CRTSⅢ型板式無砟軌道用自密實(shí)混凝土粘接性能研究

李林香，譚鹽賓，李化建，謝永江，馮仲偉

(1.中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

CRTSⅢ型板式無砟軌道用自密實(shí)混凝土粘接性能研究

李林香1，2，譚鹽賓1，2，李化建1，2，謝永江1，2，馮仲偉1，2

(1.中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

在CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)澆的自密實(shí)混凝土與預(yù)制的軌道板形成復(fù)合板結(jié)構(gòu)，共同承受列車荷載。自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接性能影響著整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性、安全性和使用壽命。本文研究了自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度、含氣量和膠凝材料用量對(duì)自密實(shí)混凝土與軌道板粘接性能的影響。結(jié)果表明:隨著自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度的增大，自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接強(qiáng)度有降低的趨勢(shì)，坍落擴(kuò)展度不宜超過690 mm;隨著自密實(shí)混凝土含氣量的增大，自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接強(qiáng)度有增加的趨勢(shì)，在滿足工作性能和強(qiáng)度的條件下，自密實(shí)混凝土的含氣量宜取技術(shù)條件規(guī)定的上限值6.0%;隨著自密實(shí)混凝土膠凝材料用量的增大，自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接強(qiáng)度有增加的趨勢(shì)。

CRTSⅢ型板式無砟軌道 自密實(shí)混凝土 軌道板 粘接性能

高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道是具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型軌道結(jié)構(gòu)，由鋼軌、扣件、軌道板、自密實(shí)混凝土層、土工布隔離層和底座板組成。軌道板是預(yù)制構(gòu)件，在施工過程中預(yù)先鋪設(shè)，然后在軌道板下灌注自密實(shí)混凝土，在灌注過程中自密實(shí)混凝土在軌道板下流動(dòng)直至填充滿整個(gè)模腔，與軌道板粘接在一起形成復(fù)合板結(jié)構(gòu)，共同承受列車荷載。自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接性能影響著整個(gè)復(fù)合板結(jié)構(gòu)的整體性能，并影響著整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性、安全性和使用壽命。關(guān)于新老混凝土的粘接，前人作了很多研究工作，包括粘接強(qiáng)度試驗(yàn)方法［1］、粘接強(qiáng)度影響因素［2-6］、老混凝土界面處理方法［7］等。提高新老混凝土粘接強(qiáng)度的主要方法是對(duì)老混凝土表面進(jìn)行粗糙度處理或使用界面劑，或在新混凝土中加入碳纖維、鋼纖維、聚合物等。本文研究的自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接，由于自密實(shí)混凝土是在軌道板下封閉的模腔內(nèi)灌注，不易對(duì)老混凝土表面進(jìn)行粗糙度處理，也不易使用界面劑，因此研究了自密實(shí)混凝土拌和物性能和自密實(shí)混凝土膠凝材料用量對(duì)其粘接性能的影響，為CRTSⅢ型板式無砟軌道整體性能的提升提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為金隅水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，礦渣粉為唐山唐龍的S95級(jí)礦渣粉，粉煤灰為元寶山電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰，膨脹劑為天津豹鳴產(chǎn)硫鋁酸鈣膨脹劑，黏度改性材料為鐵科院自制產(chǎn)品。減水劑為天津雍陽(yáng)UNF-5AST聚羧酸系高效減水劑，減水率為25%。砂子為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.4，含泥量為1.0%。石子為5～16 mm連續(xù)級(jí)配碎石，含泥量為0.2%。

1.2 試樣制作及試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)測(cè)試自密實(shí)混凝土與軌道板之間的抗拉粘接強(qiáng)度。試驗(yàn)過程及方法如下:先按照軌道板配合比成型100 mm×100 mm×400 mm的混凝土試件，放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)到一定齡期后取出作為軌道板，然后如圖1所示放置在平整堅(jiān)實(shí)的地上，底面鋪設(shè)塑料薄膜，四周支好模板。然后在軌道板與軌道板之間澆筑不同拌和物參數(shù)和不同膠凝材料用量的自密實(shí)混凝土，軌道板試件的右側(cè)面粘貼塑料薄膜，左側(cè)面與新澆筑的自密實(shí)混凝土形成粘接面。澆筑完養(yǎng)護(hù)3 d后把新老混凝土粘接試件切割成100 mm×100 mm× 200 mm的試件，成型及切割示意圖見圖1。切割好后放置于養(yǎng)護(hù)室繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。

到試驗(yàn)齡期前一天從養(yǎng)護(hù)室取出，用自行研制的雙鋼板粘貼法進(jìn)行抗拉粘接試驗(yàn)。具體步驟為:用丙酮將試件端部和粘貼鋼板表面擦拭干凈，然后用強(qiáng)力膠把粘貼鋼板和混凝土試件粘貼好，置于干燥環(huán)境中固化24 h。用螺栓將傳力鋼板和粘貼鋼板連接，然后用試驗(yàn)機(jī)夾具夾持球鉸拉桿，調(diào)整試件方向使上下對(duì)中，加載進(jìn)行抗拉粘接試驗(yàn)，加荷速率控制在4 kN/min，試件拉伸過程見圖2。

圖1 軌道板與自密實(shí)混凝土粘接成型示意

圖2 試件拉伸過程

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度對(duì)自密實(shí)混凝土與軌道板粘接強(qiáng)度的影響

自密實(shí)混凝土配合比見表1。為考察混凝土坍落擴(kuò)展度對(duì)自密實(shí)混凝土與軌道板粘接性能的影響，用減水劑調(diào)整自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度制作了4組對(duì)比試件。自密實(shí)混凝土拌和物性能見表2。試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

表1 自密實(shí)混凝土配合比kg/m3

表2 自密實(shí)混凝土拌和物性能

圖3 坍落擴(kuò)展度對(duì)自密實(shí)混凝土粘接強(qiáng)度的影響

從圖3可以看出，隨著自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度的增加，自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接強(qiáng)度有降低的趨勢(shì)。28 d齡期時(shí)，當(dāng)自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度為570，640，690，730 mm時(shí)，自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接強(qiáng)度分別為0.28，0.23，0.25，0.13 MPa?？梢钥闯觯?dāng)自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度從570 mm增加為690 mm時(shí)，粘接強(qiáng)度降低不明顯，降低約11%;當(dāng)坍落擴(kuò)展度從570 mm增加為730 mm時(shí)，粘接強(qiáng)度降低顯著，降低約54%。因此，從提高自密實(shí)混凝土與軌道板粘接強(qiáng)度的角度考慮，自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度不宜超過690 mm。

自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接屬于新老混凝土的粘接，其粘接作用機(jī)理主要是界面間的機(jī)械咬合作用［8-9］。當(dāng)自密實(shí)混凝土灌注到模腔中并接觸到軌道板底面后，有粘性的自密實(shí)混凝土滲透到軌道板表面的空隙中，新舊混凝土互相交錯(cuò)咬合而形成一定的連接強(qiáng)度。

把軌道板(舊混凝土)看作是一個(gè)具有粗糙表面的大骨料，新老混凝土的界面可看作是水泥漿與粗骨料之間的界面，因此自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接界面可看作是薄弱的界面過渡區(qū)，在該過渡區(qū)容易聚集一層薄薄的水膜，對(duì)粘接強(qiáng)度不利。當(dāng)自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度較小時(shí)，混凝土相對(duì)更加粘稠，在界面區(qū)的水膜相對(duì)薄些;當(dāng)自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度較大時(shí)，混凝土顯得較稀，在界面區(qū)的水膜相對(duì)厚些。水膜厚就削弱了界面之間的粘接力，尤其當(dāng)自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度過大出現(xiàn)泌水的傾向時(shí)，自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接強(qiáng)度會(huì)顯著降低。

2.2 混凝土含氣量對(duì)自密實(shí)混凝土與軌道板粘接強(qiáng)

度的影響

自密實(shí)混凝土配合比采用表1中K2配合比。為考察混凝土含氣量對(duì)自密實(shí)混凝土與軌道板粘接性能的影響，用消泡劑和引氣劑調(diào)整混凝土含氣量制成了4組對(duì)比試件。自密實(shí)混凝土拌和物性能見表3，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

表3 自密實(shí)混凝土拌和物性能

圖4 含氣量對(duì)自密實(shí)混凝土粘接強(qiáng)度的影響

從圖4可以看出，隨著自密實(shí)混凝土含氣量的增加，自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接強(qiáng)度有增加的趨勢(shì)。28 d齡期時(shí)，當(dāng)自密實(shí)混凝土含氣量為2.7%，3.8%，5.3%，10.0%時(shí)，自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接強(qiáng)度分別為0.11，0.18，0.21，0.28 MPa。

混凝土的含氣量對(duì)新拌混凝土的泌水有顯著影響，新拌混凝土中的氣泡由水分包裹形成，當(dāng)混凝土含氣量較大時(shí)，混凝土內(nèi)部分布著較多的微小氣泡，包裹氣泡的水分被固定在氣泡周圍，可泌的水分大大減少，而且較多的氣泡也可以阻斷泌水通道，使自由水不能泌出。因此，當(dāng)混凝土含氣量較大時(shí)，混凝土內(nèi)部的泌水傾向會(huì)大大降低，從而有助于提高自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接強(qiáng)度。

自密實(shí)混凝土含氣量的大小對(duì)自密實(shí)混凝土的工作性能和強(qiáng)度都有顯著影響，含氣量過大，不僅會(huì)影響自密實(shí)混凝土的工作性能，更會(huì)顯著降低混凝土的強(qiáng)度。在CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實(shí)混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件中規(guī)定，自密實(shí)混凝土的含氣量為3.0%～6.0%［10］。因此，在滿足工作性能和強(qiáng)度的條件下，從提高自密實(shí)混凝土與軌道板粘接強(qiáng)度的角度考慮，自密實(shí)混凝土的含氣量宜取技術(shù)條件規(guī)定的上限值6.0%。

2.3 混凝土膠凝材料用量對(duì)自密實(shí)混凝土與軌道板粘接強(qiáng)度的影響

為考察膠凝材料用量對(duì)自密實(shí)混凝土與軌道板粘接性能的影響，自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)見表4，拌和物性能見表5，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

表4 自密實(shí)混凝土配合比kg/m3

表5 自密實(shí)混凝土拌和物性能

圖5 膠凝材料用量對(duì)自密實(shí)混凝土粘接強(qiáng)度的影響

從圖5可以看出，隨著自密實(shí)混凝土膠凝材料用量的增加，自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接強(qiáng)度有增加的趨勢(shì)。28 d齡期時(shí)，當(dāng)自密實(shí)混凝土膠凝材料用量為460，500，560 kg/m3時(shí)，自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接強(qiáng)度分別為0.23，0.22，0.30 MPa。

從微觀角度看，當(dāng)新混凝土澆筑到老混凝土界面上時(shí)，新混凝土的水化產(chǎn)物CSH凝膠呈輻射狀向外生長(zhǎng)，進(jìn)入到老混凝土的毛細(xì)孔內(nèi)，水化產(chǎn)物針狀鈣礬石也長(zhǎng)入到老混凝土的毛細(xì)孔內(nèi)，這樣新混凝土中的CSH凝膠與老混凝土中的CSH凝膠相互交錯(cuò)，將新老混凝土粘接在一起。當(dāng)自密實(shí)混凝土膠凝材料用量較多時(shí)，生成的水化產(chǎn)物較多，更多的CSH凝膠與針狀鈣礬石長(zhǎng)入到軌道板的毛細(xì)孔內(nèi)，與軌道板中的水化產(chǎn)物相互交錯(cuò)，因此增大了與軌道板的粘接強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1)隨著自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度的增大，自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接強(qiáng)度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。從本次試驗(yàn)結(jié)果來看，自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度不宜超過690 mm。

2)隨著自密實(shí)混凝土含氣量的增大，自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接強(qiáng)度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。在滿足工作性能和強(qiáng)度的條件下，自密實(shí)混凝土的含氣量宜取技術(shù)條件規(guī)定的上限值6.0%。

3)隨著自密實(shí)混凝土膠凝材料用量的增大，自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接強(qiáng)度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。膠凝材料用量從460 kg/m3增加至560 kg/m3時(shí)，自密實(shí)混凝土與軌道板的粘接強(qiáng)度增加約30%。

［1］王冰.新老混凝土界面粘接性能評(píng)價(jià)方法［J］.北方交通，2013(6):6-8.

［2］王標(biāo)，張雄，張永娟.新老混凝土粘接性能的主要影響因素［J］.混凝土制品及技術(shù)，2008(6):25-26.

［3］管大慶，陳章洪.界面處理對(duì)新老混凝土粘結(jié)性能的影響［J］.混凝土，1994(5):16-22.

［4］趙鳳杰，巫祖烈.界面劑對(duì)新老砼粘接強(qiáng)度的影響［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，25(3):86-89.

［5］李雯霞.影響新老混凝土粘接性能因素的研究［J］.水泥與混凝土，2012(2):22-24.

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［8］王振領(lǐng).新老混凝土粘接理論與試驗(yàn)及在橋梁加固工程中的應(yīng)用研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2006.

［9］劉數(shù)華.新老混凝土的修補(bǔ)方法及粘接機(jī)理研究［J］.施工技術(shù)，2006，35(8):32-34.

［10］中國(guó)鐵路總公司.TJ/GW 112—2013高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實(shí)混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2013.

Research on bond performance of self-compacted concrete for CRTS Ⅲ slab-type ballastless track

LI Linxiang1，2，TAN Yanbin1，2，LI Huajian1，2，XIE Yongjiang1，2，F(xiàn)ENG Zhongwei1，2
(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 CRTS Ⅲ slab-type ballastless track structure，cast-in-place self-compacting concrete(SCC)and precast track slab bonded together，formed composite slab structure，and supported train load together.Bond performance of SCC and track slab influences the stability，security and service life of whole track structure.The influences of SCC slump extension，air content，and cementitious materials content on bond performance were studied.The results showed that the bond strength of SCC and track slab decreased with the increase of SCC slump extension，slump extension should not exceed690 mm，the bond strength of SCC and track slab was enhanced with the increase of SCC air content，air content of self-compacting concrete should be 6.0%which is the upper limit value of technical requirement when meeting the working performance and compressive strength requirement，the bond strength of SCC and track slab increased with the increase of cementitious material content of SCC.

CRTS Ⅲ slab-type ballastless track;Self-compacting concrete;Track slab;Bond performance

TU528.571

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.30

1003-1995(2015)01-0137-04

(責(zé)任審編 葛全紅)

2014-09-10;

2014-11-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378499);中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2012G001，2013G003-A-1，2014G001-C)

李林香(1975—)，女，山西繁峙人，助理研究員，博士。