郑济铁路郑璞段无砟道床裂纹分析及预防措施

李士强

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300450)

车站采用的双块式无砟轨道通常由轨枕、现浇混凝土道床板和底座板(支承层)组成，其中轨枕与凝结硬化后的混凝土道床接触位置易出现“八”字裂纹。基于此类现象的产生，国内外学者展开诸多讨论分析：国内学者车晓娟[1]着重考虑了配筋的影响，对比分析了预应力板和普通板上裂纹的产生状况以及轨道板单层和双层配筋的优缺点；依据《铁路混凝土结构耐久性设计暂定规定》，刘扬[2]全方位描述了无砟轨道的耐久性，提出双块式无砟轨道裂纹宽度极限值；还有学者[3-4]指出时间对于混凝土中裂纹发展至关重要，初期微细裂纹的产生大都归因于混凝土现场浇筑时水泥水化致使混凝土在凝结硬化过程中形成内外温差，控制浇筑温度后仍产生裂纹，但裂纹的宽度随时间会逐渐缩小，可以通过选择合适的配筋率改善此类裂纹的发生；郝远行[5]基于断裂力学理论，利用有限元分析软件ABAQUS，指出轴向温度荷载相对于温度梯度、列车载荷对双块式无砟轨道结构的危害远大于表面裂纹；相关学者[6-8]就混凝土领域的裂纹分析摒弃传统理论研究，创新应用了断裂力学理论，取得了相关研究成果。

国内外学者就裂纹的研究多集中于有限元分析，实际施工过程中裂纹的产生受诸多因素的影响，降低裂纹发生的系统性研究讨论较少。基于此研究立足于郑济铁路郑璞段项目，分析了施工过程中双块式无砟道床裂纹的成因，综合裂纹成因提出优选水泥、掺加矿物掺合料、改良新旧混凝土接触面涂刷界面剂等措施，从而降低裂纹发生的风险。

1 双块式无砟道床裂纹分析

郑济铁路郑璞段项目车站双块式无砟轨道施工过程中，发现无砟轨道道床出现不同程度的开裂现象，且裂纹多集中于双块式轨枕与现浇混凝土道床的交界位置。究其产生裂纹的主要原因概括为三类：①塑性收缩产生开裂；②温度裂纹；③新拌道床混凝土与双块式预制轨枕粘结不良产生裂纹。针对裂纹产生原因，在道床混凝土浇筑过程中，在保证强度的前提下，应采取措施降低水泥水化热、减小混凝土收缩值及提高钢筋混凝土护筋性。

2 低热水泥选择

2.1 原材料及试验方法

选取安徽海螺水泥股份有限公司(代号HL)、山东山水水泥集团有限责任公司(代号SS)、以及北京金隅有限公司(代号JY)生产的P.O 42.5 低碱水泥，其化学成分见表1、矿物组成见表2；集料由当地拌合站提供，细集料细度模数2.7、含泥量1.0%，粗集料粒径5～25 mm含泥量0.2%，压碎指标5%；减水剂为河北三楷深发股份科技有限公司的高性能聚羧酸减水剂。

表1 不同厂家水泥化学组成 %

表2 不同厂家水泥矿物组成 %

水泥水化热测试依据《水泥水化热测定方法》(GB/T12959-2008)；混凝土抗压强度依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2019)；混凝土收缩率试验依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)。

双块式无砟道床混凝土设计强度为C40，混凝土配合比设计：水泥∶砂∶石∶水∶减水剂=400∶739∶1 109∶152∶4(kg/m3)。

2.2 三种水泥水化热对比分析

不同龄期下三种水泥水化热发展趋势如图1所示。综合图1发展可知：①水化热发展趋势随着水化时间的延长而增加，其中水化龄期1～3 d时水化热增长趋势最为显著，即此阶段水泥水化速率较快，3～7 d水化热增长趋势稍缓，7～28 d水化热增长趋势最缓，之后趋于平缓。②同水化龄期下三种水泥水化热排序依次为JY>SS>HL。究其原因，水泥水化进程大致分三个阶段：一阶段，钙矾石形成阶段，水泥熟料中C3A率先发生水化，并在石膏存在的条件下生成钙矾石(AFt)；二阶段，C3S开始水化，形成C-S-H和Ca(OH)2，同时释放热量，随着水化反应的持续进行水泥体系中石膏消耗完毕，AFt相向AFm转化，同时伴随热量的产生，C4AF和C2S也不同程度的参与了水化反应；三阶段，结构的形成与发展，此阶段放热速率很小并趋于稳定，随着产物的增多，水泥水化生成的水化产物相互搭接、排序，最终生成硬化浆体。基于上述水泥水化进程可知，水泥水化热量大都来源于C3A、C3S，通过表2可知，两种成分之和JY (50.44%+9.15%) >SS(50.13%+8.40%) > HL(49.65%+8.41%)，因此三种水泥水化热依次为JY>SS>HL。

图1 三种水泥水化热趋势 图2 混凝土抗压强度趋势 图3 混凝土收缩值趋势

2.3 三种水泥强度分析

不同龄期下三种水泥配置的混凝土强度发展趋势如图2所示。综合图2可得：①龄期3～28 d时，混凝土强度发展趋势为JY>SS>HL，随着养护龄期的增加海螺水泥(HL)配置的混凝土强度增速最快；56 d时强度发展趋势为HL>SS>JY，3～56 d混凝土强度的增长量依次为HL(35.1 MPa)>SS(31.1 MPa)>JY(30.0 MPa)。②混凝土强度增长量V变化趋势为V(3～7 d) >V(7～14 d)>V(14～28 d) >V(28～56 d)，之后随着龄期的增加，混凝土强度的增长率趋于平稳。

混凝土强度发展呈上述趋势发展的主要原因：①水泥四种矿物的水化速率为C3A>C4AF>C3S>C2S，水泥水化第一阶段为C3A发生水化，若干小时后C3S开始水化，同时伴随着C4AF、C2S不同程度的水化，因此混凝土早期强度发展的关键为C3A、C4AF、C3S水化后的水化结晶相，由表2可知三种水泥中C3A、C4AF、C3S占比组分依次为 JY(68.65%)>SS(67.80%)>HL(67.30%)，由此可以解释龄期3～28 d时混凝土强度发展趋势为JY>SS>HL。②水泥四种矿物水化性质为，C3A水化速率快，早期强度较高，后期强度增长缓慢甚至倒缩，C3S水化速率较快，早期强度较高，后期强度增长率较大；C4AF水化速率略低于C3A，早期强度较高，后期强度也较高；C2S水化速率较慢，早期强度低，28 d后强度增长速率较高。因此水泥组分中C3A、C4AF、C3S是3～28 d强度增速的关键，28～56 d，C2S、C3S 、C4AF是强度提高的关键，三种水泥中C2S、C3S 、C4AF含量依次为HL(84.76%)>SS(84.74%)>JY(83.42%)，即56 d时强度发展趋势为HL>SS>JY。

2.4 三种水泥收缩值分析

不同龄期下三种水泥配置的混凝土收缩值发展趋势如图3所示。综合图3可得：①同龄期下混凝土收缩值发展趋势为JY>SS>HL，养护龄期1～56 d，混凝土收缩值增量依次为JY (132.4×10-6)>SS(131.9×10-6)>HL(131.3×10-6)；②不同龄期下混凝土收缩值变化趋势为V(1～3 d) >V(7～14 d)>V(14～28 d)>V(28～56 d)>V(3～7 d)。收缩值趋势的变化与混凝土内部水泥的水化进程息息相关，变化趋势越大其内部的水化反应越剧烈，消耗内部水分量增多，使得混凝土收缩值增大。收缩值上述发展的主要原因为：①C3A发生水化反应后体积干缩变形较大，抗碱、盐蚀能力较差；C4AF水化反应后干缩变形小，兼具耐磨和抗硫酸盐侵蚀能力；C3S水化反应后体积干缩性较小；C2S水化反应后干缩性小且兼具抗水、硫酸盐侵蚀能力。推断出水泥水化进程中干缩的主要来源为C3A、C3S，由表2可知三种水泥中C3A、C3S 占比依次为JY(59.59%)>SS(58.53%)>HL(58.06%)，因此三种水泥配置的混凝土收缩值发展趋势为JY>SS>HL。②水泥矿物组分中C3A水化反应速率快，且集中于水化反应的早期阶段，1～3 d时水化反应最为剧烈，收缩值趋势变化最大；随着水化反应的进行，C3A组分随之减少，C3S组分的水化开始起主导，因此收缩值趋势发展集中于龄期1～3 d，龄期28 d后收缩值趋势逐渐趋于平缓。

综合上述分析，海螺水泥具有水化热低、后期强度发展趋势佳以及收缩值低等优点，因此本研究以及工程实际应用中均优选海螺水泥。

3 矿物掺合料选择

3.1 原材料及试验方法

混凝土配合比设计中水泥、粉煤灰和矿粉的配比见表3，其它组分为：砂∶石∶水∶减水剂=739∶1 109∶152∶40(kg/m3)。掺加粉煤灰、矿粉等活性矿物掺合料一方面降低混凝土成本，另一方面降低混凝土水化热、确保混凝土后期强度持续增长，基于此开展矿物掺合料类型、掺量对混凝土强度、硬化浆体孔溶液pH值以及收缩值分析。矿物掺合料：粉煤灰由当地电厂提供，细度18%，烧失量1.4%；矿粉由安阳矿粉厂提供，比表面积420 m2/kg，7 d活性指数86%、28 d活性指数110%。

表3 混凝土中部分组分的用量 kg/m3

孔溶液pH值分析试验方法：取混凝土抗压强度试验完成后新鲜的界面，用研钵磨细，之后过200目筛网，将所得粉体以1∶50比例浸泡于蒸馏水中，振荡，静止，取上清液测试pH值。

3.2 强度分析

五种配合比3～90 d强度发展趋势如图4所示。综合图4可得：①养护龄期3 d时，五种配合比抗压强度值相差不大，即此阶段矿物掺合料未参与混凝土内部的水化反应，3 d内混凝土强度的发展主要依靠水泥的水化。②养护龄期3～90 d五种配合比发展趋势均遵循 C3>C5>C4>C2>C1规律，且五种混凝土3～90 d混凝土抗压强度增量为C3(37.6 MPa)>C5 (35.3 MPa)>C4(33.7 MPa)>C2(31.4 MPa)>C1(28.9 MPa)。③五种配合比混凝土抗压强度发展主要集中于3～28 d，28～56 d强度增长值均大于56～90 d，之后趋于稳定。

图4 混凝土抗压强度

五种配合比不同龄期下遵循C3>C5>C4>C2>C1规律的主要原因为：①水泥-矿粉二元复合胶凝组分混凝土(C2)强度大于水泥-粉煤灰二元复合胶凝组分混凝土(C1)，粉煤灰多以球形固态颗粒分布，掺入混凝土中可有效调节水泥水化结团现象，有利于混凝土早期工作性，但其在内部发挥的火山灰性甚微，物理填充性能较为显著，随着掺入量的增多，混凝土中水泥组分的减少势必造成强度的下降；与之不同的矿粉多以片状结构分布，矿粉的比表面积高于水泥，其火山灰性显现需依靠高碱环境，水泥水化孔溶液碱性逐渐增大，矿粉内部随之发生解离、重组等一系列水化反应，相同截面微结构断面水化产物增多，强度增大，因此C2>C1。②水泥-矿粉-粉煤灰三元复合胶凝组分混凝土(C3、C5、C4)强度值均高于水泥-矿粉、水泥-粉煤灰二元复合胶凝组分，粉煤灰的掺加主要以球形填充的物理作用为主，矿粉则是在水泥水化后高碱环境基础上发挥自身火山灰特性生成水化产物，矿粉的比表面积大于水泥，早期拌和过程中极易泌水，且矿粉和水泥微结构都呈片状分布，易造成水泥-矿粉颗粒间团聚，水泥-矿粉-粉煤灰三元复合胶凝组分可发挥粉煤灰、矿粉的双重作用，因此三元复合组分胶凝混凝土强度高于二元复合胶凝组分混凝土强度，其中C3配合比中矿粉、粉煤灰的掺入量最佳、强度达到最大值。

3.3 孔溶液pH值分析

混凝土硬化浆体孔溶液pH值是保证钢筋混凝土护筋性的关键，钢筋混凝土结构服役年限的增加，孔溶液pH值势必呈现下降趋势，当孔溶液pH值下降到12.16以下时，钢筋在混凝土中开始发生锈蚀，继而产生膨胀，致使结构开裂、剥落，因此研究硬化浆体孔溶液pH值发展至关重要。分析图5可得：①同龄期下五种配合比孔溶液pH值遵循 C2>C5>C3>C4>C1发展趋势，主要归结于混凝土中胶凝材料遇水后的pH的变化，水泥遇水反应溶液呈碱性，粉煤灰遇水溶液呈弱酸性，矿粉遇水后溶液呈弱碱性，因此随着粉煤灰掺量的增加孔溶液pH也随之下降。②3～28 d孔溶液pH值变化趋势较大，此阶段pH值变化值越大内部的水化反应越剧烈，五种配合比变化趋势为C3(0.59)>C5(0.49)>C4(0.47)>C2(0.45)>C1 (0.33)。③随着水化反应的进行，龄期28～90 d孔溶液pH值变化值逐渐趋于稳定，内部水化进程趋于平稳。

图5 混凝土孔溶液pH值

3.4 收缩值分析

现浇混凝土道床与达到设计强度的轨枕结构存在混凝土收缩值不同的问题，减小道床混凝土收缩值对控制双块式无砟道床因收缩值不同带来的结构开裂至关重要。基于上述抗压强度、硬化浆体孔溶液pH值发展趋势可知，水泥-矿粉-粉煤灰三元胶凝组分优于水泥-矿粉、水泥-粉煤灰二元胶凝胶粉，因此展开水泥-矿粉-粉煤灰三元胶凝组分C3、C4、C5收缩值的分析。不同龄期下C3、C4、C5收缩值的发展趋势如图6所示，综合图6可得：①龄期1 d至3 d时，三种配合比收缩值发展趋势为C4>C3>C5，通过强度发展可知该龄期下矿物掺和料未参与水化反应，粉煤灰需水量较强且早期未参与反应，随着混凝土养护过程中未参与水化反应的自由水的减少，引发干燥收缩，增大收缩值，因此早期混凝土收缩值随着粉煤灰掺量的增加而增大。②龄期7～28 d，三种配合比收缩值发展趋势为 C5>C3>C4 ，随着混凝土中胶凝组分水化反应的进行，混凝土碱性增强，矿粉在高碱环境下解离、重组形成新的水化产物，水化进程中同时消耗大量自由水、毛细孔水，增大收缩值，三元胶凝组分中随矿粉掺量的增加收缩值而增大。③矿物掺合料的增加可延缓水化反应，养护龄期28 d后，混凝土内部仍具备微弱的水化反应，强度略有增加，相较于C4、C5，C3配合比中水泥水化、矿粉水化、粉煤灰有效填充达到最稳定状态，因此C3配合比养护龄期28～56 d时收缩值最小。

图6 收缩值发展趋势

综合上述性能指标对比分析，工程实践中优先选择C3配合比。

4 混凝土界面处理

首先确定目前使用的双块式轨枕混凝土配合比，成型100 mm×100 mm×515 mm混凝土试件养护至28 d，然后从中锯开，对新裸露的混凝土界面进行处理，处理完成后放置于100 mm×100 mm×515 mm试模中再次浇筑另一半混凝土，最后养护至56 d，测其56 d抗折强度和收缩值，其中再次浇筑的另一半混凝土选择C3配合比。界面区处理的代号分别为：界面区未处理(JC0)、界面区粗糙处理(JC1)、界面区涂刷有机界面剂(JC2)、界面区涂刷无机高性能界面剂(JC3)。

界面区经处理后56 d 抗折强度、收缩值发展如7所示。综合图7可知：①56 d抗折强度发展 JC3>JC2>JC1>JC0，界面区涂刷无机高性能界面剂时56 d抗折强度值最高，无机高性能界面剂在新旧混凝土过渡区发生水化反应，起到高效粘结新旧混凝土作用。②56 d收缩值发展 JC0 > JC1> JC2> JC3，未做处理的收缩值最大，涂刷无机高性能界面剂的收缩值最小。综合比较界面区处理方式优选涂刷无机高性能界面剂。

图7 56 d 抗折强度、收缩值发展

5 工程应用

综合上述研究分析，将上述研究成果应用于现场双块式无砟道床施工中：道床混凝土配合比选择C3，混凝土中水泥胶凝组分选择海螺水泥，施工前在双块式轨枕周围涂刷无机高性能界面剂，工程实践证明有效减少了双块式道床裂纹，如图8所示。

图8 双块式无砟道床混凝土结构