李士強(qiáng)

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300450)

車站采用的雙塊式無砟軌道通常由軌枕、現(xiàn)澆混凝土道床板和底座板(支承層)組成，其中軌枕與凝結(jié)硬化后的混凝土道床接觸位置易出現(xiàn)“八”字裂紋?；诖祟惉F(xiàn)象的產(chǎn)生，國內(nèi)外學(xué)者展開諸多討論分析：國內(nèi)學(xué)者車曉娟[1]著重考慮了配筋的影響，對比分析了預(yù)應(yīng)力板和普通板上裂紋的產(chǎn)生狀況以及軌道板單層和雙層配筋的優(yōu)缺點(diǎn)；依據(jù)《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)暫定規(guī)定》，劉揚(yáng)[2]全方位描述了無砟軌道的耐久性，提出雙塊式無砟軌道裂紋寬度極限值；還有學(xué)者[3-4]指出時(shí)間對于混凝土中裂紋發(fā)展至關(guān)重要，初期微細(xì)裂紋的產(chǎn)生大都?xì)w因于混凝土現(xiàn)場澆筑時(shí)水泥水化致使混凝土在凝結(jié)硬化過程中形成內(nèi)外溫差，控制澆筑溫度后仍產(chǎn)生裂紋，但裂紋的寬度隨時(shí)間會逐漸縮小，可以通過選擇合適的配筋率改善此類裂紋的發(fā)生；郝遠(yuǎn)行[5]基于斷裂力學(xué)理論，利用有限元分析軟件ABAQUS，指出軸向溫度荷載相對于溫度梯度、列車載荷對雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)的危害遠(yuǎn)大于表面裂紋；相關(guān)學(xué)者[6-8]就混凝土領(lǐng)域的裂紋分析摒棄傳統(tǒng)理論研究，創(chuàng)新應(yīng)用了斷裂力學(xué)理論，取得了相關(guān)研究成果。

國內(nèi)外學(xué)者就裂紋的研究多集中于有限元分析，實(shí)際施工過程中裂紋的產(chǎn)生受諸多因素的影響，降低裂紋發(fā)生的系統(tǒng)性研究討論較少。基于此研究立足于鄭濟(jì)鐵路鄭璞段項(xiàng)目，分析了施工過程中雙塊式無砟道床裂紋的成因，綜合裂紋成因提出優(yōu)選水泥、摻加礦物摻合料、改良新舊混凝土接觸面涂刷界面劑等措施，從而降低裂紋發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

1 雙塊式無砟道床裂紋分析

鄭濟(jì)鐵路鄭璞段項(xiàng)目車站雙塊式無砟軌道施工過程中，發(fā)現(xiàn)無砟軌道道床出現(xiàn)不同程度的開裂現(xiàn)象，且裂紋多集中于雙塊式軌枕與現(xiàn)澆混凝土道床的交界位置。究其產(chǎn)生裂紋的主要原因概括為三類：①塑性收縮產(chǎn)生開裂；②溫度裂紋；③新拌道床混凝土與雙塊式預(yù)制軌枕粘結(jié)不良產(chǎn)生裂紋。針對裂紋產(chǎn)生原因，在道床混凝土澆筑過程中，在保證強(qiáng)度的前提下，應(yīng)采取措施降低水泥水化熱、減小混凝土收縮值及提高鋼筋混凝土護(hù)筋性。

2 低熱水泥選擇

2.1 原材料及試驗(yàn)方法

選取安徽海螺水泥股份有限公司(代號HL)、山東山水水泥集團(tuán)有限責(zé)任公司(代號SS)、以及北京金隅有限公司(代號JY)生產(chǎn)的P.O 42.5 低堿水泥，其化學(xué)成分見表1、礦物組成見表2；集料由當(dāng)?shù)匕韬险咎峁?，?xì)集料細(xì)度模數(shù)2.7、含泥量1.0%，粗集料粒徑5～25 mm含泥量0.2%，壓碎指標(biāo)5%；減水劑為河北三楷深發(fā)股份科技有限公司的高性能聚羧酸減水劑。

表1 不同廠家水泥化學(xué)組成 %

表2 不同廠家水泥礦物組成 %

水泥水化熱測試依據(jù)《水泥水化熱測定方法》(GB/T12959-2008)；混凝土抗壓強(qiáng)度依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2019)；混凝土收縮率試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082-2009)。

雙塊式無砟道床混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40，混凝土配合比設(shè)計(jì)：水泥∶砂∶石∶水∶減水劑=400∶739∶1 109∶152∶4(kg/m3)。

2.2 三種水泥水化熱對比分析

不同齡期下三種水泥水化熱發(fā)展趨勢如圖1所示。綜合圖1發(fā)展可知：①水化熱發(fā)展趨勢隨著水化時(shí)間的延長而增加，其中水化齡期1～3 d時(shí)水化熱增長趨勢最為顯著，即此階段水泥水化速率較快，3～7 d水化熱增長趨勢稍緩，7～28 d水化熱增長趨勢最緩，之后趨于平緩。②同水化齡期下三種水泥水化熱排序依次為JY>SS>HL。究其原因，水泥水化進(jìn)程大致分三個(gè)階段：一階段，鈣礬石形成階段，水泥熟料中C3A率先發(fā)生水化，并在石膏存在的條件下生成鈣礬石(AFt)；二階段，C3S開始水化，形成C-S-H和Ca(OH)2，同時(shí)釋放熱量，隨著水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行水泥體系中石膏消耗完畢，AFt相向AFm轉(zhuǎn)化，同時(shí)伴隨熱量的產(chǎn)生，C4AF和C2S也不同程度的參與了水化反應(yīng)；三階段，結(jié)構(gòu)的形成與發(fā)展，此階段放熱速率很小并趨于穩(wěn)定，隨著產(chǎn)物的增多，水泥水化生成的水化產(chǎn)物相互搭接、排序，最終生成硬化漿體。基于上述水泥水化進(jìn)程可知，水泥水化熱量大都來源于C3A、C3S，通過表2可知，兩種成分之和JY (50.44%+9.15%) >SS(50.13%+8.40%) > HL(49.65%+8.41%)，因此三種水泥水化熱依次為JY>SS>HL。

圖1 三種水泥水化熱趨勢 圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度趨勢 圖3 混凝土收縮值趨勢

2.3 三種水泥強(qiáng)度分析

不同齡期下三種水泥配置的混凝土強(qiáng)度發(fā)展趨勢如圖2所示。綜合圖2可得：①齡期3～28 d時(shí)，混凝土強(qiáng)度發(fā)展趨勢為JY>SS>HL，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加海螺水泥(HL)配置的混凝土強(qiáng)度增速最快；56 d時(shí)強(qiáng)度發(fā)展趨勢為HL>SS>JY，3～56 d混凝土強(qiáng)度的增長量依次為HL(35.1 MPa)>SS(31.1 MPa)>JY(30.0 MPa)。②混凝土強(qiáng)度增長量V變化趨勢為V(3～7 d) >V(7～14 d)>V(14～28 d) >V(28～56 d)，之后隨著齡期的增加，混凝土強(qiáng)度的增長率趨于平穩(wěn)。

混凝土強(qiáng)度發(fā)展呈上述趨勢發(fā)展的主要原因：①水泥四種礦物的水化速率為C3A>C4AF>C3S>C2S，水泥水化第一階段為C3A發(fā)生水化，若干小時(shí)后C3S開始水化，同時(shí)伴隨著C4AF、C2S不同程度的水化，因此混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展的關(guān)鍵為C3A、C4AF、C3S水化后的水化結(jié)晶相，由表2可知三種水泥中C3A、C4AF、C3S占比組分依次為 JY(68.65%)>SS(67.80%)>HL(67.30%)，由此可以解釋齡期3～28 d時(shí)混凝土強(qiáng)度發(fā)展趨勢為JY>SS>HL。②水泥四種礦物水化性質(zhì)為，C3A水化速率快，早期強(qiáng)度較高，后期強(qiáng)度增長緩慢甚至倒縮，C3S水化速率較快，早期強(qiáng)度較高，后期強(qiáng)度增長率較大；C4AF水化速率略低于C3A，早期強(qiáng)度較高，后期強(qiáng)度也較高；C2S水化速率較慢，早期強(qiáng)度低，28 d后強(qiáng)度增長速率較高。因此水泥組分中C3A、C4AF、C3S是3～28 d強(qiáng)度增速的關(guān)鍵，28～56 d，C2S、C3S 、C4AF是強(qiáng)度提高的關(guān)鍵，三種水泥中C2S、C3S 、C4AF含量依次為HL(84.76%)>SS(84.74%)>JY(83.42%)，即56 d時(shí)強(qiáng)度發(fā)展趨勢為HL>SS>JY。

2.4 三種水泥收縮值分析

不同齡期下三種水泥配置的混凝土收縮值發(fā)展趨勢如圖3所示。綜合圖3可得：①同齡期下混凝土收縮值發(fā)展趨勢為JY>SS>HL，養(yǎng)護(hù)齡期1～56 d，混凝土收縮值增量依次為JY (132.4×10-6)>SS(131.9×10-6)>HL(131.3×10-6)；②不同齡期下混凝土收縮值變化趨勢為V(1～3 d) >V(7～14 d)>V(14～28 d)>V(28～56 d)>V(3～7 d)。收縮值趨勢的變化與混凝土內(nèi)部水泥的水化進(jìn)程息息相關(guān)，變化趨勢越大其內(nèi)部的水化反應(yīng)越劇烈，消耗內(nèi)部水分量增多，使得混凝土收縮值增大。收縮值上述發(fā)展的主要原因?yàn)椋孩貱3A發(fā)生水化反應(yīng)后體積干縮變形較大，抗堿、鹽蝕能力較差；C4AF水化反應(yīng)后干縮變形小，兼具耐磨和抗硫酸鹽侵蝕能力；C3S水化反應(yīng)后體積干縮性較??；C2S水化反應(yīng)后干縮性小且兼具抗水、硫酸鹽侵蝕能力。推斷出水泥水化進(jìn)程中干縮的主要來源為C3A、C3S，由表2可知三種水泥中C3A、C3S 占比依次為JY(59.59%)>SS(58.53%)>HL(58.06%)，因此三種水泥配置的混凝土收縮值發(fā)展趨勢為JY>SS>HL。②水泥礦物組分中C3A水化反應(yīng)速率快，且集中于水化反應(yīng)的早期階段，1～3 d時(shí)水化反應(yīng)最為劇烈，收縮值趨勢變化最大；隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，C3A組分隨之減少，C3S組分的水化開始起主導(dǎo)，因此收縮值趨勢發(fā)展集中于齡期1～3 d，齡期28 d后收縮值趨勢逐漸趨于平緩。

綜合上述分析，海螺水泥具有水化熱低、后期強(qiáng)度發(fā)展趨勢佳以及收縮值低等優(yōu)點(diǎn)，因此本研究以及工程實(shí)際應(yīng)用中均優(yōu)選海螺水泥。

3 礦物摻合料選擇

3.1 原材料及試驗(yàn)方法

混凝土配合比設(shè)計(jì)中水泥、粉煤灰和礦粉的配比見表3，其它組分為：砂∶石∶水∶減水劑=739∶1 109∶152∶40(kg/m3)。摻加粉煤灰、礦粉等活性礦物摻合料一方面降低混凝土成本，另一方面降低混凝土水化熱、確?；炷梁笃趶?qiáng)度持續(xù)增長，基于此開展礦物摻合料類型、摻量對混凝土強(qiáng)度、硬化漿體孔溶液pH值以及收縮值分析。礦物摻合料：粉煤灰由當(dāng)?shù)仉姀S提供，細(xì)度18%，燒失量1.4%；礦粉由安陽礦粉廠提供，比表面積420 m2/kg，7 d活性指數(shù)86%、28 d活性指數(shù)110%。

表3 混凝土中部分組分的用量 kg/m3

孔溶液pH值分析試驗(yàn)方法：取混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)完成后新鮮的界面，用研缽磨細(xì)，之后過200目篩網(wǎng)，將所得粉體以1∶50比例浸泡于蒸餾水中，振蕩，靜止，取上清液測試pH值。

3.2 強(qiáng)度分析

五種配合比3～90 d強(qiáng)度發(fā)展趨勢如圖4所示。綜合圖4可得：①養(yǎng)護(hù)齡期3 d時(shí)，五種配合比抗壓強(qiáng)度值相差不大，即此階段礦物摻合料未參與混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)，3 d內(nèi)混凝土強(qiáng)度的發(fā)展主要依靠水泥的水化。②養(yǎng)護(hù)齡期3～90 d五種配合比發(fā)展趨勢均遵循 C3>C5>C4>C2>C1規(guī)律，且五種混凝土3～90 d混凝土抗壓強(qiáng)度增量為C3(37.6 MPa)>C5 (35.3 MPa)>C4(33.7 MPa)>C2(31.4 MPa)>C1(28.9 MPa)。③五種配合比混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展主要集中于3～28 d，28～56 d強(qiáng)度增長值均大于56～90 d，之后趨于穩(wěn)定。

圖4 混凝土抗壓強(qiáng)度

五種配合比不同齡期下遵循C3>C5>C4>C2>C1規(guī)律的主要原因?yàn)椋孩偎?礦粉二元復(fù)合膠凝組分混凝土(C2)強(qiáng)度大于水泥-粉煤灰二元復(fù)合膠凝組分混凝土(C1)，粉煤灰多以球形固態(tài)顆粒分布，摻入混凝土中可有效調(diào)節(jié)水泥水化結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，有利于混凝土早期工作性，但其在內(nèi)部發(fā)揮的火山灰性甚微，物理填充性能較為顯著，隨著摻入量的增多，混凝土中水泥組分的減少勢必造成強(qiáng)度的下降；與之不同的礦粉多以片狀結(jié)構(gòu)分布，礦粉的比表面積高于水泥，其火山灰性顯現(xiàn)需依靠高堿環(huán)境，水泥水化孔溶液堿性逐漸增大，礦粉內(nèi)部隨之發(fā)生解離、重組等一系列水化反應(yīng)，相同截面微結(jié)構(gòu)斷面水化產(chǎn)物增多，強(qiáng)度增大，因此C2>C1。②水泥-礦粉-粉煤灰三元復(fù)合膠凝組分混凝土(C3、C5、C4)強(qiáng)度值均高于水泥-礦粉、水泥-粉煤灰二元復(fù)合膠凝組分，粉煤灰的摻加主要以球形填充的物理作用為主，礦粉則是在水泥水化后高堿環(huán)境基礎(chǔ)上發(fā)揮自身火山灰特性生成水化產(chǎn)物，礦粉的比表面積大于水泥，早期拌和過程中極易泌水，且礦粉和水泥微結(jié)構(gòu)都呈片狀分布，易造成水泥-礦粉顆粒間團(tuán)聚，水泥-礦粉-粉煤灰三元復(fù)合膠凝組分可發(fā)揮粉煤灰、礦粉的雙重作用，因此三元復(fù)合組分膠凝混凝土強(qiáng)度高于二元復(fù)合膠凝組分混凝土強(qiáng)度，其中C3配合比中礦粉、粉煤灰的摻入量最佳、強(qiáng)度達(dá)到最大值。

3.3 孔溶液pH值分析

混凝土硬化漿體孔溶液pH值是保證鋼筋混凝土護(hù)筋性的關(guān)鍵，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役年限的增加，孔溶液pH值勢必呈現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)孔溶液pH值下降到12.16以下時(shí)，鋼筋在混凝土中開始發(fā)生銹蝕，繼而產(chǎn)生膨脹，致使結(jié)構(gòu)開裂、剝落，因此研究硬化漿體孔溶液pH值發(fā)展至關(guān)重要。分析圖5可得：①同齡期下五種配合比孔溶液pH值遵循 C2>C5>C3>C4>C1發(fā)展趨勢，主要?dú)w結(jié)于混凝土中膠凝材料遇水后的pH的變化，水泥遇水反應(yīng)溶液呈堿性，粉煤灰遇水溶液呈弱酸性，礦粉遇水后溶液呈弱堿性，因此隨著粉煤灰摻量的增加孔溶液pH也隨之下降。②3～28 d孔溶液pH值變化趨勢較大，此階段pH值變化值越大內(nèi)部的水化反應(yīng)越劇烈，五種配合比變化趨勢為C3(0.59)>C5(0.49)>C4(0.47)>C2(0.45)>C1 (0.33)。③隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，齡期28～90 d孔溶液pH值變化值逐漸趨于穩(wěn)定，內(nèi)部水化進(jìn)程趨于平穩(wěn)。

圖5 混凝土孔溶液pH值

3.4 收縮值分析

現(xiàn)澆混凝土道床與達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的軌枕結(jié)構(gòu)存在混凝土收縮值不同的問題，減小道床混凝土收縮值對控制雙塊式無砟道床因收縮值不同帶來的結(jié)構(gòu)開裂至關(guān)重要?；谏鲜隹箟簭?qiáng)度、硬化漿體孔溶液pH值發(fā)展趨勢可知，水泥-礦粉-粉煤灰三元膠凝組分優(yōu)于水泥-礦粉、水泥-粉煤灰二元膠凝膠粉，因此展開水泥-礦粉-粉煤灰三元膠凝組分C3、C4、C5收縮值的分析。不同齡期下C3、C4、C5收縮值的發(fā)展趨勢如圖6所示，綜合圖6可得：①齡期1 d至3 d時(shí)，三種配合比收縮值發(fā)展趨勢為C4>C3>C5，通過強(qiáng)度發(fā)展可知該齡期下礦物摻和料未參與水化反應(yīng)，粉煤灰需水量較強(qiáng)且早期未參與反應(yīng)，隨著混凝土養(yǎng)護(hù)過程中未參與水化反應(yīng)的自由水的減少，引發(fā)干燥收縮，增大收縮值，因此早期混凝土收縮值隨著粉煤灰摻量的增加而增大。②齡期7～28 d，三種配合比收縮值發(fā)展趨勢為 C5>C3>C4 ，隨著混凝土中膠凝組分水化反應(yīng)的進(jìn)行，混凝土堿性增強(qiáng)，礦粉在高堿環(huán)境下解離、重組形成新的水化產(chǎn)物，水化進(jìn)程中同時(shí)消耗大量自由水、毛細(xì)孔水，增大收縮值，三元膠凝組分中隨礦粉摻量的增加收縮值而增大。③礦物摻合料的增加可延緩水化反應(yīng)，養(yǎng)護(hù)齡期28 d后，混凝土內(nèi)部仍具備微弱的水化反應(yīng)，強(qiáng)度略有增加，相較于C4、C5，C3配合比中水泥水化、礦粉水化、粉煤灰有效填充達(dá)到最穩(wěn)定狀態(tài)，因此C3配合比養(yǎng)護(hù)齡期28～56 d時(shí)收縮值最小。

圖6 收縮值發(fā)展趨勢

綜合上述性能指標(biāo)對比分析，工程實(shí)踐中優(yōu)先選擇C3配合比。

4 混凝土界面處理

首先確定目前使用的雙塊式軌枕混凝土配合比，成型100 mm×100 mm×515 mm混凝土試件養(yǎng)護(hù)至28 d，然后從中鋸開，對新裸露的混凝土界面進(jìn)行處理，處理完成后放置于100 mm×100 mm×515 mm試模中再次澆筑另一半混凝土，最后養(yǎng)護(hù)至56 d，測其56 d抗折強(qiáng)度和收縮值，其中再次澆筑的另一半混凝土選擇C3配合比。界面區(qū)處理的代號分別為：界面區(qū)未處理(JC0)、界面區(qū)粗糙處理(JC1)、界面區(qū)涂刷有機(jī)界面劑(JC2)、界面區(qū)涂刷無機(jī)高性能界面劑(JC3)。

界面區(qū)經(jīng)處理后56 d 抗折強(qiáng)度、收縮值發(fā)展如7所示。綜合圖7可知：①56 d抗折強(qiáng)度發(fā)展 JC3>JC2>JC1>JC0，界面區(qū)涂刷無機(jī)高性能界面劑時(shí)56 d抗折強(qiáng)度值最高，無機(jī)高性能界面劑在新舊混凝土過渡區(qū)發(fā)生水化反應(yīng)，起到高效粘結(jié)新舊混凝土作用。②56 d收縮值發(fā)展 JC0 > JC1> JC2> JC3，未做處理的收縮值最大，涂刷無機(jī)高性能界面劑的收縮值最小。綜合比較界面區(qū)處理方式優(yōu)選涂刷無機(jī)高性能界面劑。

圖7 56 d 抗折強(qiáng)度、收縮值發(fā)展

5 工程應(yīng)用

綜合上述研究分析，將上述研究成果應(yīng)用于現(xiàn)場雙塊式無砟道床施工中：道床混凝土配合比選擇C3，混凝土中水泥膠凝組分選擇海螺水泥，施工前在雙塊式軌枕周圍涂刷無機(jī)高性能界面劑，工程實(shí)踐證明有效減少了雙塊式道床裂紋，如圖8所示。

圖8 雙塊式無砟道床混凝土結(jié)構(gòu)