高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土性能研究

譚鹽賓，謝永江，李化建，李林香，易忠來

(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)國家重點實驗室，北京 100081)

高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土性能研究

譚鹽賓1，2，謝永江1，2，李化建1，2，李林香1，2，易忠來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)國家重點實驗室，北京 100081)

為解決高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)高施工性、高平順性和高耐久性要求，采用具有高流動性、高塑性穩(wěn)定性和低收縮變形的自密實混凝土作為無砟軌道充填層材料。針對充填層的封閉結(jié)構(gòu)空間和承載功能，并結(jié)合設(shè)計和無砟軌道結(jié)構(gòu)對自密實混凝土的要求，制備了C30，C40和C50三種強度等級自密實混凝土，進行體積穩(wěn)定性試驗、氯離子滲透試驗和單邊凍融試驗，研究其工作性能、體積穩(wěn)定性和耐久性能。結(jié)果表明:三種自密實混凝土均具有適合板式無砟軌道充填層施工的良好工作性能;其塑性收縮變形均隨著強度等級的提高而增大;在水膠比相同和單方用水量相同兩種情況下三種自密實混凝土的干燥收縮變形呈現(xiàn)出完全相反的變化規(guī)律;三種自密實混凝土均具有良好耐久性，抗氯離子滲透能力隨強度等級的提高而降低，抗鹽凍性能則隨著強度等級的提高而增強。

高速鐵路 板式無砟軌道 自密實混凝土 工作性 體積穩(wěn)定性 耐久性

高速鐵路板式無砟軌道充填層混凝土是一種具有高流動性、高間隙通過性和高抗離析性的自密實混凝土。圖1為板式無砟軌道結(jié)構(gòu)和自密實混凝土施工示意圖，可見其主要由軌道板、自密實混凝土充填層(8～10 cm)、隔離層和鋼筋混凝土底座四大部分組成。自密實混凝土充填層施工是整個板式無砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)施工的最后一步，其處于軌道板下近似四周封閉的空腔中，自密實混凝土只能從軌道板上預(yù)留灌注孔進入空腔。同時，設(shè)計要求自密實混凝土與軌道板形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，共同承受列車荷載，因此要求自密實混凝土材料具有高的流動性和高的體積穩(wěn)定性。但混凝土材料的流動性和體積穩(wěn)定性通常是矛盾的，提高混凝土流動性一般會降低其體積穩(wěn)定性，引起混凝土收縮增大。自密實混凝土如果具有高的膠凝材料用量、高的砂率和高的漿骨比則可有效改善其工作性［1-2］，但會對自密實混凝土收縮變形有不利影響［3-4］。為了制備出適用于高速鐵路CRTSⅢ型無砟軌道充填層的自密實混凝土，本文研究三種類型自密實混凝土的工作性、體積穩(wěn)定性和耐久性。

圖1 CRTSⅢ型板式無砟軌道與自密實混凝土施工示意

1 原材料、配合比與試驗方法

1.1 原材料

水泥為北京琉璃河水泥廠P·O42.5級水泥;粉煤灰為河北西柏坡電廠Ⅰ級粉煤灰;磨細礦渣粉為山東魯新建材S95級礦渣粉;膨脹劑為天津豹鳴公司產(chǎn)高效膨脹劑;水泥、粉煤灰和礦渣粉的物理化學(xué)性能指標見表1。

表1 水泥與礦物摻合料的物理化學(xué)性能

粗骨料為天津薊縣產(chǎn)兩種連續(xù)級配碎石，其最大粒徑分別為10mm和16mm;細骨料為河北盧龍產(chǎn)細度模數(shù)2.6的河砂。減水劑為天津雍陽產(chǎn)聚羧酸系高效減水劑，減水率為26%。粘度改性材料為自制。

1.2 配合比

試驗設(shè)計了C30，C40和C50三種強度等級的自密實混凝土，配合比見表2，試驗用所有原材料均為干燥狀態(tài)。

表2 試驗配合比kg/m3

1.3 試驗方法

收縮試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T50082—2009)?；炷粮煽s變形試件成型后在溫度(20±2)℃、相對濕度＞95%的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護1d，然后移入溫度(20±2)℃、相對濕度(60±5)%的恒溫恒濕室內(nèi)，并立即測試其干縮變形初始值，隨后按齡期測試其干縮變形。混凝土自收縮變形試件成型后立即用蠟進行密封，并在溫度(20±2)℃、相對濕度(60±5)%的恒溫恒濕室內(nèi)養(yǎng)護1d，然后立即測試其變形初始值。塑性收縮變形則在溫度(20±2)℃、相對濕度(60±5)%且無風的環(huán)境下測試，采用非接觸式位移測定儀進行，見圖2。

圖2 塑性收縮測試

2 板式無砟軌道自密實混凝土性能要求

根據(jù)高速鐵路板式無砟軌道充填層設(shè)計要求和功能定位，充填層材料需滿足以下功能要求:①充填功能。充填層材料要給上層軌道板提供平順的支承，材料需能充滿整個充填層空間，這就要求其具有高的流動性和充填能力。②粘結(jié)和承載功能。充填層介于軌道板和鋼筋混凝土底座之間，且在結(jié)構(gòu)設(shè)計上充填層要與軌道板形成復(fù)合整體結(jié)構(gòu)共同承受上部列車荷載。因此，充填層材料與軌道板的結(jié)合面不得有軟弱層或空洞等缺陷，充填層材料必須具有高穩(wěn)定性、高粘結(jié)性和抗離析能力。

根據(jù)上述功能要求，相關(guān)標準規(guī)定了充填層材料——自密實混凝土的性能指標要求，自密實混凝土工作性能指標和硬化體性能指標分別見表3和表4。

表3 自密實混凝土工作性能指標［5］

表4 自密實混凝土硬化體性能指標［5］

3 結(jié)果與分析

3.1 工作性能

圖3為拌和物坍落擴展度和J環(huán)試驗測試圖。自密實混凝土拌和物工作性能見表5，試驗表明，制備的三種自密實混凝土均具有良好的流動性和填充性，其工作性能指標均滿足表3要求。

表5 自密實混凝土拌合物性能

3.2 體積穩(wěn)定性

3.2.1 塑性收縮

圖4為三種自密實混凝土的塑性收縮變形曲線(收縮變形結(jié)果正值表示收縮，負值表示膨脹)。結(jié)果表明，三種自密實混凝土的塑性收縮變形趨勢相似，但是隨著強度等級的提高，塑性收縮變形值明顯增大。混凝土塑性收縮的大小受混凝土表面失水率影響，而混凝土表面失水率與混凝土水膠比、環(huán)境溫度、相對濕度和風速等有關(guān)。當環(huán)境條件相同時，水膠比大小則成為影響表面失水率的關(guān)鍵因素。本試驗中三種自密實混凝土隨強度等級提高，水膠比逐漸降低，可自由遷移水量也逐漸減少，當自由水從混凝土內(nèi)部遷移至表面速率低于表面自由水蒸發(fā)速率時，其內(nèi)部塑性收縮呈增大趨勢［6］。另外由圖還可看出，摻膨脹劑自密實混凝土塑性收縮變形可分為3個階段:①塑性收縮快速增長階段(A-B段)，該階段發(fā)生在自密實混凝土拌和物達到初凝以前，此時混凝土內(nèi)部尚未形成堅固的空間骨架，隨著混凝土中自由水分的大量蒸發(fā)，混凝土內(nèi)部毛細孔壓力快速增加，引起自密實混凝土拌和物塑性收縮變形的快速增加。②塑性收縮變形峰值階段(B-C段)，此階段持續(xù)時間很短，介于混凝土拌和物初凝和終凝之間，混凝土拌和物塑性收縮變形值在此時達到峰值，C30-1，C40-1，C50三種自密實混凝土的塑性收縮變形峰值分別為1 619×10-6，1 698×10-6和2 101×10-6。③塑性收縮變形降低階段(C-D段)，亦稱為膨脹階段，此階段混凝土終凝已經(jīng)完成，混凝土強度持續(xù)增長，可對膨脹劑的膨脹作用提供有效的約束。

圖4 自密實混凝土塑性收縮變形曲線

3.2.2 干燥收縮和自收縮

圖5和圖6分別是相同單方用水量和相同水膠比條件下三種強度等級自密實混凝土的收縮變形曲線。兩種條件下三種自密實混凝土表現(xiàn)出不同的干縮變形規(guī)律。圖5顯示，三種自密實混凝土在單方用水量相同時，C30-1干燥收縮和自收縮變形都明顯高于C40-1和C50;而在圖6中，三種混凝土水膠比相同時其干燥收縮變形表現(xiàn)出與圖5相反的規(guī)律，C30-2干縮變形最小。由表2可知，所設(shè)計的三種強度等級自密實混凝土強度等級越高的膠凝材料用量也越高，意味著在單方用水量相同時強度等級越高，其水膠比越小，隨強度等級提高，水膠比降低，混凝土內(nèi)部未水化水泥顆粒更多［7］，其對混凝土干縮變形和自收縮變形的抵抗能力更強，故呈現(xiàn)出如圖5所示規(guī)律;而當三種混凝土水膠比相同時，則強度等級越高，其單方用水量也越大，必然引起其干縮變形的增大。由圖5還可看出，C30-1，C40-1和C50自密實混凝土120 d齡期自收縮變形值分別為干燥收縮變形值的36%，38%，28%。

3.3 耐久性

3.3.1 抗氯離子滲透性能

在板式無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計中，充填層中設(shè)置有一層鋼筋網(wǎng)片，因而要求自密實混凝土具有高的抗氯離子滲透能力。三種自密實混凝土抗氯離子滲透性測試結(jié)果見表6。可見，56 d電通量均低于1 000 C，表明均具有良好的抗氯離子滲透能力。自密實混凝土強度等級越低，其56 d電通量越低。這是因為低強度等級自密實混凝土礦物摻合料用量高于高強度等級自密實混凝土(參見表2)，而礦物摻合料的火山灰效應(yīng)可改善水泥漿體孔結(jié)構(gòu)，增加水泥漿體密實度，強化水泥石—集料界面過渡區(qū)性能，減少氯離子滲透通道［8-9］，提高其抗氯離子滲透能力。

圖5 自密實混凝土收縮變形(水膠比不同，單方用水量相同)

圖6 自密實混凝土干燥收縮變形(水膠比相同，單方用水量不同)

表6 自密實混凝土抗氯離子滲透性能

3.3.2 抗鹽凍性能

當自密實混凝土灌注進充填層后，僅有4個側(cè)面暴露于大氣環(huán)境中，充填層材料凍融破壞形式類似于道路混凝土，因而采用單邊鹽凍法來評價自密實混凝土的抗凍性能。由圖7可知:三種自密實混凝土均具有高的抗鹽凍能力，經(jīng)受28次凍融循環(huán)后均能滿足技術(shù)指標要求，三種自密實混凝土剝落量分別為989，452，188 g/m2。同時，隨著自密實混凝土強度等級的提高，其抗鹽凍破壞能力逐漸增強。在影響混凝土抗凍性能的因素中，水膠比(或水灰比)是其主要影響因素之一［10］，水膠比(或水灰比)越低，混凝土密實度越高，孔隙率越小，抗凍能力越強。本試驗中三種自密實混凝土隨強度等級提高，其水膠比逐漸降低，分別為0.33，0.31和0.30，對應(yīng)抗凍能力也逐漸提高。

圖7 自密實混凝土抗鹽凍性能

4 結(jié)論

1)設(shè)計的三種類型自密實混凝土均具有良好的流動能力和填充能力。

2)摻高效膨脹劑的自密實混凝土的塑性收縮變形可分為快速增長階段、峰值階段、降低階段三個階段;在單方用水量相同和水膠比相同兩種條件下，三種強度等級自密實混凝土呈現(xiàn)出完全相反的干縮變形規(guī)律。

3)三種類型自密實混凝土均具有良好的抗氯離子滲透性能和抗鹽凍性能，但抗氯離子滲透能力隨強度等級的提高而降低，抗鹽凍性能則隨著強度等級的提高而增強。

［1］EFNARC.Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete［S］.Norfolk，UK:EFNARC，2002.

［2］安雪暉，黃綿松，大內(nèi)雅博.自密實混凝土技術(shù)手冊［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［3］譚鹽賓，趙健，李化建，等.高速鐵路板式無砟軌道充填層混凝土收縮變形特性研究［J］.混凝土，2011(3):125-128.

［4］西德尼·明德斯，J.弗朗西斯·楊，戴維·達爾文，等.混凝土［M］.吳科如，張雄，姚武，等，譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

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［6］A·M·內(nèi)維爾.混凝土的性能［M］.劉數(shù)華，冷發(fā)光，李新宇，等，譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

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［8］葉建雄，李曉箏.礦物摻合料對混凝土氯離子滲透擴散性研究［J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報，2005(3):90-92.

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［10］趙霄龍，衛(wèi)軍，黃玉盈.混凝土凍融耐久性劣化與孔結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2002，24(12):14-17.

Research on self-compacted concrete performance for CRTS Ⅲ slab-type ballastless track on high speed railway

TAN Yanbin1，2，XIE Yongjiang1，2，LI Huajian1，2，LI Linxiang1，2，YI Zhonglai1，2
(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)

In order to settle the problems about high construction ability，high comfort and high durability of highspeed railway CRTS Ⅲ slab-type ballastless track，self-compacting concrete(SCC)was used as ballastless track filling layer material which has high flowing ability，high plastic stability and low shrinkage.According to the closed space structure and bearing ability of filling layer，three types of SCC with different compressive strength grade (C 30，C40 and C50)were made by combining with SCC requirements of designing ballastless track structure，volume stability test，chloride ion penetration test and unilateral freeze-thaw test were implemented，and workability，volume stability and durability were studied.The results showed that three kinds of SCC have a good workability which is suitable to filling layer construction of slab ballastless track，plastic-shrinkage of SCC increases with compressive strength grade increasing，drying-shrinkage of three types show different changing laws with the same water-binder ratio and the same unilateral water content and have good durability，chloride ion impermeability of SCC decreases with increasing of the compressive strength grade，and freeze-deicing salt resistance of SCC increases with compressive strength grade increasing.

High speed railway;Slab-type ballastless track;Self-compacting concrete;Workability;Volume stability; Durability

U213.2+44

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.29

1003-1995(2015)01-0132-05

(責任審編 葛全紅)

2014-09-10;

2014-11-20

國家自然科學(xué)基金(51378499);中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2012G001，2013G003-A-1)

譚鹽賓(1981—)，男，四川宜賓人，助理研究員，博士研究生。