萬鎮(zhèn)昂，馬昆林，龍廣成，謝友均

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CRTSIII型板式軌道充填層SCC在水?動(dòng)荷載作用下的性能變化

萬鎮(zhèn)昂，馬昆林，龍廣成，謝友均

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

采用MTS試驗(yàn)機(jī)對典型板式軌道充填層用自密實(shí)混凝土(self-compacting concrete，SCC)進(jìn)行抗壓疲勞測試，分析在動(dòng)荷載、動(dòng)荷載+飽水2種條件下，SCC動(dòng)態(tài)性能、吸水率、抗壓強(qiáng)度以及殘余應(yīng)變等參數(shù)的變化。研究結(jié)果表明：隨著動(dòng)荷載次數(shù)的增加，各組SCC動(dòng)態(tài)性能和抗壓強(qiáng)度均降低，而吸水率和殘余應(yīng)變均增大。SCC在動(dòng)荷載作用100萬次時(shí)，動(dòng)荷載+飽水組較動(dòng)荷載單獨(dú)作用組的動(dòng)態(tài)彈性模量、動(dòng)態(tài)剪切模量、動(dòng)態(tài)泊松比和抗壓強(qiáng)度分別降低了4.5%，2.4%，5.2%和6.7%，而縱向殘余應(yīng)變增大了8.9%，橫向殘余應(yīng)變增大了6.4%，疲勞損傷度增大了2.4%。水和動(dòng)荷載的共同作用加速了SCC性能的劣化。

板式軌道；充填層自密實(shí)混凝土；動(dòng)荷載；水

由于新拌自密實(shí)混凝土(Self-Compacting Con- crete，SCC)具有較好的充填性、間隙通過性和抗離析性，硬化后具有較好的力學(xué)性能和耐久性能[1?2]，近年來在工程中的應(yīng)用越來越廣泛。我國高速鐵路CTRSIII型板式無砟軌道充填層材料就采用了SCC，目前該軌道結(jié)構(gòu)已成為我國設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h高鐵無砟軌道的主要結(jié)構(gòu)形式。CTRSIII型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)主要由預(yù)制軌道板、SCC充填層、土工布隔離層和混凝土底座板4部分組成，如圖1所示。軌道板與其下充填層SCC通過預(yù)埋鋼筋進(jìn)行連接而形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，整體性好，可以有效控制軌道板的翹曲和底座板開裂，使整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)剛度均勻，線路平順性穩(wěn)定，因此SCC是CTRSIII型板式軌道結(jié)構(gòu)的核心部件[3]。但是在實(shí)際服役過程中，高速列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)荷載將使充填層SCC長期受到動(dòng)荷載的作用，且由于溫度導(dǎo)致的軌道板翹曲變形、離縫以及施工的缺陷等原因，充填層內(nèi)的SCC在動(dòng)荷載作用下還會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而對軌道結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)營造成不利影響。我國幅員遼闊，南方地區(qū)雨季長，濕度大，而軌道結(jié)構(gòu)又長期暴露于室外，且充填層特殊的“三明治”結(jié)構(gòu)，造成了充填層SCC易吸水，但水分難蒸發(fā)，因此充填層結(jié)構(gòu)將長期在較高的含水率狀態(tài)下工作。已有研究表明，混凝土材料在長期動(dòng)荷載作用下，使用性能將逐漸降低[4?6]。目前國內(nèi)外學(xué)者對CRTSIII型板式無砟軌道的疲勞性能已有所研究，何燕平[7]運(yùn)用CDP本構(gòu)模型，對CRTSIII型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)在列車荷載和溫度荷載作用下的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測。孫璐等[8]計(jì)算分析了CRTSIII型板式無砟軌道在車輛荷載作用下的最不利位置。吳斌等[9]針對列車荷載作用下CRTSIII型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。劉曉春等[10]對CRTSIII型板式無砟軌道在列車疲勞荷載作用下的應(yīng)力變形分布規(guī)律及疲勞損傷發(fā)展形態(tài)進(jìn)行了研究。然而，由于充填層的自密實(shí)混凝土在結(jié)構(gòu)中所處的位置以及作用，其在服役過程中性能的變化對軌道結(jié)構(gòu)的使用壽命具有重要影響，目前有關(guān)充填層用自密實(shí)混凝土在服役環(huán)境和動(dòng)荷載作用下其性能的演變方面的研究，特別是針對CRTSIII型板式軌道充填層SCC在水和動(dòng)荷載共同作用下性能的變化研究更有待深入。本文基于已有的研究成果，結(jié)合CRTSIII型板式軌道充填層SCC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過試驗(yàn)研究典型配合比的充填層SCC在動(dòng)荷載、動(dòng)荷載+飽水2種條件下其動(dòng)態(tài)彈性模量、動(dòng)態(tài)剪切模量、吸水率、抗壓強(qiáng)度和殘余應(yīng)變等性能參數(shù)的變化，以期為CRTSIII型板式軌道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料的相關(guān)服役性能變化及后期的維護(hù)提供參考。

(a) 橫斷面；(b) 實(shí)體結(jié)構(gòu)

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料及配合比

采用我國某在建高鐵充填層使用的典型SCC配合比進(jìn)行以下試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)用原材料及配合比均與工程現(xiàn)場一致。采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；F類I級粉煤灰，比表面積為465 m2/kg，燒失量為2.48%；砂子為普通河砂，細(xì)度模數(shù)為2.5，Ⅱ區(qū)級配合格，表觀密度為2.65 g/cm3；粗骨料采用粒徑為5~10 mm，10~16 mm的2級配碎石，表觀密度為2.68 g/cm3；磨細(xì)礦渣粉等級為S95；摻入II型膨脹劑和SCC專用黏改劑；減水劑采用聚羧酸高效減水劑，減水率大于30%。試驗(yàn)用SCC配合比見表1，SCC主要性能參數(shù)見表2。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試件制備及準(zhǔn)備工作

按表1配合比成型100 mm×100 mm×300 mm試件一批，靜置24 h后拆模，標(biāo)養(yǎng)至56 d后取出。第1組試件為基準(zhǔn)組，測試靜載抗壓強(qiáng)度，第2組試件首先在105 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒重后冷卻至室溫待用，第3組試件在水中浸泡直至2 h的質(zhì)量變化小于0.1%后待用。分別將第2組和第3組試件進(jìn)行抗壓疲勞試驗(yàn)，在進(jìn)行到25，50和100萬次的抗壓疲勞試驗(yàn)后，測試動(dòng)態(tài)彈性模量、動(dòng)態(tài)剪切模量、吸水率和抗壓強(qiáng)度等性能參數(shù)的變化。對于動(dòng)荷載100萬次、飽水+動(dòng)荷載100萬次的試件，先在其兩側(cè)面用打磨機(jī)打磨掉浮漿，并黏貼縱向和橫向的應(yīng)變片，最后通過導(dǎo)線連接來采集疲勞過程中的殘余應(yīng)變。

表1 SCC配合比

表2 SCC性能參數(shù)

1.2.2 動(dòng)荷載加載及殘余應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集

動(dòng)荷載加載前后的抗壓強(qiáng)度采用中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室的電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)SHT4305進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)加載現(xiàn)場如圖2所示。動(dòng)荷載實(shí)驗(yàn)采用MTS電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，擬施加的動(dòng)荷載頻率為12 Hz，最大應(yīng)力水平取0.5，最小應(yīng)力水平取0.1。在測試100萬次的試件時(shí)，每隔10萬次暫停MTS試驗(yàn)機(jī)并卸載，采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀DH3818采集其殘余應(yīng)變。

圖2 靜載實(shí)驗(yàn)加載現(xiàn)場

1.2.3 動(dòng)態(tài)模量測試

動(dòng)態(tài)彈性模量、動(dòng)態(tài)剪切模量的測試采用Emodumeter動(dòng)彈模儀[11]進(jìn)行，動(dòng)態(tài)泊松比用式(1)計(jì)算：

式中：為材料動(dòng)態(tài)泊松比；為材料動(dòng)彈模量；為材料動(dòng)態(tài)剪切模量。

為了更好地對比分析各因素對SCC動(dòng)態(tài)性能的影響，采用相對動(dòng)彈模量/0，相對動(dòng)態(tài)剪切模量/0，相對動(dòng)態(tài)泊松比/0來表征其變化。

1.2.4 吸水率測試

SCC吸水率的測試，在動(dòng)荷載為0，25萬，50萬和100萬次時(shí)，分別測試試件的吸水率，吸水率計(jì)算見式(2)所示：

式中：為吸水率；1為試件飽和吸水后的質(zhì)量；0為試件烘干后的質(zhì)量。

1.2.5 抗壓強(qiáng)度測試

當(dāng)動(dòng)荷載次數(shù)達(dá)到25萬，50萬和100萬次時(shí)，將試件從MTS試驗(yàn)機(jī)取下，按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081測試混凝土抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 SCC動(dòng)態(tài)性能的變化

圖3為充填層SCC在不同試驗(yàn)條件下其相對動(dòng)彈性模量的變化。

由圖3可知，隨著動(dòng)荷載次數(shù)的增加，SCC的相對動(dòng)彈性模量逐漸降低。動(dòng)荷載次數(shù)為0，25萬，50萬到100萬次時(shí)，正常狀態(tài)下相對動(dòng)彈模量依次為100%，94.05%，92.07%和90.09%，而對于飽水狀態(tài)下的相對動(dòng)彈模量依次為100%，91.03%，88.4%和85.56%。這說明對于相同工況的SCC，隨著動(dòng)荷載次數(shù)的增加其相對動(dòng)彈模量在逐漸降低。對于相同動(dòng)荷載次數(shù)的SCC，當(dāng)動(dòng)荷載次數(shù)分別為25萬，50萬和100萬次時(shí)，泡水飽和狀態(tài)時(shí)的相對動(dòng)彈模量相比于正常狀態(tài)要小3.02%，3.67%和4.5%。

圖3 不同試驗(yàn)條件下的相對動(dòng)彈模量

圖4為充填層SCC在不同試驗(yàn)條件下其相對動(dòng)態(tài)剪切模量的變化。

圖4 不同試驗(yàn)條件下的相對動(dòng)態(tài)剪切模量

由圖4可知，隨著動(dòng)荷載次數(shù)的增加，SCC的相對動(dòng)彈性模量在逐漸降低。動(dòng)荷載次數(shù)從0，25萬，50萬到100萬次時(shí)，正常狀態(tài)下相對動(dòng)態(tài)剪切模量依次為100%，95.41%，91.98%和89.89%，而對于泡水飽和狀態(tài)組其相對動(dòng)態(tài)剪切模量依次為100%，93.92%，90.37%和87.46%。這說明對于相同工況的SCC，隨著動(dòng)荷載次數(shù)的增加其相對動(dòng)態(tài)剪切模量在逐漸降低。而對于相同動(dòng)荷載次數(shù)的SCC，當(dāng)動(dòng)荷載次數(shù)分別為25萬，50萬和100萬次時(shí)，泡水飽和狀態(tài)時(shí)的相對動(dòng)態(tài)剪切模量相比于正常狀態(tài)要小1.49%，1.61%和2.4%。

圖5為充填層SCC在不同試驗(yàn)條件下其相對動(dòng)態(tài)泊松比的變化。材料的泊松比是指的是其縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變比值的絕對值，是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。對于受動(dòng)荷載作用的SCC，通過測試其動(dòng)態(tài)彈性模量和動(dòng)態(tài)剪切模量可以間接得到SCC在受壓疲勞過程中動(dòng)態(tài)泊松比的變化，從而間接反映其內(nèi)部性能的變化。

圖5 不同試驗(yàn)條件下的相對動(dòng)態(tài)泊松比

由圖5可知，隨著動(dòng)荷載次數(shù)從0，25萬，50萬到100萬次，正常狀態(tài)組其相對動(dòng)態(tài)泊松比依次為100%，95.64%，91.45%和89.45%，而對于泡水飽和狀態(tài)組其相對動(dòng)態(tài)泊松比依次為100%，93.35%，88.24%和84.21%，這說明隨著動(dòng)荷載次數(shù)的增加SCC的相對動(dòng)態(tài)泊松比逐漸降低。且當(dāng)動(dòng)荷載次數(shù)分別為25萬，50萬和100萬次時(shí)，泡水飽和狀態(tài)時(shí)相對動(dòng)態(tài)泊松比較正常疲勞試驗(yàn)狀態(tài)時(shí)的相比降低2.29%，3.21%和5.2%。

綜合上述分析可知，隨著動(dòng)荷載次數(shù)的增加，各組SCC其動(dòng)態(tài)性能均逐漸降低。但是對于相同動(dòng)荷載次數(shù)的SCC，泡水飽和時(shí)其動(dòng)態(tài)性能較正常組有一定程度降低。

2.2 SCC強(qiáng)度的變化

圖6為充填層SCC在不同試驗(yàn)條件下其相對抗壓強(qiáng)度的變化。由圖6可知隨著動(dòng)荷載次數(shù)從0，25萬，50萬次到100萬次，正常狀態(tài)組其相對抗壓強(qiáng)度依次為100%，91.3%，87.8%和79.5%，而對于泡水飽和狀態(tài)組其相對抗壓強(qiáng)度依次為100%，88.4%，86.6%和72.8%。當(dāng)動(dòng)荷載次數(shù)分別為25萬，50萬和100萬次時(shí)，泡水飽和狀態(tài)時(shí)相對抗壓強(qiáng)度較正常狀態(tài)相比要小2.9%，1.2%和6.7%。

綜合上述分析可知，隨著動(dòng)荷載次數(shù)的增加，SCC抗壓強(qiáng)度逐漸降低，但是相同動(dòng)荷載作用次數(shù)時(shí)，飽水試件的抗壓強(qiáng)度較未飽水試件強(qiáng)度降低，說明水?動(dòng)荷載作用加速了SCC抗壓強(qiáng)度的降低。

圖6 不同試驗(yàn)條件下的抗壓強(qiáng)度

2.3 SCC吸水率的變化

混凝土是一種多孔材料，其吸水率在一定程度上反映了其開孔孔隙率的變化，混凝土的吸水率對混凝土性能有較大影響[12?13]。針對本文的研究目標(biāo)，首先分析SCC試件在正常狀態(tài)和泡水飽和狀態(tài)2種工況下疲勞25萬，50萬和100萬次后試件的吸水率的變化，其結(jié)果見圖7所示。

由圖7可知，對于正常狀態(tài)疲勞組的SCC試件，疲勞25萬，50萬和100萬次后，試件的吸水率分別增加了2.68%，5.25%和6.6%，而對于泡水飽和狀態(tài)疲勞組則分別增加了2.56%，3.14%和4.1%。這說明，對于2組工況下的SCC，隨著動(dòng)荷載次數(shù)的增加SCC試件的吸水率均增加，這是由于在動(dòng)荷載作用下，SCC試件內(nèi)部微裂紋擴(kuò)大，缺陷增多的結(jié)果。而對于疲勞50萬和100萬后的SCC試件，其泡水飽和疲勞組的吸水率要小于正常狀態(tài)疲勞組，這可能是由于飽水組試件在動(dòng)荷載作用下內(nèi)部裂紋擴(kuò)展，在試驗(yàn)過程中水分滲入到了混凝土內(nèi)部微小的裂紋中，而在加熱干燥時(shí)，該部分內(nèi)部微小孔隙中的水不易烘干造成的。關(guān)于該部分，課題組將進(jìn)行有針對性的研究。

圖7 不同試驗(yàn)條件下的吸水率

2.4 SCC殘余應(yīng)變

圖8為SCC殘余應(yīng)變的測試結(jié)果，其中縱向殘余應(yīng)變?yōu)檎?，橫向殘余應(yīng)變?yōu)樨?fù)。

圖8 不同試驗(yàn)條件下的縱向殘余應(yīng)變和橫向殘余應(yīng)變與動(dòng)荷載次數(shù)的關(guān)系

由圖8可知，隨著動(dòng)荷載次數(shù)的增加，SCC縱向和橫向的殘余應(yīng)變均增大，這說明SCC試件在疲勞過程中縱向受壓產(chǎn)生壓應(yīng)變，而橫向產(chǎn)生拉應(yīng)變，且相同動(dòng)荷載次數(shù)下縱向壓應(yīng)變大于橫向拉應(yīng)變。隨著動(dòng)荷載次數(shù)的增加，2種工況下的縱向和橫向殘余應(yīng)變都在增大，且縱向殘余應(yīng)變在70萬次后其增長速率逐漸減小，這與已有研究中抗壓疲勞時(shí)混凝土殘余應(yīng)變曲線的倒S曲線規(guī)律的初期規(guī)律基本相符[14?15]。動(dòng)荷載次數(shù)相同時(shí)，泡水飽和狀態(tài)下的縱向殘余應(yīng)變和橫向殘余應(yīng)變均比正常狀態(tài)組的大，當(dāng)動(dòng)荷載次數(shù)達(dá)到100萬次時(shí)泡水飽和狀態(tài)下的縱向殘余應(yīng)變相比于正常狀態(tài)增大了8.9%，泡水飽和狀態(tài)下的橫向殘余應(yīng)變比正常狀態(tài)其增大了6.4%，這說明水?動(dòng)荷載作用增大了SCC試件的縱向和橫向殘余變形，加速了SCC的損傷。

圖9為由縱向殘余應(yīng)變和橫向殘余應(yīng)變計(jì)算得到的SCC在動(dòng)荷載作用下泊松比的變化。從圖9可知，隨著動(dòng)荷載次數(shù)的增加泊松比在逐漸減小，達(dá)到100萬次時(shí)，正常狀態(tài)組的泊松比下降了18.2%，泡水飽和狀態(tài)組的泊松比下降了20.2%。

圖9 不同試驗(yàn)條件下的泊松比與動(dòng)荷載次數(shù)的關(guān)系

SCC在疲勞過程中的損傷度的定義見式(3)。

式中：為損傷度；r為殘余應(yīng)變；unstab為疲勞時(shí)裂縫不穩(wěn)定擴(kuò)展開始時(shí)的應(yīng)變，研究表明其值等于靜載抗壓強(qiáng)度對應(yīng)的平均峰值應(yīng)變[14]。

每隔10萬次采集1次殘余應(yīng)變值，通過式(3)可以得到其相應(yīng)損傷度，從而可得其損傷度與疲勞加載次數(shù)的關(guān)系如圖10所示。

從圖10可以看出：1) 泡水飽和組的試件損傷度始終比干燥狀態(tài)組的大，疲勞100萬次時(shí)，泡水飽和狀態(tài)疲勞組的損傷度較正常狀態(tài)疲勞組增大了2.4%，這說明混凝土內(nèi)的水將加速充填層SCC在疲勞荷載作用下的損傷。2) 損傷度在剛開始加載到15萬次左右時(shí)損傷度急劇增加，之后呈平穩(wěn)增長，速率趨于穩(wěn)定，由此可以看出本次實(shí)驗(yàn)的損傷度符合一般混凝土的疲勞損傷演化規(guī)律，曲線符合其倒S曲線的初期演變規(guī)律。

圖10 疲勞損傷演化曲線

3 結(jié)論

1) 隨著動(dòng)荷載次數(shù)的增加，各組SCC的動(dòng)彈性模量、動(dòng)態(tài)剪切模量和抗壓強(qiáng)度逐漸降低，而吸水率和殘余應(yīng)變逐漸增大，這說明在動(dòng)荷載作用下SCC性能逐漸降低。

2) SCC在動(dòng)荷載作用100萬次時(shí)，動(dòng)荷載+飽水組較動(dòng)荷載單獨(dú)作用組的動(dòng)態(tài)彈性模量、動(dòng)態(tài)剪切模量、動(dòng)態(tài)泊松比和抗壓強(qiáng)度分別降低了4.5%，2.4%，5.2%和6.7%，而縱向殘余應(yīng)變增大了8.9%，橫向殘余應(yīng)變增大了6.4%，疲勞損傷度增大了2.4%。

3) SCC吸水率的變化與動(dòng)態(tài)性能，強(qiáng)度等參數(shù)呈現(xiàn)較好的線性相關(guān)。水和動(dòng)荷載的共同作用，加速了SCC性能的劣化。

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Performance evolution of SCC under the water-dynamic load used in CRTSIII slab ballastless track filling layer

WAN Zhenang, MA Kunlin, LONG Guangcheng, XIE Youjun

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

The compressive fatigue test of typical self-compacting concrete (SCC) used in slab track filling layer was carried out by using MTS test machine. Changes of dynamic performance, water absorption rate, compressive strength and residual strain of SCC under dynamic load and water-dynamic load were investigated. Results show that with the number of dynamic loads increasing, the dynamic properties and compressive strength of SCC decrease, but the water absorption rate and residual strain increase. Compared with the effect of dynamic load only, water-dynamic load decreases dynamic elastic modulus, dynamic shear modulus, dynamic Poisson's ratio and compressive strength of SCC by 4.5%, 2.4%, 5.2% and 6.7%, respectively, but increases the longitudinal residual strain and transverse residual strain by 8.9% and 6.4%, at the same time increases the fatigue damage degreeby 2.4%. As a result, the water-dynamic load accelerates the performance deterioration of SCC.

slab track; filling layer self-compacting concrete; dynamic load; water

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.03.001

TU528

A

1672 ? 7029(2019)03 ? 0557 ? 07

2018?04?18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51678569，11790283)；國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(11790283)；中國鐵路總公司科技項(xiàng)目(2017G005-B)

馬昆林(1976?)，男，云南昆明人，教授，博士，從事土木工程材料研究；E?mail：makunlin@csu.edu.cn

(編輯 涂鵬)