双块式无砟轨道道床板裂纹成因分析应对措施

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CRTS型双块式无砟轨

2、道，设计时速 350km/h。本标段DK156+854.2DK187+824.65线路长度30.858km，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：mm）。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：mm）。图1.1-2直线路基上无砟轨道断面图1.2 无砟

3、轨道结构高度路基地段CRTS型双块式无砟轨道结构高度为815mm。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（mm）轨道结构高度（mm）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例拉伸弯曲裂缝A垂直线路方向，贯穿整个道床

4、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 路基地段CRTS型双块式无砟轨道道床板的典型裂缝类

5、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

6、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

7、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10cm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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、。 （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

14、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）MPa2GB/T 167773断裂伸长率（7d）%100GB/T 167774人工气候老化（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（0.3MPa，30min）不透水GB/T 167777粘结强度（7d）MPa1.5GB/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

15、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300m以上为宜。每遍涂刷都要等到上遍涂层材料表干后再

16、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0.2mm，深度小于10mm的裂缝。为无砟轨道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mPas50GB/T 2794凝胶时间min30GB/T 71932拉伸强度MPa6 （2h）14（24h）20（7d）GB/T 25673抗压强度MPa10

17、 （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）MPa5JC/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. HYPERLINK /detail/192530.html t _blank 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.

18、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

19、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0.5mm大于0.2mm，深度小于30mm大于10mm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1粘 度mPas200GB/T 27942凝胶时间min60GB/T 71933拉伸强度MPa6（2h）14（24h）20（7d）HYPERLINK /detail/192530.html t _blank GB/T 25674抗压强度MPa10（2h）30（24h）60（7d）JC/T 10414断裂伸长率（7

20、d）%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）MPa5JC/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. HYPERLINK /detail/192530.html t _blank 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