无砟轨道的道床板混凝土抗干缩开裂性能

周小菲，王强，阎培渝

(清华大学 土木工程系 土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京，100084)

无砟轨道具有良好的稳定性和平顺性，并且其耐久性好、维护工作量小、费用低，因此无砟轨道在高速铁路建设中越来越受到重视[1-2]。道床板是双块式无砟轨道结构的重要组成部分，对轨道结构的安全性和耐久性有至关重要的影响。道床板是混凝土结构，采用泵送混凝土连续浇筑的方式施工。连续浇筑的混凝土结构的开裂很普遍，大多是由非荷载因素引起的[3-5]。现代混凝土大量使用矿物掺和料及外加剂[6]。现代混凝土组成上的复杂性导致了其开裂问题的复杂性。无砟轨道的混凝土道床板的表面积大，干燥收缩大，控制其干缩裂缝是无砟轨道施工的一个难点。混凝土的干缩裂缝的产生不仅与混凝土的干燥收缩值有关，也与混凝土的弹性模量和抗拉强度密切相关。保持水胶比不变的前提下，掺入粉煤灰能够降低混凝土的干燥收缩[7-9]，但用粉煤灰等质量替代部分水泥后会导致混凝土早期强度降低[10-11]，因而掺加粉煤灰是否有利于提高混凝土的抗干缩开裂的能力是一个需要综合考虑的问题。掺加适量的膨胀剂可以减少混凝土的收缩，并使处于约束状态下的混凝土密实性提高，提高其抗渗能力，但由于膨胀剂使用不科学而导致工程防裂无效、开裂更严重、后期强度倒缩等现象也屡见不鲜。因而，用膨胀剂配制补偿收缩混凝土，可在一定程度上有效控制结构物的开裂[12]。干燥收缩小的混凝土并不意味着其抗干缩开裂的能力强，在无砟轨道的道床板混凝土抗裂性能的优化设计时，需要根据道床板混凝土的受力特点设计有效的评价方法，可以对不同配合比的混凝土的抗干缩开裂性能进行对比。本文作者分析了传统环试验在评价道床板混凝土抗裂性能时的不足，提出了用带缺口的环试验来评价道床板混凝土的抗裂性能的方法，并用该方法对比研究了不同配合比的C30混凝土的抗干缩开裂性能。

1 原材料和配合比

试验原料为P.O.42.5普通硅酸盐水泥；二级粉煤灰；硫铝酸钙-氧化钙类HCSA膨胀剂；河砂细度模数为3.0；粗骨料为石灰岩碎石，粒径为5～10 mm；聚羧酸减水剂。水泥、粉煤灰和膨胀剂的化学成分(质量分数)如表1所示。

表1 原材料的化学成分Table 1 Chemical composition of raw materials %

设计了5组C30的混凝土(表2)，其中第1组为纯水泥混凝土，第2组和第3组混凝土分别掺加15%和30%的粉煤灰，第4组和第5组混凝土分别掺加5%和10%的膨胀剂。通过调整高效减水剂的掺量使各组混凝土拌和物的坍落度在120～160 mm之间，通过调整水胶比使各组混凝土的28 d强度基本相同。

表2 混凝土的配合比及28 d强度Table 2 Mix proportion and 28-day strength of concrete

2 结果与讨论

2.1 带缺口的环试验方法

2.1.1 无砟轨道结构道床板的受力特点

轨枕和道床板是双块式无砟轨道结构中的重要组成部分。轨枕采用工厂预制现场安装的方法，道床板采用泵送混凝土连续浇筑施工的方法。道床板表面积和体积比较大。水泥水化、水分蒸发和温度梯度等因素易导致道床板产生体积变形而开裂，裂缝宽度和间距往往超过现行技术条件要求。常见道床板混凝土开裂示意图如图1所示。

图1 道床板混凝土开裂示意图Fig.1 Schematic diagram of cracking of non-ballast track slab concrete

针对双块式无砟轨道结构中的混凝土道床板，采用有限元进行分析，建立道床板在枕轨约束下的收缩模型(图2)。图2所示为按照某道床板的实际几何形状及尺寸建立的有限元模型，其中浅色部分为浇筑的道床板混凝土，深色部分为预制轨枕。图2中，道床板横截面宽度为2.8 m，所取道床板单元纵长1 250 mm，厚240 mm；轨枕长700 mm，宽350 mm，轨枕底面嵌入轨道板，嵌入深度为120 mm。在有限元计算中，取混凝土的弹性模量为30 GPa，泊松比为0.2，线膨胀系数为10×10-6/℃。本文实测C30混凝土的7 d干燥收缩值为137.5×10-6，在计算中将混凝土的收缩采用当量温差法等效。当量温差法的思路为通过对混凝土早期的自由收缩应变进行测量，将各个龄期混凝土的收缩变形换算成温降收缩，采用降温荷载作为场荷载来进行有限元分析。本文中干缩值为137.5×10-6，即假定变温荷载为-13.75 ℃。

图2 道床板几何模型Fig.2 Geometric model of non-ballast track slab concrete

图3 应力点位置示意图Fig.3 Sketch map of stress position

取图3所示道床板表面上BAC路径进行研究，该线段上的应力-长度曲线如图4所示。取图3所示道床板上A点位置厚度方向AA′进行研究，其应力-厚度曲线如图5所示。根据图4和图5的结果可知：在BAC路径上，在轨枕角点附近存在应力极值，轨枕角点处沿着厚度方向，由表及里应力逐渐降低。可见，在接近轨枕的外表面角点处应力相对较大，这与图1所示道床板的开裂趋势基本一致。计算结果显示，枕轨外表面角点处的应力极值为9.713 MPa，远远超过C30混凝土的抗拉强度。

2.1.2 传统环试验混凝土的受力分析

图4 BAC路径的应力-长度曲线Fig.4 Stress-length curve of BAC direction

图5 AA′方向应力-厚度曲线Fig.5 Stress-thickness relationship of AA′ direction

图6 传统圆环试验装置示意图Fig.6 Traditional ring test device

传统的环开裂试验装置如图6所示，其中，R1，R2为钢环的内、外径，R2与R3之间为混凝土环浇筑区；本试验中，R1=127.5 mm，R2=152.5 mm，R3=187.5 mm，混凝土高度h=140 mm。按照图6的实际几何形状及尺寸，建立有限元模型，荷载取值与图2中相同，钢环的弹性模量取200 GPa，泊松比取0.26。根据计算结果，混凝土外表面的主拉应力沿着高度方向的分布如图7所示。图7显示，在同样的荷载条件下，混凝土环表面产生的拉应力分布与无砟轨道道床板截然不同，最大应力出现在混凝土环上下面边缘处，因此传统环试验不能很好地反映实体结构的受力情况。同时，图7中的最大应力仅为3.400 MPa，与图2的计算结果相差很大。本文采用传统环试验方法对多组C30混凝土的抗开裂能力进行了对比研究，各组混凝土在试验过程中都没有发生明显的开裂，因此采用该试验方法进行配合比的选择是无效的。

图7 采用传统环试验混凝土外表面第一主应力沿高度分布Fig.7 Major principal stress distribution of concrete’s surface calculated based on traditional ring test

2.1.3 带缺口环试验混凝土的受力分析

为了更准确地模拟双块式无砟轨道结构中道床板混凝土所受到的约束应力，制作了小型缺口预埋钢片(图8)，预埋入传统试验环中(图 9)。预埋钢片的作用在于控制混凝土局部的拉应力，使其接近无砟轨道中开裂位置的应力大小。取圆环表面上缺口截面上路径BAC，根据有限元计算结果作出该线段上第一主应力随高度的变化曲线(图10)。图10显示，缺口处的拉应力比其他位置高很多，最大值为6.193 MPa，超过C30混凝土的抗拉强度。对比图4和图10所示的应力分布模拟结果可以看出：2种应力分布吻合很好，端部应力的峰值比较接近(分别为7.3 MPa和6.2 MPa)。因此，相对于传统环试验，用带缺口环试验来对比研究不同配合比混凝土在无砟轨道道床板上应用时的抗裂性能更合适。

图8 预埋件尺寸图(单位：mm)Fig.8 Dimension of embedded parts

图9 预埋件安装示意图Fig.9 Schematic diagram of installation of embedded parts

图10 缺口截面应力沿高度方向的分布Fig.10 Stress distribution on notch cross section along height direction

2.1.4 带缺口环试验方法

混凝土环在浇筑24 h后拆模，去除底盘，并放置于特制的十字架上，以保证混凝土环和钢环的收缩不受底盘或地面的约束。通过温湿度记录仪记录混凝土表面附近处的空气温度和湿度，通过均匀地贴在钢环内侧4个方向的4个应变计监测钢环的应变。试验中确定了3种温湿度条件，严酷等级分别为：非严酷、中等严酷、非常严酷。其中，非严酷的条件为：温度20 ℃、相对湿度55%～65%；中等严酷的条件为：温度30 ℃，相对湿度34%～40%；非常严酷的条件为：温度40 ℃、相对湿度20%～25%。

(1)试验条件1即非严酷条件如图11所示。将混凝土环试件置于密封的塑料箱中，通过饱和K2CO3溶液调节箱内的湿度，当混凝土的失水与K2CO3固体的溶解达到新的平衡后，密封箱内的相对湿度稳定在55%～65%之间。用空调控制试验温度条件为20 ℃。

图11 温度20 ℃、相对湿度55%～65%的试验条件Fig.11 Condition of 20℃ and relative humidity of 55～65%

(2)试验条件2即中等严酷条件如图12所示。将混凝土环置于密闭的实验室内，室内放置1台电动取暖器来为试验环境增温及降湿，并同时采用空调进行除湿。

图12 温度30 ℃，相对湿度34%～40%的试验条件Fig.12 Condition of 30 ℃ and relative humidity of 34%～40%

(3)试验条件3即非常严酷条件如图13所示。采用4个275 W的红外线取暖灯均匀布置在环的四周，距离混凝土环表面25 cm，并通过空调辅助调节湿度。通过温湿度记录仪可知，混凝土表面附近处的空气温度在实验开始后迅速稳定在 40 ℃左右，相对湿度在20%～30%之间。

图13 温度40 ℃、相对湿度20%～25%的试验条件Fig.13 Condition of 40 ℃ and relative humidity of 20%～25%

2.2 带缺口环试验结果

2.2.1 试验条件1的结果

对表2中的1号、2号和4号混凝土在试验条件1下进行了15 d的试验研究，3组混凝土均未出现开裂。因此，在该试验条件下，用带缺口环试验方法无法对C30混凝土的抗裂性能进行对比研究。在实际工程中，无砟轨道的道床板混凝土所处的温度和湿度条件往往比该试验条件恶劣，因此，需进一步为带缺口环试验创造更为恶劣的环境条件。

2.2.2 试验条件2的结果

对表2中的5组混凝土在试验条件2下进行了带缺口环开裂试验，1号和2号混凝土在试验开始3～5 d后出现了可见裂缝，3号、4号和5号混凝土并没有发生开裂。图14所示为1号和2号混凝土在环约束下表面收缩应变随时间的变化曲线。随着干燥收缩的发展，混凝土在早期形成的微裂缝逐步张开，最后达到肉眼可见的程度，可见裂缝出现的时间在图14中的阴影部分(80～100 h)时间段。在可见裂缝出现之前，在约束状态下，2号混凝土的应变量比1号混凝土的小，这是因为粉煤灰混凝土的干燥收缩比纯水泥混凝土的小；但100 h之后，2号混凝土的应变量大于1号混凝土的应变量，这个阶段混凝土表面应变量的增加主要表现为裂缝的张开，100 h后粉煤灰混凝土的裂缝宽度大于纯水泥混凝土的裂缝宽度。

图14 混凝土在环约束下表面收缩应变随时间的变化曲线Fig.14 Shrinkage strain development with time on surface of concrete in ring test

由此可见，在此试验条件下，少量粉煤灰的掺入对混凝土的抗裂性是不利的，且混凝土在开裂后形成的裂缝更宽。通过掺加30%的粉煤灰或5%～10%的膨胀剂，对提高混凝土的抗裂性是有利的。

2.2.3 试验条件3的结果

该试验环境的温度高、湿度低，混凝土的干燥收缩发展迅速，因而混凝土内部的拉应力也增长较快，各组混凝土均在较短的时间内发生了开裂。图15所示为1号混凝土所对应的钢环的应变随时间变化图。从图15可以看出，随着时间的增长，混凝土的干燥收缩发展很快，钢环受到混凝土的压力作用而产生收缩变形。在这个过程中，混凝土内部产生的拉应力随着时间不断增长，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土发生开裂，此时混凝土环和钢环内应力出现急剧下降，混凝土开裂的时刻可以从应变图中得到。图16显示，混凝土的开裂主要发生在预埋件的位置。

图15 1号混凝土的钢环应变-时间曲线Fig.15 Strain development of steel ring with time of No.1 concrete

图16 混凝土开裂图Fig.16 Cracking of concrete

1～5号混凝土的开裂时间分别为510，240，80，1 240，110 min。随着粉煤灰掺量的增大，混凝土的开裂时间提前，说明掺入粉煤灰后，混凝土抗干缩开裂的性能变差。在本文中，各组混凝土的28 d抗压强度相近，2号和3号混凝土的水胶比较1号混凝土的低。根据前人的研究结果[7-9]，用水量一定时，用粉煤灰替代部分水泥后，有利于减小混凝土的干燥收缩；同时，水胶比的降低有利于减小混凝土的干燥收缩，因而 2号和3号混凝土的干燥收缩小于1号混凝土的干燥收缩。早龄期时，由于粉煤灰的活性很低，粉煤灰主要起微集料填充的作用；随着水化龄期的增长，粉煤灰的火山灰活性逐渐发挥[13-16]。因此，粉煤灰混凝土的强度发展速率比纯水泥混凝土的慢。可以推测，尽管2号和3号混凝土与1号混凝土的28 d强度接近，但比1号的早期强度低。粉煤灰在早期以填料的形式存在，这对混凝土的抗拉强度发展不利。综上可知，粉煤灰既起到减小混凝土干燥收缩的正面作用，又起到降低混凝土早期强度的负面作用。根据带缺口环试验的结果可知，粉煤灰对混凝土抗干缩开裂所起的负面作用大于正面作用。表3显示，2号和3号混凝土开裂时，钢环的应变仅为93×10-6和68×10-6，而1号混凝土开裂时，钢环的应变为433×10-6，这说明干燥收缩小并不意味着开裂风险小。

膨胀剂的掺量为5%时(4号混凝土)，混凝土的开裂时间明显推迟。4号混凝土与1号混凝土的水胶比相同，膨胀剂掺量为5%时对混凝土的强度影响很小。但膨胀剂对减小混凝土早期收缩作用明显，4号混凝土开裂时，钢环的应变为244×10-6，明显小于1号混凝土开裂时钢环的最大应变。当膨胀剂掺量为10%时(5号混凝土)，混凝土的开裂时间早于纯水泥混凝土，这说明膨胀剂掺量较大时对混凝土抗干缩开裂的性能不利。这可能是因为膨胀剂在反应过程中消耗了部分水，影响了水泥的水化，对强度的发展不利。5号混凝土预埋件位置处混凝土开裂图如图 17所示。从图17可见：膨胀剂掺量较大时，除了在预埋件位置处有较大的裂缝外，在混凝土环外侧表面也有很多可见的裂缝，这可能是由于膨胀剂掺量较大时，无约束的混凝土试件膨胀量大，可能在内部产生微裂缝，对混凝土的内部产生了一定的破坏。

图17 5号混凝土预埋件位置处混凝土开裂图Fig.17 Cracking of No.5 concrete in place of embedded parts

3 结论

(1)采用本文设计的带缺口混凝土环开裂试验能够使缺口截面拉应力很好地接近实体结构破坏截面的应力，以此方法来评价不同配合比混凝土在无砟轨道道床板结构中应用时的抗干缩开裂性能是有效的。

(2)在温度20 ℃、相对湿度55%～65%的试验条件下，各组混凝土的抗裂性能相差不大。在温度30 ℃、相对湿度34%～40%的试验条件下，纯水泥混凝土和掺15%粉煤灰的混凝土的抗裂性较差，掺30%粉煤灰的混凝土和掺膨胀剂的混凝土抗裂性较好。

(3)在温度40 ℃、相对湿度20%～25%的试验条件下，当28 d抗压强度基本相等时，粉煤灰混凝土的抗干缩开裂能力比纯水泥混凝土的差，且粉煤灰掺量越大，混凝土的抗干缩开裂能力越差；掺加适量膨胀剂掺量，混凝土的抗干缩开裂能力比纯水泥混凝土的好，但当膨胀剂掺量过大时，混凝土的抗干缩开裂能力将变差。

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