CRTSⅢ型高鐵軌道現(xiàn)澆底座板裂縫分析及控制

王丙壘，朱國軍，張登科，向飛，孔繁杰，秦哲煥

（1.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北武漢 430083；2.天津市交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法總隊(duì)，天津 300000）

0 引 言

21 世紀(jì)以來，我國城市高鐵交通建設(shè)事業(yè)發(fā)展迅猛，相關(guān)技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先地位，其中CRTSⅢ型無砟軌道是我國獨(dú)立研發(fā)具有自主產(chǎn)權(quán)的軌道形式，因工藝簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于城市高鐵橋梁施工建設(shè)中。在運(yùn)營階段，因結(jié)構(gòu)長期處于外界環(huán)境中，除了反復(fù)受到雨雪、潮濕、日照等干濕循環(huán)作用，還受到動(dòng)靜荷載的反復(fù)作用，一旦出現(xiàn)早期裂縫和內(nèi)部微觀缺陷，會(huì)在服役期長期進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致鋼筋銹蝕和結(jié)構(gòu)劣化損傷，不但對長期耐久性和服役壽命造成威脅，也增加了維護(hù)費(fèi)用，而且影響高鐵系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性[1-2]。因此，施工階段混凝土的裂縫控制與預(yù)防至關(guān)重要。

混凝土材料的特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度高而抗拉強(qiáng)度低，在水化齡期內(nèi)產(chǎn)生自身收縮、溫度收縮和干燥收縮等變形[3-5]，由于澆筑時(shí)間不同，新澆混凝土硬化階段收縮受到舊混凝土界面的約束而產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力一旦超過了混凝土當(dāng)齡期的抗拉強(qiáng)度，即存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。

劉增杰等[6]研究了CRTSⅢ型無砟軌道現(xiàn)澆底座板凹槽四角裂縫，通過倒角優(yōu)化設(shè)計(jì)控制了該裂縫。李艷[7]通過有限元模擬研究了CRTSⅢ型無砟軌道現(xiàn)澆底座板凹槽環(huán)周裂縫，通過布置鋼筋進(jìn)行裂縫控制。朱長華等[8]研究了CRTSⅠ型無砟軌道道床板裂縫類型，針對自干燥收縮裂縫通過內(nèi)摻SAP，以其飽水釋水功能延緩內(nèi)部相對濕度降低速率，從而減少內(nèi)部收縮。鄧忞成[9]研究了云桂鐵路橋梁現(xiàn)澆道床板的裂縫類型，認(rèn)為收縮是主要原因，提出了調(diào)整配合比、原材料、施工工藝和養(yǎng)護(hù)措施等裂縫控制方法。高貴等[10]采用無機(jī)納米抗裂減滲劑的方法對該類結(jié)構(gòu)的裂縫控制。何財(cái)基等[11]、楊漢國[12]研究了高原干旱環(huán)境下同類結(jié)構(gòu)的裂縫形式，并采用內(nèi)摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑進(jìn)行濕度補(bǔ)償減少收縮，外噴養(yǎng)護(hù)劑進(jìn)行養(yǎng)護(hù)的方法降低了開裂風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，國內(nèi)研究大多集中于道床板和底座板凹槽，針對施工期CRTSⅢ型現(xiàn)澆底座板整體結(jié)構(gòu)橫向裂縫控制的研究較少，而底座裂縫的產(chǎn)生對軌道結(jié)構(gòu)有較大影響，目前我國高速鐵路里程超30 000 km，基于裂縫的普遍性，急需研究底座板橫向裂縫的產(chǎn)生機(jī)理和有效控制裂縫的方法。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目簡介

某高速鐵路特大斜拉橋位于長江下游河段，當(dāng)?shù)貙儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，冬冷夏熱，四季分明，施工期為6~9 月，高鐵軌枕結(jié)構(gòu)采用CRTSⅢ型無砟軌道技術(shù)，基層鑿毛并植筋，安裝鋼制模板，底座板采用現(xiàn)澆混凝土成型，混凝土等級(jí)C40，相鄰接縫處設(shè)置伸縮縫，單塊底座板結(jié)構(gòu)尺寸為：長6 m、寬3 m、厚0.18 m。施工現(xiàn)場全景以及底座板施工照片如圖1 所示。

圖1 施工現(xiàn)場全景以及底座板施工照片

1.2 異常情況說明

2022 年6 月14 日，采用47 m 天泵澆筑底座板，混凝土坍落度（180±20）mm，采用振搗棒機(jī)械振搗，人工初次抹面，待混凝土終凝前采用人工二次抹面，終凝后灑水并覆蓋養(yǎng)護(hù)膜自然養(yǎng)護(hù)，14 d 后拆除養(yǎng)護(hù)措施后出現(xiàn)垂直于長度方向的貫穿裂縫，且裂縫間距相近，平均每段底座板有5 條裂縫，寬度0.1~0.3 mm，如圖2 所示。針對該裂縫，項(xiàng)目部初步采用局部設(shè)置加強(qiáng)筋的方法（見圖3），但施工后裂縫控制效果仍無改善。

圖2 底座板裂縫分布與示意

圖3 底座板加強(qiáng)筋分布

2 開裂分析

為分析裂縫產(chǎn)生原因，主要從原材料、配合比、施工工藝和抗裂驗(yàn)算等方面進(jìn)行剖析。

2.1 原材料

膠凝材料：P·O42.5 華新水泥、F 類Ⅱ級(jí)粉煤灰，主要化學(xué)成分見表1；砂：水洗優(yōu)質(zhì)河砂，Ⅱ區(qū)中砂，含泥量1.3%；碎石：分別為5~16 mm 小石和16~25 mm 大石，含泥量0.3%；聚羧酸高性能減水劑：固含量20%，減水率大于25%。

表1 膠凝材料的主要化學(xué)成分%

從砂石骨料與膠凝材料檢測結(jié)果看，膠凝材料以及骨料均為優(yōu)質(zhì)品，品質(zhì)良好。

2.2 原始配合比

為從根源上分析裂縫產(chǎn)生的原因，針對所用原材料匹配的生產(chǎn)混凝土配合比，檢查水膠比、砂率和膠材用量等關(guān)聯(lián)參數(shù)。C40 混凝土配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（大石）∶m（小石）∶m（河砂）∶m（減水劑）∶m（水）=287∶123∶776∶330∶736∶4.05∶144，從配合比來看，級(jí)配和砂率（40%）均在合理范圍內(nèi)，雖然摻30%粉煤灰，一定程度上抑制了混凝土的自收縮，但水膠比較?。?.35），混凝土自收縮占比大。

2.3 施工工藝

從前述施工工藝上看，泵送混凝土和易性控制在合理范圍內(nèi)，振搗與抹面工藝并無異常，終凝后的養(yǎng)護(hù)時(shí)間與齡期也符合TZ 210—2018《鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南》要求。

2.4 抗裂相關(guān)試驗(yàn)與計(jì)算

由上述可知，混凝土的開裂時(shí)間為14 d 拆除養(yǎng)護(hù)后出現(xiàn)，但工程條件為非標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件，因此需考慮等效齡期，進(jìn)行28 d 的抗裂驗(yàn)算更恰當(dāng)。為計(jì)算混凝土的綜合當(dāng)量溫差，進(jìn)行了如下試驗(yàn)與計(jì)算。

（1）溫度試驗(yàn)

通過在結(jié)構(gòu)型心中埋入測溫線得到的基準(zhǔn)組溫度歷程如圖4 所示，項(xiàng)目所在地當(dāng)期平均環(huán)境溫度為30~35 ℃，初始入模溫度為34.4 ℃，溫峰值為47.0 ℃，48 h 后降至室溫。

圖4 中心溫度發(fā)展曲線

（2）自生收縮試驗(yàn)

為監(jiān)測混凝土的自生收縮，在施工現(xiàn)場澆筑混凝土的同時(shí)，將振弦式應(yīng)變計(jì)埋入專用混凝土無應(yīng)力桶（見圖5），現(xiàn)場取樣，并采用同條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。無線自動(dòng)采集，監(jiān)測混凝土收縮，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)得到自生收縮曲線。結(jié)合王鐵夢收縮公式模型[3]，通過系數(shù)選擇與修正得到擬合曲線，如圖6 所示。

圖5 無應(yīng)力桶與應(yīng)變計(jì)預(yù)埋試驗(yàn)

圖6 基準(zhǔn)混凝土自生收縮歷程

式中：εy（t）——任意時(shí)間t（d）的收縮，10-6；

εy0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)極限收縮，取400×10-6；

M1~M11——非標(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù)，通過查表及系數(shù)調(diào)整后所得M1·M2·M3…M11終值為0.69；

b——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)擬合規(guī)律取0.03~0.04。

由圖6 可知，基準(zhǔn)混凝土12 d 時(shí)自生收縮趨近于平穩(wěn)，28 d 收縮極限為160.5 με。將混凝土的收縮轉(zhuǎn)化為當(dāng)量溫度按式（2）計(jì)算，計(jì)算得當(dāng)量收縮溫度為16.0 ℃。

式中：α——混凝土熱膨脹系數(shù)，取10.0×10-6。

（3）抗裂驗(yàn)算

因該結(jié)構(gòu)為薄壁結(jié)構(gòu)，里表溫差引起的自約束應(yīng)力可以忽略，可根據(jù)GB 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》，外約束應(yīng)力公式（3）計(jì)算28 d 拉應(yīng)力。

式中：σx（t）——齡期為t時(shí)的外約束拉應(yīng)力，MPa；

μ——泊松比，取0.15；

△T2i（t）——混凝土綜合降溫差，根據(jù)測溫結(jié)果，綜合降溫差為14.0 ℃，加上收縮當(dāng)量溫度后該值為30.0 ℃；

Ei（t）——當(dāng)齡期彈性模量，MPa，查表取28 d 標(biāo)準(zhǔn)值為32 500 MPa；

Ri（t）——外約束系數(shù)，其中L=6 m，H=0.18 m，因約束面為已硬化28 d 且鑿毛植筋后的橋面混凝土，故取Cx=1.5 N/mm3，經(jīng)式（3）計(jì)算Ri（t）=0.59；

Hi（t，τ）——應(yīng)力松弛系數(shù)，不但與加荷齡期有關(guān)，還與荷載持續(xù)時(shí)間有關(guān)，涉及到疊加原理，計(jì)算過程復(fù)雜，且相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中查表計(jì)算較為寬泛，難以直接引用，本文參考文獻(xiàn)[13-15]中所述方法，計(jì)算得到Hi（t，τ）=0.42。

通過上述已知參數(shù)，計(jì)算得到σx（28 d）=2.84 MPa，取C40混凝土28 d 極限標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度2.39 MPa。則抗裂安全系數(shù)K=2.39÷2.84=0.84<1.15，存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，與實(shí)際開裂相符。

綜上所述，結(jié)合裂縫出現(xiàn)的時(shí)間與走向判斷裂縫類型屬于收縮裂縫，收縮受到鑿毛基面與植筋、雙層主筋的約束產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力超過當(dāng)期混凝土抗拉強(qiáng)度而開裂。

3 抗裂材料選擇及試驗(yàn)實(shí)施

3.1 材料選擇

基于裂縫的特征，在混凝土中摻入兼具抗裂、減縮和增強(qiáng)密實(shí)作用的高性能纖維抗裂復(fù)合材料SY-COM，該材料為混凝土工程抗裂抗?jié)B的一種新型復(fù)合功能材料，含有高性能聚合物纖維材料、納米改性材料和多種活性材料，通過多重組分材料復(fù)配產(chǎn)生的疊加效應(yīng)有效抑制混凝土全過程裂縫。參考T/CECS 10001—2019《用于混凝土中的防裂抗?jié)B復(fù)合材料》，材料的主要技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

表2 SY-COM 纖維復(fù)合材料的主要技術(shù)指標(biāo)

3.2 試驗(yàn)方法

采用武漢三源特種建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的SY-COM型高性能纖維抗裂復(fù)合材料，為驗(yàn)證該材料的真實(shí)性能，減少實(shí)際生產(chǎn)中不穩(wěn)定因素，投入生產(chǎn)前驗(yàn)證該材料的性能。根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度，按T/CECS 10001—2019 進(jìn)行結(jié)果評(píng)定。參考GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行刀口誘導(dǎo)抗裂試驗(yàn)，采用尺寸為800 mm×600 mm×100 mm 的平面薄板模具，內(nèi)含7 條裂縫誘導(dǎo)器；通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇速率，使試件表面中心處風(fēng)速不小于5 m/s。

3.3 混凝土試驗(yàn)配合比

基準(zhǔn)組混凝土配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（大石）∶m（小石）∶m（河砂）∶m（減水劑）∶m（水）=287∶123∶776∶330∶736∶4.10∶144，SY-COM 外摻方式加入，摻量為1.0 kg/m3，作為對比組。通過微調(diào)減水劑用量，確保滿足現(xiàn)場施工條件與性能要求，控制各組混凝土的坍落度為（180±20）mm。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2 組混凝土的主要物理力學(xué)性能測試結(jié)果見表3。

表3 2 組混凝土的主要物理力學(xué)性能

3.4.1 對工作性能的影響

由表3 可知，摻加SY-COM 有助于提高混凝土拌合物的坍落度和擴(kuò)展度，混凝土的含氣量稍有增加。這是因?yàn)槠渲泻懈叻肿泳酆衔锉ＫM份，水解后形成的水分子鏈可以使混凝土水分布更加均勻，同時(shí)在水化初期保留水分，減小塑性階段水分蒸發(fā)速率，降低混凝土內(nèi)部毛細(xì)管負(fù)壓，后期逐漸釋放，提高混凝土的流動(dòng)性，使得混凝土泵送更加流暢。

3.4.2 對抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

由表3 可知：

（1）對比組的7、28 d 抗壓強(qiáng)度略高于基準(zhǔn)組，原因在于SY-COM 中的納米活性組分具有晶核和改善纖維性能的雙重作用，晶核作用可改變水泥水化過程和水化產(chǎn)物的顆粒形貌及空間排列，降低界面區(qū)的取向程度，增強(qiáng)物質(zhì)間的粘結(jié)力，改善水泥石及界面過渡區(qū)，細(xì)化水泥石中的孔徑；同時(shí)納米活性材料能有效吸附在纖維表面，增加纖維表面的粗糙度，提高纖維與水泥基體粘結(jié)力，削弱纖維與混凝土界面層中由水膜形成的疏松網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得抗壓強(qiáng)度提高，7、28 d 抗壓強(qiáng)度比分別為102%、103%，均符合T/CECS 10001—2019 的要求（≥90%）。

（2）對比組的7、28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組，原因在于纖維與水泥基體間產(chǎn)生的拉拔作用，提高了混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度比為114%，符合T/CECS 10001—2019 的要求（≥100%）。由文獻(xiàn)[3]可知，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與真實(shí)抗拉強(qiáng)度具有一定誤差，抗裂驗(yàn)算時(shí)不可直接引用，但是試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度增長率可以有一定參考作用。

3.4.3 對抗裂性能的影響

2 組混凝土的刀口誘導(dǎo)抗裂試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 2 組混凝土的刀口誘導(dǎo)抗裂試驗(yàn)結(jié)果

由圖7 可知，基準(zhǔn)組共出現(xiàn)7 條平行于刀口的裂縫，而對比組始終未出現(xiàn)裂縫，根據(jù)長度與開裂面積，結(jié)合裂縫降低系數(shù)η 計(jì)算公式：

式中：Amer——基準(zhǔn)組混凝土的裂縫總面積，mm2/m2；Afer——對比組混凝土的裂縫總面積，mm2/m2。

統(tǒng)計(jì)得到基準(zhǔn)組混凝土的裂縫總面積Amer=2465 mm2/m2，計(jì)算對比組的裂縫降低系數(shù)η=100%，符合T/CECS 10001—2019 的要求（≥80%），評(píng)定結(jié)果為Ⅰ級(jí)。高性能纖維抗裂復(fù)合材料可有效抑制混凝土早期收縮裂縫的產(chǎn)生，可進(jìn)一步通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證其效果。

4 工程應(yīng)用

4.1 混凝土質(zhì)量控制

為確?；炷辽a(chǎn)的質(zhì)量穩(wěn)定性，采用對講機(jī)與視頻監(jiān)控技術(shù)確保精準(zhǔn)投料，并適當(dāng)延長攪拌時(shí)間，使纖維等功能組分充分拌和，分布均勻?；炷潦┕ゐB(yǎng)護(hù)按照原設(shè)計(jì)方法執(zhí)行。

4.2 混凝土自生收縮對比（見圖8）

圖8 混凝土的自生收縮歷程

由圖8 可知：混凝土7 d 內(nèi)自生收縮（包含干燥收縮和自收縮）速率較快，之后趨于平穩(wěn)，這是因?yàn)樗嗨艧岱磻?yīng)集中在該階段，水化反應(yīng)消耗水分造成混凝土內(nèi)部相對濕度降低，導(dǎo)致毛細(xì)管凹液面半徑曲率減小，毛細(xì)負(fù)壓增大，故該階段收縮占比較大，這與混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律類似，7 d 強(qiáng)度達(dá)到28 d 強(qiáng)度的80%，基準(zhǔn)組7 d 收縮達(dá)到123.3 με，占28 d收縮的76.9%。

而摻SY-COM 對比組混凝土自生收縮變形幅度顯著小于基準(zhǔn)組，28 d 收縮為70.3 με，相較基準(zhǔn)組減小了90.2 με，降低幅度為56.2%，減縮效果顯著，一方面在于抗裂纖維具有可以在混凝土內(nèi)部均勻分布，減少水分外溢揮發(fā)通道，且分散混凝土因毛細(xì)管失水負(fù)壓產(chǎn)生的應(yīng)力，從而減少收縮，另一方面，功能復(fù)合粉體活性組分能夠與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)，并在化合物的激發(fā)下發(fā)生二次水化反應(yīng)生成具有膠凝性的產(chǎn)物，水化產(chǎn)生的結(jié)晶體和凝膠填充在混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔道和微裂縫中，切斷和阻塞混凝土內(nèi)部的貫通孔和裂縫，減少有害孔，從而進(jìn)一步降低收縮，此外，其中的減縮功能成分能增大孔隙水黏度，增強(qiáng)水在混凝土膠體中的吸附作用，且能降低孔隙水的表面張力，減少毛細(xì)負(fù)壓應(yīng)力，進(jìn)一步減少收縮。

4.3 工程應(yīng)用效果對比與驗(yàn)證

根據(jù)上述摻SY-COM 的配合比進(jìn)行工程應(yīng)用實(shí)施，共澆筑14 段底座板，共排查60 d，始終未出現(xiàn)任何裂縫，如圖9 所示。

圖9 工程應(yīng)用效果

為量化方案的可行性，將前面所述試驗(yàn)結(jié)果代入抗裂驗(yàn)算公式進(jìn)行驗(yàn)證，摻SY-COM 后混凝土28 d 的自生收縮為70.3 με，通過式（1）計(jì)算得到其當(dāng)量收縮溫度為7.0 ℃，其他條件不變，將該結(jié)果代入式（3），得到σx（t）=1.99 MPa。則抗裂安全系數(shù)K=（2.39×1.14）÷1.99=1.37>1.15，該結(jié)果在抗裂安全范圍內(nèi)，該方案可行，抗裂安全系數(shù)較原方案提高了63.1%。

綜上可知，與原方案相比，高性能纖維復(fù)合材料可顯著降低混凝土的自生收縮變形，同時(shí)一定程度提高了抗拉強(qiáng)度，提高了抗裂安全系數(shù)，使方案得到了驗(yàn)證，提高了結(jié)構(gòu)安全性，也降低了長期維護(hù)成本，對于提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和預(yù)防服役期結(jié)構(gòu)開裂具有重要意義。

5 結(jié) 論

（1）從原材料、配合比、施工工藝、開裂規(guī)律和抗裂驗(yàn)算等方面對底座板開裂原因進(jìn)行了剖析，判斷該類裂縫屬于收縮裂縫，混凝土收縮受到鑿毛基面與植筋、雙層主筋的約束產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力超過當(dāng)期混凝土抗拉強(qiáng)度而開裂。

（2）在混凝土中引入兼具抗裂、減縮和增強(qiáng)密實(shí)作用的高性能纖維抗裂復(fù)合材料SY-COM，進(jìn)行了一系列室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果表明：混凝土拌合物的坍落度和擴(kuò)展度增大，含氣量稍有增加，對于混凝土施工無不利影響；同時(shí)，一定程度上提高了抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度；早期刀口誘導(dǎo)抗裂試驗(yàn)表明，該材料顯著了降低了開裂面積。

（3）對高性能纖維抗裂復(fù)合材料進(jìn)行了工程應(yīng)用，通過自生收縮試驗(yàn)、抗裂驗(yàn)算和效果對比，結(jié)果表明：摻入高性能纖維抗裂復(fù)合材料后，混凝土自生收縮降低了56.2%，抗裂安全系數(shù)提高了63.1%，顯著提高了抗裂性能。