孔 云 中鐵四局集團(tuán)有限公司試驗(yàn)檢測中心，合肥 230023

1 概述

蘭新鐵路第二雙線途經(jīng)哈密和吐魯番地區(qū)，此地屬典型溫帶大陸性干旱氣候，冬季寒冷干燥，春季多風(fēng)且冷暖多變，夏季高溫少雨，惡劣的氣候條件對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了巨大的危害，尤其在道床板施工過程中混凝土容易出現(xiàn)嚴(yán)重的開裂現(xiàn)象。為解決這一施工難題，項(xiàng)目部和鐵科院合作，對(duì)道床板混凝土施工進(jìn)行研究，在百里風(fēng)區(qū)開展多次工藝性試驗(yàn)，最終有效減少了道床板開裂的現(xiàn)象。

2 道床板混凝土裂縫產(chǎn)生的原因分析

2.1 混凝土內(nèi)外的溫差導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)

如果溫差超過一定值時(shí)，即產(chǎn)生溫差應(yīng)力，當(dāng)溫差應(yīng)力大于極限抗拉強(qiáng)度時(shí)混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫。在哈密百里風(fēng)區(qū)，極端氣候頻現(xiàn)晝夜溫差大，混凝土在這樣的水化環(huán)境和環(huán)境溫度的變化中發(fā)生劇烈變化，當(dāng)溫差超標(biāo)時(shí)極易產(chǎn)生溫差裂紋。

2.2 混凝土的收縮變形導(dǎo)致道床板混凝土出現(xiàn)裂縫

混凝土收縮分為溫度收縮、自收縮、干燥收縮和塑性收縮。這幾種收縮有相似的地方也有不同之處，溫度收縮是由于混凝土水化熱的釋放過程中溫度降低而產(chǎn)生的收縮。自收縮和干燥收縮均是由于混凝土中水分遷移引起的，但是自收縮是由于水泥水化過程中消耗水分造成凝膠孔的液面下降，形成彎月面產(chǎn)生所謂的自干燥作用，混凝土體的相對(duì)濕度降低、體積減小。而干燥收縮的主要原因是吸附水的消失，當(dāng)吸附水消失時(shí)，造成混凝土的體積收縮。塑性收縮則是由于混凝土表面的蒸發(fā)水不能得到及時(shí)補(bǔ)充，而此時(shí)混凝土尚處于塑性狀態(tài)，稍微受到一點(diǎn)拉力，混凝土表面就會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的裂縫，出現(xiàn)裂縫后混凝土體內(nèi)水分蒸發(fā)會(huì)進(jìn)一步加快，所以裂縫迅速擴(kuò)展。

2.3 其他因素導(dǎo)致的裂縫

當(dāng)?shù)来舶寤炷潦艿郊s束力超過極限拉力時(shí)混凝土也會(huì)產(chǎn)生裂縫，由于雙塊式無砟軌道施工一般采用軌排框架或工具軌兩種施工方式，軌排框架和工具軌均按單元結(jié)構(gòu)將軌枕和鋼軌用扣配件連成一個(gè)整體，當(dāng)混凝土澆筑完成終凝后，未能及時(shí)松扣件而釋放軌排的應(yīng)力，將導(dǎo)致軌枕附近的混凝土開裂。

圖1 溫差裂縫

圖2 塑性裂縫

圖3 不當(dāng)施工導(dǎo)致的裂縫

3 預(yù)防道床板混凝土開裂的主要措施

3.1 道床板混凝土配合比的設(shè)計(jì)

3.1.1 初步確定水泥用量、單方用水量及水灰比的范圍

道床板配合比按照所處的環(huán)境條件同時(shí)符合設(shè)計(jì)和驗(yàn)收規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)一定齡期的收縮試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)影響混凝土收縮的主要因素有水灰比、水泥用量、單方用水量等。

從圖4中可以得出以下結(jié)論：水泥用量越大，混凝土收縮率越大，而相同水泥用量條件下隨著水灰比的增大，混凝土收縮逐漸增大，同時(shí)單方混凝土用水量增加收縮值也在增大，收縮值越大就越容易開裂。

圖4 水灰比、用水量、膠材用量與混凝土收縮的關(guān)系圖

3.1.2 通過試驗(yàn)研究確定混凝土中粉煤灰摻量和含氣量

為了確定粉煤灰摻量和混凝土含氣量對(duì)混凝土收縮率的影響關(guān)系，采用相同配合比對(duì)粉煤灰摻量進(jìn)行調(diào)整，從10%～40%替代水泥，對(duì)混凝土收縮率進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果圖可以得出：混凝土收縮率隨著齡期增長而增大，隨著粉煤灰摻量的加大混凝土收縮率在逐漸減小，到30%時(shí)達(dá)到最小值，摻量達(dá)到40%時(shí)混凝土收縮率又增大，可以確定粉煤灰30%為最佳摻量。通過摻如引氣劑對(duì)混凝土進(jìn)行適當(dāng)引氣，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，給道床板混凝土適量的引入空氣含量，對(duì)混凝土的收縮有一定的好處，含氣量在4%～6%之間最為有利，當(dāng)達(dá)到7%時(shí)收縮率較大。

圖5 粉煤灰摻量與收縮率關(guān)系圖

圖6 含氣量與收縮率關(guān)系圖

3.1.3 摻加SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑降低混凝土自收縮減少裂縫的產(chǎn)生

內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑SAP（超強(qiáng)吸水樹脂）作為一種新型材料，其可顯著提高混凝土的早期膨脹值和限制膨脹率，降低膨脹與收縮變形的差值。內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑作用機(jī)理：SAP具有吸水-釋水功能，摻加SAP將有利于鈣礬石的生成和水泥水化程度的提高，并能有效改善膨脹混凝土的孔結(jié)構(gòu)分布。為了對(duì)比SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑的減縮效果，我們在風(fēng)區(qū)路基段無砟軌道施工現(xiàn)場開展工藝試驗(yàn)，測試結(jié)果如下圖：

圖7 內(nèi)摻養(yǎng)護(hù)劑與收縮率關(guān)系圖

從圖中我們不難發(fā)現(xiàn)混凝土在塑性階段，摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料8%的混凝土呈現(xiàn)先膨脹后小幅收縮趨勢，120h時(shí)收縮僅為空白18%，具有較好的減縮效應(yīng)；硬化階段，內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料可使混凝土終極收縮值降低41%。

3.2 混凝土施工質(zhì)量控制

混凝土終凝后及時(shí)對(duì)其灑水保濕養(yǎng)護(hù)，或者立即噴涂養(yǎng)護(hù)劑成膜，并及時(shí)覆蓋土工布、塑料布和篷布并壓實(shí)拉緊防止被風(fēng)吹開，養(yǎng)護(hù)時(shí)間一般不少于21d，期間對(duì)于灑水養(yǎng)護(hù)的混凝土要及時(shí)補(bǔ)水，對(duì)于采用養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)的混凝土要檢查養(yǎng)護(hù)劑的成膜質(zhì)量是否滿足要求。

4 施工效果

通過一段時(shí)間觀察發(fā)現(xiàn)，采用低水膠比、低膠材用量和用水量、低坍落度、適當(dāng)含氣量同時(shí)摻加內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑的混凝土與其他未采取措施的混凝土相比，降低道床板混凝土開裂的成效非常明顯，裂縫的數(shù)量大幅減少，由開始時(shí)的近90%降低到3%，且裂縫的長度寬度基本在規(guī)范允許范圍，達(dá)到了預(yù)定的效果，有效控制了道床板混凝土的開裂現(xiàn)象，有效地保證了蘭新鐵路道床板混凝土質(zhì)量。