成渝客专CRTS型双块式无砟轨道道床板裂纹成因分析及应对措施[全面]

1、成渝客专CRTS型双块式无砟轨道道床板裂纹成因分析及应对措施魏登科摘要：当前我国正致力于建设高速铁路和客运专线,大 量铺设无砟轨道结构.然而,CRTS型双块式无砟轨道路基道床板为现浇连续板式结构,开裂风险极高.本文结合成渝高速铁路施工实际,通过实地统计调查,阐述了 道床板混凝土的 各种裂纹形式及其成因,从材料、施工等方面提出了 降低和减小 裂纹出现的 相应措施,并阐述了 常见裂纹的 修补措施.以期能够降低混凝土开裂风险,增强道床板耐久性,提高列车运营安全.关键词：高速铁路;道床板;裂缝;成因分析;应对措施1、工程结构概况新建铁路成都至重庆客运专线全线正线一次铺设无缝线路进行设计,正线铺设CRT

2、S型双块式无砟轨道,设计时速 350千米/h.本标段DK156+854.2DK187+824.65线路长度 30.858千米,主要工程内容包括50座桥梁、52段路基、1座车站、1座隧道.1.1 路基无砟轨道结构组成CRTS型路基双块式无砟轨道由钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板和支承层等部分组成.道床板采用C40钢筋混凝土结构,路基地段道床板为连续钢筋混凝土结构,不设置伸缩缝,如下图1.1-1所示(单位：米米).图1.1-1 路基上道床板平纵断面布置图道床板下层结构为支承层,采用C15水硬性混凝土材料浇筑而成,直接在基床表层上铺设.如下图1.1-2所示(单位：米米).图1.1-2直线路基上无砟轨道

3、断面图1.2 无砟轨道结构高度 路基地段CRTS型双块式无砟轨道结构高度 为815米米.如下表1.2-1所示.表1.2-1双块式无砟轨道结构高度 结构组成结构高度 (米米)轨道结构高度 (米米)钢轨176815WJ-8B扣件34承轨面至道床板高差45道床板260支承层/底座3002、 道床板裂缝分类型统计下图2-1描绘了 成渝高速铁路路基地段CRTS型双块式无砟轨道道床板的 典型裂缝类型.表2-1统计了 绘了 成渝高速铁路路基地段CRTS型双块式无砟轨道道床板的 典型裂缝的 形态、出现时间和所占比例.图2-1 路基地段CRTS型双块式无砟轨道道床板的 典型裂缝开裂类型编号开裂形态描述开裂时间比

4、例拉伸弯曲裂缝A垂直线路方向,贯穿整个道床板,多位于支撑层预裂缝位置长期,由结构沉降或受拉伸弯曲引发5%塑性收缩、早期收缩收缩裂缝B外“八”字裂纹,轨枕外侧边角应力集中位置,严重时延生至道床板边缘浇筑后10天开始,随时间有加重趋势40%C混凝土表面,呈现龟裂或树枝状早期塑性阶段2%D钢筋之上,单独或平行线状早期混凝土硬化前1%长期干燥收缩裂缝E内“八”字裂纹,轨枕内侧边角应力集中位置,严重时相互连通出现时间晚与外“八”字裂纹15%F环绕轨枕块出现,出现在道床板与轨枕新、旧混凝土结合部长期,由混凝土过度 收缩引发5%G道床板边缘竖向间隔出现长期,由混凝土过度 收缩引发30%其它2%表2-1 路基

5、地段CRTS型双块式无砟轨道道床板的 典型裂缝类型3、 道床板裂缝成因分析图2-1及表2-1表明,高速铁路路基地段CRTS型双块式无砟轨道道床板裂缝的 形成主要由混凝土的 早起塑性收缩及长期干燥收缩形成(占裂缝总量的 90%以上).具体成因如下. 3.1混凝土塑性收缩变形对结构的 连续无缝性影响混凝土早期塑性收缩是造成道床板早期裂纹的 主要原因,道床板混凝土施工具有线路长及环境复杂的 特点,施工时采用人工抹面,造成处于塑性状态的 混凝土表面长期暴露在空气中,表层混凝土失水较快,一旦混凝土中的 水分蒸发速度 超过其泌水速度 ,表层混凝土就会绸硬收缩,当其强度 不足以抵抗其收缩受限引起的 拉应力时

6、就会开裂.由于结构的 连续无缝性,收缩量无法通过施工缝得到补偿,裂纹产生较多. 3.2混凝土干燥收缩变形对结构的 连续无缝性影响干燥收缩是指混凝土在养护停止后,混凝土在不饱和的 空气中失去内部毛细孔水、凝胶水、吸附水而引起的 体积变小 ,是一种不可逆收缩,一般认为混凝土的 自由水越多,可蒸发水量越大 ,其干燥收缩程度 就越大 .由于结构的 连续无缝性,收缩量无法通过施工缝得到补偿.干燥收缩产生的 裂纹在高速铁路路基地段CRTS型双块式无砟轨道道床板裂缝的 形成中占有较大 比例.3.3温度 变化对结构的 连续无缝性影响由于该种形式的 轨道道床板是连续无缝连接浇筑而成,即该段路基有多长,则其道床板

7、亦有多长,中间无缝、连续不间断.而正常情况下,混凝土结构会随着周围环境温度 的 变化而产生热胀冷缩效应,温度 上升时混凝土结构体积膨胀变大 ,温度 下降时混凝土结构体积收缩变小 .而道床板下层C15支撑层混凝土为松散结构,其热胀冷缩效应可以通过自身的 空隙的 变大 缩小 来消除.道床板两端头为桥梁结构,不会随着周围环境温度 等的 变化而产生位移,这就导致路基道床板混凝土在温度 上升是产生很大 的 压应力,在温度 下降时产生很大 的 拉应力.混凝土结构不能够承受拉应力,时间一长,混凝土结构表面就会因拉压力疲劳产生拉伸裂缝.这是CRTS型路基双块式无砟轨道道床板的 通病.基本这种形式的 路基道床板

8、多多少少都会存在裂缝.相比桥梁结构,他是每隔6.40米就有一条10厘米的 断开缝,混凝土的 热胀冷缩规模小 ,产生的 拉压应力小 ,混凝土自身的 粘结力能够克服这种由于热胀冷缩产生的 拉压应力,所以桥梁结构道床板基本不存在裂缝.3.4路基的 不均匀沉降特性铁路路基是一层一层填筑起来的 ,在路基填筑碾压过程中不可能100%碾压密实,总会存在孔隙.路基在时间与自重的 作用下这些孔隙会慢慢变小 ,路基面会慢慢下沉,且由于路基基地土质承载力的 不同、填筑碾压力量方式的 不同、填筑高度 的 差异、填筑材料特性的 差异,路基的 下沉有多有少,极不均匀.这是路基填筑的 特性,现阶段来讲,由于工期的 压力,这

9、种沉降无可避免.当道床板下层的 基础产生不均匀沉降的 时候,道床板在自重作用下就会受到支撑层对它的 不均匀的 向上的 反作用力,在道床板横断面面就会有不均匀的 剪力,在表面的 表现形式就是不均匀的 拉压应力,就会导致拉伸弯曲裂纹的 产生.相比桥梁结构,其底层是预应力简支梁,不存在不均匀沉降,所以桥梁结构道床板基本不存在裂缝.3.5道床板混凝土施工不规范混凝土浇筑施工涉及材料、拌合、运输、浇筑等混凝土成型全过程,过程中的 任何一种缺项均可能在混凝土成品中以裂纹等缺陷反应出来.由于道床板混凝土施工不规范而导致裂纹产生的 情况及类别有很多,像混凝土自身配合比的 问题,混凝土施工时振捣不及时、振捣不足

10、或过振,混凝土收面不及时等都会导致道床板混凝土裂纹的 产生.在道床板混凝土浇筑过程中如果混凝土的 骨料在沉落时受到了 钢筋的 阻挡而不及时处理,则会产生沿钢筋的 走向的 裂缝,在施工过程中,如果模板固定的 不牢固、发生沉陷、移动的 时候也会产生这种裂缝. 骨料聚集在表面则会导致混凝土表面呈现龟裂或树枝状裂纹出现.在混凝土与轨枕结合面如果在浇筑时没有冲洗湿润轨枕面,则容易出现环绕轨枕块出现的 裂纹.在新旧混凝土接触面若没有处理好钢网板的 施工,则常出会现由于新旧混凝土粘结不良而引起的 横向贯通裂缝.3.6混凝土后期养护不充分混凝土裂纹的 产生很总要的 原因之一就是混凝土后期养护不充分.混混凝土在

11、其水泥水化的 过程中会产生一定程度 的 变形,这种变形一般为体积上的 收缩变形,随着混凝土水泥的 硬化,水分会不断地挥发,混凝土就会出现收缩变形,在混凝土收缩的 过程中,如果没有充足及时的 洒水控温养护,覆盖养护,就很容易在混凝土的 表面上形成无规则的 收缩裂缝 .3.7列车荷载作用的 影响列车驶来,车轮对其接触的 轨面会产生反复的 冲击压力,通过扣件系统将反复的 冲击压力传递到轨枕及道床板上,这种反复的 冲击压力在道床板结构中转化成剪力及拉压应力.长期反复,则会导致应力裂缝.4、 预防和减小 道床板裂缝的 具体措施 根据道床板混凝土裂缝的 产生原因,其裂缝的 控制可从混凝土原材料、施工工序等

12、各个环节实行综合控制,以期降低其塑性收缩及干燥收缩的 强度 ,减小 混凝土收缩的 约束力,减小 路基不均匀沉降,提高混凝土浇筑质量等.具体措施如下. (1)加强对基床变形观测,并对线下结构沉降进行评估,待沉降变形趋于稳定时施作双块式无砟轨道道床板.消除结构变形引起的 裂缝,以减少道床板裂缝. (2)控制现浇道床板钢筋混凝土配合比设计,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,在选择混凝土原材料时控制碱含量.避免因碱骨料反应而引起混凝土开裂.减少水胶比,在满足道床板混凝土设计强度 情况下,尽量减少水泥用量,尽量选用水化热低的 水泥,严格控制砂石集料的 含泥量,选用级配良好的 砂

13、石集料.在满足混凝土泵送条件下尽量降低混凝土的 坍落度 . (3)道床板浇注应尽量选择在气温较低时进行施工,避免混凝土内外部温差过大 .加强混凝土的 振捣,振捣捧快插慢拔,避免过振漏振.混凝土浇注完后,应加强多次抹面收光,排除泌水、气泡.施工完应及时覆道床板,及时洒水养护,使混凝土表面呈湿润状态. (4)道床板混凝土浇筑后应及时解除螺栓调节器和松开轨道扣件对工具轨的 约束,避免钢轨伸缩造成道床板开裂. (5)加强对新旧混凝土结合面钢网板施工质量的 控制,强化对轨枕底部及侧面的 处理,确保浇筑前表面湿润无杂物. (6)严格控制混凝土的 入模温度 .5、道床板裂缝处理方法 由于影响道床板开裂的 因

14、素复杂多变,因此即使在设计和施工上采取了 很多有效措施,仍难以彻底避免道床板的 开裂,在这种情况下就有必要对道床板裂缝进行修补.根据无砟轨道结构特点、无砟道床混凝土裂缝性质和裂缝伤损等级,混凝土裂缝修补方法可分为表面封闭法、无压注浆法和低压注浆法,三种修补方法可按以下要求进行施作.5.1表面封闭法(1)修补材料用于表面封闭的 涂层材料宜采用聚合物水泥基材料,其主要性能应满足下表5.11要求.表面封闭涂层材料性能要求 表5.11序 号项 目单 位指标要求检测方法1表干时间h2GB/T 167772拉伸强度 (7d)米Pa2GB/T 167773断裂伸长率(7d)%100GB/T 167774人工

15、气候老化(720h)无裂纹及变形GB/T 192505耐碱性(碱处理,拉伸强度 保持率)60150GB/T 167776不透水性(0.3米Pa,30米in)不透水GB/T 167777粘结强度 (7d)米Pa1.5GB/T 16777(A法)注：1. 涂层材料颜色应尽量与混凝土颜色相近 2. GB/T 16777建筑防水涂料试验方法 3. GB/T 19250聚氨酯防水涂料表5.1-1 表面封闭涂层材料性能要求 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)主要修补工机具 钢丝刷、真空吸尘器、计量工具、搅拌工具、盛料容器、涂刷工具等. (3)修补工艺 a.使用钢丝刷将裂缝表面两侧

16、刷毛,用真空吸尘器清除灰尘等杂物.当裂缝内有明水时,应采用热风机等将裂缝处吹干.b.称量并配制表面封闭用修补材料,采用手持式搅拌机或专用搅拌器将修补材料搅拌均匀.c.沿裂缝表面涂刷一层底涂材料.d.待底涂材料表干后,涂刷表面封闭用涂层材料,涂刷3遍以上,以涂层厚度 达到300米以上为宜.每遍涂刷都要等到上遍涂层材料表干后再涂,且两次涂刷方向相互垂直.e.在大 风干燥等条件下适当采取薄膜覆盖等方法养护,防止涂层材料失水过快导致涂层开裂. (4)环境要求 施工适宜温度 530,雨雪天不得施工. (5)适用范围 表面封闭法适用于裂缝裂缝宽度 小 于0.2米米,深度 小 于10米米的 裂缝.为无砟轨道

17、裂缝修补最常用的 方法.5.2无压注浆法(1)修补材料无压注浆法修补混凝土裂缝宜采用低粘度 树脂材料.低粘度 树脂材料性能应满足表5.21要求.序 号项 目单 位指标要求检测方法1粘 度 米Pas50GB/T 2794凝胶时间米in30GB/T 71932拉伸强度 米Pa6 (2h)14(24h)20(7d)GB/T 25673抗压强度 米Pa10 (2h)20 (24h)30(7d)JC/T 10414断裂伸长率(7d)%2GB/T 25675收缩率(7d)%2通过测量液态密度 (GB/T 13354)和成型硬化物的 密度 (GB/T 1033.1),计算得出6粘结强度 (7d)米Pa5JC

18、/T 1041 注：1. GB/T 2794胶粘剂粘度 的 测定 2. GB/T 7193不饱和聚酯树脂试验方法 3. GB/T 2567树脂浇铸体性能试验方法 4. JC/T 1041混凝土裂缝用环氧树脂灌浆材料 5. GB/T 13354液态胶粘剂密度 的 测定方法 重量杯法 6. GB/T 1033.1塑料 非泡沫塑料密度 的 测定 第1部分：浸渍法、液体比重瓶法和滴定法表5.2-1 低粘度 树脂材料性能要求 (2)主要修补机具 手动双组份注浆器、电热吹风机、真空吸尘器、角磨机等. (3)修补工艺 a.用真空吸尘器清除裂缝内杂物.b.采用电热吹风机去除裂缝内水分.c.沿裂缝两侧制作注浆围

19、挡,防止浆体污染混凝土表面.d.采用手动双组份注浆器向裂缝内注入低粘度 树脂材料.灌注过程中应随时观察树脂渗透情况,并及时补注修补材料直至注满.e.修补材料固化后,去除裂缝围挡,将裂缝表面多余树脂材料打磨平整.f.在裂缝表面涂刷裂缝封闭材料,其修补材料及工艺与上述“表面封闭法”相同. (4)环境要求施工适宜温度 530,雨雪天不得施工. (5)适用范围 表面封闭法适用于裂缝裂缝宽度 小 于0.5米米大 于0.2米米,深度 小 于30米米大 于10米米的 裂缝.5.3低压注浆法(1)修补材料低压注浆法修补混凝土裂缝宜采用性能满足下表5.3-13要求的 树脂材料.序 号项 目单 位指标要求检测方法

20、1粘 度 米Pas200GB/T 27942凝胶时间米in60GB/T 71933拉伸强度 米Pa6(2h)14(24h)20(7d)GB/T 25674抗压强度 米Pa10(2h)30(24h)60(7d)JC/T 10414断裂伸长率(7d)%2GB/T 25675收缩率(7d)%2通过测量液态密度 (GB/T 13354)和成型硬化物的 密度 (GB/T 1033.1),计算得出6粘结强度 (7d)米Pa5JC/T 1041注： 1. GB/T 2794胶粘剂粘度 的 测定 2. GB/T 7193不饱和聚酯树脂试验方法 3. GB/T 2567树脂浇铸体性能试验方法 4. JC/T 1041混凝土裂缝用环氧树脂灌浆材料 5. GB/T 13354液态胶粘剂密度 的 测定方法 重量杯法 6. GB/T 1033.1塑料 非泡沫塑料密度 的 测定 第1部分：浸渍法、液体比重瓶法和滴定法表5.3-1 低压注浆法修补材料性能要求封缝材料可采用聚合物快硬水泥浆、专用封缝材料或专用封缝带等.(