隧道内双块式无砟轨道早期湿度场分析

乔丽梅,曹世豪

(1.郑州工业应用技术学院建筑工程学院,郑州 450001； 2.河南工业大学土木工程学院,郑州 450001)

引言

双块式无砟轨道因整体性强、施工灵活、少维修等优点，成为国内高速铁路广泛应用的轨道形式之一。截至目前，已被应用于武广、西成、兰新等27条线路，其建设里程已达到16 000 km[1-2]。工程应用实践表明[3-5]，建造中的双块式无砟轨道道床板在浇筑2～3 d内会产生表面裂纹，其中轨枕角“八”字形裂纹尤为凸显，见图1。在后续服役过程中，道床板早期裂纹在列车疲劳荷载、复杂环境荷载作用下逐渐发展成为横、纵向贯穿裂纹，影响着轨道结构的完整性和承载能力。

图1 CRTSⅠ型双块式无砟轨道施工现场及早期开裂

对于道床板早期开裂的成因，王森荣[6]通过统计分析无砟轨道综合试验段在建道床板的早期开裂病害特征，指出温度和干燥收缩变形是产生裂纹的主要原因。陈德鹏[7]通过湿热耦合变形分析发现，混凝土湿度下降1 %的收缩变形等效于温度下降2 ℃。通过进一步对比GRASLEY[8]和欧祖敏[9]的研究成果发现，处于干燥环境中的混凝土表层最大湿度梯度约为温度梯度的40倍，即干燥引起的收缩变形要明显大于降温效应。韩宇栋等[10]指出，混凝土自身干燥收缩变形对早期开裂贡献度可达到80%。在道床板裂缝控制方面，何财基[11]提出增设抗裂钢筋能降低轨枕角裂纹，而成膜保湿可有效降低道床板表面龟裂。谭盐宾[12]通过平板抗裂试验研究发现，掺加6%的TK-ICM型防裂材料能够长期保持混凝土内部湿度，减少开裂面积。截止目前，无砟轨道领域在湿度场理论研究层面还处于初步探索阶段，现有文献[13]仅报道了层间离缝内积水对服役阶段的无砟轨道湿度场影响范围的相关研究成果，而与道床板开裂直接相关的早期湿度场分布特性鲜有报道。

混凝土早期湿度场会受到内部水化自干燥、暴露表面与大气间的水分交换、局部积水的浸润、水分由高湿度向低湿度区扩散等多个因素的影响[14]。对于双块式无砟轨道，各部件的施工顺序、养护方法等因素的影响尤为突出。如何在计算中综合考虑上述影响因素，实现无砟轨道早期湿度场的预测是急需解决的问题。针对隧道内CRTSⅠ型双块式无砟轨道早期湿度场分布特性计算方法开展研究，提出施工建造过程中各轨道部件施工顺序及养护方法影响效果的计算方法，解决内部水化自干燥、外部大气湿度等条件的施加方法，从而实现无砟轨道施工与养护阶段的早期湿度场分布计算。研究成果可为双块式无砟轨道道床板早期开裂控制措施提供理论借鉴。

1 混凝土湿度场计算方法

混凝土湿度场计算普遍采用Fick定律，而温度场计算采用Fourier定律，见表1、表2[15-18]。通过对比发现，两套计算理论的控制方程、初始条件及边界条件等三部分均存在相同的结构形式。因此，学者们使用大型商业有限元软件对混凝土湿度场进行分析时，多优先采用更为成熟的温度场分析模块[19]。以ANSYS Workbench的温度场计算模块为例，通过建立温度T与湿度H、对流换热系数α与水分交换系数am、导温系数a与湿度扩散系数D、内部水化升温函数Q与水化自干燥函数G等对应关系，可实现温度场模块计算的温度T与所研究的湿度H大小的一致性。然而，在实际操作时发现热物理参数输入选项并无导温系数a。进一步分析导温系数a=λ/(ρc)的表达关系式发现，当密度ρ与比热容c的乘积为1时，导温系数a值与热传导系数λ相同。本文在进行湿度场分析时，密度ρ与比热容c的大小均设置为1。

表1 湿度场的控制方程、初始及边界条件

表2 温度场的控制方程、初始及边界条件

2 混凝土早期湿度场试验

为了验证上述计算方法的正确性，课题组于室内开展密闭混凝土早期水化自干燥试验。试验装置由恒温恒湿箱、ABS塑料模具、混凝土立方体试件、SHT30湿度传感器、USB转化器、数据采集软件及笔记本电脑等构成，见图2。混凝土试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，强度等级为C40，配合比为水泥∶水∶砂子∶碎石=1∶0.39∶1.29∶2.88。试验采用P.O.42.5普通硅酸盐水泥，细骨料为细度模数2.5的河沙，粗骨料为粒径5～10 mm的碎石。混凝土立方体试件在整个试验过程中未脱模。待完成初凝后，将暴露面涂抹环氧树脂AB胶，隔绝外部环境与内部的湿度交换，仅受早期内部水化自干燥影响。待环氧树脂胶凝固后，将试件移至恒温恒湿箱中，持续至28 d。SHT30湿度传感器通过USB转化器与笔记本电脑直接相连，电脑上安装的数据采集软件实时记录混凝土试件内监测点处湿度变化，结果见图3。

图2 混凝土早期水化自干燥试验

图3 数值计算与试验测试结果对比

由图3可知，混凝土早期湿度在水化自干燥消耗下呈持续减小的变化趋势，其中湿度消耗主要发生在前7 d内。随后湿度消耗逐渐趋于平缓，在28 d时下降至约93%。此外，数值计算与试验测试结果的较为一致性，表明本文提出的基于温度场模块预测混凝土湿度场结果是准确有效的。

3 无砟轨道早期湿度场计算模型及流程

3.1 计算模型

CRTSⅠ型双块式无砟轨道是将预制的双块式轨枕精确调整定位后，以现场浇筑混凝土的方式一次成型的轨道结构。在有仰拱填充的隧道内，CRTSⅠ型双块式无砟轨道主要由双块式轨枕、道床板和隧道基础等构成[20]。本文对隧道内CRTSⅠ型双块式无砟轨道的早期湿度场分布特性进行分析，对应的计算模型如图4所示。模型中道床板宽度为2.8 m，厚度为0.26 m。基础宽度为3.8 m，厚度为0.5 m。有限元模型的单元尺寸为0.05 m，对应的单元数为2 208个，节点数为7 074个。

图4 双块式无砟轨道早期湿度场计算模型

3.2 计算流程

为了在湿度场计算中实现CRTSⅠ型双块式无砟轨道各部件施工顺序的影响，采用图5所示稳态-瞬态-瞬态分析相结合的3步计算流程。第1步：通过稳态分析确定基础湿度场分布规律，并将计算数据传递至第2步，作为后续瞬态分析时的基础初始湿度条件。第2步：通过瞬态分析确定轨枕在预制完成后的湿度场变化规律，并将计算结果传递至第3步，作为后续瞬态分析时的轨枕初始湿度条件。需要注意，在第2步中因轨枕和基础是彼此独立的计算域，故两部件的湿度场计算结果互不影响。第3步：通过瞬态分析确定道床板浇筑后整个无砟轨道的湿度场变化规律。

图5 双块式无砟轨道早期湿度场计算流程

4 计算结果及分析

4.1 隧道基础稳态湿度场分析

考虑到隧道基础内湿度场在一定深度自由水浸润与隧洞内部空气干燥的长期相互作用下达到平衡，故在对隧道内双块式无砟轨道早期湿度场进行分析时，首先通过稳态湿度场分析，获取隧道基础的湿度场分布特性，为后续道床板浇筑后的湿度场预测提供合理的底部边界条件。在此分析阶段，基础下部的自由水影响通过设置H=100%的恒定湿度实现，上部隧洞内空气干燥效应通过设置为H=60%、水分交换系数为am=0.005 m·d-1的对流换湿边界实现。基于上述设置计算的隧道基础湿度场分布见图6、图7。

图6 隧道基础稳态湿度场分布云图

图7 基础湿度沿路径ab的分布(路径ab见图6)

由图6可知，隧道基础湿度场在顶部大气干燥和底部自由水浸润的共同作用下，会形成稳定的湿度场分布规律。在大气干燥的长期作用下，基础表面湿度降至60%，与隧道内空气湿度一致。由图7可知，隧道基础内湿度达到平衡后，沿深度呈指数分布规律。该部分计算结果将作为道床板浇筑后的瞬态湿度场计算时的基础湿度初始条件施加依据。

4.2 轨枕瞬态湿度场分析

CRTSⅠ型双块式无砟轨道的轨枕采用整体成型钢模具预制。待轨枕脱模后采用喷淋设备进行洒水养护，保证混凝土表面湿润时间不少于7 d。在该阶段，混凝土轨枕会受到内部水化自干燥和表面自由水的浸润作用。其中内部水化自干燥效应通过设置随时间变化的水分自耗散函数来实现，而表面自由水的浸润效应通过设置H=100%的恒定湿度实现。洒水养护完成后运至储存场内进行自然养护。在该阶段，混凝土轨枕会受到内部水化自干燥和表面大气干燥作用。轨枕表面的大气干燥效应通过设置为H=60%、水分交换系数为am=0.005 m·d-1的对流换湿边界实现。上述轨枕养护过程的湿度场演化规律是个典型的瞬态问题，基于所述设置计算的轨枕在不同养护时刻的湿度场分布见图8、图9。

图8 不同养护时刻的轨枕湿度场分布云图

图9 轨枕内湿度沿路径ab的分布(路径ab见图8(d))

由图8可知，轨枕在早期养护阶段，内部湿度因混凝土材料自身的水化反应而整体持续下降，该自干燥效应不受外界湿度环境的影响。在养护至1，7，14，30，60 d时刻，内部中心点的湿度依次降至98.2%，95.8%，94.6%，88.8%，81.1%。在0～7 d的洒水养护阶段，轨枕表面因自由水的持续浸润作用，其湿度始终保持H=100%。在内外湿度差的驱动下，表面高湿度逐渐向内部扩散，在第7 d时其影响深度可至9 mm。当轨枕在第8 d被运至储存场进行自然养护后，其表面湿度在干燥大气的影响下迅速由100%下降至71.1%。养护至60 d时，轨枕表面湿度与大气湿度基本一致，且轨枕表层受干燥大气的影响深度可至26 mm。

4.3 道床板浇筑后的无砟轨道瞬态湿度场分析

轨枕运至现场组装成轨排并进行精确调整定位后，现场浇筑道床板。在对道床板浇筑后的双块式无砟轨道早期湿度场进行预测时，首先需要解决复杂的初始和边界条件问题。(1)初始条件：隧道基础初始湿度条件采用4.1节基础稳态湿度场计算结果，轨枕初始湿度条件采用4.2节轨枕瞬态湿度场分析结果，道床板浇筑完成后的初始湿度条件取H=100%。(2)界面连接：道床板浇筑后，原来彼此分离的轨枕、道床板与基础三部件通过接触面节点耦合的方式合并为一个整体，从而可实现道床板中的高湿度向轨枕及基础中扩散。(3)边界条件：道床板混凝土浇筑4 h后，采用覆盖塑料薄膜+土工布的养护方式减少表面水分蒸发，养护时间不少于7 d。覆盖养护期内道床板与轨枕表面因密闭而选用绝湿边界条件，自然养护时道床板与轨枕暴露面设置为H=60%、水分交换系数为am=0.005 m·d-1的对流换湿边界。基于上述设置，计算的道床板浇筑后28 d内的湿度场分布云图见图10。同时，为了获取轨道结构内湿度场时程变化特征，取A(轨枕表面)、B(轨枕中点)、C(轨枕与道床板交界面)、D(道床板中点)、E(道床板与基础交界面)、F(基础下5 cm)6个计算点，结果见图11。图11中a阶段是道床板浇筑后0～7 d的覆盖养护阶段，b阶段是道床板浇筑后8～28 d的自然养护阶段。

图10 双块式无砟轨道早期湿度场分布云图

图11 不同计算点的湿度变化

由图10可知，道床板浇筑完成后，其湿度明显高于相邻的轨枕和基础。道床板内湿度在湿度差的驱动下逐渐向轨枕及基础扩散，并在道床板与轨枕、道床板与基础界面附近形成较高的湿度梯度。随后，轨道结构湿度场在内部整体的水化自干燥、高湿度向相邻的轨枕和基础扩散及暴露面和大气环境的水分交换等因素的持续影响下趋于平稳。由图11中曲线A可知，轨枕表面湿度呈现先增加后减小的变化趋势，覆盖养护完成时最大值相对于浇筑初期增加约10%，并在随后的自然养护阶段迅速下降至60%。由曲线C、D、E可知，道床板内因水化自干燥效应引起的水分耗散主要发生在覆盖养护阶段，随后其耗散速率趋于平缓，在第28 d时影响已比较微小。

5 露天环境的无砟轨道早期湿度场分析

上述对隧道内双块式无砟轨道早期湿度场分析时所提出的计算模型和方法，同样适用于路基、桥梁段等露天环境的双块式无砟轨道早期湿度场分析。然而，不同于隧道内的稳定大气湿度，露天环境的大气湿度在一天内会产生显著波动[21]。其最高湿度通常出现在早上6:00左右，而最低湿度出现在下午2:00左右，一整天的湿度波动可达50%，见图12。在雨水天气下，轨道表面因雨水的直接浸润作用而处于H=100%的饱和湿度状态。在对隧道外露天环境的双块式无砟轨道道床板浇筑完成后的早期湿度场进行分析时，考虑的影响因素包含t=0～7 d间的覆盖养护、t=8～28 d的日周期波动大气湿度影响、t=29～35 d的雨水浸润作用，计算的早期湿度场结果如图13、图14所示。

图12 大气湿度日变化规律

通过对比图11、图13可知，在t=0～7 d的覆盖养护阶段，隧道内外轨道结构表现相同的湿度场分布特性。随后在t=8～28 d的自然养护阶段，隧道外露天环境的轨枕表面湿度(A点)因受日周期波动大气湿度的直接接触影响而在40%～65%的范围内波动。图11、图13中其余5个计算点湿度时程分布的一致性，表明大气湿度日波动对轨道结构内部的湿度影响比较微弱。为了进一步获取湿度波动的影响深度，提取出第28 d 5个典型时刻湿度沿轨道表层深度的变化，见图14。结果表明，大气湿度的日周期波动对轨道表层湿度的影响深度为14 mm。在t=28～35 d的雨水天气下，轨道表面湿度因雨水的直接浸润作用而迅速提升至H=100%的饱和状态，但短期内对内部其余5个计算点处的湿度影响比较微弱，这是由混凝土材料内部水分扩散比较缓慢所决定的。

图13 露天环境下不同计算点的湿度变化

图14 露天环境下轨道表层湿度沿深度变化

此外，由于混凝土材料的干缩湿胀特性，在轨道早期湿度迅速下降时会产生较大的收缩拉应力。轨枕和道床板交界面属于新旧混凝土交界面，为整个轨道结构的薄弱环节。当收缩应力大于轨枕与道床板界面的黏结力时，极易产生始发于轨枕角的早期开裂现象，并发展成横向贯穿裂纹，影响着高速铁路的运行安全。

6 结论

针对双块式无砟轨道早期湿度场分布特性问题，提出基于温度场模块的混凝土湿度场计算方法，并开展密闭混凝土早期水化自干燥试验验证计算方法的可行性研究。随后建立了双块式无砟轨道早期湿度场计算模型，设计的稳态-瞬态-瞬态三步计算流程实现了施工顺序对早期湿度场的影响。考虑大气干燥、水化自干燥、养护方法等因素的影响，对隧道内双块式无砟轨道早期湿度场分布特性进行分析。最终将该计算模型推广应用于隧道外露天环境的双块式无砟轨道早期湿度场分析。本文研究所得到的主要结论如下。

(1)隧道基础湿度场在顶部大气干燥和底部自由水浸润下达到平衡后，湿度沿深度呈指数分布规律。

(2)脱模后的轨枕经洒水养护至第7 d时，表面自由水的影响深度可至9 mm；而后自然养护至第60 d时，表层受干燥大气的影响深度可至26 mm，此时湿度峰值降至81.1%。

(3)道床板浇筑完成后，会在道床板与轨枕、道床板与基础界面处形成较高的湿度梯度。而后整个轨道结构湿度场在内部水化自干燥、湿度扩散及表面大气干燥等因素的持续影响下趋于平稳。

(4)隧道外露天环境的大气湿度日周期波动对双块式无砟轨道早期表层湿度的影响深度为14 mm。