雙塊式無(wú)砟軌道道床板裂紋成因分析應(yīng)對(duì)措施

1、成渝客專CRTS型雙塊式無(wú)砟軌道道床板裂紋成因分析及應(yīng)對(duì)措施魏登科摘要：當(dāng)前我國(guó)正致力于建設(shè)高速鐵路和客運(yùn)專線，大量鋪設(shè)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。然而，CRTS型雙塊式無(wú)砟軌道路基道床板為現(xiàn)澆連續(xù)板式結(jié)構(gòu)，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)極高。本文結(jié)合成渝高速鐵路施工實(shí)際，通過(guò)實(shí)地統(tǒng)計(jì)調(diào)查，闡述了道床板混凝土的各種裂紋形式及其成因，從材料、施工等方面提出了降低和減小裂紋出現(xiàn)的相應(yīng)措施，并闡述了常見(jiàn)裂紋的修補(bǔ)措施。以期能夠降低混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)道床板耐久性，提高列車運(yùn)營(yíng)安全。關(guān)鍵詞：高速鐵路；道床板；裂縫；成因分析；應(yīng)對(duì)措施1、工程結(jié)構(gòu)概況新建鐵路成都至重慶客運(yùn)專線全線正線一次鋪設(shè)無(wú)縫線路進(jìn)行設(shè)計(jì)，正線鋪設(shè)CRTS型雙塊式無(wú)砟軌

2、道，設(shè)計(jì)時(shí)速 350km/h。本標(biāo)段DK156+854.2DK187+824.65線路長(zhǎng)度30.858km，主要工程內(nèi)容包括50座橋梁、52段路基、1座車站、1座隧道。1.1 路基無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)組成CRTS型路基雙塊式無(wú)砟軌道由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板和支承層等部分組成。道床板采用C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，路基地段道床板為連續(xù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，不設(shè)置伸縮縫，如下圖1.1-1所示（單位：mm）。圖1.1-1 路基上道床板平縱斷面布置圖道床板下層結(jié)構(gòu)為支承層，采用C15水硬性混凝土材料澆筑而成，直接在基床表層上鋪設(shè)。如下圖1.1-2所示（單位：mm）。圖1.1-2直線路基上無(wú)砟軌道斷面圖1.2 無(wú)砟

3、軌道結(jié)構(gòu)高度路基地段CRTS型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)高度為815mm。如下表1.2-1所示。表1.2-1雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)高度結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)高度（mm）軌道結(jié)構(gòu)高度（mm）鋼軌176815WJ-8B扣件34承軌面至道床板高差45道床板260支承層/底座3002、 道床板裂縫分類型統(tǒng)計(jì)下圖2-1描繪了成渝高速鐵路路基地段CRTS型雙塊式無(wú)砟軌道道床板的典型裂縫類型。表2-1統(tǒng)計(jì)了繪了成渝高速鐵路路基地段CRTS型雙塊式無(wú)砟軌道道床板的典型裂縫的形態(tài)、出現(xiàn)時(shí)間和所占比例。圖2-1 路基地段CRTS型雙塊式無(wú)砟軌道道床板的典型裂縫開(kāi)裂類型編號(hào)開(kāi)裂形態(tài)描述開(kāi)裂時(shí)間比例拉伸彎曲裂縫A垂直線路方向，貫穿整個(gè)道床

4、板，多位于支撐層預(yù)裂縫位置長(zhǎng)期，由結(jié)構(gòu)沉降或受拉伸彎曲引發(fā)5%塑性收縮、早期收縮收縮裂縫B外“八”字裂紋，軌枕外側(cè)邊角應(yīng)力集中位置，嚴(yán)重時(shí)延生至道床板邊緣澆筑后10天開(kāi)始，隨時(shí)間有加重趨勢(shì)40%C混凝土表面，呈現(xiàn)龜裂或樹(shù)枝狀早期塑性階段2%D鋼筋之上，單獨(dú)或平行線狀早期混凝土硬化前1%長(zhǎng)期干燥收縮裂縫E內(nèi)“八”字裂紋，軌枕內(nèi)側(cè)邊角應(yīng)力集中位置，嚴(yán)重時(shí)相互連通出現(xiàn)時(shí)間晚與外“八”字裂紋15%F環(huán)繞軌枕塊出現(xiàn)，出現(xiàn)在道床板與軌枕新、舊混凝土結(jié)合部長(zhǎng)期，由混凝土過(guò)度收縮引發(fā)5%G道床板邊緣豎向間隔出現(xiàn)長(zhǎng)期，由混凝土過(guò)度收縮引發(fā)30%其它2%表2-1 路基地段CRTS型雙塊式無(wú)砟軌道道床板的典型裂縫類

5、型3、 道床板裂縫成因分析圖2-1及表2-1表明，高速鐵路路基地段CRTS型雙塊式無(wú)砟軌道道床板裂縫的形成主要由混凝土的早起塑性收縮及長(zhǎng)期干燥收縮形成（占裂縫總量的90%以上）。具體成因如下。 3.1混凝土塑性收縮變形對(duì)結(jié)構(gòu)的連續(xù)無(wú)縫性影響混凝土早期塑性收縮是造成道床板早期裂紋的主要原因，道床板混凝土施工具有線路長(zhǎng)及環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，施工時(shí)采用人工抹面，造成處于塑性狀態(tài)的混凝土表面長(zhǎng)期暴露在空氣中，表層混凝土失水較快，一旦混凝土中的水分蒸發(fā)速度超過(guò)其泌水速度，表層混凝土就會(huì)綢硬收縮，當(dāng)其強(qiáng)度不足以抵抗其收縮受限引起的拉應(yīng)力時(shí)就會(huì)開(kāi)裂。由于結(jié)構(gòu)的連續(xù)無(wú)縫性，收縮量無(wú)法通過(guò)施工縫得到補(bǔ)償，裂紋產(chǎn)生較

6、多。 3.2混凝土干燥收縮變形對(duì)結(jié)構(gòu)的連續(xù)無(wú)縫性影響干燥收縮是指混凝土在養(yǎng)護(hù)停止后，混凝土在不飽和的空氣中失去內(nèi)部毛細(xì)孔水、凝膠水、吸附水而引起的體積變小，是一種不可逆收縮，一般認(rèn)為混凝土的自由水越多，可蒸發(fā)水量越大，其干燥收縮程度就越大。由于結(jié)構(gòu)的連續(xù)無(wú)縫性，收縮量無(wú)法通過(guò)施工縫得到補(bǔ)償。干燥收縮產(chǎn)生的裂紋在高速鐵路路基地段CRTS型雙塊式無(wú)砟軌道道床板裂縫的形成中占有較大比例。3.3溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的連續(xù)無(wú)縫性影響由于該種形式的軌道道床板是連續(xù)無(wú)縫連接澆筑而成，即該段路基有多長(zhǎng)，則其道床板亦有多長(zhǎng)，中間無(wú)縫、連續(xù)不間斷。而正常情況下，混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)隨著周圍環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生熱脹冷縮效應(yīng)，溫度

7、上升時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)體積膨脹變大，溫度下降時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)體積收縮變小。而道床板下層C15支撐層混凝土為松散結(jié)構(gòu)，其熱脹冷縮效應(yīng)可以通過(guò)自身的空隙的變大縮小來(lái)消除。道床板兩端頭為橋梁結(jié)構(gòu)，不會(huì)隨著周圍環(huán)境溫度等的變化而產(chǎn)生位移，這就導(dǎo)致路基道床板混凝土在溫度上升是產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力，在溫度下降時(shí)產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力?；炷两Y(jié)構(gòu)不能夠承受拉應(yīng)力，時(shí)間一長(zhǎng)，混凝土結(jié)構(gòu)表面就會(huì)因拉壓力疲勞產(chǎn)生拉伸裂縫。這是CRTS型路基雙塊式無(wú)砟軌道道床板的通病?；具@種形式的路基道床板多多少少都會(huì)存在裂縫。相比橋梁結(jié)構(gòu)，他是每隔6.40米就有一條10cm的斷開(kāi)縫，混凝土的熱脹冷縮規(guī)模小，產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力小，混凝土自身的粘結(jié)力能夠

8、克服這種由于熱脹冷縮產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力，所以橋梁結(jié)構(gòu)道床板基本不存在裂縫。3.4路基的不均勻沉降特性鐵路路基是一層一層填筑起來(lái)的，在路基填筑碾壓過(guò)程中不可能100%碾壓密實(shí)，總會(huì)存在孔隙。路基在時(shí)間與自重的作用下這些孔隙會(huì)慢慢變小，路基面會(huì)慢慢下沉，且由于路基基地土質(zhì)承載力的不同、填筑碾壓力量方式的不同、填筑高度的差異、填筑材料特性的差異，路基的下沉有多有少，極不均勻。這是路基填筑的特性，現(xiàn)階段來(lái)講，由于工期的壓力，這種沉降無(wú)可避免。當(dāng)?shù)来舶逑聦拥幕A(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降的時(shí)候，道床板在自重作用下就會(huì)受到支撐層對(duì)它的不均勻的向上的反作用力，在道床板橫斷面面就會(huì)有不均勻的剪力，在表面的表現(xiàn)形式就是不均勻的

9、拉壓應(yīng)力，就會(huì)導(dǎo)致拉伸彎曲裂紋的產(chǎn)生。相比橋梁結(jié)構(gòu)，其底層是預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁，不存在不均勻沉降，所以橋梁結(jié)構(gòu)道床板基本不存在裂縫。3.5道床板混凝土施工不規(guī)范混凝土澆筑施工涉及材料、拌合、運(yùn)輸、澆筑等混凝土成型全過(guò)程，過(guò)程中的任何一種缺項(xiàng)均可能在混凝土成品中以裂紋等缺陷反應(yīng)出來(lái)。由于道床板混凝土施工不規(guī)范而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的情況及類別有很多，像混凝土自身配合比的問(wèn)題，混凝土施工時(shí)振搗不及時(shí)、振搗不足或過(guò)振，混凝土收面不及時(shí)等都會(huì)導(dǎo)致道床板混凝土裂紋的產(chǎn)生。在道床板混凝土澆筑過(guò)程中如果混凝土的骨料在沉落時(shí)受到了鋼筋的阻擋而不及時(shí)處理，則會(huì)產(chǎn)生沿鋼筋的走向的裂縫，在施工過(guò)程中，如果模板固定的不牢固、發(fā)生沉

10、陷、移動(dòng)的時(shí)候也會(huì)產(chǎn)生這種裂縫。 骨料聚集在表面則會(huì)導(dǎo)致混凝土表面呈現(xiàn)龜裂或樹(shù)枝狀裂紋出現(xiàn)。在混凝土與軌枕結(jié)合面如果在澆筑時(shí)沒(méi)有沖洗濕潤(rùn)軌枕面，則容易出現(xiàn)環(huán)繞軌枕塊出現(xiàn)的裂紋。在新舊混凝土接觸面若沒(méi)有處理好鋼網(wǎng)板的施工，則常出會(huì)現(xiàn)由于新舊混凝土粘結(jié)不良而引起的橫向貫通裂縫。3.6混凝土后期養(yǎng)護(hù)不充分混凝土裂紋的產(chǎn)生很總要的原因之一就是混凝土后期養(yǎng)護(hù)不充分?；旎炷猎谄渌嗨倪^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形，這種變形一般為體積上的收縮變形，隨著混凝土水泥的硬化，水分會(huì)不斷地?fù)]發(fā)，混凝土就會(huì)出現(xiàn)收縮變形，在混凝土收縮的過(guò)程中，如果沒(méi)有充足及時(shí)的灑水控溫養(yǎng)護(hù)，覆蓋養(yǎng)護(hù)，就很容易在混凝土的表面上形成無(wú)規(guī)

11、則的收縮裂縫 。3.7列車荷載作用的影響列車駛來(lái)，車輪對(duì)其接觸的軌面會(huì)產(chǎn)生反復(fù)的沖擊壓力，通過(guò)扣件系統(tǒng)將反復(fù)的沖擊壓力傳遞到軌枕及道床板上，這種反復(fù)的沖擊壓力在道床板結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)化成剪力及拉壓應(yīng)力。長(zhǎng)期反復(fù)，則會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力裂縫。4、 預(yù)防和減小道床板裂縫的具體措施 根據(jù)道床板混凝土裂縫的產(chǎn)生原因，其裂縫的控制可從混凝土原材料、施工工序等各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)行綜合控制，以期降低其塑性收縮及干燥收縮的強(qiáng)度，減小混凝土收縮的約束力，減小路基不均勻沉降，提高混凝土澆筑質(zhì)量等。具體措施如下。 （1）加強(qiáng)對(duì)基床變形觀測(cè)，并對(duì)線下結(jié)構(gòu)沉降進(jìn)行評(píng)估，待沉降變形趨于穩(wěn)定時(shí)施作雙塊式無(wú)砟軌道道床板。消除結(jié)構(gòu)變形引起的裂縫，以減少

12、道床板裂縫。 （2）控制現(xiàn)澆道床板鋼筋混凝土配合比設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照耐久性混凝土有關(guān)要求進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。考慮堿骨料反應(yīng)，在選擇混凝土原材料時(shí)控制堿含量。避免因堿骨料反應(yīng)而引起混凝土開(kāi)裂。減少水膠比，在滿足道床板混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度情況下，盡量減少水泥用量，盡量選用水化熱低的水泥，嚴(yán)格控制砂石集料的含泥量，選用級(jí)配良好的砂石集料。在滿足混凝土泵送條件下盡量降低混凝土的坍落度。 （3）道床板澆注應(yīng)盡量選擇在氣溫較低時(shí)進(jìn)行施工，避免混凝土內(nèi)外部溫差過(guò)大。加強(qiáng)混凝土的振搗，振搗捧快插慢拔，避免過(guò)振漏振?；炷翝沧⑼旰?，應(yīng)加強(qiáng)多次抹面收光，排除泌水、氣泡。施工完應(yīng)及時(shí)覆道床板，及時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)，使混凝土表面呈濕潤(rùn)狀態(tài)

13、。 （4）道床板混凝土澆筑后應(yīng)及時(shí)解除螺栓調(diào)節(jié)器和松開(kāi)軌道扣件對(duì)工具軌的約束，避免鋼軌伸縮造成道床板開(kāi)裂。 （5）加強(qiáng)對(duì)新舊混凝土結(jié)合面鋼網(wǎng)板施工質(zhì)量的控制，強(qiáng)化對(duì)軌枕底部及側(cè)面的處理，確保澆筑前表面濕潤(rùn)無(wú)雜物。 （6）嚴(yán)格控制混凝土的入模溫度。5、道床板裂縫處理方法 由于影響道床板開(kāi)裂的因素復(fù)雜多變，因此即使在設(shè)計(jì)和施工上采取了很多有效措施，仍難以徹底避免道床板的開(kāi)裂，在這種情況下就有必要對(duì)道床板裂縫進(jìn)行修補(bǔ)。根據(jù)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、無(wú)砟道床混凝土裂縫性質(zhì)和裂縫傷損等級(jí)，混凝土裂縫修補(bǔ)方法可分為表面封閉法、無(wú)壓注漿法和低壓注漿法，三種修補(bǔ)方法可按以下要求進(jìn)行施作。5.1表面封閉法（1）修補(bǔ)材料

14、用于表面封閉的涂層材料宜采用聚合物水泥基材料，其主要性能應(yīng)滿足下表5.11要求。表面封閉涂層材料性能要求 表5.11序 號(hào)項(xiàng) 目單 位指標(biāo)要求檢測(cè)方法1表干時(shí)間h2GB/T 167772拉伸強(qiáng)度（7d）MPa2GB/T 167773斷裂伸長(zhǎng)率（7d）%100GB/T 167774人工氣候老化（720h）無(wú)裂紋及變形GB/T 192505耐堿性（堿處理，拉伸強(qiáng)度保持率）60150GB/T 167776不透水性（0.3MPa，30min）不透水GB/T 167777粘結(jié)強(qiáng)度（7d）MPa1.5GB/T 16777（A法）注：1. 涂層材料顏色應(yīng)盡量與混凝土顏色相近 2. GB/T 16777建筑防

15、水涂料試驗(yàn)方法 3. GB/T 19250聚氨酯防水涂料表5.1-1 表面封閉涂層材料性能要求 底涂材料可采用高聚合物乳液含量的聚合物水泥基材料。 （2）主要修補(bǔ)工機(jī)具 鋼絲刷、真空吸塵器、計(jì)量工具、攪拌工具、盛料容器、涂刷工具等。 （3）修補(bǔ)工藝 a.使用鋼絲刷將裂縫表面兩側(cè)刷毛，用真空吸塵器清除灰塵等雜物。當(dāng)裂縫內(nèi)有明水時(shí)，應(yīng)采用熱風(fēng)機(jī)等將裂縫處吹干。b.稱量并配制表面封閉用修補(bǔ)材料，采用手持式攪拌機(jī)或?qū)Ｓ脭嚢杵鲗⑿扪a(bǔ)材料攪拌均勻。c.沿裂縫表面涂刷一層底涂材料。d.待底涂材料表干后，涂刷表面封閉用涂層材料，涂刷3遍以上，以涂層厚度達(dá)到300m以上為宜。每遍涂刷都要等到上遍涂層材料表干后再

16、涂，且兩次涂刷方向相互垂直。e.在大風(fēng)干燥等條件下適當(dāng)采取薄膜覆蓋等方法養(yǎng)護(hù)，防止涂層材料失水過(guò)快導(dǎo)致涂層開(kāi)裂。 （4）環(huán)境要求 施工適宜溫度530，雨雪天不得施工。 （5）適用范圍 表面封閉法適用于裂縫裂縫寬度小于0.2mm，深度小于10mm的裂縫。為無(wú)砟軌道裂縫修補(bǔ)最常用的方法。5.2無(wú)壓注漿法（1）修補(bǔ)材料無(wú)壓注漿法修補(bǔ)混凝土裂縫宜采用低粘度樹(shù)脂材料。低粘度樹(shù)脂材料性能應(yīng)滿足表5.21要求。序 號(hào)項(xiàng) 目單 位指標(biāo)要求檢測(cè)方法1粘 度mPas50GB/T 2794凝膠時(shí)間min30GB/T 71932拉伸強(qiáng)度MPa6 （2h）14（24h）20（7d）GB/T 25673抗壓強(qiáng)度MPa10

17、 （2h）20 （24h）30（7d）JC/T 10414斷裂伸長(zhǎng)率（7d）%2GB/T 25675收縮率（7d）%2通過(guò)測(cè)量液態(tài)密度（GB/T 13354）和成型硬化物的密度（GB/T 1033.1），計(jì)算得出6粘結(jié)強(qiáng)度（7d）MPa5JC/T 1041 注：1. GB/T 2794膠粘劑粘度的測(cè)定 2. GB/T 7193不飽和聚酯樹(shù)脂試驗(yàn)方法 3. HYPERLINK /detail/192530.html t _blank GB/T 2567樹(shù)脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法 4. JC/T 1041混凝土裂縫用環(huán)氧樹(shù)脂灌漿材料 5. GB/T 13354液態(tài)膠粘劑密度的測(cè)定方法 重量杯法 6.

18、GB/T 1033.1塑料 非泡沫塑料密度的測(cè)定 第1部分：浸漬法、液體比重瓶法和滴定法表5.2-1 低粘度樹(shù)脂材料性能要求 （2）主要修補(bǔ)機(jī)具 手動(dòng)雙組份注漿器、電熱吹風(fēng)機(jī)、真空吸塵器、角磨機(jī)等。 （3）修補(bǔ)工藝 a.用真空吸塵器清除裂縫內(nèi)雜物。b.采用電熱吹風(fēng)機(jī)去除裂縫內(nèi)水分。c.沿裂縫兩側(cè)制作注漿圍擋，防止?jié){體污染混凝土表面。d.采用手動(dòng)雙組份注漿器向裂縫內(nèi)注入低粘度樹(shù)脂材料。灌注過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)觀察樹(shù)脂滲透情況，并及時(shí)補(bǔ)注修補(bǔ)材料直至注滿。e.修補(bǔ)材料固化后，去除裂縫圍擋，將裂縫表面多余樹(shù)脂材料打磨平整。f.在裂縫表面涂刷裂縫封閉材料，其修補(bǔ)材料及工藝與上述“表面封閉法”相同。 （4）環(huán)境

19、要求施工適宜溫度530，雨雪天不得施工。 （5）適用范圍 表面封閉法適用于裂縫裂縫寬度小于0.5mm大于0.2mm，深度小于30mm大于10mm的裂縫。5.3低壓注漿法（1）修補(bǔ)材料低壓注漿法修補(bǔ)混凝土裂縫宜采用性能滿足下表5.3-13要求的樹(shù)脂材料。序 號(hào)項(xiàng) 目單 位指標(biāo)要求檢測(cè)方法1粘 度mPas200GB/T 27942凝膠時(shí)間min60GB/T 71933拉伸強(qiáng)度MPa6（2h）14（24h）20（7d）HYPERLINK /detail/192530.html t _blank GB/T 25674抗壓強(qiáng)度MPa10（2h）30（24h）60（7d）JC/T 10414斷裂伸長(zhǎng)率（7

20、d）%2GB/T 25675收縮率（7d）%2通過(guò)測(cè)量液態(tài)密度（GB/T 13354）和成型硬化物的密度（GB/T 1033.1），計(jì)算得出6粘結(jié)強(qiáng)度（7d）MPa5JC/T 1041注： 1. GB/T 2794膠粘劑粘度的測(cè)定 2. GB/T 7193不飽和聚酯樹(shù)脂試驗(yàn)方法 3. HYPERLINK /detail/192530.html t _blank GB/T 2567樹(shù)脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法 4. JC/T 1041混凝土裂縫用環(huán)氧樹(shù)脂灌漿材料 5. GB/T 13354液態(tài)膠粘劑密度的測(cè)定方法 重量杯法 6. GB/T 1033.1塑料 非泡沫塑料密度的測(cè)定 第1部分：浸漬法、液體比重瓶法和滴定法表5.3-1 低壓注漿法修補(bǔ)材料性能要求封縫材料可采用聚合物快硬水泥漿、專用封縫材料或?qū)Ｓ梅?/p>