高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土性能研究

谭盐宾，谢永江，李化建，李林香，易忠来

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土性能研究

谭盐宾1，2，谢永江1，2，李化建1，2，李林香1，2，易忠来1，2

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

为解决高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道结构高施工性、高平顺性和高耐久性要求，采用具有高流动性、高塑性稳定性和低收缩变形的自密实混凝土作为无砟轨道充填层材料。针对充填层的封闭结构空间和承载功能，并结合设计和无砟轨道结构对自密实混凝土的要求，制备了C30，C40和C50三种强度等级自密实混凝土，进行体积稳定性试验、氯离子渗透试验和单边冻融试验，研究其工作性能、体积稳定性和耐久性能。结果表明:三种自密实混凝土均具有适合板式无砟轨道充填层施工的良好工作性能;其塑性收缩变形均随着强度等级的提高而增大;在水胶比相同和单方用水量相同两种情况下三种自密实混凝土的干燥收缩变形呈现出完全相反的变化规律;三种自密实混凝土均具有良好耐久性，抗氯离子渗透能力随强度等级的提高而降低，抗盐冻性能则随着强度等级的提高而增强。

高速铁路 板式无砟轨道 自密实混凝土 工作性 体积稳定性 耐久性

高速铁路板式无砟轨道充填层混凝土是一种具有高流动性、高间隙通过性和高抗离析性的自密实混凝土。图1为板式无砟轨道结构和自密实混凝土施工示意图，可见其主要由轨道板、自密实混凝土充填层(8～10 cm)、隔离层和钢筋混凝土底座四大部分组成。自密实混凝土充填层施工是整个板式无砟轨道混凝土结构施工的最后一步，其处于轨道板下近似四周封闭的空腔中，自密实混凝土只能从轨道板上预留灌注孔进入空腔。同时，设计要求自密实混凝土与轨道板形成复合结构，共同承受列车荷载，因此要求自密实混凝土材料具有高的流动性和高的体积稳定性。但混凝土材料的流动性和体积稳定性通常是矛盾的，提高混凝土流动性一般会降低其体积稳定性，引起混凝土收缩增大。自密实混凝土如果具有高的胶凝材料用量、高的砂率和高的浆骨比则可有效改善其工作性［1-2］，但会对自密实混凝土收缩变形有不利影响［3-4］。为了制备出适用于高速铁路CRTSⅢ型无砟轨道充填层的自密实混凝土，本文研究三种类型自密实混凝土的工作性、体积稳定性和耐久性。

图1 CRTSⅢ型板式无砟轨道与自密实混凝土施工示意

1 原材料、配合比与试验方法

1.1 原材料

水泥为北京琉璃河水泥厂P·O42.5级水泥;粉煤灰为河北西柏坡电厂Ⅰ级粉煤灰;磨细矿渣粉为山东鲁新建材S95级矿渣粉;膨胀剂为天津豹鸣公司产高效膨胀剂;水泥、粉煤灰和矿渣粉的物理化学性能指标见表1。

表1 水泥与矿物掺合料的物理化学性能

粗骨料为天津蓟县产两种连续级配碎石，其最大粒径分别为10mm和16mm;细骨料为河北卢龙产细度模数2.6的河砂。减水剂为天津雍阳产聚羧酸系高效减水剂，减水率为26%。粘度改性材料为自制。

1.2 配合比

试验设计了C30，C40和C50三种强度等级的自密实混凝土，配合比见表2，试验用所有原材料均为干燥状态。

表2 试验配合比kg/m3

1.3 试验方法

收缩试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082—2009)。混凝土干缩变形试件成型后在温度(20±2)℃、相对湿度＞95%的标准养护室中养护1d，然后移入温度(20±2)℃、相对湿度(60±5)%的恒温恒湿室内，并立即测试其干缩变形初始值，随后按龄期测试其干缩变形。混凝土自收缩变形试件成型后立即用蜡进行密封，并在温度(20±2)℃、相对湿度(60±5)%的恒温恒湿室内养护1d，然后立即测试其变形初始值。塑性收缩变形则在温度(20±2)℃、相对湿度(60±5)%且无风的环境下测试，采用非接触式位移测定仪进行，见图2。

图2 塑性收缩测试

2 板式无砟轨道自密实混凝土性能要求

根据高速铁路板式无砟轨道充填层设计要求和功能定位，充填层材料需满足以下功能要求:①充填功能。充填层材料要给上层轨道板提供平顺的支承，材料需能充满整个充填层空间，这就要求其具有高的流动性和充填能力。②粘结和承载功能。充填层介于轨道板和钢筋混凝土底座之间，且在结构设计上充填层要与轨道板形成复合整体结构共同承受上部列车荷载。因此，充填层材料与轨道板的结合面不得有软弱层或空洞等缺陷，充填层材料必须具有高稳定性、高粘结性和抗离析能力。

根据上述功能要求，相关标准规定了充填层材料——自密实混凝土的性能指标要求，自密实混凝土工作性能指标和硬化体性能指标分别见表3和表4。

表3 自密实混凝土工作性能指标［5］

表4 自密实混凝土硬化体性能指标［5］

3 结果与分析

3.1 工作性能

图3为拌和物坍落扩展度和J环试验测试图。自密实混凝土拌和物工作性能见表5，试验表明，制备的三种自密实混凝土均具有良好的流动性和填充性，其工作性能指标均满足表3要求。

表5 自密实混凝土拌合物性能

3.2 体积稳定性

3.2.1 塑性收缩

图4为三种自密实混凝土的塑性收缩变形曲线(收缩变形结果正值表示收缩，负值表示膨胀)。结果表明，三种自密实混凝土的塑性收缩变形趋势相似，但是随着强度等级的提高，塑性收缩变形值明显增大。混凝土塑性收缩的大小受混凝土表面失水率影响，而混凝土表面失水率与混凝土水胶比、环境温度、相对湿度和风速等有关。当环境条件相同时，水胶比大小则成为影响表面失水率的关键因素。本试验中三种自密实混凝土随强度等级提高，水胶比逐渐降低，可自由迁移水量也逐渐减少，当自由水从混凝土内部迁移至表面速率低于表面自由水蒸发速率时，其内部塑性收缩呈增大趋势［6］。另外由图还可看出，掺膨胀剂自密实混凝土塑性收缩变形可分为3个阶段:①塑性收缩快速增长阶段(A-B段)，该阶段发生在自密实混凝土拌和物达到初凝以前，此时混凝土内部尚未形成坚固的空间骨架，随着混凝土中自由水分的大量蒸发，混凝土内部毛细孔压力快速增加，引起自密实混凝土拌和物塑性收缩变形的快速增加。②塑性收缩变形峰值阶段(B-C段)，此阶段持续时间很短，介于混凝土拌和物初凝和终凝之间，混凝土拌和物塑性收缩变形值在此时达到峰值，C30-1，C40-1，C50三种自密实混凝土的塑性收缩变形峰值分别为1 619×10-6，1 698×10-6和2 101×10-6。③塑性收缩变形降低阶段(C-D段)，亦称为膨胀阶段，此阶段混凝土终凝已经完成，混凝土强度持续增长，可对膨胀剂的膨胀作用提供有效的约束。

图4 自密实混凝土塑性收缩变形曲线

3.2.2 干燥收缩和自收缩

图5和图6分别是相同单方用水量和相同水胶比条件下三种强度等级自密实混凝土的收缩变形曲线。两种条件下三种自密实混凝土表现出不同的干缩变形规律。图5显示，三种自密实混凝土在单方用水量相同时，C30-1干燥收缩和自收缩变形都明显高于C40-1和C50;而在图6中，三种混凝土水胶比相同时其干燥收缩变形表现出与图5相反的规律，C30-2干缩变形最小。由表2可知，所设计的三种强度等级自密实混凝土强度等级越高的胶凝材料用量也越高，意味着在单方用水量相同时强度等级越高，其水胶比越小，随强度等级提高，水胶比降低，混凝土内部未水化水泥颗粒更多［7］，其对混凝土干缩变形和自收缩变形的抵抗能力更强，故呈现出如图5所示规律;而当三种混凝土水胶比相同时，则强度等级越高，其单方用水量也越大，必然引起其干缩变形的增大。由图5还可看出，C30-1，C40-1和C50自密实混凝土120 d龄期自收缩变形值分别为干燥收缩变形值的36%，38%，28%。

3.3 耐久性

3.3.1 抗氯离子渗透性能

在板式无砟轨道结构设计中，充填层中设置有一层钢筋网片，因而要求自密实混凝土具有高的抗氯离子渗透能力。三种自密实混凝土抗氯离子渗透性测试结果见表6。可见，56 d电通量均低于1 000 C，表明均具有良好的抗氯离子渗透能力。自密实混凝土强度等级越低，其56 d电通量越低。这是因为低强度等级自密实混凝土矿物掺合料用量高于高强度等级自密实混凝土(参见表2)，而矿物掺合料的火山灰效应可改善水泥浆体孔结构，增加水泥浆体密实度，强化水泥石—集料界面过渡区性能，减少氯离子渗透通道［8-9］，提高其抗氯离子渗透能力。

图5 自密实混凝土收缩变形(水胶比不同，单方用水量相同)

图6 自密实混凝土干燥收缩变形(水胶比相同，单方用水量不同)

表6 自密实混凝土抗氯离子渗透性能

3.3.2 抗盐冻性能

当自密实混凝土灌注进充填层后，仅有4个侧面暴露于大气环境中，充填层材料冻融破坏形式类似于道路混凝土，因而采用单边盐冻法来评价自密实混凝土的抗冻性能。由图7可知:三种自密实混凝土均具有高的抗盐冻能力，经受28次冻融循环后均能满足技术指标要求，三种自密实混凝土剥落量分别为989，452，188 g/m2。同时，随着自密实混凝土强度等级的提高，其抗盐冻破坏能力逐渐增强。在影响混凝土抗冻性能的因素中，水胶比(或水灰比)是其主要影响因素之一［10］，水胶比(或水灰比)越低，混凝土密实度越高，孔隙率越小，抗冻能力越强。本试验中三种自密实混凝土随强度等级提高，其水胶比逐渐降低，分别为0.33，0.31和0.30，对应抗冻能力也逐渐提高。

图7 自密实混凝土抗盐冻性能

4 结论

1)设计的三种类型自密实混凝土均具有良好的流动能力和填充能力。

2)掺高效膨胀剂的自密实混凝土的塑性收缩变形可分为快速增长阶段、峰值阶段、降低阶段三个阶段;在单方用水量相同和水胶比相同两种条件下，三种强度等级自密实混凝土呈现出完全相反的干缩变形规律。

3)三种类型自密实混凝土均具有良好的抗氯离子渗透性能和抗盐冻性能，但抗氯离子渗透能力随强度等级的提高而降低，抗盐冻性能则随着强度等级的提高而增强。

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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

(责任审编 葛全红)

2014-09-10;

2014-11-20

国家自然科学基金(51378499);中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2012G001，2013G003-A-1)

谭盐宾(1981—)，男，四川宜宾人，助理研究员，博士研究生。