CRTSⅢ型板式无砟轨道用自密实混凝土粘接性能研究

李林香，谭盐宾，李化建，谢永江，冯仲伟

(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)

CRTSⅢ型板式无砟轨道用自密实混凝土粘接性能研究

李林香1，2，谭盐宾1，2，李化建1，2，谢永江1，2，冯仲伟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)

在CRTSⅢ型板式无砟轨道结构中，现浇的自密实混凝土与预制的轨道板形成复合板结构，共同承受列车荷载。自密实混凝土与轨道板的粘接性能影响着整个轨道结构的平稳性、安全性和使用寿命。本文研究了自密实混凝土坍落扩展度、含气量和胶凝材料用量对自密实混凝土与轨道板粘接性能的影响。结果表明:随着自密实混凝土坍落扩展度的增大，自密实混凝土与轨道板的粘接强度有降低的趋势，坍落扩展度不宜超过690 mm;随着自密实混凝土含气量的增大，自密实混凝土与轨道板的粘接强度有增加的趋势，在满足工作性能和强度的条件下，自密实混凝土的含气量宜取技术条件规定的上限值6.0%;随着自密实混凝土胶凝材料用量的增大，自密实混凝土与轨道板的粘接强度有增加的趋势。

CRTSⅢ型板式无砟轨道 自密实混凝土 轨道板 粘接性能

高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道是具有我国自主知识产权的新型轨道结构，由钢轨、扣件、轨道板、自密实混凝土层、土工布隔离层和底座板组成。轨道板是预制构件，在施工过程中预先铺设，然后在轨道板下灌注自密实混凝土，在灌注过程中自密实混凝土在轨道板下流动直至填充满整个模腔，与轨道板粘接在一起形成复合板结构，共同承受列车荷载。自密实混凝土与轨道板的粘接性能影响着整个复合板结构的整体性能，并影响着整个轨道结构的平稳性、安全性和使用寿命。关于新老混凝土的粘接，前人作了很多研究工作，包括粘接强度试验方法［1］、粘接强度影响因素［2-6］、老混凝土界面处理方法［7］等。提高新老混凝土粘接强度的主要方法是对老混凝土表面进行粗糙度处理或使用界面剂，或在新混凝土中加入碳纤维、钢纤维、聚合物等。本文研究的自密实混凝土与轨道板的粘接，由于自密实混凝土是在轨道板下封闭的模腔内灌注，不易对老混凝土表面进行粗糙度处理，也不易使用界面剂，因此研究了自密实混凝土拌和物性能和自密实混凝土胶凝材料用量对其粘接性能的影响，为CRTSⅢ型板式无砟轨道整体性能的提升提供技术支持。

1 试验

1.1 原材料

水泥为金隅水泥厂生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，矿渣粉为唐山唐龙的S95级矿渣粉，粉煤灰为元宝山电厂Ⅰ级粉煤灰，膨胀剂为天津豹鸣产硫铝酸钙膨胀剂，黏度改性材料为铁科院自制产品。减水剂为天津雍阳UNF-5AST聚羧酸系高效减水剂，减水率为25%。砂子为天然河砂，细度模数为2.4，含泥量为1.0%。石子为5～16 mm连续级配碎石，含泥量为0.2%。

1.2 试样制作及试验方法

本试验测试自密实混凝土与轨道板之间的抗拉粘接强度。试验过程及方法如下:先按照轨道板配合比成型100 mm×100 mm×400 mm的混凝土试件，放置于标准养护室养护到一定龄期后取出作为轨道板，然后如图1所示放置在平整坚实的地上，底面铺设塑料薄膜，四周支好模板。然后在轨道板与轨道板之间浇筑不同拌和物参数和不同胶凝材料用量的自密实混凝土，轨道板试件的右侧面粘贴塑料薄膜，左侧面与新浇筑的自密实混凝土形成粘接面。浇筑完养护3 d后把新老混凝土粘接试件切割成100 mm×100 mm× 200 mm的试件，成型及切割示意图见图1。切割好后放置于养护室继续养护。

到试验龄期前一天从养护室取出，用自行研制的双钢板粘贴法进行抗拉粘接试验。具体步骤为:用丙酮将试件端部和粘贴钢板表面擦拭干净，然后用强力胶把粘贴钢板和混凝土试件粘贴好，置于干燥环境中固化24 h。用螺栓将传力钢板和粘贴钢板连接，然后用试验机夹具夹持球铰拉杆，调整试件方向使上下对中，加载进行抗拉粘接试验，加荷速率控制在4 kN/min，试件拉伸过程见图2。

图1 轨道板与自密实混凝土粘接成型示意

图2 试件拉伸过程

2 试验结果与讨论

2.1 自密实混凝土坍落扩展度对自密实混凝土与轨道板粘接强度的影响

自密实混凝土配合比见表1。为考察混凝土坍落扩展度对自密实混凝土与轨道板粘接性能的影响，用减水剂调整自密实混凝土坍落扩展度制作了4组对比试件。自密实混凝土拌和物性能见表2。试验结果见图3。

表1 自密实混凝土配合比kg/m3

表2 自密实混凝土拌和物性能

图3 坍落扩展度对自密实混凝土粘接强度的影响

从图3可以看出，随着自密实混凝土坍落扩展度的增加，自密实混凝土与轨道板的粘接强度有降低的趋势。28 d龄期时，当自密实混凝土坍落扩展度为570，640，690，730 mm时，自密实混凝土与轨道板的粘接强度分别为0.28，0.23，0.25，0.13 MPa。可以看出，当自密实混凝土坍落扩展度从570 mm增加为690 mm时，粘接强度降低不明显，降低约11%;当坍落扩展度从570 mm增加为730 mm时，粘接强度降低显著，降低约54%。因此，从提高自密实混凝土与轨道板粘接强度的角度考虑，自密实混凝土坍落扩展度不宜超过690 mm。

自密实混凝土与轨道板的粘接属于新老混凝土的粘接，其粘接作用机理主要是界面间的机械咬合作用［8-9］。当自密实混凝土灌注到模腔中并接触到轨道板底面后，有粘性的自密实混凝土渗透到轨道板表面的空隙中，新旧混凝土互相交错咬合而形成一定的连接强度。

把轨道板(旧混凝土)看作是一个具有粗糙表面的大骨料，新老混凝土的界面可看作是水泥浆与粗骨料之间的界面，因此自密实混凝土与轨道板的粘接界面可看作是薄弱的界面过渡区，在该过渡区容易聚集一层薄薄的水膜，对粘接强度不利。当自密实混凝土坍落扩展度较小时，混凝土相对更加粘稠，在界面区的水膜相对薄些;当自密实混凝土坍落扩展度较大时，混凝土显得较稀，在界面区的水膜相对厚些。水膜厚就削弱了界面之间的粘接力，尤其当自密实混凝土坍落扩展度过大出现泌水的倾向时，自密实混凝土与轨道板的粘接强度会显著降低。

2.2 混凝土含气量对自密实混凝土与轨道板粘接强

度的影响

自密实混凝土配合比采用表1中K2配合比。为考察混凝土含气量对自密实混凝土与轨道板粘接性能的影响，用消泡剂和引气剂调整混凝土含气量制成了4组对比试件。自密实混凝土拌和物性能见表3，试验结果见图4。

表3 自密实混凝土拌和物性能

图4 含气量对自密实混凝土粘接强度的影响

从图4可以看出，随着自密实混凝土含气量的增加，自密实混凝土与轨道板的粘接强度有增加的趋势。28 d龄期时，当自密实混凝土含气量为2.7%，3.8%，5.3%，10.0%时，自密实混凝土与轨道板的粘接强度分别为0.11，0.18，0.21，0.28 MPa。

混凝土的含气量对新拌混凝土的泌水有显著影响，新拌混凝土中的气泡由水分包裹形成，当混凝土含气量较大时，混凝土内部分布着较多的微小气泡，包裹气泡的水分被固定在气泡周围，可泌的水分大大减少，而且较多的气泡也可以阻断泌水通道，使自由水不能泌出。因此，当混凝土含气量较大时，混凝土内部的泌水倾向会大大降低，从而有助于提高自密实混凝土与轨道板的粘接强度。

自密实混凝土含气量的大小对自密实混凝土的工作性能和强度都有显著影响，含气量过大，不仅会影响自密实混凝土的工作性能，更会显著降低混凝土的强度。在CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土暂行技术条件中规定，自密实混凝土的含气量为3.0%～6.0%［10］。因此，在满足工作性能和强度的条件下，从提高自密实混凝土与轨道板粘接强度的角度考虑，自密实混凝土的含气量宜取技术条件规定的上限值6.0%。

2.3 混凝土胶凝材料用量对自密实混凝土与轨道板粘接强度的影响

为考察胶凝材料用量对自密实混凝土与轨道板粘接性能的影响，自密实混凝土配合比设计见表4，拌和物性能见表5，试验结果见图5。

表4 自密实混凝土配合比kg/m3

表5 自密实混凝土拌和物性能

图5 胶凝材料用量对自密实混凝土粘接强度的影响

从图5可以看出，随着自密实混凝土胶凝材料用量的增加，自密实混凝土与轨道板的粘接强度有增加的趋势。28 d龄期时，当自密实混凝土胶凝材料用量为460，500，560 kg/m3时，自密实混凝土与轨道板的粘接强度分别为0.23，0.22，0.30 MPa。

从微观角度看，当新混凝土浇筑到老混凝土界面上时，新混凝土的水化产物CSH凝胶呈辐射状向外生长，进入到老混凝土的毛细孔内，水化产物针状钙矾石也长入到老混凝土的毛细孔内，这样新混凝土中的CSH凝胶与老混凝土中的CSH凝胶相互交错，将新老混凝土粘接在一起。当自密实混凝土胶凝材料用量较多时，生成的水化产物较多，更多的CSH凝胶与针状钙矾石长入到轨道板的毛细孔内，与轨道板中的水化产物相互交错，因此增大了与轨道板的粘接强度。

3 结论

1)随着自密实混凝土坍落扩展度的增大，自密实混凝土与轨道板的粘接强度呈现降低的趋势。从本次试验结果来看，自密实混凝土坍落扩展度不宜超过690 mm。

2)随着自密实混凝土含气量的增大，自密实混凝土与轨道板的粘接强度呈现增加的趋势。在满足工作性能和强度的条件下，自密实混凝土的含气量宜取技术条件规定的上限值6.0%。

3)随着自密实混凝土胶凝材料用量的增大，自密实混凝土与轨道板的粘接强度呈现增加的趋势。胶凝材料用量从460 kg/m3增加至560 kg/m3时，自密实混凝土与轨道板的粘接强度增加约30%。

［1］王冰.新老混凝土界面粘接性能评价方法［J］.北方交通，2013(6):6-8.

［2］王标，张雄，张永娟.新老混凝土粘接性能的主要影响因素［J］.混凝土制品及技术，2008(6):25-26.

［3］管大庆，陈章洪.界面处理对新老混凝土粘结性能的影响［J］.混凝土，1994(5):16-22.

［4］赵凤杰，巫祖烈.界面剂对新老砼粘接强度的影响［J］.重庆交通学院学报，2006，25(3):86-89.

［5］李雯霞.影响新老混凝土粘接性能因素的研究［J］.水泥与混凝土，2012(2):22-24.

［6］刘金伟，熊光晶.新老混凝土修补界面方位对粘结强度的影响［J］.工业建筑，2001，31(5):68-69.

［7］闫国新，张雷顺.新老混凝土粘结面粗糙度处理方法综述［J］.混凝土，2007(8):98-100.

［8］王振领.新老混凝土粘接理论与试验及在桥梁加固工程中的应用研究［D］.成都:西南交通大学，2006.

［9］刘数华.新老混凝土的修补方法及粘接机理研究［J］.施工技术，2006，35(8):32-34.

［10］中国铁路总公司.TJ/GW 112—2013高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土暂行技术条件［S］.北京:中国铁道出版社，2013.

Research on bond performance of self-compacted concrete for CRTS Ⅲ slab-type ballastless track

LI Linxiang1，2，TAN Yanbin1，2，LI Huajian1，2，XIE Yongjiang1，2，FENG Zhongwei1，2
(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 CRTS Ⅲ slab-type ballastless track structure，cast-in-place self-compacting concrete(SCC)and precast track slab bonded together，formed composite slab structure，and supported train load together.Bond performance of SCC and track slab influences the stability，security and service life of whole track structure.The influences of SCC slump extension，air content，and cementitious materials content on bond performance were studied.The results showed that the bond strength of SCC and track slab decreased with the increase of SCC slump extension，slump extension should not exceed690 mm，the bond strength of SCC and track slab was enhanced with the increase of SCC air content，air content of self-compacting concrete should be 6.0%which is the upper limit value of technical requirement when meeting the working performance and compressive strength requirement，the bond strength of SCC and track slab increased with the increase of cementitious material content of SCC.

CRTS Ⅲ slab-type ballastless track;Self-compacting concrete;Track slab;Bond performance

TU528.571

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.30

1003-1995(2015)01-0137-04

(责任审编 葛全红)

2014-09-10;

2014-11-20

国家自然科学基金项目(51378499);中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2012G001，2013G003-A-1，2014G001-C)

李林香(1975—)，女，山西繁峙人，助理研究员，博士。