带倒角的橡胶圈，拆模也能达到预期效果。该种形式优点是橡胶圈更换方便，成本较低。主要的缺点是因根部设置了倒角，改变了锚穴的局部外形尺寸，而且在砂浆封堵锚穴时，倒角部位不易捣固密实。

综上所述，通过在钢制锚穴成孔器上镶嵌橡胶圈可以有效地解决外力裂纹问题。

3.2 在混凝土面上覆盖塑料薄膜，保持混凝土表面水分

在混凝土完成浇注振捣后，及时搭设蒸养篷布，之前要在混凝土表面覆盖塑料薄膜。覆盖塑料薄膜的时间以混凝土表面水泥浆不粘手为宜。这样可有效防止混凝土养护静置期间表面水分的挥发，同时还可以防止蒸养棚内早期出现的冷凝水对混凝土表面造成的起皮现象；到后期降温期间，也可有效地保持混凝土表面水分，从而控制了混凝土早期塑性收缩和后期缩水收缩（干缩）裂纹的发生。此种方法操作简单，容易控制且成本低廉。

3.3 降低蒸汽养护的恒温温度，有效控制降温速度，减小温差应力

混凝土在蒸汽养护期间，降低蒸汽养护的恒温设定温度，在降温阶段，可减小棚内与环境的温差，尤其可降低轨道板钢模板的温度（蒸养恒温阶段模板温度基本与蒸汽温度一致，或略高一点），减小了模板与环境的温差。由于降温方法是将篷布掀开，若掀开篷布，钢模板即裸露在外，如温差过大，在掀开篷布时，必然很难控制降温速度。根据环境温度的变化，适当降低蒸汽养护的恒温温度，避免人为因素，有效地控制了降温速度，减小了温差应力，从而控制温度裂纹的出现。从哈大线某轨道板场的轨道板裂纹统计（见表1）情况看，通过降低蒸汽养护的恒温温度后，裂纹控制的效果很明显。

表1 哈大线中交一公局一公司轨道板场轨道板裂纹统计

3.4 几点建议

除采取上述控制措施外。配合以下建议措施，可更有效地控制轨道板裂纹出现的频率：

（1）减小混凝土坍落度。目前各板场混凝土坍落度基本上控制在80～120 mm，建议调整为60～80 mm，掌握好混凝土振动成型时间，尽可能避免过振，清除或减少混凝土表面浮浆；

（2）附着式振动电机设置在模型底部，采取垂直地面的竖向振动形式（绝大部分轨道板场采取的是横向水平侧振形式），减小轨道板四周边的浮浆厚度；

（3） 锚穴成孔器整体镶嵌橡胶圈厚度由原2～3 mm增加到5～8 mm，更好地发挥它的弹性作用，从而更有效地避免裂纹的出现。

4 结语

由于轨道板纵向锚穴处混凝土厚度仅有30 mm，比较薄弱，该处混凝土很容易受到不利因素影响而产生裂纹。通过采取改进锚穴成孔器克服外力，适当降低恒温温度减小温差应力，覆盖塑料薄膜保湿等措施，可有效控制轨道板锚穴处混凝土微细裂纹的产生。

[1] 刘海丰.混凝土裂纹成因分析[J].中小企业管理与科技，2009，（7）.

[2]孙威.混凝土温度应力与裂缝控制[J].广西质量监督导报，2007，（5）.