CRTSIII型板式轨道充填层SCC在水−动荷载作用下的性能变化

万镇昂，马昆林，龙广成，谢友均



CRTSIII型板式轨道充填层SCC在水−动荷载作用下的性能变化

万镇昂，马昆林，龙广成，谢友均

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

采用MTS试验机对典型板式轨道充填层用自密实混凝土(self-compacting concrete，SCC)进行抗压疲劳测试，分析在动荷载、动荷载+饱水2种条件下，SCC动态性能、吸水率、抗压强度以及残余应变等参数的变化。研究结果表明：随着动荷载次数的增加，各组SCC动态性能和抗压强度均降低，而吸水率和残余应变均增大。SCC在动荷载作用100万次时，动荷载+饱水组较动荷载单独作用组的动态弹性模量、动态剪切模量、动态泊松比和抗压强度分别降低了4.5%，2.4%，5.2%和6.7%，而纵向残余应变增大了8.9%，横向残余应变增大了6.4%，疲劳损伤度增大了2.4%。水和动荷载的共同作用加速了SCC性能的劣化。

板式轨道；充填层自密实混凝土；动荷载；水

由于新拌自密实混凝土(Self-Compacting Con- crete，SCC)具有较好的充填性、间隙通过性和抗离析性，硬化后具有较好的力学性能和耐久性能[1−2]，近年来在工程中的应用越来越广泛。我国高速铁路CTRSIII型板式无砟轨道充填层材料就采用了SCC，目前该轨道结构已成为我国设计时速350 km/h高铁无砟轨道的主要结构形式。CTRSIII型板式无砟轨道结构主要由预制轨道板、SCC充填层、土工布隔离层和混凝土底座板4部分组成，如图1所示。轨道板与其下充填层SCC通过预埋钢筋进行连接而形成复合结构，整体性好，可以有效控制轨道板的翘曲和底座板开裂，使整个轨道结构刚度均匀，线路平顺性稳定，因此SCC是CTRSIII型板式轨道结构的核心部件[3]。但是在实际服役过程中，高速列车运行时产生的动荷载将使充填层SCC长期受到动荷载的作用，且由于温度导致的轨道板翘曲变形、离缝以及施工的缺陷等原因，充填层内的SCC在动荷载作用下还会出现应力集中，从而对轨道结构的正常运营造成不利影响。我国幅员辽阔，南方地区雨季长，湿度大，而轨道结构又长期暴露于室外，且充填层特殊的“三明治”结构，造成了充填层SCC易吸水，但水分难蒸发，因此充填层结构将长期在较高的含水率状态下工作。已有研究表明，混凝土材料在长期动荷载作用下，使用性能将逐渐降低[4−6]。目前国内外学者对CRTSIII型板式无砟轨道的疲劳性能已有所研究，何燕平[7]运用CDP本构模型，对CRTSIII型板式无砟轨道结构在列车荷载和温度荷载作用下的疲劳寿命进行了预测。孙璐等[8]计算分析了CRTSIII型板式无砟轨道在车辆荷载作用下的最不利位置。吴斌等[9]针对列车荷载作用下CRTSIII型板式无砟轨道结构动力特性进行了试验研究。刘晓春等[10]对CRTSIII型板式无砟轨道在列车疲劳荷载作用下的应力变形分布规律及疲劳损伤发展形态进行了研究。然而，由于充填层的自密实混凝土在结构中所处的位置以及作用，其在服役过程中性能的变化对轨道结构的使用寿命具有重要影响，目前有关充填层用自密实混凝土在服役环境和动荷载作用下其性能的演变方面的研究，特别是针对CRTSIII型板式轨道充填层SCC在水和动荷载共同作用下性能的变化研究更有待深入。本文基于已有的研究成果，结合CRTSIII型板式轨道充填层SCC的结构特点，通过试验研究典型配合比的充填层SCC在动荷载、动荷载+饱水2种条件下其动态弹性模量、动态剪切模量、吸水率、抗压强度和残余应变等性能参数的变化，以期为CRTSIII型板式轨道关键结构材料的相关服役性能变化及后期的维护提供参考。

(a) 横断面；(b) 实体结构

1 原材料与试验方法

1.1 原材料及配合比

采用我国某在建高铁充填层使用的典型SCC配合比进行以下试验，实验用原材料及配合比均与工程现场一致。采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥；F类I级粉煤灰，比表面积为465 m2/kg，烧失量为2.48%；砂子为普通河砂，细度模数为2.5，Ⅱ区级配合格，表观密度为2.65 g/cm3；粗骨料采用粒径为5~10 mm，10~16 mm的2级配碎石，表观密度为2.68 g/cm3；磨细矿渣粉等级为S95；掺入II型膨胀剂和SCC专用黏改剂；减水剂采用聚羧酸高效减水剂，减水率大于30%。试验用SCC配合比见表1，SCC主要性能参数见表2。

1.2 试验方法

1.2.1 试件制备及准备工作

按表1配合比成型100 mm×100 mm×300 mm试件一批，静置24 h后拆模，标养至56 d后取出。第1组试件为基准组，测试静载抗压强度，第2组试件首先在105 ℃烘箱内烘干至恒重后冷却至室温待用，第3组试件在水中浸泡直至2 h的质量变化小于0.1%后待用。分别将第2组和第3组试件进行抗压疲劳试验，在进行到25，50和100万次的抗压疲劳试验后，测试动态弹性模量、动态剪切模量、吸水率和抗压强度等性能参数的变化。对于动荷载100万次、饱水+动荷载100万次的试件，先在其两侧面用打磨机打磨掉浮浆，并黏贴纵向和横向的应变片，最后通过导线连接来采集疲劳过程中的残余应变。

表1 SCC配合比

表2 SCC性能参数

1.2.2 动荷载加载及残余应变数据的采集

动荷载加载前后的抗压强度采用中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室的电液伺服万能试验机SHT4305进行测试，实验加载现场如图2所示。动荷载实验采用MTS电液伺服万能试验机，拟施加的动荷载频率为12 Hz，最大应力水平取0.5，最小应力水平取0.1。在测试100万次的试件时，每隔10万次暂停MTS试验机并卸载，采用静态电阻应变仪DH3818采集其残余应变。

图2 静载实验加载现场

1.2.3 动态模量测试

动态弹性模量、动态剪切模量的测试采用Emodumeter动弹模仪[11]进行，动态泊松比用式(1)计算：

式中：为材料动态泊松比；为材料动弹模量；为材料动态剪切模量。

为了更好地对比分析各因素对SCC动态性能的影响，采用相对动弹模量/0，相对动态剪切模量/0，相对动态泊松比/0来表征其变化。

1.2.4 吸水率测试

SCC吸水率的测试，在动荷载为0，25万，50万和100万次时，分别测试试件的吸水率，吸水率计算见式(2)所示：

式中：为吸水率；1为试件饱和吸水后的质量；0为试件烘干后的质量。

1.2.5 抗压强度测试

当动荷载次数达到25万，50万和100万次时，将试件从MTS试验机取下，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081测试混凝土抗压强度。

2 试验结果与分析

2.1 SCC动态性能的变化

图3为充填层SCC在不同试验条件下其相对动弹性模量的变化。

由图3可知，随着动荷载次数的增加，SCC的相对动弹性模量逐渐降低。动荷载次数为0，25万，50万到100万次时，正常状态下相对动弹模量依次为100%，94.05%，92.07%和90.09%，而对于饱水状态下的相对动弹模量依次为100%，91.03%，88.4%和85.56%。这说明对于相同工况的SCC，随着动荷载次数的增加其相对动弹模量在逐渐降低。对于相同动荷载次数的SCC，当动荷载次数分别为25万，50万和100万次时，泡水饱和状态时的相对动弹模量相比于正常状态要小3.02%，3.67%和4.5%。

图3 不同试验条件下的相对动弹模量

图4为充填层SCC在不同试验条件下其相对动态剪切模量的变化。

图4 不同试验条件下的相对动态剪切模量

由图4可知，随着动荷载次数的增加，SCC的相对动弹性模量在逐渐降低。动荷载次数从0，25万，50万到100万次时，正常状态下相对动态剪切模量依次为100%，95.41%，91.98%和89.89%，而对于泡水饱和状态组其相对动态剪切模量依次为100%，93.92%，90.37%和87.46%。这说明对于相同工况的SCC，随着动荷载次数的增加其相对动态剪切模量在逐渐降低。而对于相同动荷载次数的SCC，当动荷载次数分别为25万，50万和100万次时，泡水饱和状态时的相对动态剪切模量相比于正常状态要小1.49%，1.61%和2.4%。

图5为充填层SCC在不同试验条件下其相对动态泊松比的变化。材料的泊松比是指的是其纵向应变与横向应变比值的绝对值，是反映材料横向变形的弹性常数。对于受动荷载作用的SCC，通过测试其动态弹性模量和动态剪切模量可以间接得到SCC在受压疲劳过程中动态泊松比的变化，从而间接反映其内部性能的变化。

图5 不同试验条件下的相对动态泊松比

由图5可知，随着动荷载次数从0，25万，50万到100万次，正常状态组其相对动态泊松比依次为100%，95.64%，91.45%和89.45%，而对于泡水饱和状态组其相对动态泊松比依次为100%，93.35%，88.24%和84.21%，这说明随着动荷载次数的增加SCC的相对动态泊松比逐渐降低。且当动荷载次数分别为25万，50万和100万次时，泡水饱和状态时相对动态泊松比较正常疲劳试验状态时的相比降低2.29%，3.21%和5.2%。

综合上述分析可知，随着动荷载次数的增加，各组SCC其动态性能均逐渐降低。但是对于相同动荷载次数的SCC，泡水饱和时其动态性能较正常组有一定程度降低。

2.2 SCC强度的变化

图6为充填层SCC在不同试验条件下其相对抗压强度的变化。由图6可知随着动荷载次数从0，25万，50万次到100万次，正常状态组其相对抗压强度依次为100%，91.3%，87.8%和79.5%，而对于泡水饱和状态组其相对抗压强度依次为100%，88.4%，86.6%和72.8%。当动荷载次数分别为25万，50万和100万次时，泡水饱和状态时相对抗压强度较正常状态相比要小2.9%，1.2%和6.7%。

综合上述分析可知，随着动荷载次数的增加，SCC抗压强度逐渐降低，但是相同动荷载作用次数时，饱水试件的抗压强度较未饱水试件强度降低，说明水−动荷载作用加速了SCC抗压强度的降低。

图6 不同试验条件下的抗压强度

2.3 SCC吸水率的变化

混凝土是一种多孔材料，其吸水率在一定程度上反映了其开孔孔隙率的变化，混凝土的吸水率对混凝土性能有较大影响[12−13]。针对本文的研究目标，首先分析SCC试件在正常状态和泡水饱和状态2种工况下疲劳25万，50万和100万次后试件的吸水率的变化，其结果见图7所示。

由图7可知，对于正常状态疲劳组的SCC试件，疲劳25万，50万和100万次后，试件的吸水率分别增加了2.68%，5.25%和6.6%，而对于泡水饱和状态疲劳组则分别增加了2.56%，3.14%和4.1%。这说明，对于2组工况下的SCC，随着动荷载次数的增加SCC试件的吸水率均增加，这是由于在动荷载作用下，SCC试件内部微裂纹扩大，缺陷增多的结果。而对于疲劳50万和100万后的SCC试件，其泡水饱和疲劳组的吸水率要小于正常状态疲劳组，这可能是由于饱水组试件在动荷载作用下内部裂纹扩展，在试验过程中水分渗入到了混凝土内部微小的裂纹中，而在加热干燥时，该部分内部微小孔隙中的水不易烘干造成的。关于该部分，课题组将进行有针对性的研究。

图7 不同试验条件下的吸水率

2.4 SCC残余应变

图8为SCC残余应变的测试结果，其中纵向残余应变为正，横向残余应变为负。

图8 不同试验条件下的纵向残余应变和横向残余应变与动荷载次数的关系

由图8可知，随着动荷载次数的增加，SCC纵向和横向的残余应变均增大，这说明SCC试件在疲劳过程中纵向受压产生压应变，而横向产生拉应变，且相同动荷载次数下纵向压应变大于横向拉应变。随着动荷载次数的增加，2种工况下的纵向和横向残余应变都在增大，且纵向残余应变在70万次后其增长速率逐渐减小，这与已有研究中抗压疲劳时混凝土残余应变曲线的倒S曲线规律的初期规律基本相符[14−15]。动荷载次数相同时，泡水饱和状态下的纵向残余应变和横向残余应变均比正常状态组的大，当动荷载次数达到100万次时泡水饱和状态下的纵向残余应变相比于正常状态增大了8.9%，泡水饱和状态下的横向残余应变比正常状态其增大了6.4%，这说明水−动荷载作用增大了SCC试件的纵向和横向残余变形，加速了SCC的损伤。

图9为由纵向残余应变和横向残余应变计算得到的SCC在动荷载作用下泊松比的变化。从图9可知，随着动荷载次数的增加泊松比在逐渐减小，达到100万次时，正常状态组的泊松比下降了18.2%，泡水饱和状态组的泊松比下降了20.2%。

图9 不同试验条件下的泊松比与动荷载次数的关系

SCC在疲劳过程中的损伤度的定义见式(3)。

式中：为损伤度；r为残余应变；unstab为疲劳时裂缝不稳定扩展开始时的应变，研究表明其值等于静载抗压强度对应的平均峰值应变[14]。

每隔10万次采集1次残余应变值，通过式(3)可以得到其相应损伤度，从而可得其损伤度与疲劳加载次数的关系如图10所示。

从图10可以看出：1) 泡水饱和组的试件损伤度始终比干燥状态组的大，疲劳100万次时，泡水饱和状态疲劳组的损伤度较正常状态疲劳组增大了2.4%，这说明混凝土内的水将加速充填层SCC在疲劳荷载作用下的损伤。2) 损伤度在刚开始加载到15万次左右时损伤度急剧增加，之后呈平稳增长，速率趋于稳定，由此可以看出本次实验的损伤度符合一般混凝土的疲劳损伤演化规律，曲线符合其倒S曲线的初期演变规律。

图10 疲劳损伤演化曲线

3 结论

1) 随着动荷载次数的增加，各组SCC的动弹性模量、动态剪切模量和抗压强度逐渐降低，而吸水率和残余应变逐渐增大，这说明在动荷载作用下SCC性能逐渐降低。

2) SCC在动荷载作用100万次时，动荷载+饱水组较动荷载单独作用组的动态弹性模量、动态剪切模量、动态泊松比和抗压强度分别降低了4.5%，2.4%，5.2%和6.7%，而纵向残余应变增大了8.9%，横向残余应变增大了6.4%，疲劳损伤度增大了2.4%。

3) SCC吸水率的变化与动态性能，强度等参数呈现较好的线性相关。水和动荷载的共同作用，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

国家自然科学基金资助项目(51678569，11790283)；国家自然科学基金重大项目(11790283)；中国铁路总公司科技项目(2017G005-B)

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

(编辑 涂鹏)