CRTSⅢ型高铁轨道现浇底座板裂缝分析及控制.pdf

新型建筑材料圆园23援100引言21 世纪以来，我国城市高铁交通建设事业发展迅猛，相关技术水平处于世界领先地位，其中 CRTS芋型无砟轨道是我国独立研发具有自主产权的轨道形式，因工艺简单、稳定性好、可靠性高、维护成本低等优点广泛用于城市高铁桥梁施工建设中。在运营阶段，因结构长期处于外界环境中，除了反复受到雨雪、潮湿、日照等干湿循环作用，还受到动静荷载的反复作用，一旦出现早期裂缝和内部微观缺陷，会在服役期长期进一步扩展，导致钢筋锈蚀和结构劣化损伤，不但对长期耐久性和服役寿命造成威胁，也增加了维护费用，而且影响高铁系统运行的稳定性和安全性1-2。因此，施工阶段混凝土的裂缝控制与预防至关重要。CRTS芋型高铁轨道现浇底座板裂缝分析及控制王丙垒1，朱国军1，张登科1，向飞1，孔繁杰2，秦哲焕1（1.武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉430083；2.天津市交通运输综合行政执法总队，天津300000）摘要：根据项目所用的原材料、配合比、结构尺寸及约束特征进行了抗裂验算，根据验算结果和裂缝分布特征，推断 CRTS芋型高铁现浇轨道底座板开裂是由收缩引起的，针对该裂缝，引入兼有抗裂、减缩和增强密实作用的高性能纤维复合材料 SY-COM，并进行了和易性、抗压、劈裂抗拉和刀口诱导开裂试验。结果表明：与基准组相比，该材料可降低泌水率，对工作性无不利影响，28 d 抗压强度提高 0.03%，28 d 劈裂抗拉强度提高 1.14%，刀口诱导抗裂试验评定结果为玉级。工程应用和自生收缩试验表明：与原方案相比，掺入 SY-COM 使混凝土 28 d 自生收缩降低了 56.2%，抗裂安全系数提高了 63.1%，使前述推断得到了验证，该方案可行。关键词：高铁轨道底座板；混凝土收缩；纤维复合材料；抗裂验算；裂缝控制中图分类号：TU528.7文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）10-0030-06Analysis and control of cracks in the cast-in-situ base plate of CRTS芋 high speed railWANG Binglei1，ZHU Guojun1，ZHANG Dengke1，XIANG Fei1，KONG Fanjie2，QIN Zhehuan1（1.Wuhan Sanyuan Special Building Materials Co.Ltd.，Wuhan 430083，China；2.Tianjin Transportation Comprehensive Administrative Law Enforcement Corps，Tianjin 300000，China）Abstract：According to the raw materials，mix proportions，structural dimensions and constraint characteristics used in the pro原ject，the crack resistance calculation was carried out.According to the calculation results and crack distribution characteristics，itwas concluded that the crack of CRTS芋 cast-in-place rail base plate was caused by shrinkage.For this crack，a high-perfor原mance fiber composite material SY-COM with the functions of crack resistance，shrinkage reduction and densification enhancementwas introduced，and the workability，compression，splitting tension and knife-edge induced cracking tests were carried out，The re原sults show that compared with the reference group，this material can reduce bleeding rate without adverse effects on workability.The compressive strength at 28 days is increased by 0.03%，the splitting tensile strength at 28 days is increased by 1.14%，andthe evaluation result of blade induced cracking resistance test is level 玉.The engineering application and autogenous shrinkagetest results show that compared with the original plan，the addition of SY-COM reduces the spontaneous shrinkage of concrete by56.2%after 28 days，improves the safety factor of crack resistance by 63.1%.This confirms the above inference and proves thefeasibility of this plan.Key words：high-speed rail base plate，concrete shrinkage，fiber composites，anti-crack checking calculation，crack control基金项目：河北省建设科技研究指导性计划项目（2022-2158）收稿日期：2023-02-23；修订日期：2023-04-25作者简介：王丙垒，男，1987 年生，工程师，硕士，主要从事混凝土结构裂缝控制及自防水技术开发应用，E-mail：。中国科技核心期刊30晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂混凝土材料的特点是抗压强度高而抗拉强度低，在水化龄期内产生自身收缩、温度收缩和干燥收缩等变形3-5，由于浇筑时间不同，新浇混凝土硬化阶段收缩受到旧混凝土界面的约束而产生拉应力，拉应力一旦超过了混凝土当龄期的抗拉强度，即存在开裂风险。刘增杰等6研究了 CRTS芋型无砟轨道现浇底座板凹槽四角裂缝，通过倒角优化设计控制了该裂缝。李艳7通过有限元模拟研究了 CRTS芋型无砟轨道现浇底座板凹槽环周裂缝，通过布置钢筋进行裂缝控制。朱长华等8研究了 CRTS玉型无砟轨道道床板裂缝类型，针对自干燥收缩裂缝通过内掺SAP，以其饱水释水功能延缓内部相对湿度降低速率，从而减少内部收缩。邓忞成9研究了云桂铁路桥梁现浇道床板的裂缝类型，认为收缩是主要原因，提出了调整配合比、原材料、施工工艺和养护措施等裂缝控制方法。高贵等10采用无机纳米抗裂减渗剂的方法对该类结构的裂缝控制。何财基等11、杨汉国12研究了高原干旱环境下同类结构的裂缝形式，并采用内掺内养护剂进行湿度补偿减少收缩，外喷养护剂进行养护的方法降低了开裂风险。综上所述，国内研究大多集中于道床板和底座板凹槽，针对施工期 CRTS芋型现浇底座板整体结构横向裂缝控制的研究较少，而底座裂缝的产生对轨道结构有较大影响，目前我国高速铁路里程超 30 000 km，基于裂缝的普遍性，急需研究底座板横向裂缝的产生机理和有效控制裂缝的方法。1项目概况1.1项目简介某高速铁路特大斜拉桥位于长江下游河段，当地属于亚热带季风气候，冬冷夏热，四季分明，施工期为 69 月，高铁轨枕结构采用 CRTS芋型无砟轨道技术，基层凿毛并植筋，安装钢制模板，底座板采用现浇混凝土成型，混凝土等级 C40，相邻接缝处设置伸缩缝，单块底座板结构尺寸为：长 6 m、宽 3m、厚 0.18 m。施工现场全景以及底座板施工照片如图 1 所示。图 1施工现场全景以及底座板施工照片1.2异常情况说明2022 年 6 月 14 日，采用 47 m 天泵浇筑底座板，混凝土坍落度（180依20）mm，采用振捣棒机械振捣，人工初次抹面，待混凝土终凝前采用人工二次抹面，终凝后洒水并覆盖养护膜自然养护，14 d 后拆除养护措施后出现垂直于长度方向的贯穿裂缝，且裂缝间距相近，平均每段底座板有 5 条裂缝，宽度 0.10.3 mm，如图 2 所示。针对该裂缝，项目部初步采用局部设置加强筋的方法（见图 3），但施工后裂缝控制效果仍无改善。图 2底座板裂缝分布与示意图 3底座板加强筋分布2开裂分析为分析裂缝产生原因，主要从原材料、配合比、施工工艺和抗裂验算等方面进行剖析。2.1原材料胶凝材料：P O42.5 华新水泥、F 类域级粉煤灰，主要化学成分见表 1；砂：水洗优质河砂，域区中砂，含泥量 1.3%；碎石：分别为 516 mm 小石和 1625 mm 大石，含泥量 0.3%；聚羧酸高性能减水剂：固含量 20%，减水率大于 25%。表 1胶凝材料的主要化学成分%从砂石骨料与胶凝材料检测结果看，胶凝材料以及骨料均为优质品，品质良好。项目CaOAl2O3MgOSiO2Fe2O3SO3LOI水泥56.525.682.1323.523.752.864.28粉煤灰5.3028.180.7446.725.480.803.20王丙垒，等：CRTS芋型高铁轨道现浇底座板裂缝分析及控制31新型建筑材料圆园23援102.2原始配合比为从根源上分析裂缝产生的原因，针对所用原材料匹配的生产混凝土配合比，检查水胶比、砂率和胶材用量等关联参数。C40 混凝土配合比（kg/m3）为：m（水泥）颐m（粉煤灰）颐m（大石）颐m（小石）颐m（河砂）颐m（减水剂）颐m（水）=287颐123颐776颐330颐736颐4.05颐144，从配合比来看，级配和砂率（40%）均在合理范围内，虽然掺 30%粉煤灰，一定程度上抑制了混凝土的自收缩，但水胶比较小（0.35），混凝土自收缩占比大。2.3施工工艺从前述施工工艺上看，泵送混凝土和易性控制在合理范围内，振捣与抹面工艺并无异常，终凝后的养护时间与龄期也符合 TZ 2102018 铁路混凝土工程施工技术指南 要求。2.4抗裂相关试验与计算由上述可知，混凝土的开裂时间为 14 d 拆除养护后出现，但工程条件为非标准养护条件，因此需考虑等效龄期，进行 28 d 的抗裂验算更恰当。为计算混凝土的综合当量温差，进行了如下试验与计算。（1）温度试验通过在结构型心中埋入测温线得到的基准组温度历程如图 4 所示，项目所在地当期平均环境温度为 3035 益，初始入模温度为 34.4 益，温峰值为 47.0 益，48 h 后降至室温。图 4中心温度发展曲线（2）自生收缩试验为监测混凝土的自生收缩，在施工现场浇筑混凝土的同时，将振弦式应变计埋入专用混凝土无应力桶（见图 5），现场取样，并采用同条件进行养护。无线自动采集，监测混凝土收缩，通过监测数据得到自生收缩曲线。结合王铁梦收缩公式模型3，通过系数选择与修正得到拟合曲线，如图 6 所示。着y（t）=着y0（1-e-bt）M1 M2 M3M11（1）式中：着y（t）任意时间 t（d）的收缩，10-6；着y0标准状态极限收缩，取 400伊10-6；M1M11非标准条件的修正系数，通过查表及系数调整后所得 M1 M2 M3M11终值为 0.69；b经验系数，根据拟合规律取 0.030.04。图 5无应力桶与应变计预埋试验图 6基准混凝土自生收缩历程由图 6 可知，基准混凝土 12 d 时自生收缩趋近于平稳，28 d 收缩极限为 160.5 滋着。将混凝土的收缩转化为当量温度按式（2）计算，计算得当量收缩温度为 16.0 益。Ty（t）=着y（t）/琢（2）式中：琢混凝土热膨胀系数，取 10.0伊10-6。（3）抗裂验算因该结构为薄壁结构，里表温差引起的自约束应力可以忽略，可根据 GB 504962018 大体积混凝土施工标准，外约束应力公式（3）计算 28 d 拉应力。滓x（t）=琢1-滋ni=1移吟T2i（t）Ei（t）Hi（t，子）Ri（t）吟T2i（t）=吟T2（t-j）-吟T2（t）Ri（t）=1-1coshCxHE（t）姨蓸蔀L2（3）式中：滓x（t）龄期为 t 时的外约束拉应力，MPa；滋泊松比，取 0.15；吟T2i（t）混凝土综合降温差，根据测温结果，综合降温差为 14.0 益，加上收缩当量温度后该值为 30.0 益；Ei（t）当龄期弹性模量，MPa，查表取 28 d 标准值为32 500 MPa；王丙垒，等：CRTS芋型高铁轨道现浇底座板裂缝分析及控制32晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂Ri（t）外约束系数，其中 L=6 m，H=0.18 m，因约束面为已硬化 28d 且凿毛植筋后的桥面混凝土，故取 Cx=1.5N/mm3，经式（3）计算 Ri（t）=0.59；Hi（t，子）应力松弛系数，不但与加荷龄期有关，还与荷载持续时间有关，涉及到叠加原理，计算过程复杂，且相关标准中查表计算较为宽泛，难以直接引用，本文参考文献13-15中所述方法，计算得到 Hi（t，子）=0.42。通过上述已知参数，计算得到 滓x（28 d）=2.84 MPa，取C40混凝土 28 d 极限标准抗拉强度 2.39 MPa。则抗裂安全系数K=2.39衣2.84=0.841.15，该结果在抗裂安全范围内，该方案可行，抗裂安全系数较原方案提高了 63.1%。综上可知，与原方案相比，高性能纤维复合材料可显著降低混凝土的自生收缩变形，同时一定程度提高了抗拉强度，提高了抗裂安全系数，使方案得到了验证，提高了结构安全性，也降低了长期维护成本，对于提高混凝土结构耐久性和预防服役期结构开裂具有重要意义。5结论（1）从原材料、配合比、施工工艺、开裂规律和抗裂验算等方面对底座板开裂原因进行了剖析，判断该类裂缝属于收缩王丙垒，等：CRTS芋型高铁轨道现浇底座板裂缝分析及控制34晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂（上接第 29 页）2张悦.偏高岭土基地聚物泡沫混凝土的研制和性能D.合肥：合肥工业大学，2018.3Fernandez Jimenez A，Palomo J.Alkali activated fly ash concrete：Alternative material for the precast industry C/Proceedings of2002 Geopolymer Conference.Melbourne，Australia：2002.4陈贤瑞，卢都友，孙亚峰，等.超轻质泡沫地质聚合物保温材料的制备和性能J.建筑节能，2015，43（6）：57-60，77.5符一然.地聚物泡沫混凝土改性及复合保温屋面热学性能模拟研究D.沈阳：沈阳建筑大学，2019.6陈立延，杨安，洪芬，等.不同粉煤灰掺量对泡沫混凝土性能及其孔径的影响J.混凝土，2021（8）：137-140.7姚力豪，王彦平，陈昶旭，等.硅灰对粉煤灰-矿渣基地聚物性能的影响J.新型建筑材料，2022，49（5）：48-52.8Provis J L，Bernal S A.Geopolymers and related alkali-activatedmaterials J.Annual Review of Materials Research，2014，44：299-327.9Buchwald A，Dombrowski K，Well M.The influence of calciumcontent on the performance of geopolymeric binder especiallythe resistance against acids C/4th International Conference onGeopolymers，Quentin，France：2007.蒉裂缝，混凝土收缩受到凿毛基面与植筋、双层主筋的约束产生拉应力，拉应力超过当期混凝土抗拉强度而开裂。（2）在混凝土中引入兼具抗裂、减缩和增强密实作用的高性能纤维抗裂复合材料 SY-COM，进行了一系列室内试验，结果表明：混凝土拌合物的坍落度和扩展度增大，含气量稍有增加，对于混凝土施工无不利影响；同时，一定程度上提高了抗压和劈裂抗拉强度；早期刀口诱导抗裂试验表明，该材料显著了降低了开裂面积。（3）对高性能纤维抗裂复合材料进行了工程应用，通过自生收缩试验、抗裂验算和效果对比，结果表明：掺入高性能纤维抗裂复合材料后，混凝土自生收缩降低了 56.2%，抗裂安全系数提高了 63.1%，显著提高了抗裂性能。参考文献：1郑家辉.路基段 CRTS芋型板式无砟轨道运营阶段底座板裂纹萌生分析D.石家庄：石家庄铁道大学，2020.2董博.高速铁路 CRTS芋型轨道板裂纹分析与预测方法研究D.北京：北京交通大学，2021.3王铁梦.工程结构裂缝控制M.2 版.北京：中国建筑工业出版社，2017.4王景贤，赵珏，崔强，等.混凝土收缩和开裂试验方法研究进展J.工程质量，2020，38（12）：68-72.5王丙垒，周友谊，朱国军，等.地下室防水混凝土侧墙开裂分析及控制J.新型建筑材料，2022，49（9）：57-63.6刘增杰，任西冲，张政，等.CRTS芋型板式无砟轨道底座凹槽四角裂缝产生机理及结构优化措施研究J.铁道标准设计，2023（2）：43-48：7李艳.CRTS芋型板式无砟轨道底座横向裂缝成因及影响规律研究J.铁道标准设计，2022，66（6）：21-26.8朱长华，王保江，裘智辉，等.CRTS 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