双块式无砟轨道现浇混凝土的抗裂性能

谭盐宾 郑永杰 李康 高贵 杨鲁 李林香 王浩 吴俊杰

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；3.武九铁路客运专线湖北有限责任公司，武汉 430200）

CRTS 双块式无砟轨道具有整体性强、弹性逐层递减、轨道结构高度低、经济性好等特点，凭借其施工灵活性和高性价比目前已成为我国高速铁路建设的主要轨道结构形式之一［1］。工程应用实践表明［2-5］，CRTS 双块式无砟轨道建设过程中最常见的问题是现浇道床混凝土开裂，特别是轨枕四角处的“八”字形裂缝最为普遍，也存在裂缝横向贯通现象。混凝土一旦出现开裂，雨水、有害离子等就会顺着裂缝进入混凝土内部，引起内部钢筋锈蚀破坏，在严寒地区还会引起冻胀破坏，从而显著影响轨道结构的服役寿命。

相关研究表明，80%以上的混凝土结构开裂是由自身收缩变形引起的［6-8］，而混凝土自身收缩变形又与胶凝材料用量、用水量、外加剂用量等因素密切相关。由文献［9-10］中各种技术途径对降低混凝土开裂敏感性的研究结果可知，很多方法都可有效提高混凝土的抗裂性能，比如降低水泥细度、铝酸三钙含量、碱含量，掺加粉煤灰等矿物掺和料，适当提高骨料最大粒径，掺入引气剂等。在此基础上不同行业和领域形成了诸多相关的技术标准和指南，但鲜有学者研究混凝土的抗裂性能与坍落度、含气量等工作性能指标之间的关系，而工作性能指标实际上又是现场施工能快速、便捷控制的指标。本文通过平板抗裂试验系统研究胶凝材料总量、坍落度及抗裂材料对混凝土开裂性能的影响，并分析相关防裂机理，为后续高速铁路无砟轨道现浇道床混凝土裂缝控制提供技术支撑。

1 试验概况

1.1 原材料

1）水泥。北京金隅琉璃河厂生产的P·O 42.5 水泥，密度3.1 g/cm3。

2）细骨料。不同目数的分级砂配制的细度模数为2.5的河砂，筛分结果见表1。

表1 按质量计的河砂筛分结果

3）粗骨料。5～10 mm 和10～20 mm 两级配的石灰岩碎石，质量比为3∶7。

4）矿粉。冀东S95级磨细矿渣粉，密度2.9 g/cm3。

5）粉煤灰。唐山市浩冉商贸有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰，45 μm筛余2.7%，需水量比94%，密度2.50 g/cm3。

6）外加剂。河北三楷深发科技股份有限公司生产的保坍型聚羧酸高性能减水剂和引气剂。

7）防裂材料。中国铁道科学研究院集团有限公司研发的TK-ICM型内养护剂，密度2.8 g/cm3。

1.2 配合比

试验用混凝土配合比见表2，其中JZ 组为现场常用的C40等级道床混凝土配合比；QD组为按照低胶凝材料用量、低用水量、低坍落度的技术路线设计的配合比；NY 组是在QD 组配合比的基础上，内掺6%防裂材料的配合比（相应用水量增加4.5 kg/m3）。

表2 混凝土配合比 kg/m3

1.3 试验方法

混凝土采用德国BHS 公司生产的DKX 型双卧轴搅拌机进行拌和，叶片转速设置为60 r/min。对于JZ配合比混凝土，搅拌时间为2 min；对于QD，NY配合比混凝土，搅拌时间为4 min。

混凝土坍落度、含气量及抗压强度参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》［11］及GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》［12］进行测试。

平板抗裂试验参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》［13］进行测试。平板抗裂试验装置如图1所示。

图1 平板抗裂试验装置

2 试验结果及分析

2.1 工作性能

为研究不同坍落度对混凝土抗裂性能的影响，通过调整外加剂用量，控制JZ组和QD组配合比混凝土坍落度分别为50～80 mm，90～120 mm，130～160 mm，170～190 mm，JZ组含气量为2%～4%，QD组含气量为6%～8%；对于NY组配合比混凝土，控制混凝土坍落度分别为130～160 mm 和170～190 mm，含气量为6%～8%，详情见表3。

表3 混凝土工作性能试验参数

2.2 力学性能

各组混凝土各龄期力学性能见图2和图3。

图2 不同坍落度混凝土力学性能

图3 相同坍落度混凝土力学性能

由图2（a）可知：JZ 组混凝土强度较高，7 d 强度基本达到强度等级的90%，28 d强度即可达到50 MPa，强度富裕系数较高，且坍落度对混凝土力学性能的影响很小，各龄期的强度偏差率不足5%。由图2（b）可知：QD组混凝土由于胶凝材料总量较少，且未掺加火山灰活性较强的矿渣粉，因此3 d 强度较低，但后期强度普遍稳定增长，90 d强度可满足强度等级要求。QD组混凝土之间的强度差异主要是由含气量差异引起的，坍落度对力学性能影响不大。

由图3可知：NY 组混凝土的早期力学性能发展规律与QD组相差不大，但56 d龄期后强度仍具有增长趋势，56～90 d 的强度增长率普遍在10%以上。这主要是因为防裂材料中的蓄水组分在混凝土内部湿度降低至一定程度后，释放自由水促进胶凝材料再次水化。

综上，坍落度对混凝土力学性能的影响有限，含气量一定程度上决定了相同配合比混凝土的强度，掺加防裂材料混凝土的长龄期强度具有稳定增长率。

2.3 抗裂性能

收缩是造成混凝土裂缝产生的主要因素，但并不意味着收缩小的混凝土抗裂性能一定好，单纯根据收缩率来评判混凝土的开裂风险具有局限性。平板抗裂试验主要测试塑性阶段混凝土由于水分蒸发所产生的收缩应力与自身抗裂性能之间的关系，能较好地评价混凝土开裂性能。

采用平板开裂方法，分别研究了不同坍落度对JZ配合比和QD 配合比混凝土抗裂性能的影响，以及相同坍落度下胶凝材料用量和防裂材料对混凝土抗裂性能的影响。按照GB/T 50082—2009 的数据处理方法，不同坍落度混凝土的平板抗裂试验结果见表4。

表4 道床混凝土平板抗裂性能

由表4可知：

1）JZ 组和QD 组混凝土的总开裂面积均随混凝土坍落度的增加而增大；JZ 组坍落度170～190 mm 混凝土总开裂面积约为坍落度50～80 mm 混凝土的2 倍，约为坍落度130～160 mm 混凝土的1.7倍；QD 组坍落度170～190 mm 混凝土总开裂面积约为坍落度130～160 mm 混凝土的5 倍。因此，合理选择混凝土坍落度对提高混凝土抗裂性能作用明显。

2）与JZ 组相比，相同坍落度的QD 组混凝土的总开裂面积大幅度降低；坍落度50～80 mm 混凝土未开裂，坍落度130～160 mm 混凝土的总开裂面积仅为JZ 组混凝土的约1/6，坍落度170～190 mm 混凝土的总开裂面积约为JZ 组的1/2。其主要原因是内部胶凝材料及浆体总量减少，混凝土开裂敏感性显著降低。

3）与QD 组混凝土相比，坍落度170～190 mm 且掺加防裂材料的NY 组混凝土的总开裂面积显著降低。其主要原因是加入防裂材料能长期保持内部湿度平衡，显著降低收缩应力。

3 结论

1）对于双块式现浇道床混凝土，胶凝材料总量增高，混凝土开裂敏感性显著增大，抗裂性能差，按照“低胶凝材料用量、低用水量、低坍落度和高含气量”的技术路线制备道床混凝土，可有效降低混凝土开裂敏感性。

2）作为表征混凝土工作性能的重要指标，坍落度直接影响新拌混凝土的性能，也对混凝土抗裂性能有显著影响。

3）TK-ICM 型防裂材料兼具“补偿收缩”和“储蓄释水”的作用，能够长期保持混凝土内部湿度，降低混凝土的收缩应力，减少混凝土开裂面积。