兰新铁路CRTSI型双块式无砟轨道道床板混凝土抗裂技术.pdf

2 0 1 4年第 2期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g l Ol 文 章编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 4 ) 0 2 - 0 1 0 1 0 4 兰新铁路 C RT S I 型双块 式无砟轨道 道床板混凝土抗裂技术 王 保 江 ( 中 国铁道科学研究 院 铁 道建 筑研究所 ， 北京 1 0 0 0 8 1 ) 摘 要 ： 针 对 兰新铁 路 C R T S I型双块 式 无砟轨 道 道床板 在 恶劣 环境 下 易开裂 的 问题 ， 在 分 析技 术难 点 的 基 础上 ， 从 混凝 土材 料和 施 工两 个方 面提 出了兰新铁 路 C R T S I型双 块式 无砟轨 道 道床 板混 凝 土抗裂技 术措施。在低收缩混凝土制备方面， 确定 了“ 低胶材用量、 低用水量、 低坍落度和高含 气量” ( 三低一 高) 的混凝土配制原则 ， 提 出了基于 内养护的高抗裂混凝土制备技术 ， 并对内养护材料的作用机制进行 了详 细阐述。在混凝土施工方面 ， 提 出了与结构和环境特征相适应的混凝土施工工艺、 节水养护技术和温度 应 力释 放措 施 。 实践证 明 ， 所采取 的 混凝 土抗 裂技 术效 果 良好 。 关键词 ： 兰新铁路 双块 式 无砟轨 道 道床 板 混 凝土 抗 裂技 术 中图分 类 号 ： U 2 1 3 2 4 4； T U 5 2 8 0 6 4 文 献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 4 0 2 3 2 新建兰新铁路第二双线横贯我国西北地 区， 全长 1 7 7 6 k m， 途 经安 西 、 烟墩 、 百 里 、 三十 里 和达坂 城 5个 风区 ， 沿线大部分地 区处于大温差 、 大风沙、 大蒸发和 降水稀少的恶劣 自然环境 。根据 2 0 0 9年 国家发改委 批复的 新建兰新铁路第二双线可行性研究报告 ， 兰 新铁路第二双线设计时速为 2 0 0 k m h 以上 ， 其轨道形 式采用 C R T S I型双块式无砟轨道结构。国内外高速 铁路工程实践表明， C R T S I型双块式无砟轨道具有造 价低 、 工艺简单和可维修性好等优势 ， 但也存在现浇道 床板混凝土易出现各种形式开裂的问题 。一旦在施工 期间对道床板混凝土的开裂未能进行有效控制 ， 投入 运营后 ， 在强疲劳荷载和有害介质侵蚀的多重作用下 ， 裂缝极易扩展 ， 不但会增加维护成本 ， 甚至会威胁到行 车安全 。兰新铁路第二双线 面临的恶劣 自然 气候 条件使得混凝土早期裂缝 比其它地区更难控制 ， 这给 C R T S I 型双块式无砟轨道施工带来 了前所未有的挑 战。因此 ， 本文根据兰新铁路二线工程建设 的实际需 要 ， 以确保 C R T S I 型双块式无砟轨道结构达到设计使 用寿命为 目标 ， 针对沿线 自然环境和 C R T S I型双块式 无砟轨道结构特征 ， 分析道床板混凝土抗裂技术难点 ， 从混凝土材料和施工两个方面， 提出 C R T S I型双块式 无砟轨道道床板混凝土抗裂技术 ， 为兰新铁路第 二双 线 C R T S I 型双块式无砟轨道施工提供借鉴。 1 兰新二线道床板混凝土抗裂技术难点 C R T S I型无砟轨道道床板为现浇混凝土 ， 施工时 混凝土上表 面直接暴 露在空气 中， 施工质量受环境 因 素影响很大， 同时 ， 道床板混凝土在水平方向的变形远 大于垂直方 向的变形 ， 发生变形 时道床板混凝土不但 受到内部钢筋和预制轨枕块 的约束 ， 而且底部也受到 支承层的约束 ， 在兰新铁路第二双线恶劣 的 自然环境 下开裂的风险极大。道床板混凝土的裂缝控制是无砟 轨道质量控制的难点 ， 具体体现在混凝 土材料和施工 两个 方面 ， 见表 1 。 表 1 兰新二线道床板 混凝 土抗裂技术难点 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 9 1 0； 修回 日期 ： 2 0 1 3 - 1 1 - 1 4 基金 项目： 中国铁道科学研究 院基金项 目( 2 o 1 2 Y J O 5 6 ) 作 者简介： 王保 江( 1 9 7 3 一 ) ， 男 ， 黑龙 江齐齐 哈尔人 ， 工程师 。 1 0 2 铁 道 建筑 2低收缩混凝土制备 2 1低收 缩混 凝土 配合 比参数 优化 混凝 土 收 缩 是 影 响 其 抗 裂 性 的 重 要 因 素 之 一 。 ，通过优化混 凝土配合 比参 数 ， 降低浆 体体 积 率 、 单方用水量和胶凝材料用量 ， 利用矿物掺合料实现 胶凝 材料 的多元 化 等手 段 ， 可 实 现 减小 混 凝 土 收 缩进 而提 高抗 裂性 的 目的 。经 室 内研 究确 定 了兰新 铁路第 二双线 C 4 0道床板低收缩混凝土 的配制原则为“ 低胶 材用量、 低用水量、 低坍落度、 高含气量” ( 三低一高) 。 具体 内容如下 ： 胶凝材料用量不宜大于 3 8 0 k g m ， 掺加不少于 3 0 的优质粉煤灰； 单方用水量不应大 于 1 5 0 k g m ； 为避免表层浮浆 ， 采用斗送时入模坍 落度 不 应 大 于 1 4 0 m m， 泵 送 时坍 落 度 不 应 大 于 1 6 0 m m； 单方最大浆体体积不应大于 0 3 0 I I 1 。 ( 不计 空气体积) ； 入模含气量不应小于 4 。 2 2内养 护技 术 2 0 1 0 -2 0 1 1年 ， 课 题 组 在 兰新 二 线 沿 线 玉 门 、 柳 0 6 1 2 1 8 2 4 3 O 3 6 4 2 4 8 5 4 6 O 6 6 7 2 龄期 h ( a 1 塑性收缩 园、 达坂城和吐鲁番等地 开展 了线外试 验段试验。结 果表 明， 由于 自然环境的严酷 ， 单纯采用优化混凝土配 合 比参 数 的常规 手段并 不能 有效 抑制 大风 干旱地 区 道 床板裂纹的产生。内养护技术是混凝土 自浇筑成型后 就 已实现 无 间歇养 护 的新 技 术 ， 是 自上 世 纪 引气 技 术 以来 最重 要 的提 升混 凝 土 耐久 性 技术 之一 。课 题 组通过借鉴国际上 内养护技术成果 ， 对传统 内养护成 分进行优选 ， 并复合保水 、 减缩组分 ， 充分发挥各组分 的补 水 、 保 水 和减缩 的叠 加效应 ， 研 制 出具 有 高抗裂 性 能 的 内养 护材 料 。 2 2 1 内养护材料对混凝土收缩性能的影响 图 1 为掺 内养护材料的 C 4 0道床板抗裂混凝土和 普通 C 4 0道床板混凝 土的塑性 收缩及长期干缩对 比 图。从图 1 可以看出， 掺内养护材料混凝土 7 2 h时 的 塑性收缩值仅为普通混凝土的 2 0 ； 而掺 内养护材料 混凝土的长期干缩值较普通混凝 土降低 约 3 6 。无 论是在塑性阶段还是硬化 阶段 ， 掺 内养护材料均具有 显著的减缩效果。 ( b ) 长期干缩 图 1 内养护材料对道床板混凝土塑性 收缩及长期干缩 的影响 2 2 2 内养护材料对混凝土抗裂性能的影响 抗裂性能测试试验装置见图 2 ( a ) 。掺内养护材 料的 C 4 0道床板抗裂混凝土和普通 C 4 0道床板混凝 土的抗裂性能对比见图2 ( b ) 。从图2 ( b ) 可以看出， 、 。 2 毯 幢 举 普通混凝土在 5 d龄期时发生开裂 ， 而掺内养护 材料 抗裂混凝土的开裂明显延迟 ， 在 1 8 d龄期时尚未出现 裂纹。可见， 内养护 材料能 明显提 高混凝 土 的抗裂 性 能 。 龄期， d ( a ) 抗裂性能测试试验装置 ( b ) 两种混凝土抗裂性能对比 图 2 抗 裂性 能测试试 验装 置及 两种 混凝 土抗 裂性 能对 比 2 0 1 4年第 2期 王保江 ： 兰新铁路 C R T S I型双块式无砟轨道道 床板混凝土抗裂技术 1 O 3 2 2 3 内养护材料的作用机制 内养护材料的实质是在充分研究 内养护混凝土特 性的基础上 ， 赋予其多功能化以满足兰新铁路道床板 抗裂的需求 。其作用机制为 ： 充分利用高分子保水 材 料增加水分子 间 的内聚力 和迁移 阻力 ， 在 阻止水 分 散失 的同时 ， 改善 混凝土 的稠 度 以消除泌水 和 降低 H 浮浆厚度 ； 引入级配化设计 的补偿收缩组分 ， 以实现 混凝 土的分 阶段减 缩 ； 利用 预蓄水 组分 在混凝 土 内 部进行水分补 偿 ， 以实 现塑性 阶段 的保水 和硬 化 阶 段持续补水 的 自养 护功 效 ； 发挥 多功能组 分 的叠加 效应 ， 实现干旱 环境下 补偿 收缩组 分 的功效最 大化 (见图 3)。 一 ( a ) 普通混凝土 。 图 3 内养护材料在混凝 土中的作用机制 ( b ) 掺内养护材料混凝土 3 混 凝 土 施 工 控 制 蓑 喜 根据工程实际需要 ， 道床板混凝土施工过程质量 施工 工艺 流程对其施 工过程 控制进 行详细 阐述 ， 见 控制应涵盖与结构特点和环境特征相适应的混凝土施 图 4 。 图4道床板混凝土施工工 艺流程及过程控制 1 0 4 铁道建筑 图 5和图 6分别为道床板混凝土“ 之 ” 字形 路线 三点布料 浇 筑工 艺及 二 次振 捣工 艺 示 意 图。采 用 “ 之 ” 字形 路 线 三 点 布 料 浇筑 工 艺 主 要 目的 是 为 了保 证入模混凝土的整体匀质性 ， 降低混凝 土表层浮浆的 厚度 ， 进而防止道床板混凝土表面龟裂。二次振捣工 艺是在使用 4 , 5 0振动棒振捣完毕后 ， 再使用 4 ) 3 0振动 棒斜插入轨枕底部并在轨枕四周进行振捣 。其 目的是 保证轨枕底部 昆 凝土密实以及四周混凝土与轨枕界面 黏结 质量 ， 防止 出现 离缝 。 1 一 卧 一 雷 一一 _ ) 浇筑顺序 浇筑点 图 5 “ 之” 字形路线三点布料浇筑工艺 4 工 程 应 用 图 6二次振捣工艺示意 C R T S I型双块式无砟轨道道床板混凝 土综合抗 裂技术经兰新铁路第二双线线外试验段验证有效后 ， 在兰 新二线 张 掖 以西地 区 、 张掖 以东高 海 拔 ( 2 8 0 0 m 以上 ) 地区正线施工 中得到推广应用。经后期观测并 对现场道床板混凝土开裂情况进行 了统计 ， 结果见 图 7 。由图 7可看出， 采用抗裂技术施工的道床板混凝土 八字角裂纹 、 板面不规则裂纹和道床侧边裂纹均 明显 少于采用常规技术施工的道床板混凝土， 道床板混凝 土裂纹得到有效控制。 图 7 采 用常规技术 和抗裂技术 的两种道床板 混凝土 ( 9 0 d龄期 ) 开裂情况对 比 5 结 论 1 ) 采用“ 低胶材用量 、 低用水量 、 低坍落度和高含 气量” ( 三低一高) 的混凝土配制技术 ， 能够有效降低 混凝 土的 收缩和水 化 热 。该 配制 技术 是兰新 二 线道床 板混凝 土 裂缝控制 的基础 。 2 ) 内养护材料与外养护剂养护相结合的“ 内部抗 裂 、 外 部 防裂 ” 混凝 土 裂 缝控 制 技 术 ， 能够 与 兰 新 二线 C R T S I 型无砟轨道道床板的结构特点和环境特征相 适应。该裂缝控制技术是兰新二线道床板混凝土裂缝 控制 的关键 。 3 ) 从提高混凝土匀质性 、 缩短混凝土暴露时间和 及时释放温度应力三方面提 出的混凝土施工技术措 施， 是兰新二线道床板混凝土裂缝控制的保障。 参 考 文 献 1 李 向国 高速铁路技术 M 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 8 2 吴华君 ， 方鹏飞 高性能混凝土干燥收缩规律研究 J 混凝 土 ， 2 0 0 9( 8) ： 3 3 3 4 3 王铁 梦 工程结构裂缝 控制 M 北 京 ： 中国建筑 工业 出版 社 ， 1 9 9 9 4 HE N K E N S I E F K E N R， C A S T R O J ， K I M H， e t a 1 I n t e r n a l c u r i n g i mp r o v e s c o n c r e t e p e r f o r m a n c e t h r o u g h o u t i t s l i f e J C o n c r e t e I n f o C U S ， 2 0 0 9， 8( 5 )： 2 2 3 0 5 J E N S E N O M， H A N S E N P F Wa t e r e n t r a i n e d c e me n t b a s e d ma t e r i a l s I I E x p e r i m e n t a l o b s e r v a t i o n s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ( 3 2 ) ： 9 7 3 9 7 8 6 孔祥 明， 李启 宏 高吸水性树脂对水泥砂浆体积收缩 及力学 性能 的影 响 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 5 ) ： 8 5 5 8 6 1 7 朱 长华 ， 李享涛 ， 王保江 ， 等 内养护对混凝土抗裂性 及水化 的影 响 J 建筑材料学报 ， 2 0 1 3 ， 1 6 ( 2 ) ： 2 2 1 2 2 5 ( 责任审编 葛全红) 一 罔 国