CRTS 双块式无砟道床抗裂混凝土性能及应用研究

高 贵

(武九铁路客运专线湖北有限责任公司，湖北 武汉 430212)

我国高铁运营里程居世界榜首，板式无砟轨道中双块式无砟轨道因其结构整体性强、受力明晰、工艺简单、造价低等优点在我国高铁中广泛应用。工程实践表明：CRTS 双块式无砟轨道结构面临的主要问题之一是道床现浇混凝土容易开裂；主要表现为道床板表面龟裂，出现轨枕四角“八”字、横向和轨枕间连通裂纹，其中以轨枕四角处“八”字型开裂最为严重[1-6]。道床板混凝土一旦出现开裂，在列车动荷载作用下，裂缝会加速发展，雨水、有害离子等借助裂缝进入混凝土内部引起钢筋锈蚀破坏或冻胀破坏等，不但增加后期运营维护成本，还会影响列车运行安全。因此，如何有效减少或避免道床板混凝土开裂已成为提高双块式无砟轨道结构服役寿命需解决的关键问题。

1 道床混凝土裂缝成因分析

通过对武广高铁、大西客专等已开通线路道床混凝土开裂情况调研发现：一是并非所有线路都出现明显的道床混凝土开裂，即便在同一标段范围，也存在区段开裂严重和轻微的情况，追溯施工记录可知，开裂严重区段混凝土坍落度一般较大，且施工中存在离析、泌水现象。二是道床混凝土开裂时间一般出现在混凝土浇筑后7 d～2个月。因此，可初步确定结构性因素(路基沉降变形、桥梁上拱变形、环境温度应力引起的结构变形等)不是引起道床混凝土开裂的主因，混凝土自身收缩变形过大、抗裂性差才是主要因素。现有道床板混凝土制备和施工方面存在以下对收缩变形不利的影响因素：

(1)混凝土配合比设计不合理。现场施工为缩短工期，通常追求早期强度增长快，配合比设计时，倾向于采用高胶凝材料和高水泥用量，同时为保持工作性和降低坍落度经时损失，又会采用较高的用水量和减水剂掺量，从而导致混凝土收缩变形和开裂风险大幅增加。这也是导致道床混凝土容易开裂的主要原因，国内外关于混凝土开裂方面的研究结论也印证了这一观点[7-11]。

(2)混凝土施工工艺不合理。现有道床混凝土入模坍落度较大，一般在180～220 mm范围，加之骨料粒型和级配不好，容易出现离析、泌水等现象；浇筑振捣通常采用轨枕间点卸料、振捣棒赶料的方式，导致稀浆在轨枕四周的积聚，加剧了预制轨枕与现浇道床混凝土收缩变形的不一致，轨枕四角道床板混凝土更易开裂。

(3)养护方式不合理。道床混凝土养护一般是采用棉被或土工布覆盖浇水养护，但养护过程中工人很难保证浇水频率并确保棉被或土工布处于潮湿状态，尤其是风季桥上用于养护的棉被或土工布很容易被吹起，致使养护失效。

2 高抗裂道床混凝土性能试验

2.1 试验配合比

试验采用谢永江、谭盐宾等[12]提出的综合防裂方法来提高道床混凝土抗裂能力，该方法提出低开裂敏感性无砟轨道现浇混凝土宜按照“三低一高”(即低胶凝材料用量、低用水量、低坍落度、高含气量)的思路进行设计，以控制混凝土整体收缩变形量，同时内掺长效补偿收缩抗裂材料，以增加混凝土抵抗中长期收缩变形应力的能力。根据该方法建议，将工程常用C40道床混凝土配合比按照“三低一高”技术进行优化设计，试验配合比见表1，其中，A1为工程常用道床混凝土配合比，A2为采用“三低一高”方案优化配合比，A3为采用“三低一高+抗裂材料”方案优化配合比。

表1 混凝土试验配合比 kg/m3

2.2 试验方法

混凝土抗压强度、轴向抗拉强度和极限拉伸参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2016)进行测试；混凝土干燥收缩参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)中的接触法进行测试；圆环抗裂试验参照《铁路混凝土》(TB/T 3275-2018)中附录J进行测试。

3 高抗裂道床混凝土性能分析

3.1 强度性能

图1所示是三种配合比混凝土抗压强度增长规律。可知：A1组混凝土7 d抗压强度就达到设计的110%，28 d达到129%，为51.6 MPa，具有典型的早期强度增长较快、强度富余系数高的特点；考虑防裂要求的A2组和A3组混凝土则早期抗压强度增长率明显降低，3 d不到25 MPa，7 d仅为设计强度的90%，而后期强度增长正常，28 d和56 d抗压强度和常规配合比基本接近。混凝土早期强度增长过快，会引起自身收缩变形的快速增加，对降低自身开裂敏感性是不利的，而适当降低混凝土早期强度增长速率，则能提高混凝土徐变，对早期收缩变形以及包括外部环境引起的收缩变形具有一定的松弛缓冲作用，从而提高其抗裂能力。

图1 道床混凝土抗压强度

3.2 干缩变形

图2所示是三种配合比混凝土干燥收缩变化规律。可知：三组配合比混凝土干缩变形值差别明显，A1组与A2组混凝土各龄期收缩增长幅度基本一致，而A3组混凝土则中后期收缩增长明显降低。7 d龄期时三组混凝土干缩变形由大到小顺序为A1组>A3组>A2组，而7 d后A2组收缩变形增长超过A3组，7～56 d干缩变形值由大到小顺序变为A1组>A2组>A3组。结合表1可知，A1组具有最大的胶凝材料用量、水泥用量和用水量，其各龄期收缩变形值也表现为最大。A3组虽然掺加的抗裂材料具有一定的“储蓄释水”和“补偿收缩”作用，但由于比A2组单方多4 kg水，其早期(7 d前)干缩变形仍然明显高于后者，说明用水量增加对混凝土早期收缩有增大作用；随着龄期增加，抗裂材料的补偿收缩作用持续发挥，其收缩得到有效抑制和补偿，其56 d干缩值仅为393×10-6，比A2组和A1组混凝土分别降低了17%和22%。

3.3 开裂敏感性

极限拉伸值、轴向抗拉强度和圆环开裂时间是反映混凝土开裂敏感性的重要指标，极限拉伸值越大、轴向抗拉强度越大、圆环开裂时间越长，则说明混凝土开裂几率越小。表2为三组混凝土极限拉伸值和轴向抗拉强度试验结果，与基准A1组混凝土相比，A2和A3组混凝土28 d极限拉伸值分别提高了6.7%和11.4%，28 d轴向抗拉强度则分别比A1提高了1.8%和3.9%。结果表明，两种优化方案均能有效降低混凝土开裂敏感性，其中以掺了抗裂材料的A3组混凝土开裂敏感性降低最多。

表2 道床混凝土极限拉伸和抗拉强度(28 d)

表3是三种混凝土圆环抗裂试验结果。可知，A1组混凝土圆环开裂时间为85 h，抗裂性能最差；A2组比A1组混凝土抗裂性能明显提高；A3组混凝土则在28 d内未出现开裂，表明其具有很好的抗裂性能。三者差异也表明，降低混凝土胶凝材料用量、降低用水量和降低坍落度的措施可在一定程度降低混凝土开裂敏感性，再掺入自研抗裂材料则能显著提高混凝土抗裂能力。

表3 道床混凝土抗裂性能

4 工程应用

4.1 工程概况

郑万高铁全线采用CRTS 双块式无砟轨道结构，选取湖北段土建四标跨蒙华连续梁处，进行双线100 m抗裂道床混凝土工程效果验证试验，左线采用“三低一高”，右线采用“三低一高+抗裂材料”，同时与道床混凝土常规配合比方案进行对比。在“三低一高”和“三低一高+抗裂材料”试验段各选择1块道床板单元作为长期观测对象，分别在道床混凝土侧立面、沿纵向道床中部以及轨枕四角45°角贴设应力应变传感器进行长期应力应变测试，传感器布置如图3所示。

图3 道床板表面应变计布置示意图

4.2 工程试验效果

三种方案混凝土浇筑、振捣、抹面和养护均采用相同工艺，按照工程现场常规操作工艺施工，4次抹面，见图4。混凝土到达工作面后，工人布料摊铺均匀后，用50型振捣棒振捣；振捣完成后，先用标高卡尺控制标高，木抹子抹平提浆，再用铁抹子抹平收光(铁抹子抹面4次，最后一次在终凝后压光)，最后进行保湿养护，养护龄期为14 d。

图4 混凝土施工

4.2.1 混凝土性能

工程试验采用表1配合比，现场施工用常规道床板混凝土入模坍落度为220 mm，A2和A3组混凝土入模坍落度为170 mm左右，混凝土状态如图5所示。

图5 不同方案道床混凝土入模状态

4.2.2 结构实体开裂情况

按图3对优化方案的道床板不同部位应力应变值进行测试，表4为两种方案混凝土29 d应力应变值测试结果。通过对比发现：采用“三低一高+抗裂材料”方案的道床混凝土各部位表面应变值均比未掺加抗裂材料的“三低一高”方案降低，侧向应变值最大值降低100 με，横向应变最大值降低80 με，轨枕四角处最大应变值降低150 με。结果表明：抗裂材料降低道床板收缩开裂应力作用明显；采用“三低一高”和“三低一高+抗裂材料”方案混凝土最大应变值分别为1 000 με和850 με，小于裂缝宽度0.2 mm对应的开裂上限值1 333 με，抗裂能力大幅提高。

表4 道床混凝土结构应力应变值 με

表5所示为3个月龄期时，试验段三个方案实测开裂数量统计，道床常规配合比开裂条数最多，与其相比，采用“三低一高”方案和“三低一高+抗裂材料”方案的道床混凝土裂缝数量分别降低68%和79%。两种方案均可有效降低混凝土开裂风险。

表5 试验段裂缝统计

5 结论

(1)“三低一高”和“三低一高+抗裂材料”两种技术方案均能有效降低道床混凝土干缩变形和降低开裂敏感性，其中以“三低一高+抗裂材料”方案效果最佳，其56 d干缩值仅为393×10-6，比基准工程常用混凝土降低22%；28 d极限拉伸值提高11.4%，28 d轴向抗拉强度提高3.9%；道床板实体结构裂缝数量可降低79%。

(2)工程实体应力应变监测结果表明：道床混凝土结构侧立面应变值最小、纵向中部横向应变值次之，轨枕四角处应变值最大，“三低一高”和“三低一高+抗裂材料”两种技术方案均可有效降低混凝土应力应变。