樓梁偉，謝永江，辛學(xué)忠，仲新華

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081; 3.滬昆鐵路客運(yùn)專線浙江有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310016)

CRTSⅡ型板式無砟軌道軌道板與寬接縫界面開裂研究

樓梁偉1，2，謝永江1，2，辛學(xué)忠3，仲新華1，2

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081; 3.滬昆鐵路客運(yùn)專線浙江有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310016)

針對(duì)板式無砟軌道軌道板與寬接縫界面開裂進(jìn)行了調(diào)研，分析了開裂的特征、成因及其危害，并提出改進(jìn)措施。結(jié)果表明:軌道板與寬接縫界面開裂寬度半數(shù)以上介于0.2～0.5 mm，實(shí)測最大寬度為1.7 mm;開裂與混凝土軌道板溫差變形、干縮變形密切相關(guān)，理論計(jì)算裂縫寬度為1.64 mm。界面開裂后滲水將導(dǎo)致水泥瀝青砂漿墊層出現(xiàn)唧漿、粉化等現(xiàn)象，采取預(yù)設(shè)凹槽及柔性嵌縫材料灌縫的技術(shù)措施可解決此問題。

板式無砟軌道 寬接縫 界面開裂 成因 改進(jìn)措施

CRTSⅡ型板式無砟軌道是我國鐵路客運(yùn)專線和高速鐵路的主要軌道結(jié)構(gòu)形式，從上至下依次由60 kg/m鋼軌、彈性扣件、預(yù)制軌道板、砂漿墊層、混凝土底座板(或支承層)等部分組成，軌道板之間通過6根φ20精軋螺紋鋼筋縱向連接，形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系。緊鄰鋪設(shè)的兩塊軌道板橫向間隙為寬接縫，設(shè)計(jì)寬度200 mm。寬接縫內(nèi)部填充的混凝土要求具有良好的體積穩(wěn)定性和高密實(shí)度，以便滿足軌道結(jié)構(gòu)功能和施工工藝要求，最大限度地保證無砟軌道的服役壽命。

為避免軌道板與寬接縫在新老混凝土結(jié)合面處產(chǎn)生開裂，設(shè)計(jì)要求寬接縫采用C55微膨脹高性能混凝土，膨脹率應(yīng)＞2.5×10-4。但工程實(shí)踐表明［1］，軌道板與寬接縫界面仍普遍出現(xiàn)橫向貫通裂縫，裂縫寬度通常在0.1～2.0 mm，最寬時(shí)可達(dá)2～3 mm，且隨溫度變化而變化。

針對(duì)這一現(xiàn)象，本文實(shí)地調(diào)研了軌道板與寬接縫的界面開裂情況，選取典型界面裂縫進(jìn)行觀測，深入研究了裂縫產(chǎn)生的主要原因，分析了裂縫產(chǎn)生的危害，并提出寬接縫界面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和措施，為類似工程提供借鑒。

1 界面開裂特征

依托在建高速鐵路工程，對(duì)路基、橋梁、隧道不同區(qū)段的軌道板與寬接縫的界面開裂情況進(jìn)行了調(diào)研，如圖1所示。觀測點(diǎn)布設(shè)于界面裂縫處，每側(cè)3個(gè)點(diǎn)，分別位于軌道板板端中線位置與距離板側(cè)面各100 mm處，如圖2所示。

圖1 軌道板與寬接縫界面開裂

圖2 界面裂縫觀測示意

裂縫每2個(gè)月觀測1次，裂縫寬度以同側(cè)3點(diǎn)測量結(jié)果的平均值表征。根據(jù)裂縫寬度平均值對(duì)裂縫進(jìn)行分類，結(jié)果見表1與圖3。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，軌道板與寬接縫界面裂縫寬度介于0.2～0.5 mm之間的占50%以上。結(jié)合圖3分析可知，當(dāng)環(huán)境溫度從12℃升高至35.0℃，寬度超過0.5 mm的裂縫比例從20.8%減小至0，而后隨溫度降低至6℃，寬度超過0.5 mm的裂縫比例再次提高至27.1%。這說明軌道板與寬接縫的界面裂縫寬度與環(huán)境溫度密切相關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，裂縫寬度有所減小;反之，裂縫寬度有所增加。

現(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn)，裂縫最大寬度出現(xiàn)在12月份溫度較低時(shí)，最大縫寬達(dá)到1.7 mm，位于橋梁區(qū)段。相比而言，隧道中軌道板與寬接縫的界面開裂程度較輕，最大縫寬未超過0.45 mm，且以0.30 mm以下裂縫居多。分析認(rèn)為，隧道中環(huán)境溫差較小，空氣濕度恒定，混凝土結(jié)構(gòu)伸縮和翹曲變形小，故界面開裂趨勢減弱，寬度亦隨之減小，裂縫數(shù)量大幅降低。

表1 界面裂縫寬度分布統(tǒng)計(jì)

圖3 界面裂縫寬度隨溫度的變化曲線

2 界面開裂成因

無砟軌道結(jié)構(gòu)長期暴露于自然環(huán)境中，軌道板的溫度和濕度隨著大氣溫度和太陽輻射強(qiáng)度的變化而經(jīng)歷周期性變化。由于混凝土材料的自身特性，隨著溫濕度的變化，軌道板會(huì)產(chǎn)生伸縮變形和翹曲變形，其變形量與界面開裂密切相關(guān)。一旦變形過大，處于軌道結(jié)構(gòu)新老混凝土結(jié)合的接縫界面處即發(fā)生開裂。

通常，混凝土材料在自由狀態(tài)下的線膨脹系數(shù)αf為10×10-6/℃［2］，Ⅱ型軌道板設(shè)計(jì)配筋率為1.0%，查詢相關(guān)文獻(xiàn)約束度R可取0.40［3］，根據(jù)公式(1)計(jì)算可知，軌道板線膨脹系數(shù)αt為6×10-6/℃。

根據(jù)Darter和Barenberg推導(dǎo)的接縫張開公式［3］，軌道板結(jié)構(gòu)長度為6 450 mm，混凝土干縮系數(shù)取1.5 ×10-4，按溫差40℃考慮，根據(jù)公式(2)計(jì)算可知，軌道板與寬接縫界面處開裂寬度將達(dá)到1.64 mm。

式中:Δl為因混凝土溫度變化和干縮產(chǎn)生的界面開裂寬度，mm;C為軌道板與基層摩擦力的修正系數(shù)，取0.65;l為接縫間距或軌道板長，mm;αt為混凝土線膨脹系數(shù)，/℃;ΔT為溫度變化范圍，℃;ε為混凝土干縮系數(shù)，為(0.5～2.5)×10-4。

理論計(jì)算表明，當(dāng)不同時(shí)段軌道板混凝土溫差達(dá)到40℃時(shí)，軌道板與寬接縫界面處開裂寬度將達(dá)到1.64 mm，與現(xiàn)場實(shí)際測得最大寬度接近?？梢?，溫差和干縮引起的混凝土結(jié)構(gòu)變形是導(dǎo)致界面開裂的主要原因。

3 界面開裂危害

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際開裂情況及伴生的劣化問題，軌道板、寬接縫與砂漿墊層界面結(jié)構(gòu)可簡化為如下模型，如圖4所示。

圖4 界面開裂示意

已有研究表明［4］，當(dāng)基層結(jié)構(gòu)內(nèi)存在自由水時(shí)，重復(fù)軸載引起的結(jié)構(gòu)損壞比處于干燥時(shí)成倍增加。由圖4可知，雨水、有害離子等介質(zhì)通過界面裂縫不斷滲透進(jìn)入寬接縫混凝土界面、軌道板與砂漿層界面以及砂漿毛細(xì)孔內(nèi)部，在行車荷載—水—溫度耦合作用下，混凝土與砂漿材料容易過早損傷劣化并引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞，直接影響到軌道結(jié)構(gòu)的服役性能和耐久性。

圖5 層間界面唧漿現(xiàn)象

1)通過界面裂縫形成了輸水通道，滲水積聚在軌道板與砂漿墊層界面，砂漿材料趨向于自由水飽和狀態(tài)。在行車荷載的反復(fù)作用下，產(chǎn)生動(dòng)水壓和泵吸作用［5］，使得自由水在接縫和層間界面處高速流動(dòng)，對(duì)砂漿表層形成持續(xù)沖刷，松散細(xì)粒料隨水流從層間界面析出，產(chǎn)生唧漿現(xiàn)象，如圖5所示。長此以往，軌道板端部逐漸脫空，加劇錯(cuò)臺(tái)、翹曲，從而改變板端與墊層結(jié)構(gòu)受力，并導(dǎo)致砂漿碎裂甚至粉化。

2)雨水、雪水等滯留于軌道板與砂漿層界面，一方面，自由水進(jìn)入砂漿層原生裂隙，砂漿容易發(fā)生凍脹劈裂，導(dǎo)致基層材料強(qiáng)度降低，逐漸失去支承力;另一方面，含有害離子的自由水滲入砂漿毛細(xì)孔，砂漿層隨環(huán)境溫度周期性變化而發(fā)生凍融破壞，由表及里緩慢剝蝕、風(fēng)化。

4 改進(jìn)措施

軌道板與寬接縫的界面裂縫是動(dòng)態(tài)變化的，所以考慮從優(yōu)化寬接縫設(shè)計(jì)，改善接縫材料以及側(cè)面封閉三個(gè)方面入手，阻止雨水直接滲入寬接縫與砂漿墊層中，消除行車荷載、環(huán)境作用下雨水、有害離子等介質(zhì)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的破壞作用。

4.1 預(yù)設(shè)凹槽

在軌道板與寬接縫結(jié)合面預(yù)設(shè)橫向貫通凹槽，如圖6所示。根據(jù)美國ASTM C1193-00和德國DIN 18450水泥混凝土結(jié)構(gòu)接縫寬度與深度推薦值［6］，設(shè)計(jì)槽寬20 mm，槽深15 mm。為適應(yīng)寬接縫界面開裂的時(shí)變特性，采用自主研發(fā)的柔性嵌縫材料充填凹槽。其主要性能見表2。

表2 柔性嵌縫材料主要指標(biāo)

圖6 凹槽結(jié)構(gòu)示意

4.2 噴涂憎水封閉材料

在軌道板與寬接縫界面兩側(cè)及軌道板端部與墊層界面兩側(cè)各30 mm范圍內(nèi)噴涂憎水型封閉材料，使其在基體表面形成封閉憎水層，如圖7所示。

圖7 側(cè)面憎水型封閉材料

上述技術(shù)措施應(yīng)用于某高速鐵路無砟軌道寬接縫施工(見圖8)。后期觀測表明，嵌縫材料與混凝土基體粘結(jié)良好，無開裂、穿刺破壞、脫落和老化等現(xiàn)象，寬接縫未見表面滲水(見圖9)。與此同時(shí)，憎水性封閉材料與基體結(jié)合良好，未出現(xiàn)起皮、剝落和變色現(xiàn)象，具有良好的憎水性能。

圖8 填充預(yù)設(shè)凹槽

圖9 柔性嵌縫材料(1年后)

5 結(jié)論

1)調(diào)研表明，軌道板與寬接縫界面普遍開裂，并隨環(huán)境溫度增加而減小。裂縫寬度介于0.2 mm至0.5 mm之間的占裂縫總數(shù)的50%以上。實(shí)測最大寬度達(dá)1.7 mm。

2)界面開裂與軌道板溫差變形、干縮變形密切相關(guān)，經(jīng)理論推算，按溫差40℃考慮，軌道板與寬接縫界面的開裂寬度將達(dá)到1.64 mm。

3)軌道板與寬接縫界面開裂加速雨水等有害介質(zhì)的滲入，在行車荷載和外界環(huán)境的反復(fù)作用下，砂漿墊層出現(xiàn)唧漿、凍脹、粉化等破壞，可以導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)惡化，甚至影響后期運(yùn)營安全。

4)采取預(yù)設(shè)凹槽并以柔性嵌縫材料封閉為主，噴涂憎水型防水材料為輔的技術(shù)措施，能夠解決軌道板與寬接縫界面開裂及滲水問題。所采用的柔性嵌縫材料具有良好的施工性、粘接性、彈韌性和耐候性。

［1］楊金成.Ⅱ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生機(jī)理及修補(bǔ)方案研究［J］.石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，25(2): 54-58.

［2］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［3］富文權(quán)，韓素芳.混凝土工程裂縫分析與控制［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

［4］LOVERING W R，CEDERGREN H R.Structural Section Drainage［C］//International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements Proceedings.U.S.A.:National Academies Press，1962:193-207.

［5］黃立葵，何慧斌，張迎春，等.水泥混凝土路面的水沖刷破壞［J］.中南公路工程，2003，28(3):18-22.

［6］王碩大，劉曉曦，吳永根，等.機(jī)場混凝土道面新型封縫材料灌縫寬度與深度研究［J］.防水材料與施工，2004，37(12): 25-27.

Study on crack in interface between track slab and wide joint for CRTS Ⅱ slab-type ballastless track

LOU Liangwei1，2，XIE Yongjiang1，2，XIN Xuezhong3，ZHONG Xinhua1，2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China; 3.Shanghai-Kunming Railway Passenger Dedicated Line Zhejiang Co.，Ltd.，Hangzhou Zhejiang 310016，China)

In this paper，the interface cracking between track slab and wide joint of slab-type ballastless track was investigated，the cracking characteristics，causes and influences were analyzed，and the improvement measures were put forward.The results showed that more than half of interface cracking width is from0.2 mm to0.5 mm and the measured maximum width is 1.7 mm，cracking is closely related to temperature deformation and dry shrinkage deformation of concrete track slab and theoretical calculation value of cracking width is 1.64 mm，seepage leads to pumping and pulverization of cement emulsified asphalt mortar layer after interface cracking，which can be solved by presupposing groove and crack pouring with flexible sealing material.

Slab-type ballastless track;Wide joint;Interface cracking;Causes;Improvement measures

U213.2+42

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.22

1003-1995(2015)01-0098-04

(責(zé)任審編 趙其文)

2014-09-25;

2014-11-18

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2013G008-D)

樓梁偉(1982—)，男，浙江諸暨人，助理研究員，碩士。