CRTSⅢ型高鐵軌道現澆底座板裂縫分析及控制

王丙壘，朱國軍，張登科，向飛，孔繁杰，秦哲煥

（1.武漢三源特種建材有限責任公司，湖北武漢 430083；2.天津市交通運輸綜合行政執法總隊，天津 300000）

0 引 言

21 世紀以來，我國城市高鐵交通建設事業發展迅猛，相關技術水平處于世界領先地位，其中CRTSⅢ型無砟軌道是我國獨立研發具有自主產權的軌道形式，因工藝簡單、穩定性好、可靠性高、維護成本低等優點廣泛用于城市高鐵橋梁施工建設中。在運營階段，因結構長期處于外界環境中，除了反復受到雨雪、潮濕、日照等干濕循環作用，還受到動靜荷載的反復作用，一旦出現早期裂縫和內部微觀缺陷，會在服役期長期進一步擴展，導致鋼筋銹蝕和結構劣化損傷，不但對長期耐久性和服役壽命造成威脅，也增加了維護費用，而且影響高鐵系統運行的穩定性和安全性[1-2]。因此，施工階段混凝土的裂縫控制與預防至關重要。

混凝土材料的特點是抗壓強度高而抗拉強度低，在水化齡期內產生自身收縮、溫度收縮和干燥收縮等變形[3-5]，由于澆筑時間不同，新澆混凝土硬化階段收縮受到舊混凝土界面的約束而產生拉應力，拉應力一旦超過了混凝土當齡期的抗拉強度，即存在開裂風險。

劉增杰等[6]研究了CRTSⅢ型無砟軌道現澆底座板凹槽四角裂縫，通過倒角優化設計控制了該裂縫。李艷[7]通過有限元模擬研究了CRTSⅢ型無砟軌道現澆底座板凹槽環周裂縫，通過布置鋼筋進行裂縫控制。朱長華等[8]研究了CRTSⅠ型無砟軌道道床板裂縫類型，針對自干燥收縮裂縫通過內摻SAP，以其飽水釋水功能延緩內部相對濕度降低速率，從而減少內部收縮。鄧忞成[9]研究了云桂鐵路橋梁現澆道床板的裂縫類型，認為收縮是主要原因，提出了調整配合比、原材料、施工工藝和養護措施等裂縫控制方法。高貴等[10]采用無機納米抗裂減滲劑的方法對該類結構的裂縫控制。何財基等[11]、楊漢國[12]研究了高原干旱環境下同類結構的裂縫形式，并采用內摻內養護劑進行濕度補償減少收縮，外噴養護劑進行養護的方法降低了開裂風險。

綜上所述，國內研究大多集中于道床板和底座板凹槽，針對施工期CRTSⅢ型現澆底座板整體結構橫向裂縫控制的研究較少，而底座裂縫的產生對軌道結構有較大影響，目前我國高速鐵路里程超30 000 km，基于裂縫的普遍性，急需研究底座板橫向裂縫的產生機理和有效控制裂縫的方法。

1 項目概況

1.1 項目簡介

某高速鐵路特大斜拉橋位于長江下游河段，當地屬于亞熱帶季風氣候，冬冷夏熱，四季分明，施工期為6~9 月，高鐵軌枕結構采用CRTSⅢ型無砟軌道技術，基層鑿毛并植筋，安裝鋼制模板，底座板采用現澆混凝土成型，混凝土等級C40，相鄰接縫處設置伸縮縫，單塊底座板結構尺寸為：長6 m、寬3 m、厚0.18 m。施工現場全景以及底座板施工照片如圖1 所示。

圖1 施工現場全景以及底座板施工照片

1.2 異常情況說明

2022 年6 月14 日，采用47 m 天泵澆筑底座板，混凝土坍落度（180±20）mm，采用振搗棒機械振搗，人工初次抹面，待混凝土終凝前采用人工二次抹面，終凝后灑水并覆蓋養護膜自然養護，14 d 后拆除養護措施后出現垂直于長度方向的貫穿裂縫，且裂縫間距相近，平均每段底座板有5 條裂縫，寬度0.1~0.3 mm，如圖2 所示。針對該裂縫，項目部初步采用局部設置加強筋的方法（見圖3），但施工后裂縫控制效果仍無改善。

圖2 底座板裂縫分布與示意

圖3 底座板加強筋分布

2 開裂分析

為分析裂縫產生原因，主要從原材料、配合比、施工工藝和抗裂驗算等方面進行剖析。

2.1 原材料

膠凝材料：P·O42.5 華新水泥、F 類Ⅱ級粉煤灰，主要化學成分見表1；砂：水洗優質河砂，Ⅱ區中砂，含泥量1.3%；碎石：分別為5~16 mm 小石和16~25 mm 大石，含泥量0.3%；聚羧酸高性能減水劑：固含量20%，減水率大于25%。

表1 膠凝材料的主要化學成分%

從砂石骨料與膠凝材料檢測結果看，膠凝材料以及骨料均為優質品，品質良好。

2.2 原始配合比

為從根源上分析裂縫產生的原因，針對所用原材料匹配的生產混凝土配合比，檢查水膠比、砂率和膠材用量等關聯參數。C40 混凝土配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（大石）∶m（小石）∶m（河砂）∶m（減水劑）∶m（水）=287∶123∶776∶330∶736∶4.05∶144，從配合比來看，級配和砂率（40%）均在合理范圍內，雖然摻30%粉煤灰，一定程度上抑制了混凝土的自收縮，但水膠比較?。?.35），混凝土自收縮占比大。

2.3 施工工藝

從前述施工工藝上看，泵送混凝土和易性控制在合理范圍內，振搗與抹面工藝并無異常，終凝后的養護時間與齡期也符合TZ 210—2018《鐵路混凝土工程施工技術指南》要求。

2.4 抗裂相關試驗與計算

由上述可知，混凝土的開裂時間為14 d 拆除養護后出現，但工程條件為非標準養護條件，因此需考慮等效齡期，進行28 d 的抗裂驗算更恰當。為計算混凝土的綜合當量溫差，進行了如下試驗與計算。

（1）溫度試驗

通過在結構型心中埋入測溫線得到的基準組溫度歷程如圖4 所示，項目所在地當期平均環境溫度為30~35 ℃，初始入模溫度為34.4 ℃，溫峰值為47.0 ℃，48 h 后降至室溫。

圖4 中心溫度發展曲線

（2）自生收縮試驗

為監測混凝土的自生收縮，在施工現場澆筑混凝土的同時，將振弦式應變計埋入專用混凝土無應力桶（見圖5），現場取樣，并采用同條件進行養護。無線自動采集，監測混凝土收縮，通過監測數據得到自生收縮曲線。結合王鐵夢收縮公式模型[3]，通過系數選擇與修正得到擬合曲線，如圖6 所示。

圖5 無應力桶與應變計預埋試驗

圖6 基準混凝土自生收縮歷程

式中：εy（t）——任意時間t（d）的收縮，10-6；

εy0——標準狀態極限收縮，取400×10-6；

M1~M11——非標準條件的修正系數，通過查表及系數調整后所得M1·M2·M3…M11終值為0.69；

b——經驗系數，根據擬合規律取0.03~0.04。

由圖6 可知，基準混凝土12 d 時自生收縮趨近于平穩，28 d 收縮極限為160.5 με。將混凝土的收縮轉化為當量溫度按式（2）計算，計算得當量收縮溫度為16.0 ℃。

式中：α——混凝土熱膨脹系數，取10.0×10-6。

（3）抗裂驗算

因該結構為薄壁結構，里表溫差引起的自約束應力可以忽略，可根據GB 50496—2018《大體積混凝土施工標準》，外約束應力公式（3）計算28 d 拉應力。

式中：σx（t）——齡期為t時的外約束拉應力，MPa；

μ——泊松比，取0.15；

△T2i（t）——混凝土綜合降溫差，根據測溫結果，綜合降溫差為14.0 ℃，加上收縮當量溫度后該值為30.0 ℃；

Ei（t）——當齡期彈性模量，MPa，查表取28 d 標準值為32 500 MPa；

Ri（t）——外約束系數，其中L=6 m，H=0.18 m，因約束面為已硬化28 d 且鑿毛植筋后的橋面混凝土，故取Cx=1.5 N/mm3，經式（3）計算Ri（t）=0.59；

Hi（t，τ）——應力松弛系數，不但與加荷齡期有關，還與荷載持續時間有關，涉及到疊加原理，計算過程復雜，且相關標準中查表計算較為寬泛，難以直接引用，本文參考文獻[13-15]中所述方法，計算得到Hi（t，τ）=0.42。

通過上述已知參數，計算得到σx（28 d）=2.84 MPa，取C40混凝土28 d 極限標準抗拉強度2.39 MPa。則抗裂安全系數K=2.39÷2.84=0.84<1.15，存在開裂風險，與實際開裂相符。

綜上所述，結合裂縫出現的時間與走向判斷裂縫類型屬于收縮裂縫，收縮受到鑿毛基面與植筋、雙層主筋的約束產生拉應力，拉應力超過當期混凝土抗拉強度而開裂。

3 抗裂材料選擇及試驗實施

3.1 材料選擇

基于裂縫的特征，在混凝土中摻入兼具抗裂、減縮和增強密實作用的高性能纖維抗裂復合材料SY-COM，該材料為混凝土工程抗裂抗滲的一種新型復合功能材料，含有高性能聚合物纖維材料、納米改性材料和多種活性材料，通過多重組分材料復配產生的疊加效應有效抑制混凝土全過程裂縫。參考T/CECS 10001—2019《用于混凝土中的防裂抗滲復合材料》，材料的主要技術指標如表2 所示。

表2 SY-COM 纖維復合材料的主要技術指標

3.2 試驗方法

采用武漢三源特種建材有限責任公司生產的SY-COM型高性能纖維抗裂復合材料，為驗證該材料的真實性能，減少實際生產中不穩定因素，投入生產前驗證該材料的性能。根據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測試混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度，按T/CECS 10001—2019 進行結果評定。參考GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性標準》進行刀口誘導抗裂試驗，采用尺寸為800 mm×600 mm×100 mm 的平面薄板模具，內含7 條裂縫誘導器；通過調節風扇速率，使試件表面中心處風速不小于5 m/s。

3.3 混凝土試驗配合比

基準組混凝土配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（大石）∶m（小石）∶m（河砂）∶m（減水劑）∶m（水）=287∶123∶776∶330∶736∶4.10∶144，SY-COM 外摻方式加入，摻量為1.0 kg/m3，作為對比組。通過微調減水劑用量，確保滿足現場施工條件與性能要求，控制各組混凝土的坍落度為（180±20）mm。

3.4 試驗結果分析

2 組混凝土的主要物理力學性能測試結果見表3。

表3 2 組混凝土的主要物理力學性能

3.4.1 對工作性能的影響

由表3 可知，摻加SY-COM 有助于提高混凝土拌合物的坍落度和擴展度，混凝土的含氣量稍有增加。這是因為其中含有高分子聚合物保水組份，水解后形成的水分子鏈可以使混凝土水分布更加均勻，同時在水化初期保留水分，減小塑性階段水分蒸發速率，降低混凝土內部毛細管負壓，后期逐漸釋放，提高混凝土的流動性，使得混凝土泵送更加流暢。

3.4.2 對抗壓和劈裂抗拉強度的影響

由表3 可知：

（1）對比組的7、28 d 抗壓強度略高于基準組，原因在于SY-COM 中的納米活性組分具有晶核和改善纖維性能的雙重作用，晶核作用可改變水泥水化過程和水化產物的顆粒形貌及空間排列，降低界面區的取向程度，增強物質間的粘結力，改善水泥石及界面過渡區，細化水泥石中的孔徑；同時納米活性材料能有效吸附在纖維表面，增加纖維表面的粗糙度，提高纖維與水泥基體粘結力，削弱纖維與混凝土界面層中由水膜形成的疏松網狀結構，使得抗壓強度提高，7、28 d 抗壓強度比分別為102%、103%，均符合T/CECS 10001—2019 的要求（≥90%）。

（2）對比組的7、28 d 劈裂抗拉強度均高于基準組，原因在于纖維與水泥基體間產生的拉拔作用，提高了混凝土的劈裂抗拉強度，28 d 劈裂抗拉強度比為114%，符合T/CECS 10001—2019 的要求（≥100%）。由文獻[3]可知，混凝土劈裂抗拉強度與真實抗拉強度具有一定誤差，抗裂驗算時不可直接引用，但是試驗的抗拉強度增長率可以有一定參考作用。

3.4.3 對抗裂性能的影響

2 組混凝土的刀口誘導抗裂試驗結果如圖7 所示。

圖7 2 組混凝土的刀口誘導抗裂試驗結果

由圖7 可知，基準組共出現7 條平行于刀口的裂縫，而對比組始終未出現裂縫，根據長度與開裂面積，結合裂縫降低系數η 計算公式：

式中：Amer——基準組混凝土的裂縫總面積，mm2/m2；Afer——對比組混凝土的裂縫總面積，mm2/m2。

統計得到基準組混凝土的裂縫總面積Amer=2465 mm2/m2，計算對比組的裂縫降低系數η=100%，符合T/CECS 10001—2019 的要求（≥80%），評定結果為Ⅰ級。高性能纖維抗裂復合材料可有效抑制混凝土早期收縮裂縫的產生，可進一步通過實際生產驗證其效果。

4 工程應用

4.1 混凝土質量控制

為確?；炷辽a的質量穩定性，采用對講機與視頻監控技術確保精準投料，并適當延長攪拌時間，使纖維等功能組分充分拌和，分布均勻?；炷潦┕ゐB護按照原設計方法執行。

4.2 混凝土自生收縮對比（見圖8）

圖8 混凝土的自生收縮歷程

由圖8 可知：混凝土7 d 內自生收縮（包含干燥收縮和自收縮）速率較快，之后趨于平穩，這是因為水泥水化放熱反應集中在該階段，水化反應消耗水分造成混凝土內部相對濕度降低，導致毛細管凹液面半徑曲率減小，毛細負壓增大，故該階段收縮占比較大，這與混凝土強度發展規律類似，7 d 強度達到28 d 強度的80%，基準組7 d 收縮達到123.3 με，占28 d收縮的76.9%。

而摻SY-COM 對比組混凝土自生收縮變形幅度顯著小于基準組，28 d 收縮為70.3 με，相較基準組減小了90.2 με，降低幅度為56.2%，減縮效果顯著，一方面在于抗裂纖維具有可以在混凝土內部均勻分布，減少水分外溢揮發通道，且分散混凝土因毛細管失水負壓產生的應力，從而減少收縮，另一方面，功能復合粉體活性組分能夠與水泥水化產物Ca（OH）2反應，并在化合物的激發下發生二次水化反應生成具有膠凝性的產物，水化產生的結晶體和凝膠填充在混凝土內部毛細孔道和微裂縫中，切斷和阻塞混凝土內部的貫通孔和裂縫，減少有害孔，從而進一步降低收縮，此外，其中的減縮功能成分能增大孔隙水黏度，增強水在混凝土膠體中的吸附作用，且能降低孔隙水的表面張力，減少毛細負壓應力，進一步減少收縮。

4.3 工程應用效果對比與驗證

根據上述摻SY-COM 的配合比進行工程應用實施，共澆筑14 段底座板，共排查60 d，始終未出現任何裂縫，如圖9 所示。

圖9 工程應用效果

為量化方案的可行性，將前面所述試驗結果代入抗裂驗算公式進行驗證，摻SY-COM 后混凝土28 d 的自生收縮為70.3 με，通過式（1）計算得到其當量收縮溫度為7.0 ℃，其他條件不變，將該結果代入式（3），得到σx（t）=1.99 MPa。則抗裂安全系數K=（2.39×1.14）÷1.99=1.37>1.15，該結果在抗裂安全范圍內，該方案可行，抗裂安全系數較原方案提高了63.1%。

綜上可知，與原方案相比，高性能纖維復合材料可顯著降低混凝土的自生收縮變形，同時一定程度提高了抗拉強度，提高了抗裂安全系數，使方案得到了驗證，提高了結構安全性，也降低了長期維護成本，對于提高混凝土結構耐久性和預防服役期結構開裂具有重要意義。

5 結 論

（1）從原材料、配合比、施工工藝、開裂規律和抗裂驗算等方面對底座板開裂原因進行了剖析，判斷該類裂縫屬于收縮裂縫，混凝土收縮受到鑿毛基面與植筋、雙層主筋的約束產生拉應力，拉應力超過當期混凝土抗拉強度而開裂。

（2）在混凝土中引入兼具抗裂、減縮和增強密實作用的高性能纖維抗裂復合材料SY-COM，進行了一系列室內試驗，結果表明：混凝土拌合物的坍落度和擴展度增大，含氣量稍有增加，對于混凝土施工無不利影響；同時，一定程度上提高了抗壓和劈裂抗拉強度；早期刀口誘導抗裂試驗表明，該材料顯著了降低了開裂面積。

（3）對高性能纖維抗裂復合材料進行了工程應用，通過自生收縮試驗、抗裂驗算和效果對比，結果表明：摻入高性能纖維抗裂復合材料后，混凝土自生收縮降低了56.2%，抗裂安全系數提高了63.1%，顯著提高了抗裂性能。