CRTSⅢ型板式无砟轨道用低胶凝材料用量自密实混凝土的制备与性能

李林香，谭盐宾，李化建，谢永江( 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型板式无砟轨道用低胶凝材料用量自密实混凝土的制备与性能

李林香1，2，谭盐宾1，2，李化建1，2，谢永江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)

摘要:通过调整自密实混凝土配合比，配制了胶凝材料用量为390～580 kg/m3的自密实混凝土，对比了不同胶凝材料用量自密实混凝土的工作性能、力学性能、收缩性能和耐久性能，推荐了最佳配合比，并进行了工程应用。试验结果表明:胶凝材料用量为420～520 kg/m3时，自密实混凝土的流动性和黏聚性达到和谐统一;胶凝材料用量＞420 kg/m3时，自密实混凝土力学性能均能满足《高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土暂行技术条件》( TJ/GW 112—2013)要求;从体积稳定性看，干燥收缩受胶凝材料用量和用水量的双重影响，宜尽量选择胶凝材料用量小且用水量小的自密实混凝土配合比;不同胶凝材料用量自密实混凝土的电通量差别不大。从自密实混凝土综合性能来看，高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土配合比推荐胶凝材料用量为470 kg/m3的3#混凝土配合比。

关键词:低胶凝材料用量自密实混凝土CRTSⅢ型板式无砟轨道

高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道结构是具有我国自主知识产权的无砟轨道结构形式，目前已成功应用于盘营客专、武汉城际铁路、成绵乐客专(眉乐段)、沈丹客专等多条铁路客运专线。该轨道结构主要由钢轨、扣件、轨道板、自密实混凝土层、土工布隔离层和底座板组成，其中自密实混凝土层是影响整个轨道结构安全性和耐久性的关键环节。对各条线路的自密实混凝土配合比的调研发现:早期的盘营客专、武咸铁路、武黄铁路，自密实混凝土胶凝材料用量偏高，均高达590 kg/m3;后期的成绵乐客专、汉孝铁路、武冈铁路、沈丹客专，自密实混凝土胶凝材料用量有所降低，基本上在530～570 kg/m3;正在施工的郑徐客专自密实混凝土胶凝材料用量在520～550 kg/m3。可以看出，自密实混凝土胶凝材料用量普遍较高。一般而言，为了达到自密实混凝土优良的工作性能，保证其流动性、自充填性和抗离析性，自密实混凝土往往具有较高的胶凝材料用量［1-2］。但高胶凝材料用量自密实混凝土的收缩和水化温升均较大，这对自密实混凝土的体积稳定性和耐久性均有影响［3-5］。为了降低自密实混凝土的水化放热，改善其体积稳定性，苏登成等［6］进行了大掺量( 60%～90% )辅助性胶凝材料自密实混凝土的试验研究。阎培渝、陈阳等［7-8］进行了低胶凝材料用量自密实混凝土的试验研究。本文通过调整自密实混凝土配合比，配制了胶凝材料用量为390～580 kg/m3的自密实混凝土，对比了不同胶凝材料用量自密实混凝土的工作性能、力学性能、收缩性能和耐久性能，推荐了用于高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土的配合比。

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，膨胀剂为天津豹鸣的硫铝酸钙膨胀剂，黏度改性材料为铁科院自制。减水剂为天津雍阳UNF-5AST聚羧酸减水剂，减水率为25%。砂子为天然河砂，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配合比设计思路

文献［9-10］采用密实系数法、最小浆体理论法设计了混凝土配合比。相对普通混凝土，自密实混凝土最显著的特点是其在新拌阶段具有“自密实”性能，因此对自密实混凝土配合比设计提出了更高的要求。本试验自密实混凝土配合比设计采用等砂浆量的原则，通过调整砂率和用水量满足自密实混凝土一定的富浆量，通过调整砂子的细度和黏度改性剂的掺量满足自密实混凝土具有一定的黏聚性。自密实混凝土配合比初步设计如表1所示。

表1自密实混凝土配合比初步方案　kg/m3

1#配合比的砂细度模数定为2. 6，2#配合比的砂细度模数定为2. 4，3#配合比的砂细度模数定为2. 3，4#配合比的砂细度模数定为2. 2，5#配合比的砂细度模数定为2. 2。

1. 3试验内容与试验方法

1. 3. 1自密实混凝土工作性能

测试坍落扩展度、T500、T最终、含气量，试验按照TJ/GW 112—2013和《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》( GB /T 50080—2002)中的规定进行。

1. 3. 2自密实混凝土力学性能

测试抗压强度、抗折强度、弹性模量，试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》( GB /T 50081—2002)中的规定进行。

1. 3. 3自密实混凝土体积稳定性

测试混凝土干燥收缩性能，试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》( GB /T 50082—2009)中的规定进行。

1. 3. 4自密实混凝土耐久性能

测试混凝土电通量，试验按照GB /T 50082—2009中的规定进行。

2　试验结果与分析

2. 1自密实混凝土工作性能测试与分析

按照表1所示配合比试配自密实混凝土，1#配合比拌制出的混凝土能满足流动性和黏聚性的要求，2#，3#，4#和5#配合比拌制出的混凝土均显流动性不足，因此2#，3#，4#和5#配合比均在原配合比的基础上调整了用水量，经过调整和试配，最终确定的自密实混凝土配合比如表2所示。测试自密实混凝土的坍落扩展度、T500、T最终和含气量，测试结果如表3所示。

表2自密实混凝土配合比最终方案　kg/m3

表3自密实混凝土的工作性能

文献［11］研究了胶凝材料用量在460～550 kg/m3的自密实混凝土的工作性能，指出胶凝材料用量在480～550 kg/m3时，混凝土都可以达到大流动性的要求。本试验通过对自密实混凝土拌合物性能的测试和观察，得出不同胶凝材料用量自密实混凝土拌合物性能规律为:随着胶凝材料用量的减小，自密实混凝土的流动性减弱，黏聚性减小，整体感觉混凝土更加松散。具体来讲，1#混凝土过于黏稠，铲着发沉; 5#混凝土过于松散，浆体对骨料的包裹性不足，后期流动性不好。从自密实混凝土拌合物状态来看，2#，3#，4#混凝土达到了流动性和黏聚性的和谐统一，满足自密实混凝土拌合物的性能要求。

2. 2自密实混凝土力学性能测试与分析

2. 2. 1混凝土抗压强度

不同胶凝材料用量自密实混凝土的抗压强度发展规律如图1所示。从图1可以看出，随着胶凝材料用量的降低，自密实混凝土抗压强度逐渐降低。不同胶凝材料用量自密实混凝土56 d抗压强度均在400 MPa以上，均满足TJ/GW 112—2013中规定的混凝土抗压强度要求。1#和2#混凝土56 d抗压强度分别为70. 6 MPa和64. 1 MPa，大大超过了自密实混凝土充填层的设计强度要求，强度富余量过多; 5#混凝土56 d抗压强度为40. 1 MPa，基本没有富余量; 3#和4#混凝土56 d抗压强度分别为55. 0 MPa和46. 1 MPa，强度富余量适中。从满足抗压强度性能的要求考虑，3#和4#混凝土配合比可推荐为CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土用配合比。

图1不同胶凝材料用量自密实混凝土抗压强度发展规律

2. 2. 2混凝土抗折强度

不同胶凝材料用量自密实混凝土的抗折强度发展规律如图2所示。从图2看出，不同胶凝材料用量自密实混凝土的56 d抗折强度均在6. 0 MPa以上，均满足TJ/GW 112—2013中规定的混凝土抗折强度要求。在7 d和28 d龄期时，胶凝材料用量越小，自密实混凝土抗折强度越小;但在56 d龄期时，不同胶凝材料用量自密实混凝土的抗折强度差别不大。

图2不同胶凝材料用量自密实混凝土抗折强度发展规律

混凝土抗折强度指的是混凝土在弯曲应力下，单位面积上所能承受的最大荷载。所以抗折强度的大小一方面反映了混凝土抵抗破坏的能力，另一方面反映了混凝土抵抗弯曲变形的能力。随着胶凝材料用量的减少，混凝土抵抗破坏的能力减小，但是随着水胶比的逐渐增大，混凝土刚性减弱，承受弯曲变形的能力增强。由于两方面的相反作用，56 d龄期时不同胶凝材料用量的混凝土抗折强度差别不大。

2. 2. 3混凝土弹性模量

不同胶凝材料用量自密实混凝土的弹性模量发展规律如图3所示。从图3看出，随着胶凝材料用量的减小，自密实混凝土弹性模量呈现降低趋势。不同胶凝材料用量自密实混凝土的56 d弹性模量均在TJ/GW 112—2013规定的指标范围内。弹性模量是反映混凝土变形能力的一个量值，混凝土弹性模量越大，刚度越大，变形的能力越小;混凝土弹性模量越小，刚度越小，变形的能力越大。随着胶凝材料用量的减小，同时水胶比的逐渐增大，混凝土的刚度降低，变形的能力增大，因此混凝土的弹性模量逐渐降低。

图3不同胶凝材料用量自密实混凝土弹性模量发展规律

2. 3自密实混凝土体积稳定性测试与分析

不同胶凝材料用量自密实混凝土的干燥收缩如图4所示。从图4看出，胶凝材料用量为470 kg/m3时，自密实混凝土的干燥收缩最小，其余几个胶凝材料用量自密实混凝土的干燥收缩差别不大。

图4不同胶凝材料用量自密实混凝土的干燥收缩

干燥收缩指的是混凝土在干燥环境中逐渐失去内部毛细孔水和凝胶水，从而产生毛细管负压形成弯月面，对孔壁产生拉应力，造成水泥浆体产生不可逆的收缩。干燥收缩一方面是由于水泥水化消耗水而引起的毛细管负压，另一方面是由于在干燥环境中向外蒸发水分而失水引起的毛细管负压。

从表2配合比中的数据看出，胶凝材料用量分别为580，520，470，420，390 kg/m3时，单方用水量分别为180，180，170，180，175 kg，计算出的水胶比分别为0. 31，0. 35，0. 36，0. 43和0. 45。可以看出，虽然各个混凝土配合比中胶凝材料用量有较大的差别，但混凝土单方用水量差别很小，有的甚至没有差别，造成混凝土水胶比差别较大。随着胶凝材料用量的减小，水泥水化消耗的水量小，引起的毛细管负压就小;但同时混凝土的水胶比逐渐增大，相应的混凝土硬化体中的毛细孔增大，混凝土中的水分较容易向外散失，因此向外蒸发水分引起的毛细管负压就大。由于两方面作用此消彼长，最终使得不同胶凝材料用量自密实混凝土的干燥收缩差异不大。

胶凝材料用量为470 kg/m3的3#混凝土配合比，一方面由于其胶凝材料用量相对较少，另一方面由于其单方用水量最少导致水胶比相对适中，因此3#混凝土配合比的干燥收缩是最小的。

2. 4自密实混凝土耐久性能测试与分析

以电通量为评价指标，测试了不同胶凝材料用量自密实混凝土的抗氯离子渗透性能，结果如图5所示。从图5看出，56 d龄期时，不同胶凝材料用量自密实混凝土的电通量均＜1 000 C，满足TJ/GW 112—2013中规定的混凝土电通量的要求。

图5不同胶凝材料用量自密实混凝土的电通量

2. 5不同胶凝材料用量自密实混凝土性能综合分析

从自密实混凝土拌合物性能看，胶凝材料用量过大，自密实混凝土黏聚性大，流动性反而不好;胶凝材料用量小，流动性不能满足要求。最佳的胶凝材料用量为420～520 kg/m3之间。

从自密实混凝土力学性能看，胶凝材料用量在420 kg/m3以上时，均能满足TJ/GW 112—2013中规定的强度要求。但随着胶凝材料用量的降低，抗压强度逐渐降低，抗折强度差别不大，因此折压比逐渐增大，混凝土的韧性和抗裂性显著增强。因此在满足自密实混凝土强度要求的基础上，应选择胶凝材料用量低的自密实混凝土配合比。

从自密实混凝土体积稳定性看，干燥收缩受胶凝材料用量和用水量的双重影响，尽量选择胶凝材料用量少且用水量小的自密实混凝土配合比。本试验中胶凝材料用量为470 kg/m3的3#混凝土配合比干燥收缩最小。

本试验中不同胶凝材料用量自密实混凝土的配制受砂子细度和级配影响较大，考虑到现场对原材料控制的不稳定性因素，推荐高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土配合比为3#混凝土配合比，胶凝材料用量为470 kg/m3，用水量为170 kg/m3。

3　工程应用

采用胶凝材料用量为470 kg/m3的3#混凝土配合比，并采用移动式搅拌车施工新工艺，于2015年上半年在郑徐铁路客运专线中铁四局和中铁十二局的自密实混凝土道岔区以及中铁十四局、中铁十五局和中铁二十局的自密实混凝土正线进行了成功应用。

采用低胶凝材料用量自密实混凝土配合比和移动式搅拌车施工新工艺，具有以下技术优势:①提高了施工效率。采用移动式搅拌车新工艺，施工效率可提高1. 3～1. 7倍;②降低了自密实混凝土损耗率。采用移动式搅拌车新工艺，自密实混凝土损耗率理论上可＜5% ;③降低了施工难度。可从本质上解决混凝土坍损和低扩展度难以灌注的问题，降低自密实混凝土施工技术难度;④降低了成本。由于自密实混凝土胶凝材料用量的降低，以及采用新工艺导致自密实混凝土损耗率的降低，综合成本将有所下降。

4　结论

本文通过调整自密实混凝土配合比，配制出了胶凝材料用量为390～580 kg/m3的自密实混凝土，并对比了不同胶凝材料用量自密实混凝土的工作性能、力学性能、体积稳定性和耐久性能，得出以下结论:

1)配合比设计采用等砂浆量原则，并通过调整砂子细度、砂率、用水量、黏度改性剂掺量等因素，配制了胶凝材料用量为390～580 kg/m3的自密实混凝土。

2)从自密实混凝土拌合物性能看，胶凝材料用量在420～520 kg/m3时，自密实混凝土流动性和黏聚性达到和谐统一，拌合物状态最佳。

3)从自密实混凝土力学性能看，胶凝材料用量在420 kg/m3以上时，均能满足CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土强度性能要求。

4)从自密实混凝土体积稳定性看，干燥收缩受胶凝材料用量和用水量的双重影响，尽量选择胶凝材料用量小且用水量小的自密实混凝土配合比，本试验中3#配合比的干燥收缩最小。

5)从自密实混凝土综合性能看，并考虑现场对原材料控制的不稳定性因素，推荐高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土配合比为胶凝材料用量470 kg/m3，用水量170 kg/m3的3#混凝土配合比。

6)采用推荐配合比和移动搅拌车新工艺的自密实混凝土在郑徐客专进行了成功应用。

参考文献

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(责任审编周彦彦)

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

文章编号:1003-1995( 2016) 01-0089-04

中图分类号:TU528．571

文献标识码:A

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

作者简介:李林香( 1975—)，女，助理研究员，博士。

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

收稿日期:2015-11-15;修回日期: 2015-12-05