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1、高速铁路CRTS型轨道板裂缝分析与预防中铁二局新运公司石武项目部 杨 格摘要: 通过对石武高速铁路客运专线CRTS型轨道板预制过程中板体出现裂缝进行系统地分类，就各类裂缝的形成原因和机理进行详细地分析，最后针对不同的裂缝类型提出了相应的预防措施。关键词：轨道板；裂缝；分析；预防 1、概述目前，我国高速铁路建设处于迅猛发展的阶段。高速铁路多采用无砟轨道，它是当今世界先进的轨道技术，可以减少维护、降低粉尘、美化环境，而且列车时速可以达到200公里以上，目前在建的京沪高铁、京石高铁、石武高铁、广深港高铁、京沈高铁、哈大高铁均采用了板式无砟轨道技术。轨道板的制造是无砟轨道技术系统的关键，无砟轨道板分为
2、CRTS型、CRTS型、CRTS型，均为单向预应力混凝土结构，由于混凝土抗拉能力差，因此如果设计或施工不当，容易造成轨道板开裂。以下为笔者通过对石武高速客专元氏轨道板场生产CRTS型轨道板过程中各种裂缝的观察、分析和研究并不断探索，找到的一些可控制方法，供参考和探讨(见图1)。图1 轨道板标准化施工现场2、轨道板裂缝的分类及成因分析轨道板为钢筋混凝土预应力结构，元氏轨道板场生产过程中的CRTS型轨道板混凝土裂缝，追溯其产生的原因可分为以下几类：（1）由荷载效应产生的裂缝；（2）混凝土收缩产生的裂缝；（3）碱骨料反应产生的裂缝；（4）预应力张拉不当产生的裂缝；（5）温度裂缝；（6）施工工艺不当产
3、生的裂缝；2.1荷载裂缝在设计计算过程中，荷载工况考虑不周，配筋不合理，结构尺寸不足，构造处理不当，刚度不足，且施工阶段不按图纸施工等均有可能产生荷载裂缝。由于轨道板有“真空吊具起吊”这一工序，在起吊过程中如果真空吊具吊点位置设计不合理，将在吊点处板内产生较大的弯矩，而使得轨道板受弯开裂。荷载裂缝一般与受力钢筋呈正交或斜交状态。若裂缝是由于钢筋与混凝土粘结应力过大造成的，则该裂缝方向与钢筋长度方向一致，且呈放射状或劈裂状(见图2)。图2 轨道板荷载裂缝2.2收缩裂缝混凝土是由气、液、固三相组成的假固体（指浇筑过程到养护），其中尚有未水化的水泥颗粒，还要吸收周围的水分。液、固相间的胶凝体，因水分
4、散失，体积会缩小，引起收缩裂缝。在实际施工工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩裂缝可分为以下4种：干燥收缩裂缝、自生收缩裂缝、碳化收缩裂缝、塑性收缩裂缝。2.2.1干燥收缩裂缝混凝土凝结硬化之后，随着表层水分逐步蒸发，湿度逐步降低，混凝土体积减小，产生缩水收缩（干缩）。因混凝土表层水分损失快，内部损失慢，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，表面收缩变形受内部混凝土的约束，致使表面混凝土承受拉力，当此拉力超过其抗拉强度，便产生收缩裂缝，混凝土硬化后收缩主要就是缩水收缩。2.2.2自生收缩裂缝在水泥水化的过程中，水泥与水发生水化反应，水化后体积会收缩，这种收缩与外界湿度
5、无关，且可以是正的（即收缩，如普通硅酸盐水泥混凝土），也可以是负的（即膨胀，如矿渣水泥混凝土与粉煤灰水泥混凝土）。2.2.3碳化收缩裂缝此类裂缝是因受空气中CO的作用而导致水泥砂浆体积缩小现象。影响混凝土碳化收缩的两个最基本因素是：CO的浓度；湿度。CO作为一个反应物，当然浓度越高，碳化反应越迅速，因而碳化收缩也越大。但湿度却不然，当相对湿度为55时，碳化收缩达最大值。当相对湿度大于55时，碳化收缩随相对湿度的增加而减小；当相对湿度小于55时，碳化收缩则随相对湿度的减小而减小；当相对湿度低于25时，碳化收缩几乎停止。 2.2.4塑性收缩裂缝塑性收缩往往发生在施工过程中，混凝土浇筑后4h5h左右
6、，此时水泥水化反应剧烈，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发，混凝土失水收缩，同时骨料因自重下沉。因此时混凝土尚未硬化，所以成为塑性收缩。塑性收缩时产生的毛细管压力值可达到0.021MPa左右，毛细管压力引起的拉应力使固体颗粒凝聚而使混凝土表面收缩，就产生塑性收缩裂缝(见图3)。图3 轨道板收缩裂缝2.3碱骨料反应裂缝碱骨料反应是指混凝土中的碱性物质与骨料中的活性成分发生化学反应,引起混凝土内部自膨胀而产生内应力而开裂的现象。碱骨料反应给混凝土工程带来的危害是相当严重的。因碱骨料反应时间较为缓慢,短则几年,长则几十年才能被发现。发生碱骨料反应需要具有三个条件:首先是混凝土的原材料水泥、混合材
7、、外加剂和水中含碱量高；第二是骨料中有相当数量的活性成分；第三是潮湿环境，有充分的水分或湿空气供应。因元氏轨道板场地处河北腹地，空气干燥，且各项原材料指标多方控制较严，目前还未检测到此类裂缝。2.4预应力施工不当产生的裂缝在混凝土没有达到规定强度时就进行预应力放张作业或放张施工方法不当，都会引起放张裂缝。2.5温度裂缝轨道板混凝土同样具有热胀冷缩的性质，特别是冬季施工时厂房内温度只能达到1015之间，而混凝土浇注完成养护16小时脱模时，板体表面温度在3040之间，较大的温差使轨道板预裂缝处出现细小裂纹，这已影响板场轨道板体质量。当外部环境或结构内部温度发生变化时，混凝土将发生变形，若变形遭到约
8、束，则在内部将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝(见图4)。图4 轨道板温度裂缝2.6施工工艺不当造成的裂缝混凝土施工过程中未严格按照工艺要求进行质量控制，则有可能产生施工裂缝，主要有以下三个成因：2.6.1拌制混凝土时不按配合比计量，任意加水，致使浇筑质量不均匀，收缩不一致产生裂缝。2.6.2混凝土从搅拌到浇筑的时间过长，致使大量网状不规则的裂缝产生； 2.6.3由于未按照规范要求养护造成轨道板表面混凝土开裂(见图5)；图5轨道板施工裂缝3、轨道板裂缝预防措施通过对轨道板裂缝的成因分析，可制定以下针对性措施预防轨道板裂缝。3.1荷载裂缝的防治前文提到过，轨道板特定位置开裂极有
9、可能是由于吊点位置设置不当造成的。因此，在进行吊点位置布置之前，应对整个起吊过程进行正确的受力分析，确定合理的吊点位置。真空吊具按照原设计，起吊点中心距CRTS型轨道板两端的间距为1.35m，起吊点到板中的距离为1.9m，在真空吊具起板过程中，板中部所受弯矩最大。一块CRTS型轨道板按8.5t计，磨阻系数按1.2计。则中部产生0.59t的力矩：1.351.581.35/21.91.581.9/20.59t底部受拉，顶部受压。轨道板受力如下图经受力分析后，把吊点向内侧各移55cm，中部产生的力矩为0.59t，底部受压，顶部受拉，而CRTS型轨道板顶部加设了预应力钢筋，抗拉效果很好，能充分承受拉力
10、，同时平缓起吊，防止受力不均或受扭，以上措施运用得当，可以最大限度避免轨道板预裂缝开裂。（见图6）图6 改装后的真空吊具起吊作业3.2收缩裂缝的防治3.2.1满足施工要求的前提下，混凝土坍落度尽可能小；3.2.2混凝土的配合比应保证混凝土有良好的稠度和保水性；3.2.3确保混凝土表面钢筋的保护层厚度；3.2.4应选择干缩率较小的水泥和骨料。3.3碱骨料反应裂缝的防治3.3.1控制混凝土中含碱量由于混凝土中碱的来源不仅是从水泥，还可从外加剂、水，甚至有时从骨料中来，因此：生产前首先应选项用低碱硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，严格控制混凝土各种原材料碱含量和混凝土总碱含量。3.4预应力施工不当产生裂缝
11、的防治：CRTS型轨道板采用整体先张法施工，在混凝土施工养护结束后进行整体放张作业，放张时，先对CRTS型轨道板进行超张拉，待松开张拉油缸保险卡环后再进行放张作业，混凝土先受拉，后受压，因此混凝土强度要大于放张时所产生的应力，必须缓慢放张预应力筋。3.5温度裂缝的防治在轨道板内部设置测温装置，严格控制轨道板芯部温度，使轨道板内外温差在可控范围之内。根据CRTS型轨道板施工所采集的实际温度数据，一般在16小时放张作业时混凝土芯部温度在4555之间，与周边环境的温差大于20，所以要采用相关措施来降低混凝土温差：3.5.1厂房内升温，保证温度在2025之间，以此保证轨道表面与环境温度之差小于20；3
12、.5.2根据板场前期所做试验，轨道板养护时间延长至2024小时（14小时后采取降温措施），使板芯部温度在自然状态下缓慢降低到3540之间，能有效地降低预裂缝开裂。3.6施工工艺不当造成的裂缝的防治3.6.1混凝土浇筑时，模板温度应控制在1030，当模板温度过低或过高时，应对模板采取升温或降温措施。混凝土入模温度应控制在530。3.6.2严格控制混凝土振捣时间,保证振捣密实无过振(见图7)。图7 轨道板混凝土浇筑过程3.6.3加强养护。对轨道板采用土工布覆盖洒水，加盖一层彩条布和一层篷布的养护法，不仅充分利用了施工余水进行养护，而且还在混凝土凝固后对其进行外部洒水，保证湿度，对减少收缩裂缝起着重
13、要作用。热循环养护时，升温速度不大于10h，降温速度不大于10h，降温时应先缓慢揭开篷布，待温度稳定后再拆除土工布，有了这个缓冲时间，混凝土表面就不会因为温差过大而开裂(见图8)。 图8 轨道板混凝土三层覆盖养护3.6.4拆模时防止轨道板受到剧烈冲击、碰撞。3.6.5预制板堆放场地应平整，垫块设置要符合设计要求(见图9)。图9 轨道板合理堆放4、结论本文介绍了轨道板裂缝的类型及其成因，并针对不同的开裂原因，提出了相应的预防措施,这些方法和措施在元氏轨道板场正式生产过程中得到了广泛运用和改进，杜绝了CRTS型轨道板常见的各种裂缝，确保了轨道板质量，在铁道部质检中心上道审查时一次性顺利通过。目前这些方法和措施已经应用到京沪、广深港、津秦、杭甬等正在建设的高速铁路/客运专线，推动了我国高速铁路/客运专线的发展，应用前景广阔。参考文献：1 TZ2162007，客运专线无砟轨道铁路工程施工技术指南，铁路工程施工技术指南，2007-07-04.2 铁建设200785号，客运专线无砟轨道铁路工程施工质量验收暂行标准，2007-04-17.3 李文越，白岩沟大桥梁体裂缝原因分析与整治J.铁道建筑,2000(7).4 朱汉华，陈孟冲，袁迎捷。预应力混凝土连续箱梁桥裂缝分析与防治.北京人民交通出版社，2006.5 林小杨, 普通钢筋混凝土连续箱梁桥裂缝分析J.中外公路,2002,22(4).
