路基段CRTSⅠ型双块式无砟轨道混凝土裂缝成因分析与防治

章健华，吴维洲

(成绵乐铁路客运专线有限责任公司，四川成都 610072)

无砟轨道在结构连续性、平顺性、稳定性和少维修等方面较传统有砟轨道具有明显的优越性，是世界各国高速铁路普遍采用的轨道形式。CRTSⅠ型双块式无砟轨道由于造价相对较低、技术标准相对单一、施工技术容易掌握等优点，在我国多条高速铁路中得到应用。但路基段CRTSⅠ型双块式无砟轨道混凝土裂缝现象较为普遍。无砟轨道混凝土是轨道结构的重要组成部分，一旦出现裂缝，特别是超标裂缝(＞0.2 mm)和贯通性裂缝，在列车长期荷载和自然因素的作用下会逐渐发展，降低道床混凝土的耐久性，削弱轨道结构的承载能力，增加运营维修工作量，甚至影响行车安全。本文从混凝土材料特性、外荷载、轨道结构设计、混凝土施工及管理等方面分析路基段CRTSⅠ型双块式无砟轨道混凝土裂缝成因，论述了混凝土裂缝对轨道结构的危害，提出了防止或减少道床混凝土有害裂缝的措施。

1 路基段CRTSⅠ型无砟轨道设计及施工

路基段CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构自下而上分别为支承层、道床混凝土、轨枕(部分嵌入道床混凝土)。支承层设计宽度一般为3 400 mm，厚度为300 mm，采用低塑性C15混凝土支承层(部分线路设计采用水硬性混合料)。支承层连续铺设，每5.2 m设置深约105 mm的横向伸缩假缝。待支承层混凝土达到设计强度后，利用轨排(用25 m的钢轨将轨枕联结成排)精调轨枕状态到位后施工道床混凝土。道床混凝土宽度一般为2 800 mm，厚度265 mm，采用C40钢筋混凝土结构连续浇筑而成。在道床混凝土浇筑范围内对支承层表面拉毛处理以利于相互间联结，伸缩假缝处道床混凝土用长2.8 m、宽0.2 m聚丙烯土工布与支承层隔离，轨枕应避免设置在伸缩假缝上方。路基段CRTSⅠ型双块式无砟轨道断面如图1所示。

2 混凝土裂缝类型

路基段CRTSⅠ型双块式无砟轨道裂缝主要发生在支承层、道床混凝土以及道床混凝土与支承层、轨枕的联结部位，主要有以下几种类型:

1)混凝土表面呈龟裂或树枝状的裂缝。这类裂缝一般在混凝土灌注完成后3 d左右出现，主要是由于混凝土表层浮浆较厚、品质不佳、混凝土布料不均匀或早期养护不到位等原因引起的浅表裂缝，裂缝深度一般在1～30 mm。

2)新旧混凝土间出现的裂缝。主要有沿轨枕四周的环向裂缝、道床混凝土施工缝、道床混凝土与支承层间新旧混凝土界面薄弱处裂缝。此类裂缝相对较深，出现在混凝土灌注完成后10 d左右，随时间的推移有扩展的趋势，严重时贯通新旧混凝土界面。

3)道床混凝土在轨枕四角出现的角裂缝。这种裂缝由局部应力集中造成，是CRTSⅠ型双块式无砟轨道出现最多的裂缝。

图1 路基段CRTSⅠ型双块式无砟轨道断面示意(单位:mm)

4)支承层非横向假缝处裂缝。支承层混凝土施工完成后，在非横向假缝处出现横向裂缝。这类裂缝主要是由于支承层混凝土的假缝设置时间比较迟、支承层与路基表层结构整体温度升降变形不协调、支承层温度梯度过大等原因引起的。

5)与支承层贯通裂缝对应的轨枕间道床混凝土反射裂缝。支承层假缝处(如图2)或非假缝处(如图3)出现贯通裂缝后，在对应的轨枕间道床混凝土出现反射裂缝。反射裂缝主要特征有:①反射裂缝基本上都从轨枕四角开裂发散至结构边缘;②反射裂缝多为贯穿裂缝;③反射裂缝的宽度是道床混凝土裂缝中相对较宽的裂缝之一。

图2 支承层横向伸缩假缝处轨枕间出现的反射裂缝

图3 支承层非假缝处出现贯通裂缝后引起的道床混凝土反射裂缝

3 混凝土裂缝成因分析

无砟轨道混凝土裂缝产生的原因主要有4类:①混凝土材料特性引起的材料型裂缝，主要是由温度应力和混凝土的自身收缩变形引起的;②外荷载引起的结构型裂缝，主要是由常规结构计算中的主要应力以及其他结构次应力造成的受力裂缝;③因轨道结构设计原因引起的裂缝，如轨枕与道床混凝土、支承层与道床混凝土等新旧混凝土界面结构薄弱处出现的裂缝;④其他原因。

3.1 混凝土材料特性引起的裂缝

1)温度裂缝

当环境温度或结构内部温度发生变化时，混凝土会热胀冷缩。若热胀冷缩产生的变形受到约束，则在结构内部产生温度应力。当温度应力为拉应力且超过混凝土的抗拉强度时将出现温度裂缝。因而产生温度裂缝的主要原因是混凝土结构温差，主要有3种:水化热引起的混凝土结构内外温度差、环境温度变化引起的整体结构温度升降差、结构上下表面的温度梯度。温度裂缝区别于其他原因裂缝的最主要特征是裂缝宽度随温度变化而变化，由于结构横向宽度相对较小，温度裂缝主要表现为垂直线路方向的横向裂缝。

2)混凝土早期收缩变形

混凝土早期收缩变形主要包括混凝土塑性收缩变形、水泥水化自身收缩变形及干燥收缩变形等。混凝土塑性收缩是指混凝土浇筑后至凝固前产生的体积收缩;水泥水化收缩是指水泥在水化过程中产生一定的体积变化，一般情况下由于混凝土的收缩比膨胀大，其最终表现为收缩变形;干燥收缩指混凝土凝结后在干燥的空气中因表面持续失水而引起的收缩。此类裂缝共同的特点是裂缝形状不规则，收缩变形也是无砟轨道混凝土早期裂缝产生的主要原因。

3.2 外荷载引起的结构型裂缝

受日照及温度的影响，用于轨枕精调的钢轨长度的变化将给轨枕增加附加应力，在混凝土早期强度较低时，若不能及时松开钢轨扣件，易在轨枕四周与道床混凝土间产生裂缝，特别是钢轨外力使轨枕四角产生应力集中，往往会造成轨枕四角出现八字形裂缝。

3.3 道床结构设计原因

1)在轨枕—道床体系中，预制轨枕强度高，表面光滑、致密，新拌混凝土中水泥浆难以渗透，致使水泥浆在轨枕—道床界面过渡区处聚集形成水膜，降低了界面过渡区强度。由于轨枕表面与道床混凝土联结无附加处理措施，道床混凝土与轨枕之间结构整体性不强，形成轨枕周边与道床混凝土新旧混凝土联结薄弱部位。新浇筑混凝土水分蒸发引起混凝土体积塑性收缩变形，收缩变形传递至薄弱的轨枕—道床界面过渡区，形成轨枕四周新旧混凝土界面处环向裂缝。

2)CRTSⅠ型双块式无砟轨道道床混凝土在路基地段设计为连续结构，混凝土温度应力在长度方向得不到有效释放。

3.4 其他原因

1)混凝土材料原因

混凝土配合比设计不佳，如选用水泥品种或等级不当;配合比中水灰比过大;单方混凝土水泥用量大，水泥用量越大用水量就越多，表现为单方混凝土中水泥浆体积越大，混凝土收缩也越大。

2)施工原因

①由于施工管理控制不到位造成混凝土质量不稳定，主要包括施工时骨料布料不均匀、混凝土浇筑时过振、抹面时洒水洒灰等。上述因素易造成道床混凝土在垂直、水平方向和局部产生材料分布不均或表面浮浆过厚，从而导致混凝土开裂。

②新旧混凝土界面处理不到位，如支承层在道床混凝土浇筑前未按要求凿毛或表面存在浮渣现象，易造成支承层与道床混凝土间离缝。

③混凝土入模温度控制不严，双块式轨枕、支承层表面未湿润，新浇混凝土入模温度与双块式轨枕、支承层表面温度差过大，易造成新旧混凝土界面出现裂缝。

④养护不到位，未做到养护期内全过程保湿保温。

⑤其他因素，如路基基础沉降未稳定产生的不均匀沉陷、钢筋锈蚀等均会引起道床混凝土产生裂缝。

4 CRTSⅠ型双块式无砟轨道混凝土裂缝危害

CRTSⅠ型双块式无砟轨道体系设计应用混凝土结构设计理论，支承层及道床混凝土为非预应力结构，在结构设计上允许结构出现裂缝。在裂缝宽度检算时，裂缝宽度一般按0.2 mm控制。已有的研究表明钢筋混凝土结构不论裂缝宽度大小、地区湿度高低、结构使用时间长短，只要钢筋上不出现水膜或结露，裂缝处钢筋基本没有发现明显的锈蚀现象。对于一般二类环境地区无砟轨道混凝土结构，当裂缝宽度≤0.2 mm时，裂缝处的钢筋仅有轻微的表皮锈蚀，对结构使用及耐久性的影响是可以接受的。因而应重点控制无砟轨道混凝土裂缝的宽度，防止或者减少超标裂缝(＞0.2 mm)的产生。

混凝土超标裂缝的危害对轨道结构而言主要有以下几个方面:

1)支承层混凝土裂缝的危害。支承层是轨道结构的基础部分，在轨道与基础结构之间起到承上启下的传力作用。裂缝增加了混凝土与空气的接触面积，空气中CO2在足够湿度的条件下，形成碳酸渗透到混凝土内与混凝土中碱性物质(氢氧化钙)互相作用，产生碳酸钙使混凝土碱度降低，这个过程称为混凝土碳化。碳化一般不会引起支承层素混凝土性能劣化，但支承层混凝土裂缝的重要危害是雨水通过贯通性裂缝渗入基床表层，形成支承层与基床表层离缝甚至造成基底翻浆冒泥导致轨道结构变形过大，影响线路平顺性。如不及时整治处理，将降低道床的使用寿命和承载力，影响行车安全。因而对超标的贯通性裂缝应采取表面封闭或压浆封闭的处理措施，以免雨水渗入路基基床表层。

2)道床混凝土裂缝的危害。对道床钢筋混凝土来说，碳化增加了混凝土孔隙中溶液的氢离子的数量，造成混凝土的碱度降低，混凝土对钢筋的保护作用减弱。当裂缝孔隙溶液的pH值降低到钢筋钝化极限值时，钢筋失去了自身抗腐蚀性能。此时如果混凝土裂缝深度穿过钢筋保护层后，导致钢筋锈蚀，破坏钢筋与混凝土间咬合黏结力，削弱了混凝土结构承载能力。若裂缝位于钢筋绝缘节点上，则降低了钢筋间的绝缘性，从而影响无砟轨道整体绝缘性能，严重时可能危害到线路的安全使用，因此必须高度关注道床混凝土超标裂缝，对裂缝深度达到或超过钢筋保护的裂缝，应进行压浆封闭处理。图4为道床混凝土裂缝雨后经过两个晴天时间，由于未封闭裂缝，道床混凝土下部仍有沁水现象，说明道床混凝土内部及钢筋已有水浸入，如不进行处理，将影响道床的耐久性。

3)支承层与道床混凝土界面裂缝的危害。支承层与道床混凝土界面处理不好，容易在支承层与道床混凝土界面出现离缝，雨水浸入后甚至出现翻浆情况，其危害与路基表层翻浆冒泥相近。图5为某运营线路支承层与道床混凝土离缝渗浆现场照片。这种病害导致了局部限速运行。

图4 道床混凝土未封闭裂缝沁水现象

图5 某运营线路支承层与道床混凝土离缝渗浆

5 控制裂缝的技术措施

5.1 基本思路

根据裂缝产生的原因，减少或降低CRTSⅠ型双块式无砟轨道混凝土开裂、特别是超标裂缝的技术思路是:①减少混凝土的自身收缩尤其是塑性收缩，提高极限抗拉强度;②优化轨道结构，减小结构对混凝土收缩的约束;③提高混凝土的均匀性;④强化新旧混凝土界面处理，提高界面联结力。

5.2 优化混凝土的配合比，尽量减少水泥用量，降低水灰比

支承层低塑性混凝土及道床混凝土的配合比在满足设计强度的前提下，不应追求高强度，以尽量减少水泥用量。对于粗、细骨料质量控制，建议应比现行规范所要求的标准更为严格。①粗骨料采用二级或多级级配混合而成，提高粗骨料级配质量，特别是粒径5～16 mm的级配组成;②从严控制细骨料含泥量;③掺入矿物掺合料，增加保水性;④适当引气。

5.3 优化结构设计

①支承层结构建议采用水硬性混合料，慎重选用质量波动较大的低塑性混凝土模筑施工;②连续道床混凝土结构施工考虑设置后浇带或采用间隔浇筑法，后浇带或间隔浇筑间隔时间不宜少于2个月;③进一步研究道床混凝土结构分块设置的可能性;④研究轨枕—道床混凝土界面过渡区特征，采用抑制道床混凝土收缩导致轨枕—道床界面产生离缝的措施，如增加轨枕四周粗糙度、刷涂界面剂等。

5.4 加强施工工艺控制及管理

①支承层施工尽量采用滑模摊铺工艺，以保证材料质量的均匀性;②尽量避免使用坍落度较大的泵送混凝土施工，由于地形条件限制，必须采用泵送混凝土施工时，坍落度不宜＞160 mm;③加强混凝土生产质量控制，避免混凝土坍落度过大或泌水;④避免过振;⑤严格控制好二次抹面时间，避免抹面时洒水洒灰，以减少早期裂缝的形成;⑥加强混凝土养护，尤其是混凝土早期养护，适当延长混凝土养护时间(现行规范规定的混凝土养护时间是混凝土施工的最低要求)，并确保养护期内混凝土保湿保温，必要时可喷涂养护剂等进行养护;⑦新旧混凝土界面处理要严格，双块式轨枕、支承层表面提前湿润并避免积水，控制新浇混凝土入模温度与双块式轨枕、支承层表面温度在15℃以内，并加强轨枕四周振捣。

6 结语

防止和减少CRTSⅠ型双块式无砟轨道混凝土裂缝的产生和发展是无砟轨道结构设计及施工过程中应高度关注的内容之一。本文对CRTSⅠ型双块式无砟轨道混凝土裂缝类型及裂缝成因进行分析，从优化混凝土配合比和结构设计、加强施工工艺及管理等方面提出了防止和减少混凝土有害裂缝的建议。

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