CRTS Ⅲ型板式無砟軌道自密實(shí)混凝土充填層施工技術(shù)探究

張超平，孫洪碩，孫麗娟

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460）

我國作為世界上高速鐵路在建和運(yùn)營里程最大的國家，無砟軌道板的發(fā)展經(jīng)歷了引進(jìn)吸收、試驗(yàn)段研究等工作后，2008年開建了全線鋪設(shè)CRTS I型板式無砟軌道的滬寧高鐵；2018年4月18日正式開建了全線鋪設(shè)CRTS Ⅱ型板式無砟軌道的京滬高鐵；而CRTS I型、Ⅱ型板式無砟軌道不具備完全自主知識產(chǎn)權(quán)，特別是以上兩種軌道板與底板間的充填層CA砂漿和BMZ砂漿施工成本較大，且部分原材料國內(nèi)廠家不具備相應(yīng)生產(chǎn)技術(shù)，嚴(yán)重影響我國高鐵技術(shù)自主化。因此，鐵道部組織相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)單位在盤營客運(yùn)專線、成綿樂客專眉樂段、武漢城市圈武漢至咸寧鐵路等幾條線路進(jìn)行了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)CRTSⅢ型板式無砟軌道試驗(yàn)段應(yīng)用研究。CRTSⅢ型板式無砟軌道由鋼軌及扣件、軌道板、自密實(shí)混凝土填充層、隔離層及鋼筋混凝土底座等部分組成。作為軌道板和底座板間的填充物，自密實(shí)混凝土充填層起到支持、限位、調(diào)整標(biāo)高等功能，其施工質(zhì)量決定整個無砟軌道結(jié)構(gòu)運(yùn)營的安全性與耐久性。2014年1月，中國鐵路總公司批復(fù)鄭徐客專全線使用CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)。CRTS Ⅲ型板式無砟軌道施工示意圖見圖1所示。

圖1 CRTS Ⅲ型板式無砟軌道與自密實(shí)混凝土施工示意

1 板式無砟軌道自密實(shí)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(jì)要求和功能定位，充填層材料應(yīng)滿足以下功能：①強(qiáng)填充能力。充填材料應(yīng)能對軌道板提供平順支承，并能填滿整個充填空間，因此充填材料應(yīng)具有強(qiáng)流動性和擴(kuò)展度。②強(qiáng)粘結(jié)與承載能力。充填層位于軌道板與鋼筋混凝土底座中間，在結(jié)構(gòu)上充填層應(yīng)與軌道板凝結(jié)為一體共同承載上部列車的荷載。故充填層和軌道板的結(jié)合面不應(yīng)出現(xiàn)強(qiáng)度不均勻或孔洞麻面等病害，且具有強(qiáng)穩(wěn)定性、粘結(jié)性與抗離析的能力。

根據(jù)上述功能要求，鐵路總公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明確了充填層材料——自密實(shí)混凝土性能指標(biāo)的強(qiáng)制要求，自密實(shí)混凝土工作性能指標(biāo)和硬化體性能指標(biāo)見表 1、2。

表1 自密實(shí)混凝土工作性能指標(biāo)

表2 自密實(shí)混凝土硬化體性能指標(biāo)

2 施工技術(shù)難點(diǎn)

鄭徐客專蕭縣段采用的自密實(shí)混凝土經(jīng)過前期揭板試驗(yàn)以及其他項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)填充層施工的主要技術(shù)難點(diǎn)如下：①自密實(shí)混凝土拌和物坍落度損失快，且存在泌水與離析現(xiàn)象②灌注后混凝土表面容易產(chǎn)生較厚的浮漿層，且存在表面水紋、氣泡等病害數(shù)量超標(biāo)現(xiàn)象，甚至局部灌注不飽滿。③灌注過程中軌道板存在上浮和側(cè)移現(xiàn)象，模板出現(xiàn)跑?；蚵{，混凝土側(cè)面存在蜂窩麻面病害。④自密實(shí)混凝土充填層與軌道板間存在粘結(jié)力低和離縫情況。

針對以上問題查閱相關(guān)文獻(xiàn)，EFNARC、安雪暉等進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自密實(shí)混凝土配比中膠凝材料用量、砂率以及漿骨比較高時，可有效改善混凝土的工作性，但對自密實(shí)混凝土收縮、變形有不利影響。同時由于自密實(shí)混凝土的離析現(xiàn)象主要是其較低的塑性黏度和屈服應(yīng)力所致，而且自密實(shí)混凝土中漿體和骨料的分離是不可視的，只有采取特殊手段才能發(fā)現(xiàn)，這就更加導(dǎo)致了混凝土在硬化后干縮較大以及混凝土強(qiáng)度分布不均勻等質(zhì)量問題。譚鹽賓等按性能要求設(shè)計(jì)了C30、C40和C50三種具有良好工作性能的充填層自密實(shí)混凝土，并進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)自密實(shí)混凝土的塑性收縮變形與強(qiáng)度等級的成正比例關(guān)系；但在水膠比與單方用水量相同時三種自密實(shí)混凝土的干燥收縮變形卻呈現(xiàn)出完全相反的規(guī)律。張勇、趙慶新等通過試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，自密實(shí)混凝土水膠比、減水劑用量和粗骨料最大粒徑增加在提高其基本工作性能的同時會降低其靜態(tài)穩(wěn)定性，而引氣劑含量、粗骨料體積分?jǐn)?shù)的增加則存在相反作用；骨料集配對自密實(shí)混凝土基本工作性能和靜態(tài)穩(wěn)定性的影響會以其最佳集配為基礎(chǔ)呈對稱趨勢變化；各影響因素對自密實(shí)混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性影響程度按變異系數(shù)大小依次為水膠比、骨料體積分?jǐn)?shù)、減水劑用量、含氣量、骨料級配和骨料最大粒徑；同時，自密實(shí)混凝土的豎向膨脹率(24h)與其靜態(tài)穩(wěn)定性間不存在明顯相關(guān)性。通過貫入試驗(yàn)、GTM篩穩(wěn)定性試驗(yàn)和柱狀法試驗(yàn)三種試驗(yàn)方法細(xì)分研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自密實(shí)混凝土基本工作性能至少 滿 足 5.3s≤ T500≤ 20.0s，12.1s≤ T600≤ 46.3s，35.7s≤Tfin≤63.5s和550 mm≤坍落擴(kuò)展度≤715mm中的三項(xiàng)時，可判定其靜態(tài)穩(wěn)定性良好。根據(jù)以上文獻(xiàn)研究結(jié)果，又進(jìn)行了CRTS Ⅲ型板式無砟軌道自密實(shí)混凝土相關(guān)配合比調(diào)整試驗(yàn)，同時優(yōu)化了施工工藝。

3 施工工藝研究

施工工藝研究主要包括拌和及運(yùn)輸工藝研究和灌注工藝研究兩部分內(nèi)容。

3.1 拌和及運(yùn)輸

自密實(shí)混凝土應(yīng)采用強(qiáng)制拌和機(jī)拌和，各種原材料投放量應(yīng)嚴(yán)格按照前期試驗(yàn)配合比執(zhí)行，因此在對原材料計(jì)量時采用電子計(jì)量系統(tǒng)，膠凝材料、拌和用水、外加劑等原材料質(zhì)量偏差應(yīng)控制在±1%內(nèi)，骨料應(yīng)控制在±2%以內(nèi)。同時應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范對砂、摻和料、粗骨料、減水劑等原材料進(jìn)行入場檢測，尤其應(yīng)對砂子細(xì)度模數(shù)、粗骨料最大粒徑、摻合料細(xì)度與燒失量等嚴(yán)格檢驗(yàn)。

拌和前應(yīng)對各種骨料的含水率進(jìn)行檢測，并在拌和過程中每8小時抽檢不少于2次，且不少于每4 h檢測一次，雨雪天氣應(yīng)隨時抽檢；大氣溫度應(yīng)每小時量測1次，檢測后應(yīng)及時根據(jù)結(jié)果調(diào)整施工配合比。自密實(shí)混凝土拌和時應(yīng)按二次投料拌和工藝實(shí)施，并先按細(xì)骨料、粗骨料、水泥、礦物摻和料的先后順序投料，待一次拌和均勻后再注入拌和水與外加劑，直至拌和均勻?；炷涟韬屯瓿珊髴?yīng)在出料裝車前檢測自密實(shí)混凝土工作性能指標(biāo)是否滿足規(guī)范要求。

自密實(shí)混凝土采用8m3混凝土拌和車運(yùn)送，在運(yùn)送途中拌和車應(yīng)保持低速拌和狀態(tài)，駕駛過程盡量保持平衡。混凝土拌和車卸料前應(yīng)高速拌和均勻，并應(yīng)先對自密實(shí)混凝土的工作性能進(jìn)行檢測，檢測合格后方可卸料灌注。夏冬季節(jié)運(yùn)送自密實(shí)混凝土?xí)r，應(yīng)對攪拌車采取保溫隔熱措施，以防混凝土入模溫度升高或過低。

3.2 灌注工藝

通過研究將灌注漏斗由最初按敞開式方形設(shè)計(jì)改為圓柱形，并在漏斗內(nèi)增加拌和裝置和移動裝置，可保證施工過程中漏斗移動作業(yè)方便，同時也可有效避免混凝土產(chǎn)生骨料下沉、分層、坍落度損失等問題。

對模板系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，將原設(shè)計(jì)中固定軌道板的L形扣壓裝置增設(shè)水平方向調(diào)節(jié)螺栓，可有效控制軌道板在自密實(shí)混凝土灌注時的側(cè)移，同時將原設(shè)計(jì)中的小斷面槽鋼正面扣壓方式，改為具有更大剛度的大尺寸槽鋼立放形成扁擔(dān)扣壓在軌道板頂面，并與底板內(nèi)預(yù)埋的PVC管“T”形銷鉚接后，可有效控制軌道板在自密實(shí)混凝土灌注時的頂面高程上浮以保證施工精度。由于自密實(shí)混凝土主要靠自身流動性填充整個充填層，澆筑時整個充填層為密閉結(jié)構(gòu)導(dǎo)致混凝土排氣效果不佳，經(jīng)研究將自密實(shí)混凝灌注時的封頭側(cè)模板改為定型鋼模板分段拼接，以及在模板內(nèi)側(cè)面粘貼透水土工布，同時在軌道板4角設(shè)置排氣槽等，可有效提高自密實(shí)混凝土在澆筑硬化過程中的排氣效果，避免混凝土表面麻面和自密實(shí)混凝土與軌道板離縫的產(chǎn)生。

對澆筑前軌道板潤濕裝置試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，在混凝土灌注前采用旋轉(zhuǎn)噴頭對軌道板和底板進(jìn)行霧狀噴射，可有效達(dá)到軌道板腔表面濕潤且無明水的效果，并使軌道板腔濕度滿足85%～95%的要求。對灌注施工工藝進(jìn)行多次試驗(yàn)研究后總結(jié)出自密實(shí)混凝土充填層施工應(yīng)按“先快后慢”的灌注原則控制，灌注速度快慢轉(zhuǎn)變以自密實(shí)混凝土是否到達(dá)觀察孔為標(biāo)準(zhǔn)控制。每塊板灌注時間應(yīng)控制在8～12min范圍內(nèi)，當(dāng)觀察到設(shè)置的排氣槽內(nèi)充滿自密實(shí)混凝土后停止灌注，并采用插板封閉排氣槽。

4 結(jié)語

通過對鄭徐客專蕭縣段自密實(shí)混凝土充填層施工工藝試驗(yàn)研究并經(jīng)過施工過程中的不斷改進(jìn)與完善，通過揭板試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實(shí)混凝土填充層施工效果良好，側(cè)面混凝土澆筑飽滿，充填層表面浮漿層、裂紋與麻面現(xiàn)象得到有效控制，施工質(zhì)量達(dá)到規(guī)范要求。