无砟轨道产生裂纹原因的分析与防治
摘要：综合我国目前正在施工的无砟轨道裂纹形式进行分析，并进一步分析了其裂纹产生的机理，指出温度和混凝土的收缩时产生裂纹的主要原因。最后提出通过优选原材料、优化混凝土配合比、采用二次振捣工艺及强化养护来防止裂纹的产生和发展。
关键词： 无砟轨道、 裂纹、 施工工艺、配合比
1 概述
1.1无砟轨道的裂缝特征
混凝土出现裂纹后，在开裂部位形成结构的薄弱环节，加大了混凝土与周围环境的接触面积，加速了混凝土的裂化速度，无砟轨道裂缝一旦形成, 特别是形成贯穿裂缝后危害较大, 它会降低无砟轨道的耐久性, 降低无砟轨道的绝缘性能, 削弱轨道结构的承载力, 同时还可能会危害到无砟轨道的使用安全。目前我国无砟轨道试验段主要有Ⅱ型( 双块式) 无砟轨道道床板裂缝和无砟轨道底座裂缝。道床板和底座都存在不同程度的裂缝, 出现这些裂缝的部位都有共同的特点:
⑴ Ⅱ型无砟轨道道床板裂缝主要有① 混凝土与轨枕交接处的四个角端有 40℃左右的角裂缝; ② 道床板中间有横向或斜向的裂缝; ③ 裂缝在初凝结束后 2～3d 和2 个月左右多会出现并逐步发展; ④裂缝宽度无法测量, 肉眼可见, 裂缝不贯通道床板。图 1 是 2006 年 8月上旬某一典型的Ⅱ型无砟轨道道床板裂缝调查示意图( 调查区段是我国试验段某桥上的Ⅱ型无砟轨道)
⑵ 底座裂缝主要有以下规律和特点: ① 各种类型的无砟轨道底座多出现横向贯通裂缝, 间距为 5～15m; ② 伸缩假缝处裂缝沿假缝的深度方向向下延伸并贯通; ③Ⅰ型( 板式) 无砟轨道底座除与预留缝相邻的凸台处, 都有横向贯通裂缝, 裂缝最大宽度在底座上表面达 0.2 mm 左右; ④ 裂缝一旦出现都贯通整个底座混凝土; ⑤ 有少数区域在离道床边 10 cm 处的表面出现纵向裂缝, 裂缝最宽能达 0.5mm。图 2 是 2006 年8 月中旬Ⅰ型无砟轨道底座裂缝调查示意图( 调查区段是我国无砟轨道试验段某路堤处) [4]
1.2 裂缝区无砟轨道结构状况
Ⅱ型无砟轨道道床板以 8 块或 10 块轨枕为一整体进行浇筑, 两板间留 80 mm 的缝隙。道床板厚度350～ 250 mm, 布有上下 2 层钢筋, 混凝土强度等级为C40。道床板与底座之间用门型钢筋或底座留有凹槽、道床面凿毛,
进行连
接。底座厚度为 300 mm, 分钢筋混凝土底座和素混凝土底座两类, 混凝土等级分别为 C40 和 C20。路基上底座浇筑前对 AB 组填料进行了刮皮, 并洒了足量的水。素混凝土底座上设伸缩假缝, 间距为 5 m, 缝深100 mm, 缝宽 8mm, 在初凝结束后 2d 时切割。钢筋混凝土底座上伸缩缝直接在浇筑时用沥青木板分离, 并用沥青油膏封面, 间距为 20 m, 伸缩缝宽 20 mm。
[3]
2 裂缝产生原因分析
2.1 温度裂缝
⑴ 施工时间不当。无砟轨道混凝土要求在气温较高时施工，混凝土浇筑完成后，水泥水化加快，使混凝土在较短的时间内产生塑性收缩、温度收缩、自生收缩和
于燥收缩，上述各种收缩的叠加易形成表面裂缝。
⑵ 养护措施不当引起的混凝土裂缝。①混凝土未及时洒水保湿养护，不能保证表面混凝土中水泥水化所需水分，而导致混凝土表面龟裂。②混凝土养护时机把握不准，在水泥水化混凝土凝固时升温期内使用大量温度较低的水进行养护，引起混凝土内外温差急剧增大，导致混凝土开裂。[2]
2.2 荷载裂缝
⑴气温变化引起荷载裂缝。混凝土浇筑完成后，未能及时解除螺栓调节器及轨道扣件工具轨的约束，致使比热容相对较小的混凝土在轨枕周围出现裂缝。
⑵结构变形引起的裂缝。路基、桥梁、隧道沉降变形观测不到位，致使对轨道基础变形预测不准，引起轨道板开裂。
⑶外加荷载引起裂缝。[5]
2.3 钢轨的伸长引起裂缝
双块式和长枕埋入式无砟轨道施工时一般是先将钢轨、双块式轨枕或长轨枕精确定位和扣件拧紧, 然后再浇筑混凝土。当白天太阳直射, 外界温度比较高时, 钢轨的温度发生急剧升高, 钢轨伸长, 这时由于混凝土正处于初凝状态混凝土强度趋近于零, 不能抵抗这种变形应力而导致开裂。
2.4 新旧混凝土不良粘结裂缝
双块式和长枕埋入式无砟轨道, 由于轨枕是预先制作的, 所以容易出现新旧混凝土粘结不良而出现裂缝。这在双块式和长枕埋入式无砟轨道中若不采用其它措施是很容易出现的。同时, 运营后随着列车通过次数的增加, 裂缝还将进一步
扩大。[7]
2.5 结构设计存在的问题
⑴ 设置间距合理的预留缝。由于影响裂缝宽度和间距的因素很多, 设计人员的计算结果往往与实际情况偏差比较大。目前从混凝土底座的设计来看, 不管是钢筋混凝土底座还是素混凝土底座, 基本上都出现了裂缝, 而且这些裂缝大多贯穿混凝土的底座。究其原因主要是预裂缝的间距设置过大引起的。
⑵ 充分考虑施工荷载的影响。Ⅰ型轨道板从目前来看, 非预应力轨道板在吊装和运输过程中出现了一些裂缝, 有的甚至导致了轨道板报废, 但预应力轨道板基本没有出现可见的裂缝。所以需要充分地考虑施工荷载在结构设计中的影响。[8]
3 预防和控制轨道板裂缝的措施
3.1 规范配合比设计
严格按照耐久性混凝土有关要求进行配合比设计，考虑碱骨料反应，在选择混凝土材料的时候，要控制碱含量，避免因为碱骨料反应而形成裂缝；根据骨料含水量测定值及时调整施工配合比。优化混凝土配合比是有效防止裂缝的措施之一, 相对于表 1 所示的混凝土配合比方案, C40 混凝土优化为表 2 的方案后效果明显, 其主要从以下几个方面来考虑:①降低水泥的用量。减少水泥的用量可以减少水化热, 所以在满足其他要求的时候可以采取水泥用量较少的配合比方案。② 增加粉煤灰的用量, 提高粉煤灰的等级, 采用等级高的粉煤灰有减水作用, 这也是有效减少水化热的措施。③ 降低砂的用量和增加石用量[1]。
3.2 加强混凝土原材料质量控制
各种混凝土用原材料、外加剂等进场前查验出厂合格报告，并按照规范要求的频率进行取样试验，严格控制粗细骨料的含泥量。[6]
3.3 加强施工工艺过程控制
⑴ 确保枕木周围钢筋的保护层厚度。
⑵ 尽量选择在气温较低时进行混凝土施工，使混凝土水化凝固过程与气温上升过程一致，避免混凝土出现较大的内外部温差。
⑶ 加强混凝土振捣，振捣捧要快插慢拔，避免过振、漏振，导致混凝土不密实引起较大的体积变化。
⑷ 混凝土浇筑完成后，加强多次抹面收光，排除泌水、水分和气泡。 ⑸ 混凝土浇筑完成后，及时解除螺栓调节器及轨道扣件对工具轨的约束，避免比热容相对较小的混凝土在轨枕周围出现裂缝。
⑹ 混凝土浇筑过程及抹面过程中，避免多人同时在轨道上作业，防止施工荷载对混凝土的破坏。
⑺ 混凝土浇筑完成收光抹面后，及时覆盖土工布，避免混凝土表面水分挥发，同时缓解混凝土表面温度的变化速度。
⑻ 避免在雨中或大风中浇筑混凝土。
[7]
4 结论
采取上述措施，能够有效避免轨道板混凝土裂缝的出现。在混凝土浇筑过程中，施工人员严格控制混凝土的水灰比，准确把握振捣时机、初凝前的处置、覆盖的时机和后期养护，一定能会减少混凝土轨道板裂缝的发生。
参考文献
[ 1] 李业兰. 建筑材料[M] . 北京: 中国建筑工业出版社, 1995.
[ 2] 蒋家奋. 浅析混凝土的自收缩[ J] . 混凝土与水泥制品, 2001,6(3) : 56-59.
[ 3] 何华武. 无砟轨道技术[M] . 北京: 中国铁道出版社, 2005.
[ 4]卢祖文. 客运专线铁路轨道[M] . 北京: 中国铁道出版社,2005.
[ 5] 张立. 大体积混凝土结构裂缝控制与防止措施[ D] . 西安: 西安建筑科技大学, 2004.
[ 6] 童育林. 大体积混凝土裂缝控制研究[ D] . 重庆: 重庆大学,2004.
[ 7]覃维祖. 混凝土的收缩、开裂及其评价与防治[ J]. 混凝土,2001, ( 7): 36-37.
[ 8]蒋建设. 罗新南. 彭仁军.JIANG Jian-she.LUO Xin-nan.PENG Ren-jun 武广客运专线CRTS Ⅰ型双块式
无砟轨道施工设备配套研究 -贵州大学学报（自然科学版）2009,26(3)
无砟轨道产生裂纹原因的分析与防治
摘要：综合我国目前正在施工的无砟轨道裂纹形式进行分析，并进一步分析了其裂纹产生的机理，指出温度和混凝土的收缩时产生裂纹的主要原因。最后提出通过优选原材料、优化混凝土配合比、采用二次振捣工艺及强化养护来防止裂纹的产生和发展。
关键词： 无砟轨道、 裂纹、 施工工艺、配合比
1 概述
1.1无砟轨道的裂缝特征
混凝土出现裂纹后，在开裂部位形成结构的薄弱环节，加大了混凝土与周围环境的接触面积，加速了混凝土的裂化速度，无砟轨道裂缝一旦形成, 特别是形成贯穿裂缝后危害较大, 它会降低无砟轨道的耐久性, 降低无砟轨道的绝缘性能, 削弱轨道结构的承载力, 同时还可能会危害到无砟轨道的使用安全。目前我国无砟轨道试验段主要有Ⅱ型( 双块式) 无砟轨道道床板裂缝和无砟轨道底座裂缝。道床板和底座都存在不同程度的裂缝, 出现这些裂缝的部位都有共同的特点:
⑴ Ⅱ型无砟轨道道床板裂缝主要有① 混凝土与轨枕交接处的四个角端有 40℃左右的角裂缝; ② 道床板中间有横向或斜向的裂缝; ③ 裂缝在初凝结束后 2～3d 和2 个月左右多会出现并逐步发展; ④裂缝宽度无法测量, 肉眼可见, 裂缝不贯通道床板。图 1 是 2006 年 8月上旬某一典型的Ⅱ型无砟轨道道床板裂缝调查示意图( 调查区段是我国试验段某桥上的Ⅱ型无砟轨道)
⑵ 底座裂缝主要有以下规律和特点: ① 各种类型的无砟轨道底座多出现横向贯通裂缝, 间距为 5～15m; ② 伸缩假缝处裂缝沿假缝的深度方向向下延伸并贯通; ③Ⅰ型( 板式) 无砟轨道底座除与预留缝相邻的凸台处, 都有横向贯通裂缝, 裂缝最大宽度在底座上表面达 0.2 mm 左右; ④ 裂缝一旦出现都贯通整个底座混凝土; ⑤ 有少数区域在离道床边 10 cm 处的表面出现纵向裂缝, 裂缝最宽能达 0.5mm。图 2 是 2006 年8 月中旬Ⅰ型无砟轨道底座裂缝调查示意图( 调查区段是我国无砟轨道试验段某路堤处) [4]
1.2 裂缝区无砟轨道结构状况
Ⅱ型无砟轨道道床板以 8 块或 10 块轨枕为一整体进行浇筑, 两板间留 80 mm 的缝隙。道床板厚度350～ 250 mm, 布有上下 2 层钢筋, 混凝土强度等级为C40。道床板与底座之间用门型钢筋或底座留有凹槽、道床面凿毛,
进行连
接。底座厚度为 300 mm, 分钢筋混凝土底座和素混凝土底座两类, 混凝土等级分别为 C40 和 C20。路基上底座浇筑前对 AB 组填料进行了刮皮, 并洒了足量的水。素混凝土底座上设伸缩假缝, 间距为 5 m, 缝深100 mm, 缝宽 8mm, 在初凝结束后 2d 时切割。钢筋混凝土底座上伸缩缝直接在浇筑时用沥青木板分离, 并用沥青油膏封面, 间距为 20 m, 伸缩缝宽 20 mm。
[3]
2 裂缝产生原因分析
2.1 温度裂缝
⑴ 施工时间不当。无砟轨道混凝土要求在气温较高时施工，混凝土浇筑完成后，水泥水化加快，使混凝土在较短的时间内产生塑性收缩、温度收缩、自生收缩和
于燥收缩，上述各种收缩的叠加易形成表面裂缝。
⑵ 养护措施不当引起的混凝土裂缝。①混凝土未及时洒水保湿养护，不能保证表面混凝土中水泥水化所需水分，而导致混凝土表面龟裂。②混凝土养护时机把握不准，在水泥水化混凝土凝固时升温期内使用大量温度较低的水进行养护，引起混凝土内外温差急剧增大，导致混凝土开裂。[2]
2.2 荷载裂缝
⑴气温变化引起荷载裂缝。混凝土浇筑完成后，未能及时解除螺栓调节器及轨道扣件工具轨的约束，致使比热容相对较小的混凝土在轨枕周围出现裂缝。
⑵结构变形引起的裂缝。路基、桥梁、隧道沉降变形观测不到位，致使对轨道基础变形预测不准，引起轨道板开裂。
⑶外加荷载引起裂缝。[5]
2.3 钢轨的伸长引起裂缝
双块式和长枕埋入式无砟轨道施工时一般是先将钢轨、双块式轨枕或长轨枕精确定位和扣件拧紧, 然后再浇筑混凝土。当白天太阳直射, 外界温度比较高时, 钢轨的温度发生急剧升高, 钢轨伸长, 这时由于混凝土正处于初凝状态混凝土强度趋近于零, 不能抵抗这种变形应力而导致开裂。
2.4 新旧混凝土不良粘结裂缝
双块式和长枕埋入式无砟轨道, 由于轨枕是预先制作的, 所以容易出现新旧混凝土粘结不良而出现裂缝。这在双块式和长枕埋入式无砟轨道中若不采用其它措施是很容易出现的。同时, 运营后随着列车通过次数的增加, 裂缝还将进一步
扩大。[7]
2.5 结构设计存在的问题
⑴ 设置间距合理的预留缝。由于影响裂缝宽度和间距的因素很多, 设计人员的计算结果往往与实际情况偏差比较大。目前从混凝土底座的设计来看, 不管是钢筋混凝土底座还是素混凝土底座, 基本上都出现了裂缝, 而且这些裂缝大多贯穿混凝土的底座。究其原因主要是预裂缝的间距设置过大引起的。
⑵ 充分考虑施工荷载的影响。Ⅰ型轨道板从目前来看, 非预应力轨道板在吊装和运输过程中出现了一些裂缝, 有的甚至导致了轨道板报废, 但预应力轨道板基本没有出现可见的裂缝。所以需要充分地考虑施工荷载在结构设计中的影响。[8]
3 预防和控制轨道板裂缝的措施
3.1 规范配合比设计
严格按照耐久性混凝土有关要求进行配合比设计，考虑碱骨料反应，在选择混凝土材料的时候，要控制碱含量，避免因为碱骨料反应而形成裂缝；根据骨料含水量测定值及时调整施工配合比。优化混凝土配合比是有效防止裂缝的措施之一, 相对于表 1 所示的混凝土配合比方案, C40 混凝土优化为表 2 的方案后效果明显, 其主要从以下几个方面来考虑:①降低水泥的用量。减少水泥的用量可以减少水化热, 所以在满足其他要求的时候可以采取水泥用量较少的配合比方案。② 增加粉煤灰的用量, 提高粉煤灰的等级, 采用等级高的粉煤灰有减水作用, 这也是有效减少水化热的措施。③ 降低砂的用量和增加石用量[1]。
3.2 加强混凝土原材料质量控制
各种混凝土用原材料、外加剂等进场前查验出厂合格报告，并按照规范要求的频率进行取样试验，严格控制粗细骨料的含泥量。[6]
3.3 加强施工工艺过程控制
⑴ 确保枕木周围钢筋的保护层厚度。
⑵ 尽量选择在气温较低时进行混凝土施工，使混凝土水化凝固过程与气温上升过程一致，避免混凝土出现较大的内外部温差。
⑶ 加强混凝土振捣，振捣捧要快插慢拔，避免过振、漏振，导致混凝土不密实引起较大的体积变化。
⑷ 混凝土浇筑完成后，加强多次抹面收光，排除泌水、水分和气泡。 ⑸ 混凝土浇筑完成后，及时解除螺栓调节器及轨道扣件对工具轨的约束，避免比热容相对较小的混凝土在轨枕周围出现裂缝。
⑹ 混凝土浇筑过程及抹面过程中，避免多人同时在轨道上作业，防止施工荷载对混凝土的破坏。
⑺ 混凝土浇筑完成收光抹面后，及时覆盖土工布，避免混凝土表面水分挥发，同时缓解混凝土表面温度的变化速度。
⑻ 避免在雨中或大风中浇筑混凝土。
[7]
4 结论
采取上述措施，能够有效避免轨道板混凝土裂缝的出现。在混凝土浇筑过程中，施工人员严格控制混凝土的水灰比，准确把握振捣时机、初凝前的处置、覆盖的时机和后期养护，一定能会减少混凝土轨道板裂缝的发生。
参考文献
[ 1] 李业兰. 建筑材料[M] . 北京: 中国建筑工业出版社, 1995.
[ 2] 蒋家奋. 浅析混凝土的自收缩[ J] . 混凝土与水泥制品, 2001,6(3) : 56-59.
[ 3] 何华武. 无砟轨道技术[M] . 北京: 中国铁道出版社, 2005.
[ 4]卢祖文. 客运专线铁路轨道[M] . 北京: 中国铁道出版社,2005.
[ 5] 张立. 大体积混凝土结构裂缝控制与防止措施[ D] . 西安: 西安建筑科技大学, 2004.
[ 6] 童育林. 大体积混凝土裂缝控制研究[ D] . 重庆: 重庆大学,2004.
[ 7]覃维祖. 混凝土的收缩、开裂及其评价与防治[ J]. 混凝土,2001, ( 7): 36-37.
[ 8]蒋建设. 罗新南. 彭仁军.JIANG Jian-she.LUO Xin-nan.PENG Ren-jun 武广客运专线CRTS Ⅰ型双块式
无砟轨道施工设备配套研究 -贵州大学学报（自然科学版）2009,26(3)