譚鹽賓，謝永江，李化建，李林香，易忠來(lái)

(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)

高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)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(lái)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)

為解決高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)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(dòng)性、高塑性穩(wěn)定性和低收縮變形的自密實(shí)混凝土作為無(wú)砟軌道充填層材料。針對(duì)充填層的封閉結(jié)構(gòu)空間和承載功能，并結(jié)合設(shè)計(jì)和無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)對(duì)自密實(shí)混凝土的要求，制備了C30，C40和C50三種強(qiáng)度等級(jí)自密實(shí)混凝土，進(jìn)行體積穩(wěn)定性試驗(yàn)、氯離子滲透試驗(yàn)和單邊凍融試驗(yàn)，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(shí)混凝土均具有適合板式無(wú)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(qiáng)度等級(jí)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(shí)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(shí)混凝土均具有良好耐久性，抗氯離子滲透能力隨強(qiáng)度等級(jí)的提高而降低，抗鹽凍性能則隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高而增強(qiáng)。

高速鐵路 板式無(wú)砟軌道 自密實(shí)混凝土 工作性 體積穩(wěn)定性 耐久性

高速鐵路板式無(wú)砟軌道充填層混凝土是一種具有高流動(dòng)性、高間隙通過(guò)性和高抗離析性的自密實(shí)混凝土。圖1為板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)和自密實(shí)混凝土施工示意圖，可見(jiàn)其主要由軌道板、自密實(shí)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(shí)混凝土充填層施工是整個(gè)板式無(wú)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(shí)混凝土只能從軌道板上預(yù)留灌注孔進(jìn)入空腔。同時(shí)，設(shè)計(jì)要求自密實(shí)混凝土與軌道板形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，共同承受列車(chē)荷載，因此要求自密實(shí)混凝土材料具有高的流動(dòng)性和高的體積穩(wěn)定性。但混凝土材料的流動(dòng)性和體積穩(wěn)定性通常是矛盾的，提高混凝土流動(dòng)性一般會(huì)降低其體積穩(wěn)定性，引起混凝土收縮增大。自密實(shí)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(huì)對(duì)自密實(shí)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(wú)砟軌道充填層的自密實(shí)混凝土，本文研究三種類(lèi)型自密實(shí)混凝土的工作性、體積穩(wěn)定性和耐久性。

圖1 CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道與自密實(shí)混凝土施工示意

1 原材料、配合比與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥為北京琉璃河水泥廠P·O42.5級(jí)水泥;粉煤灰為河北西柏坡電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰;磨細(xì)礦渣粉為山東魯新建材S95級(jí)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(biāo)見(jiàn)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(jí)配碎石，其最大粒徑分別為10mm和16mm;細(xì)骨料為河北盧龍產(chǎn)細(xì)度模數(shù)2.6的河砂。減水劑為天津雍陽(yáng)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(yàn)設(shè)計(jì)了C30，C40和C50三種強(qiáng)度等級(jí)的自密實(shí)混凝土，配合比見(jiàn)表2，試驗(yàn)用所有原材料均為干燥狀態(tài)。

表2 試驗(yàn)配合比kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

收縮試驗(yàn)參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082—2009)?；炷粮煽s變形試件成型后在溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度＞95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)1d，然后移入溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度(60±5)%的恒溫恒濕室內(nèi)，并立即測(cè)試其干縮變形初始值，隨后按齡期測(cè)試其干縮變形?；炷磷允湛s變形試件成型后立即用蠟進(jìn)行密封，并在溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度(60±5)%的恒溫恒濕室內(nèi)養(yǎng)護(hù)1d，然后立即測(cè)試其變形初始值。塑性收縮變形則在溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度(60±5)%且無(wú)風(fēng)的環(huán)境下測(cè)試，采用非接觸式位移測(cè)定儀進(jìn)行，見(jiàn)圖2。

圖2 塑性收縮測(cè)試

2 板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土性能要求

根據(jù)高速鐵路板式無(wú)砟軌道充填層設(shè)計(jì)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(gè)充填層空間，這就要求其具有高的流動(dòng)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(jì)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(chē)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了充填層材料——自密實(shí)混凝土的性能指標(biāo)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)分別見(jiàn)表3和表4。

表3 自密實(shí)混凝土工作性能指標(biāo)［5］

表4 自密實(shí)混凝土硬化體性能指標(biāo)［5］

3 結(jié)果與分析

3.1 工作性能

圖3為拌和物坍落擴(kuò)展度和J環(huán)試驗(yàn)測(cè)試圖。自密實(shí)混凝土拌和物工作性能見(jiàn)表5，試驗(yàn)表明，制備的三種自密實(shí)混凝土均具有良好的流動(dòng)性和填充性，其工作性能指標(biāo)均滿足表3要求。

表5 自密實(shí)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(shí)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(fù)值表示膨脹)。結(jié)果表明，三種自密實(shí)混凝土的塑性收縮變形趨勢(shì)相似，但是隨著強(qiáng)度等級(jí)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(duì)濕度和風(fēng)速等有關(guān)。當(dāng)環(huán)境條件相同時(shí)，水膠比大小則成為影響表面失水率的關(guān)鍵因素。本試驗(yàn)中三種自密實(shí)混凝土隨強(qiáng)度等級(jí)提高，水膠比逐漸降低，可自由遷移水量也逐漸減少，當(dāng)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(shí)，其內(nèi)部塑性收縮呈增大趨勢(shì)［6］。另外由圖還可看出，摻膨脹劑自密實(shí)混凝土塑性收縮變形可分為3個(gè)階段:①塑性收縮快速增長(zhǎng)階段(A-B段)，該階段發(fā)生在自密實(shí)混凝土拌和物達(dá)到初凝以前，此時(shí)混凝土內(nèi)部尚未形成堅(jiān)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(xì)孔壓力快速增加，引起自密實(shí)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(shí)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(shí)達(dá)到峰值，C30-1，C40-1，C50三種自密實(shí)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(chēng)為膨脹階段，此階段混凝土終凝已經(jīng)完成，混凝土強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)，可對(duì)膨脹劑的膨脹作用提供有效的約束。

圖4 自密實(shí)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(qiáng)度等級(jí)自密實(shí)混凝土的收縮變形曲線。兩種條件下三種自密實(shí)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(shí)混凝土在單方用水量相同時(shí)，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(shí)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(jì)的三種強(qiáng)度等級(jí)自密實(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高的膠凝材料用量也越高，意味著在單方用水量相同時(shí)強(qiáng)度等級(jí)越高，其水膠比越小，隨強(qiáng)度等級(jí)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(duì)混凝土干縮變形和自收縮變形的抵抗能力更強(qiáng)，故呈現(xiàn)出如圖5所示規(guī)律;而當(dāng)三種混凝土水膠比相同時(shí)，則強(qiáng)度等級(jí)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(shí)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(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，充填層中設(shè)置有一層鋼筋網(wǎng)片，因而要求自密實(shí)混凝土具有高的抗氯離子滲透能力。三種自密實(shí)混凝土抗氯離子滲透性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6?？梢?jiàn)，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(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)越低，其56 d電通量越低。這是因?yàn)榈蛷?qiáng)度等級(jí)自密實(shí)混凝土礦物摻合料用量高于高強(qiáng)度等級(jí)自密實(shí)混凝土(參見(jiàn)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(shí)度，強(qiáng)化水泥石—集料界面過(guò)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(shí)混凝土收縮變形(水膠比不同，單方用水量相同)

圖6 自密實(shí)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(shí)混凝土抗氯離子滲透性能

3.3.2 抗鹽凍性能

當(dāng)自密實(shí)混凝土灌注進(jìn)充填層后，僅有4個(gè)側(cè)面暴露于大氣環(huán)境中，充填層材料凍融破壞形式類(lèi)似于道路混凝土，因而采用單邊鹽凍法來(lái)評(píng)價(jià)自密實(shí)混凝土的抗凍性能。由圖7可知:三種自密實(shí)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(biāo)要求，三種自密實(shí)混凝土剝落量分別為989，452，188 g/m2。同時(shí)，隨著自密實(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，其抗鹽凍破壞能力逐漸增強(qiáng)。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(shí)度越高，孔隙率越小，抗凍能力越強(qiáng)。本試驗(yàn)中三種自密實(shí)混凝土隨強(qiáng)度等級(jí)提高，其水膠比逐漸降低，分別為0.33，0.31和0.30，對(duì)應(yīng)抗凍能力也逐漸提高。

圖7 自密實(shí)混凝土抗鹽凍性能

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的三種類(lèi)型自密實(shí)混凝土均具有良好的流動(dòng)能力和填充能力。

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

3)三種類(lèi)型自密實(shí)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(qiáng)度等級(jí)的提高而降低，抗鹽凍性能則隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高而增強(qiáng)。

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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(zé)任審編 葛全紅)

2014-09-10;

2014-11-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(51378499);中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)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。