李林香，譚鹽賓，李化建，謝永江( 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)

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CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道用低膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的制備與性能

李林香1，2，譚鹽賓1，2，李化建1，2，謝永江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)

摘要:通過(guò)調(diào)整自密實(shí)混凝土配合比，配制了膠凝材料用量為390～580 kg/m3的自密實(shí)混凝土，對(duì)比了不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的工作性能、力學(xué)性能、收縮性能和耐久性能，推薦了最佳配合比，并進(jìn)行了工程應(yīng)用。試驗(yàn)結(jié)果表明:膠凝材料用量為420～520 kg/m3時(shí)，自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性和黏聚性達(dá)到和諧統(tǒng)一;膠凝材料用量＞420 kg/m3時(shí)，自密實(shí)混凝土力學(xué)性能均能滿足《高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》( TJ/GW 112—2013)要求;從體積穩(wěn)定性看，干燥收縮受膠凝材料用量和用水量的雙重影響，宜盡量選擇膠凝材料用量小且用水量小的自密實(shí)混凝土配合比;不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的電通量差別不大。從自密實(shí)混凝土綜合性能來(lái)看，高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土配合比推薦膠凝材料用量為470 kg/m3的3#混凝土配合比。

關(guān)鍵詞:低膠凝材料用量自密實(shí)混凝土CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道

高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)是具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式，目前已成功應(yīng)用于盤營(yíng)客專、武漢城際鐵路、成綿樂客專(眉樂段)、沈丹客專等多條鐵路客運(yùn)專線。該軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、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，其中自密實(shí)混凝土層是影響整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)各條線路的自密實(shí)混凝土配合比的調(diào)研發(fā)現(xiàn):早期的盤營(yíng)客專、武咸鐵路、武黃鐵路，自密實(shí)混凝土膠凝材料用量偏高，均高達(dá)590 kg/m3;后期的成綿樂客專、漢孝鐵路、武岡鐵路、沈丹客專，自密實(shí)混凝土膠凝材料用量有所降低，基本上在530～570 kg/m3;正在施工的鄭徐客專自密實(shí)混凝土膠凝材料用量在520～550 kg/m3?？梢钥闯?，自密實(shí)混凝土膠凝材料用量普遍較高。一般而言，為了達(dá)到自密實(shí)混凝土優(yōu)良的工作性能，保證其流動(dòng)性、自充填性和抗離析性，自密實(shí)混凝土往往具有較高的膠凝材料用量［1-2］。但高膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的收縮和水化溫升均較大，這對(duì)自密實(shí)混凝土的體積穩(wěn)定性和耐久性均有影響［3-5］。為了降低自密實(shí)混凝土的水化放熱，改善其體積穩(wěn)定性，蘇登成等［6］進(jìn)行了大摻量( 60%～90% )輔助性膠凝材料自密實(shí)混凝土的試驗(yàn)研究。閻培渝、陳陽(yáng)等［7-8］進(jìn)行了低膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的試驗(yàn)研究。本文通過(guò)調(diào)整自密實(shí)混凝土配合比，配制了膠凝材料用量為390～580 kg/m3的自密實(shí)混凝土，對(duì)比了不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的工作性能、力學(xué)性能、收縮性能和耐久性能，推薦了用于高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土的配合比。

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，膨脹劑為天津豹鳴的硫鋁酸鈣膨脹劑，黏度改性材料為鐵科院自制。減水劑為天津雍陽(yáng)UNF-5AST聚羧酸減水劑，減水率為25%。砂子為天然河砂，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配合比設(shè)計(jì)思路

文獻(xiàn)［9-10］采用密實(shí)系數(shù)法、最小漿體理論法設(shè)計(jì)了混凝土配合比。相對(duì)普通混凝土，自密實(shí)混凝土最顯著的特點(diǎn)是其在新拌階段具有“自密實(shí)”性能，因此對(duì)自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)提出了更高的要求。本試驗(yàn)自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)采用等砂漿量的原則，通過(guò)調(diào)整砂率和用水量滿足自密實(shí)混凝土一定的富漿量，通過(guò)調(diào)整砂子的細(xì)度和黏度改性劑的摻量滿足自密實(shí)混凝土具有一定的黏聚性。自密實(shí)混凝土配合比初步設(shè)計(jì)如表1所示。

表1自密實(shí)混凝土配合比初步方案　kg/m3

1#配合比的砂細(xì)度模數(shù)定為2. 6，2#配合比的砂細(xì)度模數(shù)定為2. 4，3#配合比的砂細(xì)度模數(shù)定為2. 3，4#配合比的砂細(xì)度模數(shù)定為2. 2，5#配合比的砂細(xì)度模數(shù)定為2. 2。

1. 3試驗(yàn)內(nèi)容與試驗(yàn)方法

1. 3. 1自密實(shí)混凝土工作性能

測(cè)試坍落擴(kuò)展度、T500、T最終、含氣量，試驗(yàn)按照TJ/GW 112—2013和《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》( GB /T 50080—2002)中的規(guī)定進(jìn)行。

1. 3. 2自密實(shí)混凝土力學(xué)性能

測(cè)試抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量，試驗(yàn)按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》( GB /T 50081—2002)中的規(guī)定進(jìn)行。

1. 3. 3自密實(shí)混凝土體積穩(wěn)定性

測(cè)試混凝土干燥收縮性能，試驗(yàn)按照《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 /T 50082—2009)中的規(guī)定進(jìn)行。

1. 3. 4自密實(shí)混凝土耐久性能

測(cè)試混凝土電通量，試驗(yàn)按照GB /T 50082—2009中的規(guī)定進(jìn)行。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2. 1自密實(shí)混凝土工作性能測(cè)試與分析

按照表1所示配合比試配自密實(shí)混凝土，1#配合比拌制出的混凝土能滿足流動(dòng)性和黏聚性的要求，2#，3#，4#和5#配合比拌制出的混凝土均顯流動(dòng)性不足，因此2#，3#，4#和5#配合比均在原配合比的基礎(chǔ)上調(diào)整了用水量，經(jīng)過(guò)調(diào)整和試配，最終確定的自密實(shí)混凝土配合比如表2所示。測(cè)試自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度、T500、T最終和含氣量，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表2自密實(shí)混凝土配合比最終方案　kg/m3

表3自密實(shí)混凝土的工作性能

文獻(xiàn)［11］研究了膠凝材料用量在460～550 kg/m3的自密實(shí)混凝土的工作性能，指出膠凝材料用量在480～550 kg/m3時(shí)，混凝土都可以達(dá)到大流動(dòng)性的要求。本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)自密實(shí)混凝土拌合物性能的測(cè)試和觀察，得出不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土拌合物性能規(guī)律為:隨著膠凝材料用量的減小，自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性減弱，黏聚性減小，整體感覺混凝土更加松散。具體來(lái)講，1#混凝土過(guò)于黏稠，鏟著發(fā)沉; 5#混凝土過(guò)于松散，漿體對(duì)骨料的包裹性不足，后期流動(dòng)性不好。從自密實(shí)混凝土拌合物狀態(tài)來(lái)看，2#，3#，4#混凝土達(dá)到了流動(dòng)性和黏聚性的和諧統(tǒng)一，滿足自密實(shí)混凝土拌合物的性能要求。

2. 2自密實(shí)混凝土力學(xué)性能測(cè)試與分析

2. 2. 1混凝土抗壓強(qiáng)度

不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律如圖1所示。從圖1可以看出，隨著膠凝材料用量的降低，自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低。不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土56 d抗壓強(qiáng)度均在400 MPa以上，均滿足TJ/GW 112—2013中規(guī)定的混凝土抗壓強(qiáng)度要求。1#和2#混凝土56 d抗壓強(qiáng)度分別為70. 6 MPa和64. 1 MPa，大大超過(guò)了自密實(shí)混凝土充填層的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，強(qiáng)度富余量過(guò)多; 5#混凝土56 d抗壓強(qiáng)度為40. 1 MPa，基本沒有富余量; 3#和4#混凝土56 d抗壓強(qiáng)度分別為55. 0 MPa和46. 1 MPa，強(qiáng)度富余量適中。從滿足抗壓強(qiáng)度性能的要求考慮，3#和4#混凝土配合比可推薦為CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土用配合比。

圖1不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

2. 2. 2混凝土抗折強(qiáng)度

不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的抗折強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律如圖2所示。從圖2看出，不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的56 d抗折強(qiáng)度均在6. 0 MPa以上，均滿足TJ/GW 112—2013中規(guī)定的混凝土抗折強(qiáng)度要求。在7 d和28 d齡期時(shí)，膠凝材料用量越小，自密實(shí)混凝土抗折強(qiáng)度越小;但在56 d齡期時(shí)，不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的抗折強(qiáng)度差別不大。

圖2不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土抗折強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

混凝土抗折強(qiáng)度指的是混凝土在彎曲應(yīng)力下，單位面積上所能承受的最大荷載。所以抗折強(qiáng)度的大小一方面反映了混凝土抵抗破壞的能力，另一方面反映了混凝土抵抗彎曲變形的能力。隨著膠凝材料用量的減少，混凝土抵抗破壞的能力減小，但是隨著水膠比的逐漸增大，混凝土剛性減弱，承受彎曲變形的能力增強(qiáng)。由于兩方面的相反作用，56 d齡期時(shí)不同膠凝材料用量的混凝土抗折強(qiáng)度差別不大。

2. 2. 3混凝土彈性模量

不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的彈性模量發(fā)展規(guī)律如圖3所示。從圖3看出，隨著膠凝材料用量的減小，自密實(shí)混凝土彈性模量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的56 d彈性模量均在TJ/GW 112—2013規(guī)定的指標(biāo)范圍內(nèi)。彈性模量是反映混凝土變形能力的一個(gè)量值，混凝土彈性模量越大，剛度越大，變形的能力越小;混凝土彈性模量越小，剛度越小，變形的能力越大。隨著膠凝材料用量的減小，同時(shí)水膠比的逐漸增大，混凝土的剛度降低，變形的能力增大，因此混凝土的彈性模量逐漸降低。

圖3不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土彈性模量發(fā)展規(guī)律

2. 3自密實(shí)混凝土體積穩(wěn)定性測(cè)試與分析

不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的干燥收縮如圖4所示。從圖4看出，膠凝材料用量為470 kg/m3時(shí)，自密實(shí)混凝土的干燥收縮最小，其余幾個(gè)膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的干燥收縮差別不大。

圖4不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的干燥收縮

干燥收縮指的是混凝土在干燥環(huán)境中逐漸失去內(nèi)部毛細(xì)孔水和凝膠水，從而產(chǎn)生毛細(xì)管負(fù)壓形成彎月面，對(duì)孔壁產(chǎn)生拉應(yīng)力，造成水泥漿體產(chǎn)生不可逆的收縮。干燥收縮一方面是由于水泥水化消耗水而引起的毛細(xì)管負(fù)壓，另一方面是由于在干燥環(huán)境中向外蒸發(fā)水分而失水引起的毛細(xì)管負(fù)壓。

從表2配合比中的數(shù)據(jù)看出，膠凝材料用量分別為580，520，470，420，390 kg/m3時(shí)，單方用水量分別為180，180，170，180，175 kg，計(jì)算出的水膠比分別為0. 31，0. 35，0. 36，0. 43和0. 45?？梢钥闯觯m然各個(gè)混凝土配合比中膠凝材料用量有較大的差別，但混凝土單方用水量差別很小，有的甚至沒有差別，造成混凝土水膠比差別較大。隨著膠凝材料用量的減小，水泥水化消耗的水量小，引起的毛細(xì)管負(fù)壓就小;但同時(shí)混凝土的水膠比逐漸增大，相應(yīng)的混凝土硬化體中的毛細(xì)孔增大，混凝土中的水分較容易向外散失，因此向外蒸發(fā)水分引起的毛細(xì)管負(fù)壓就大。由于兩方面作用此消彼長(zhǎng)，最終使得不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的干燥收縮差異不大。

膠凝材料用量為470 kg/m3的3#混凝土配合比，一方面由于其膠凝材料用量相對(duì)較少，另一方面由于其單方用水量最少導(dǎo)致水膠比相對(duì)適中，因此3#混凝土配合比的干燥收縮是最小的。

2. 4自密實(shí)混凝土耐久性能測(cè)試與分析

以電通量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)試了不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的抗氯離子滲透性能，結(jié)果如圖5所示。從圖5看出，56 d齡期時(shí)，不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的電通量均＜1 000 C，滿足TJ/GW 112—2013中規(guī)定的混凝土電通量的要求。

圖5不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的電通量

2. 5不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土性能綜合分析

從自密實(shí)混凝土拌合物性能看，膠凝材料用量過(guò)大，自密實(shí)混凝土黏聚性大，流動(dòng)性反而不好;膠凝材料用量小，流動(dòng)性不能滿足要求。最佳的膠凝材料用量為420～520 kg/m3之間。

從自密實(shí)混凝土力學(xué)性能看，膠凝材料用量在420 kg/m3以上時(shí)，均能滿足TJ/GW 112—2013中規(guī)定的強(qiáng)度要求。但隨著膠凝材料用量的降低，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，抗折強(qiáng)度差別不大，因此折壓比逐漸增大，混凝土的韌性和抗裂性顯著增強(qiáng)。因此在滿足自密實(shí)混凝土強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)選擇膠凝材料用量低的自密實(shí)混凝土配合比。

從自密實(shí)混凝土體積穩(wěn)定性看，干燥收縮受膠凝材料用量和用水量的雙重影響，盡量選擇膠凝材料用量少且用水量小的自密實(shí)混凝土配合比。本試驗(yàn)中膠凝材料用量為470 kg/m3的3#混凝土配合比干燥收縮最小。

本試驗(yàn)中不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的配制受砂子細(xì)度和級(jí)配影響較大，考慮到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)原材料控制的不穩(wěn)定性因素，推薦高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土配合比為3#混凝土配合比，膠凝材料用量為470 kg/m3，用水量為170 kg/m3。

3　工程應(yīng)用

采用膠凝材料用量為470 kg/m3的3#混凝土配合比，并采用移動(dòng)式攪拌車施工新工藝，于2015年上半年在鄭徐鐵路客運(yùn)專線中鐵四局和中鐵十二局的自密實(shí)混凝土道岔區(qū)以及中鐵十四局、中鐵十五局和中鐵二十局的自密實(shí)混凝土正線進(jìn)行了成功應(yīng)用。

采用低膠凝材料用量自密實(shí)混凝土配合比和移動(dòng)式攪拌車施工新工藝，具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì):①提高了施工效率。采用移動(dòng)式攪拌車新工藝，施工效率可提高1. 3～1. 7倍;②降低了自密實(shí)混凝土損耗率。采用移動(dòng)式攪拌車新工藝，自密實(shí)混凝土損耗率理論上可＜5% ;③降低了施工難度?？蓮谋举|(zhì)上解決混凝土坍損和低擴(kuò)展度難以灌注的問題，降低自密實(shí)混凝土施工技術(shù)難度;④降低了成本。由于自密實(shí)混凝土膠凝材料用量的降低，以及采用新工藝導(dǎo)致自密實(shí)混凝土損耗率的降低，綜合成本將有所下降。

4　結(jié)論

本文通過(guò)調(diào)整自密實(shí)混凝土配合比，配制出了膠凝材料用量為390～580 kg/m3的自密實(shí)混凝土，并對(duì)比了不同膠凝材料用量自密實(shí)混凝土的工作性能、力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性和耐久性能，得出以下結(jié)論:

1)配合比設(shè)計(jì)采用等砂漿量原則，并通過(guò)調(diào)整砂子細(xì)度、砂率、用水量、黏度改性劑摻量等因素，配制了膠凝材料用量為390～580 kg/m3的自密實(shí)混凝土。

2)從自密實(shí)混凝土拌合物性能看，膠凝材料用量在420～520 kg/m3時(shí)，自密實(shí)混凝土流動(dòng)性和黏聚性達(dá)到和諧統(tǒng)一，拌合物狀態(tài)最佳。

3)從自密實(shí)混凝土力學(xué)性能看，膠凝材料用量在420 kg/m3以上時(shí)，均能滿足CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土強(qiáng)度性能要求。

4)從自密實(shí)混凝土體積穩(wěn)定性看，干燥收縮受膠凝材料用量和用水量的雙重影響，盡量選擇膠凝材料用量小且用水量小的自密實(shí)混凝土配合比，本試驗(yàn)中3#配合比的干燥收縮最小。

5)從自密實(shí)混凝土綜合性能看，并考慮現(xiàn)場(chǎng)對(duì)原材料控制的不穩(wěn)定性因素，推薦高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土配合比為膠凝材料用量470 kg/m3，用水量170 kg/m3的3#混凝土配合比。

6)采用推薦配合比和移動(dòng)攪拌車新工藝的自密實(shí)混凝土在鄭徐客專進(jìn)行了成功應(yīng)用。

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(責(zé)任審編周彥彥)

Preparation and performance of self-compacting concrete with low gel content in CRTSⅢslab-type ballastless track

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

Abstract:Self-compacting concrete with cementitious material content varying from 390 kg /m3to 580 kg /m3was prepared by adjusting self-compacting concrete mixture ratio，the working performance，mechanical properties，shrinkage properties and durability of self-compacting concrete with different cementitious material content were compared，the best mixture ratio was recommended and used in the engineering construction．T he results showed that liquidity and adhesiveness of self-compacting concrete are harmonious and unified when cementitious material content was from 420 kg /m3to 520 kg /m3，mechanical properties of self-compacting concrete could satisfy the requirement of standard for Self-Compacting Concrete Provisional Technical Conditions of CRTSⅢSlab-type Ballastless Track in High Speed Railway( T J/GW 112—2013) standard when cementitious material content was greater than 420 kg /m3，dry shrinkage is influenced by cementitious material content and water usage according to volume stability，which means self-compacting concrete mixture ratio should have low cementitious material content and low water usage，and electric flux of the self-compacting concrete with different cementitious material content has little difference．Considering overall performance of self-compacting concrete，3#concrete mixture ratio with cementitious material content of 470 kg /m3was recommended as self-compacting concrete mixture ratio in the high speed railway CRT SⅢslab ballastless track．

Key words:Low cementitious material content; Self-compacting concrete; CRT SⅢslab-type ballastless track

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 01-0089-04

中圖分類號(hào):TU528．571

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．19

作者簡(jiǎn)介:李林香( 1975—)，女，助理研究員，博士。

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

收稿日期:2015-11-15;修回日期: 2015-12-05