高铁岔区无砟道床板裂纹防控技术研究

陈福现

（中铁二十二局集团轨道工程有限公司 北京 100040）

1 引言

整体现浇道床混凝土存在易开裂的问题，特别是在我国东北地区冬季严寒和干燥多风环境下，岔区现浇道床混凝土开裂问题带来的结构耐久性不足的问题更为突出；裂缝的存在给雨、雪进入混凝土内部提供了通道，冻胀作用则进一步加剧了裂缝宽度的发展速度，随着时间的推移，最终导致现浇道床混凝土出现冻胀、剥落和粉化等现象，大大降低了现浇道床混凝土结构的耐久性和使用寿命，故解决道床混凝土的裂纹控制问题尤为重要。

2 工程概况

京沈客专辽宁段沈阳西站位于沈阳市于洪区境内，起讫里程DK674+235.62～DK676+400.73，车站内设置2台6线。正线的设计是无砟轨道结构，全长2.16 km，其中轨枕埋入段1.36 km，共布设8组无砟道岔，包含6组18＃道岔和2组42＃道岔。

42＃道岔的道床板，表面设向线路外侧1%横向排水坡，C40混凝土现场浇筑。道岔直股的内侧钢轨轨下处道床板厚368 mm，道岔总长207.09 m，为节段单元结构，共设10个单元，最长43.68 m，最短14.97 m，宽度从3.20～6.53 m渐变，单元间设3 cm的伸缩缝。最外层钢筋混凝土保护层厚度35～50 mm。18＃道岔设计与42＃道岔仅长度有区别，18＃道岔总长98.32 m，设5个单元，最长23.89 m，最短13.77 m。道岔板宽度根据道岔几何形状合理确定[1]。道床板的纵向为分块结构，相邻道床板间设30 mm宽的伸缩缝，其用聚乙烯泡沫塑料板填充并用硅酮密封。沈阳西站道岔无砟轨道断面，如图1所示。

图1 沈阳西站道岔无砟轨道断面图(单位:mm)

3 道床板裂缝类型及分析

通过对沈阳西站工后1年的实地统计，岔区道床混凝土裂纹是普遍存在的，并具有不断劣化发展的趋势。经过对裂纹情况的现场实地观察记录和统计，归类裂纹类型，分析形成原因，提出了解决措施并进行同条件试验验证。

3.1 道床板裂缝类型

沈阳西站岔区无砟轨道道床板裂纹共分为3大类，即离缝、横向裂缝和不规则裂缝，其具体形成原因分别论述如下。

（1）轨枕块界面处离缝。预制轨枕块与现浇道床板之间存在“新老混凝土”界面，双块式轨枕（或埋入式长枕）与道床板接触区段，在轨枕块周边形成裂纹且长短不定，严重时同排列相邻轨道块边角裂缝相互连通或延伸至道床板外侧边缘[2]。成因:道床板与轨枕块因是新旧混凝土的接触面故粘结较差，导致预制轨枕块与现浇道床混凝土接触面间存在不同幅度的收缩变形，因出厂的预制轨枕块几乎不收缩，而现浇道床的混凝土早期收缩较大，养护时因不同步的收缩变形导致应力集中，进而形成离缝。

（2）横向裂缝。因轨枕块边角裂缝连通形成或伸缩缝间距较大时，形成的垂直于道岔方向的裂缝，局部区段较严重时为贯通裂缝。成因:一次现浇道床板单元长度较大，如18＃道岔单元最长为25.17 m，沿直岔方向的收缩不断累积，最终在薄弱位置开裂。

（3）不规则裂缝。道床板的混凝土表面有随机无规则裂缝，长短深浅不一且分布广。成因:胶凝材料用量大或单方用水量高、泌水、施工中过振、收面时存在工人洒水润面、养护不当等，导致道床板上表面浆体富集，因失水过快形成龟裂纹，经冻融和动载等作用发展为裂缝；浇筑后未及时松钢轨扣件，因温度应力未及时释放而造成开裂。

3.2 道床板裂缝分析

结合出现的裂缝类型，综合成因，主要从以下三方面进行分析。

（1）混凝土配制。针对实际工况，优化道床混凝土配合比，比选后采用“三低一高”进行配制，以减少表面浮浆层；同时，为缓解早期收缩大问题而适量掺加内养护材料，为增强抗拉强度而掺入一定量的纤维等，进而提高抗裂性能。

（2）改变结构形式。通过轨枕厂模板设计调整，对轨枕块的形状进行边缘倒角优化，同时在施工前对预制轨枕块表面涂刷界面剂等，提高轨枕块与道床混凝土间的粘结力，进而降低界面处的应力集中。

（3）规范施工作业。严格规范施工中的作业流程，采用“低温入模，快速浇筑”进行现场作业，降低温差对开裂的影响；道床板外边缘应严格按设计坡度进行抹面，杜绝积水浸泡等现象；细化抹面收光工序，严禁工人洒水抹面；采用覆盖节水养护膜进行混凝土节水保湿养护[3]。

4 混凝土配合比选定及施工工艺

针对裂缝问题，关键是混凝土配合比的选用。为确保试验可比性，道床板浇筑试验场地位于沈阳西站DK675+290右侧的场外线下，场地长144 m，宽38 m，同条件1∶1模拟岔区实体结构，共有5组双块式道床板和1组18＃单开无砟道岔道床板。道岔试验施工阶段自2017年7月开始建设，至2018年7月完成18＃道岔道床混凝土养护施工，历时1年。双块式道床试验方案为优化道床混凝土的配制技术、强化预制轨枕与道床板界面粘结性能。通过对双块式试验段道床混凝土的观察分析，比选出最优试验方案后，浇筑18＃道岔试验段进行验证选定配比。

4.1 混凝土控制指标

通过研究胶凝材料用量、掺和料种类、砂率和含气量等参数对道床板混凝土收缩的影响，确定东北地区道床板混凝土配制的材料控制指标为:胶凝材料的用量宜控制在360 kg/m3；掺和料宜选用优质粉煤灰和矿粉；砂率不宜大于40%；粗骨料空隙率≤40%；采用减水剂与引气剂双掺进行配制，入模含气量8%～10%；为提高抗裂性并减少表面的浮浆，出机坍落度宜为80～100 mm；用水量≤140 kg/m3。

4.2 选定混凝土配合比

2018年浇筑了5组双块式C40混凝土道床板，其长24.0 m，宽3.2 m，均浇筑55.0 m3。

第1组:10月19日，采用“三低一高”低胶凝用量、低用水量、低坍落度、高含气量[4]进行浇筑。

第2组:10月21日，采用“三低一高”加玻璃纤维进行浇筑，外掺0.3 kg/m3的分散型玻璃纤维以及3.7 kg/m3的集束型玻璃纤维。

第3组:10月22日，采用“三低一高”加内养护材料进行浇筑，内掺27 kg/m3的内养护材料，分别等量取代粉煤灰与矿粉，其掺量为胶凝材料总量的6%。

第4组:10月24日，采用“三低一高”加抗裂防渗剂进行浇筑，掺入9 kg/m3的抗裂防渗剂，其掺量为胶凝材料总量的2%配制[5]。

第5组:11月1日，采用“三低一高”加低热抗裂水泥进行浇筑，胶凝材料全部由低热水泥替代。

18＃单开道岔:经过冬期5个月的观察对比分析，掺入内养护剂的第3组试验段裂纹效果控制最好，选用其并经调整后的配比进行18＃道床板的浇筑。2019年6月22日至26日，18＃单开5个单元道岔道床混凝土共浇筑174.0 m3，长度分别为23.89、13.77、15.57、25.17、19.80 m。针对混凝土不同配合比的裂纹统计，见表1，经对比分析，选定的第3组配合比浇筑的18＃道岔裂纹大大减少，有效控制了裂纹形成，增强混凝土的抗裂性能，防止混凝土裂缝，提高混凝土的耐久性[6]。

表1 混凝土不同配合比的裂纹统计

4.3 经济技术性分析

针对试验配合比和已施工的沈阳西站道岔混凝土进行费用对比，因在拌和、运输及现场作业等工艺基本相同，故主要针对原材的耗用进行费用对比。混凝土原材经济性对比，见表2，具体费用每立方米超支为58.2元。因混凝土施工工艺有些许变动，但是在原工艺基础上进行的细节优化，故工艺技术投入较原有较小且易于作业；而工后的裂纹控制有显著效果且能确保混凝土的耐久性，同时可一次满足质量要求，避免并大大降低了二次处理或返工费用，综合考虑后选用新配合比具有明显优势。

表2 混凝土配合比原材经济性对比

4.4 施工工艺

混凝土施工质量不仅受材质影响，且与施工技术水平有直接关系，即使混凝土抗裂性良好，若施工作业不当，也将导致效果不好。高铁岔区现浇道床板混凝土施工过程，主要包括混凝土搅拌、运输、浇筑、振捣、抹面以及养护等环节[7]，各环节均直接影响配制混凝土的性能。通过现场5组双块式试验段浇筑，确定了适用于低坍落度道床混凝土的施工工艺，具体流程为:搅拌站拌制→混凝土运输→混凝土浇筑→高频振捣→收面压光→喷涂养护剂→松扣件→养护→拆模。

（1）拌和站拌制。“三低一高”混凝土采用强制式搅拌机，经试验确定，坍落度小于100 mm时，搅拌时间≥240 s；坍落度为100～140 mm时，搅拌时间≥180 s。

（2）混凝土运输。低坍落度混凝土通过全封闭式搅拌运输车，以改善其在转运过程中的水分散失，运至施工现场的混凝土确保坍落度≥80 mm。

（3）混凝土浇筑。浇筑前模板内杂物，需清理干净且无积水，模板接缝处需嵌塞严密且紧贴，现场实测标高将设计标高用双面胶在岔枕和模板位置进行标记。岔区范围应一次浇筑，岔前、后的正线宜与道岔一同浇筑。道床板架设完成后，进行绝缘和接地性能测试[8]。架立模板后将接地端子与接地钢筋焊接。

浇筑过程中对每车混凝土的坍落度、含气量及入模温度逐车检测，坍落度应控制在80 mm，含气量控制在6%～8%，前三盘必测，以后每10 m3测一次；入模温度宜在10～30℃，模板温度宜在5～35℃。按每100 m3取样3组标养试件进行留置，每浇筑批取样6组同条件的养护试件进行留置。

因布料方式对混凝土的匀质性影响很大，经过现场试验后确定布料顺序，道床板混凝土浇筑施工时，按照三点“之”字形方式斗送入模进行均匀浇筑。混凝土浇筑布料顺序，如图2所示。

图2 混凝土浇筑布料顺序

（4）高频振捣。因低坍落度混凝土采用常规振捣效率低、不易振捣密实，故采用直径为85 mm的高频振捣器或振捣台车，振捣棒需插进下层混凝土面以下为5～10 cm，振捣密实并防止过振、漏振，振捣时不得碰撞模板、钢筋等；每点振捣时长宜为20～30 s，以混凝土不再下沉、无气泡且表面微泛浆为佳[9]。

（5）收面压光。振捣完成表层混凝土后，尽快抹平并压光其表面。混凝土初凝前收面3次，抹面以大面平整、无露石露筋为准，严禁洒水润面，不刻意追求光面。首次收抹大面，以轨枕面向下值为混凝土面控制收面高度，排水坡为1%，使表面排水顺畅不积水；二次收面为压实，为避免面层失水而产生裂纹；三次抹面为压光，应尽量避免过度作业导致混凝土表面出现质量问题[10]。

（6）喷涂外养护剂。用喷管按十字交叉喷涂，确保外养护剂成膜，1 kg喷涂面积为2～3 m2，喷涂后道床板表面应及时覆盖土工布，避免风吹日晒[11]。

（7）松扣件。道床板混凝土初凝之后，松动竖向精调螺栓不大于半圈，解开夹板螺栓，松开转辙器、辙叉心和护轮轨枕木连接螺栓、导曲线钢轨和基本轨扣件螺栓，释放钢轨温度应力，以防止钢轨与混凝土的温差变形不一致而造成混凝土开裂。

（8）养护。混凝土的设计性能达标的关键是养护作业。浇筑后在8～12 h开始洒水，随后覆盖塑料膜和土工布进行养护，养护时间≥14 d。当环境温度低于5℃时，禁止洒水养护，可在混凝土表面喷涂养护液，并采取适当保温措施[12]。道床板覆盖养护，如图3所示。

图3 道床板覆盖养护

4.5 注意事项

（1）混凝土在浇筑过程中，因坍落度较低且含水量少，为避免混凝土失水过快，浇筑前须将底座板表面和轨枕面等进行喷洒水润湿。

（2）振捣和浇筑前后，模板及轨枕应稳固，避免因动载等外因影响，如有碰撞或较大振动，须重新测量复核，确保浇筑后道床板的精度满足设计要求。其达到设计强度的75%之前，严禁磕碰。

（3）尽量提前备足所需主要原材，以提高混凝土性能的稳定性，确保现场浇筑质量，使混凝土对裂纹的影响有效可控。

（4）道床板表面设向线路外侧1%的横向排水坡，施工中需注意排水坡方向，同时确保道床板上层钢筋混凝土保护层厚度满足要求。

5 结束语

通过工程实践，采用“三低一高”配置混凝土能有效解决开裂问题，其不仅降低了混凝土的收缩变形，又更好地发挥了骨料的“骨架”作用，增强了体积稳定性。结合施工中总结出的道岔道床板的施工方法，可有效防止施工裂纹产生和控制工后裂纹形成，确保了道岔施工过程可控且工后质量稳定，取得明显的经济和社会效益。