基于智能制造的CRTSⅢ型軌道板混凝土配合比優(yōu)化研究*

陳 浩，朱爾玉，白正偉

(1.中鐵十四局集團(tuán)房橋有限公司，北京 102488； 2.北京交通大學(xué)，北京 100044)

0 引言

高速鐵路CRTSⅢ型無(wú)砟軌道先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板(CRTSⅢ型軌道板)是具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)[1]，經(jīng)歷單元臺(tái)座法、矩陣臺(tái)座法、流水機(jī)組法的發(fā)展歷程，正處于由機(jī)械化、自動(dòng)化制造向智能制造發(fā)展階段。在智能制造生產(chǎn)過(guò)程中，軌道板產(chǎn)品的生產(chǎn)具有大規(guī)模、高質(zhì)量、智能化等特點(diǎn)。因此，需設(shè)計(jì)適用于智能制造生產(chǎn)的混凝土配合比，以滿足高質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性要求。

在軌道板混凝土配合比研究中，曹虎等[2]研究了普通摻合料及專(zhuān)用摻合料對(duì)CRTSⅢ型軌道板混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響，并給出了可達(dá)到CRTSⅢ型軌道板混凝土設(shè)計(jì)要求的配合比；劉檳豪[3]研究了高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)中原材料對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性的影響，并深入分析了耐久性影響因素；趙年全[4]研究了CRTSⅡ型無(wú)砟軌道板混凝土配合比，基于不同環(huán)境溫度，通過(guò)試驗(yàn)研究了混凝土入模溫度對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，給出了滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性的早強(qiáng)型混凝土配合比。已有研究[5-6]基本未考慮基于智能制造大規(guī)模、批量化生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)混凝土配合比設(shè)計(jì)。

CRTSⅢ型軌道板在智能化生產(chǎn)過(guò)程中，選用機(jī)組流水法組織生產(chǎn)，可有效提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量，并保證軌道板使用性能。但現(xiàn)有機(jī)組流水法自動(dòng)蒸養(yǎng)系統(tǒng)在CRTSⅢ型軌道板大規(guī)模生產(chǎn)中的適應(yīng)性有待驗(yàn)證。馬昆林等[7]在探究軌道板早期劣化原因時(shí)，發(fā)現(xiàn)蒸養(yǎng)造成軌道板混凝土熱損傷，加劇混凝土老化，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命。

因此，需通過(guò)優(yōu)化混凝土配合比，使軌道板生產(chǎn)可與基于智能制造的機(jī)組流水法相融合，以提高軌道板生產(chǎn)效率，并保證自動(dòng)蒸養(yǎng)系統(tǒng)適用性。本文通過(guò)2組試驗(yàn)，確定復(fù)合摻合料方案中最優(yōu)配合比和磨細(xì)礦渣粉方案中最優(yōu)配合比，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到適合大規(guī)模智能制造生產(chǎn)的混凝土配合比。根據(jù)最優(yōu)配合比方案進(jìn)行試驗(yàn)生產(chǎn)，驗(yàn)證軌道板在蒸養(yǎng)過(guò)程中自動(dòng)蒸養(yǎng)系統(tǒng)能否有效完成溫度控制工作、是否存在結(jié)構(gòu)熱損傷等問(wèn)題，以期為基于智能制造的CRTSⅢ型軌道板大規(guī)模批量生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 工程概況

為研制適合基于智能制造的CRTSⅢ型軌道板，課題組在寶坻軌道板場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了試驗(yàn)工作，軌道板生產(chǎn)設(shè)備如圖1所示。

圖1 CRTSⅢ型軌道板生產(chǎn)設(shè)備

1.2 試驗(yàn)方法

第1組試驗(yàn)分別選用水膠比為0.30，0.32，0.34的配合比方案，摻加復(fù)合摻合料。第2組試驗(yàn)分別選用水膠比為0.29，0.31，0.33的配合比方案，摻加磨細(xì)礦渣粉。設(shè)置磨細(xì)礦渣粉的主要原因是其價(jià)格低廉，生產(chǎn)過(guò)程中利于環(huán)境保護(hù)，更適用于基于智能制造的大規(guī)模生產(chǎn)[8]。同時(shí)，在CRTSⅢ型軌道板生產(chǎn)中，大部分文獻(xiàn)均論述了采用磨細(xì)礦渣粉代替復(fù)合摻合料的可能性[9-11]，并通過(guò)具體試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。為此本試驗(yàn)考慮了磨細(xì)礦渣粉對(duì)水灰比的影響，另設(shè)了摻加磨細(xì)礦渣粉的配合比方案。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，配制強(qiáng)度69MPa，坍落度60～100mm，膠凝材料用量≤450kg/m3，水膠比≤0.35，28d電通量<1 000C，含氣量2%～4%，不泌水，抗凍等級(jí)≥F300，彈性模量≥36.5GPa，56d收縮率≤400×10-6，總堿量≤3%，氯離子含量≤0.06%，三氧化硫含量≤4.0%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

第1組試驗(yàn)中，混凝土材料用量如表1所示。0.30，0.32，0.34水膠比對(duì)應(yīng)的混凝土配合比分別為：(水泥+復(fù)合摻合料)∶細(xì)骨料∶粗骨料∶減水劑∶引氣劑∶水=(0.9+0.1)∶1.50∶2.86∶0.01∶0.003∶0.29，(0.9+0.1)∶1.67∶2.97∶0.01∶0.003∶0.31，(0.9+0.1)∶1.85∶3.16∶0.01∶0.003∶0.33。

表1 第1組試驗(yàn)混凝土材料用量

第2組試驗(yàn)中，混凝土材料用量如表2所示。0.29，0.31，0.33水膠比對(duì)應(yīng)的混凝土配合比分別為：(水泥+磨細(xì)礦渣粉)∶細(xì)骨料∶粗骨料∶減水劑∶水=(0.9+0.1)∶1.50∶2.67∶0.012∶0.29，(0.9+0.1)∶1.68∶2.86∶0.012∶0.31，(0.9+0.1)∶1.86∶3.03∶0.012∶0.33。

表2 第2組試驗(yàn)混凝土材料用量

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在CRTSⅢ型軌道板生產(chǎn)過(guò)程中，一般要求混凝土坍落度為60～100mm，一般選用28d抗壓強(qiáng)度>69MPa的混凝土。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，由表3可知，第1組試驗(yàn)中，水膠比為0.34的混凝土28d抗壓強(qiáng)度不滿足要求；第2組試驗(yàn)中，水膠比為0.33的混凝土28d抗壓強(qiáng)度不滿足要求。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

考慮混凝土拌合物流動(dòng)性，在滿足施工操作及混凝土成型密實(shí)的條件下，盡可能選用較小的坍落度，以節(jié)約水泥，并獲得較高質(zhì)量的混凝土。綜合考慮使用性能，第1組試驗(yàn)水膠比選為0.30，第2組試驗(yàn)水膠比選為0.29。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，考慮摻合料、成本等，可得以下結(jié)論。

1)通過(guò)磨細(xì)礦渣粉代替復(fù)合摻合料，混凝土28d抗壓強(qiáng)度、坍落度均滿足設(shè)計(jì)要求。

2)摻加復(fù)合摻合料混凝土含氣量為3.6%，摻加磨細(xì)礦渣粉混凝土含氣量為2.9%，均滿足設(shè)計(jì)要求的2%～4%，考慮到含氣量過(guò)高會(huì)影響結(jié)構(gòu)受荷后的收縮、徐變，含氣量越小越利于結(jié)構(gòu)受力。

3)在材料成本方面，摻加復(fù)合摻合料的成本高于摻加磨細(xì)礦渣粉，且引氣劑增加了成本。

綜上所述，在基于智能制造的機(jī)組流水法生產(chǎn)過(guò)程中，若不考慮經(jīng)濟(jì)因素，推薦采用摻加復(fù)合摻合料、水膠比為0.30的配合比；若考慮經(jīng)濟(jì)因素，推薦采用摻加磨細(xì)礦渣粉、水膠比為0.29的配合比。

3 推薦配合比早期強(qiáng)度驗(yàn)證

考慮到軌道板生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，選取摻加磨細(xì)礦渣粉、水灰比為0.29的混凝土配合比，并澆筑尺寸為150mm×150mm×150mm，150mm×150mm×300mm的混凝土試件?；炷撂涠葹?5mm，含氣量為2.8%，堿含量為2.404kg/m3，三氧化硫含量為3.531%，氯離子含量為0.047%。試驗(yàn)測(cè)得150mm×150mm×150mm試件蒸養(yǎng)15h抗壓強(qiáng)度為55.2MPa，標(biāo)養(yǎng)28d抗壓強(qiáng)度為78.9MPa；150mm×150mm×300mm試件蒸養(yǎng)15h彈性模量為40.2GPa，標(biāo)養(yǎng)28d彈性模量為56.9GPa。

150mm×150mm×150mm混凝土試件蒸養(yǎng)15h后早期抗壓強(qiáng)度達(dá)28d抗壓強(qiáng)度的69.96%，表現(xiàn)出了“早強(qiáng)”特性，可有效縮短工期，提高大規(guī)模生產(chǎn)軌道板效率。

150mm×150mm×300mm混凝土試件蒸養(yǎng)15h后早期彈性模量達(dá)28d彈性模量的70.65%，表現(xiàn)出了早期較穩(wěn)定的抗變形能力，有利于早期先張法預(yù)應(yīng)力的施加。因此，細(xì)骨料為磨細(xì)礦渣粉、水膠比為0.29的混凝土配合比設(shè)計(jì)方案可滿足提高CRTSⅢ型軌道板生產(chǎn)效率的要求。

4 自動(dòng)蒸養(yǎng)系統(tǒng)有效性驗(yàn)證

在智能制造生產(chǎn)過(guò)程中，自動(dòng)蒸養(yǎng)系統(tǒng)較為關(guān)鍵，不當(dāng)?shù)恼麴B(yǎng)溫度和蒸養(yǎng)程序會(huì)造成結(jié)構(gòu)熱損傷，嚴(yán)重降低軌道板使用壽命。馬昆林等[7]采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、取樣試驗(yàn)(電鏡、能譜、X衍射及壓汞)等方法，對(duì)蒸養(yǎng)混凝土軌道板在使用過(guò)程中出現(xiàn)早期劣化的原因進(jìn)行了研究。蒸養(yǎng)使軌道板混凝土造成一定熱損傷，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)疏松，直接加速了混凝土結(jié)構(gòu)劣化[12-13]。

自動(dòng)蒸養(yǎng)系統(tǒng)常見(jiàn)問(wèn)題為：①因溫度梯度設(shè)置不合理導(dǎo)致的軌道板翹曲現(xiàn)象，即軌道板放張后有向承軌臺(tái)方向拱起現(xiàn)象；②軌道板蒸養(yǎng)時(shí)，模具底面降溫處理措施不當(dāng)，因溫度不均造成軌道板非正常變形；③自動(dòng)蒸養(yǎng)系統(tǒng)在長(zhǎng)期使用后出現(xiàn)溫度測(cè)量不精確等現(xiàn)象。上述問(wèn)題均制約了自動(dòng)蒸養(yǎng)系統(tǒng)在大規(guī)模批量化軌道板生產(chǎn)中的使用。

為驗(yàn)證自動(dòng)蒸養(yǎng)系統(tǒng)在大規(guī)模智能制造軌道板生產(chǎn)中的適用性，利用溫度計(jì)對(duì)1號(hào)蒸養(yǎng)窯中首塊軌道板養(yǎng)護(hù)期間內(nèi)部、表層、環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量，并與溫度自動(dòng)采集系統(tǒng)[14-15]數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。選取3個(gè)數(shù)顯溫度計(jì)插入同塊軌道板不同深度，對(duì)內(nèi)部溫度進(jìn)行測(cè)量。在板面上擱置數(shù)顯溫度計(jì)，待混凝土初凝30min后(以溫度自動(dòng)采集系統(tǒng)探頭不再下沉為宜)，測(cè)量表層溫度。測(cè)量環(huán)境溫度時(shí)，將數(shù)顯溫度計(jì)和溫度自動(dòng)采集系統(tǒng)探頭固定在蒸養(yǎng)窯內(nèi)，懸掛在距端頭15m的固定蒸養(yǎng)管道支架上，不與物體接觸，確保溫度測(cè)量有效性。

測(cè)溫結(jié)果如表4所示。由表4可知，宜選取溫度計(jì)埋入深度為100mm，內(nèi)部溫差≤1.1℃，表層溫差≤1.1℃，環(huán)境溫差≤0.8℃，表明測(cè)溫系統(tǒng)可有效對(duì)蒸養(yǎng)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)真實(shí)有效，現(xiàn)有自動(dòng)蒸養(yǎng)系統(tǒng)可應(yīng)用于大規(guī)模智能制造軌道板生產(chǎn)。

表4 測(cè)溫結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

在基于智能制造的機(jī)組流水法生產(chǎn)過(guò)程中，軌道板早期強(qiáng)度和混凝土材料選取是制約軌道板批量化生產(chǎn)效率的主要因素，本文通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)CRTSⅢ型軌道板混凝土配合比進(jìn)行研究。

1)在滿足CRTSⅢ型軌道板混凝土設(shè)計(jì)要求的前提下，若以早期強(qiáng)度為主要考慮條件，則推薦細(xì)骨料為復(fù)合摻合料、水膠比為0.30或細(xì)骨料為磨細(xì)礦渣粉、水膠比為0.29的混凝土配合比設(shè)計(jì)方案。

2)在滿足CRTSⅢ型軌道板混凝土設(shè)計(jì)要求的前提下，若以經(jīng)濟(jì)性為主要考慮條件，則推薦細(xì)骨料為磨細(xì)礦渣粉、水膠比為0.29的混凝土配合比設(shè)計(jì)方案。

3)通過(guò)對(duì)軌道板內(nèi)部、表層、環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量，并與溫度自動(dòng)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可知測(cè)溫系統(tǒng)可有效對(duì)蒸養(yǎng)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)真實(shí)有效，現(xiàn)有自動(dòng)蒸養(yǎng)系統(tǒng)可應(yīng)用于大規(guī)模智能制造軌道板生產(chǎn)。