CRTSⅢ型板式轨道结构充填层 自密实混凝土拌合物稳定性测试方法及评价

陈艳丽1，刘赫2，龙广成2，谢友均2

（1.中铁十六局集团有限公司，北京 100018；2.中南大学土木工程学院，长沙 410075）

摘要：自密实混凝土充填层是CRTSⅢ型轨道结构的核心部件，要求其与上部蒸养混凝土预制轨道板形成复合板结构。自密实混凝土拌合物稳定性直接影响这一复合板结构设计理念和功能的实现。本文基于提出的自密实混凝土稳定性测试评价装置和现有的相关试验方法，探讨了不同组成自密实混凝土拌合物坍落扩展度、T50时间、J环高差与稳定性指数L的变化及其相关关系；同时通过室内模拟灌注试验，分析了自密实混凝土拌合物稳定性对充填层与轨道板间粘结强度的影响关系。结果表明：自密实混凝土拌合物稳定性指数与其坍落扩展度、T50时间、J-环高差等参数之间存在良好的相关关系；随浆体体积、减水剂掺量增加，拌合物稳定性指数呈现显著增加趋势；存在合适的拌合物稳定性指数范围，使得自密实混凝土与蒸养混凝土间的粘结强度最佳。

关键词：自密实混凝土；稳定性指数；测试方法；粘结强度；CRSIII型板式无砟轨道

0 引言

目前，我国高速铁路轨道结构型式主要采用CRTSI型、CRTSII型以及CRTSIII型等多种板式无砟轨道结构型式，其中CRTSI型、CRTSⅡ型无砟轨道结构采用水泥乳化沥青砂浆充填层技术，而CRTSIII型板式无砟轨道采用自密实混凝土充填层技术，是通过自主创新且拥有自主知识产权的新型板式无砟轨道结构，其结构型式如图1所示。由图1可知，CRTSIII型板式无砟轨道结构的横断面从下至上由混凝土支撑层、自密实混凝土填充层、预制轨道板以及扣件和钢轨等几部分组成，其中自密实混凝土充填层承担调整、支承、传力等功能，自密实混凝土的充填层灌注质量直接影响整个轨道结构的服役性能

自密实混凝土填充层是在由底部支撑层、蒸养混凝土预制轨道板以及四周模板构成的面积约为14m2、厚度为9cm的密闭水平空间中进行浇筑施工，且内部存在钢筋网及凹槽的阻碍，同时施工过程中无外力振捣，只能依靠自密实混凝土自身重力填充整个密闭空间，要求自密实混凝土具有良好的流动性及间隙通过性。由图2可以看出，即使自密实混凝土具有良好的流动性和间隙通过性，但若其缺乏稳定性将导致自密实混凝土填充层与轨道板界面之间仍存在较多病害。由于病害导致充填层与轨道板之间形成薄弱层，在长期荷载的作用下，改变轨道板与充填层共同工作的结构形式，加速轨道结构劣化。因此，要求浇筑后的自密实混凝土具有较好的稳定性及均匀性，确保填充层自密实混凝土与轨道板界面处无浮浆层、浮泡酥松层及水膜等质量缺陷，保证高速铁路无砟轨道结构服役性能和运营安全。

国内外学者对自密实混凝土拌合物性能的测试与评价开展了较多研究工作，也取得较多研究成果 [1-6]，如流动性测试包括坍落扩展时间（T50）、V漏斗流出时间（VF）[7]、orimet流速仪等，间隙通过性测试包括J环试验方法[8]、L型仪试验方法[9]、U型仪试验方法、填充箱试验方法等，稳定性测试方法包括视觉稳定性指数方法[10]、筛析试验[11]、静态离析柱试验[12]、沉降柱[13]等测试装置与方法。目前针对自密实混凝土拌合物的流动性、间隙通过性的坍落度筒法、L-型仪、U型仪、V-型漏斗、J-环等较为被大家所接受外，有关自密实混凝土拌合物稳定性的测试方法还有待进一步研究。为了科学评价CRTSIII板式无砟轨道充填层自密实混凝土的工作性能，我国相关单位编制了《高速铁路CRTSIII板式无砟轨道充填层自密实混凝土暂行技术条件》，提出了采用坍落度筒、L-型仪、J-环、充填盒等试验装置[14-15]来测试评价自密实混凝土拌合物的工作性，但这些方法中未有针对自密实混凝土拌合物稳定性的测试与评价方法。同时CRTSIII型板式无砟轨道特殊结构型式,要求预制轨道板与自密实混凝土具有较高的粘结强度，从而形成复合板式结构共同受力。以及自密实混凝土填充层在封闭板状结构中灌注的工艺特点，在自密实混凝土灌注后，骨料出现竖向下沉及自密实混凝土与轨道板界面状态难以控制等实际施工难题。为此，本文通过大量现场调研及室内试验，针对工程需求及实际难题，设计制作了一种测试和评价自密实混凝土拌合物稳定性能的试验装置，提出了相应的评价参数，并进一步通过试验研究了自密实混凝土拌合物稳定性的影响因素及其对自密实混凝土与轨道板蒸养混凝土粘结性能的影响，为保证CRTSIII板式无砟轨道结构服役性能提供技术支持。

1试验

1.1 原材料

水泥（C）为湘江水泥厂出产P.O42.5，28d实测抗压强度为48.6MPa。粉煤灰（FA）产自于湘潭电厂，比表面积为460m2/kg，密度为2.36g/cm3；矿渣（GGBS）产自于上海宝钢新材料公司；膨胀剂采用唐山北极熊建材公司生产的UEA膨胀剂；粘度改性剂（VEA）由无机粉体及聚合物组成，高效减水剂（SP）为聚羧酸类减水剂，其减水剂为30%，含固量33%；拌合用水（W）为自来水。水泥、粉煤灰、矿渣、化学组成见表1。细骨料采用普通河砂（S），其表观密度为2.65g/cm3,细度模数2.62，级配满足中砂级配要求；粗骨料（G）采用5-10mm、10-16mm两级配石灰石碎石混合而成，表观密度为2.7g/cm3。

1.2试验配合比

为了涵盖不同性质的自密实混凝土，本试验设计不同浆体体积、不同浆体稠度及不同外加剂的自密实混凝土，其配合比如表2所示，所有配合比均采用FA、GGBS以15%和20%质量取代水泥，其中S-1~S-5的浆体体积分别为浆体体积分别为320 L/m3、340 L/m3、360 L/m3、380 L/m3及400 L/m3，S6~S8减水剂掺量为1.1%、1.2%及1.3%，S9~S10分别以UEA及UEA和VEA等质量取代水泥。

1.3试验方法

（1）工作性测试方法：自密实混凝土坍落度、J环障碍高差及T50按照《高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土暂行技术条件》进行测试。

（2）模拟灌注试验方法：如图3所示，采用尺寸为100mm×100mm×300mm铸铁试模，将3个尺寸为100mm×100mm×50mm的蒸养C60试件嵌入固定在铸铁试模中，其上表面与模具顶端平齐，试件间采用面积为100mm×50mm厚度为10mm的泡沫薄板分隔，从而试件与试模底部构成空腔，模拟现场自密实混凝土灌注方式浇筑试件。

（2）直接拉伸试验方法：将试件养护至测试龄期前一天取出，沿预留泡沫板位置进行切割，形成100mm×100mm×100mm的叠合试件，采用自制拉伸试验装置进行测试如图4所示，采用环氧树脂将钢板分别与试件上表面及下表面粘结，置于干燥环境中固化24h。钢板与拉杆之间采用螺栓及球铰链接，使其受力对中。采用试验机夹具固定拉杆进行拉伸试验，其荷载速度为1KN/S。

1.4稳定性测试装置及测试步骤

1.4.1测试装置

本文提出一种针对自密实混凝土稳定性快速测试装置如图5所示,自密实混凝土拌合物稳定性能的测试装置由三脚支架、表层浆体厚度测试仪、不锈钢圆柱筒等三部分组成，三脚支架采用不锈钢质材料制成，3个脚成120°布置，支架高度为250mm，支架脚之间下部水平距离均为300mm、上部水平距离为100mm，支架上部中央设置孔径为Ф6mm、长度为20mm空心导管。表层浆体厚度测定仪中的叶片由不锈钢制成，叶片几何尺寸为长75mm、宽10mm、厚度1mm。表层浆体厚度测定仪穿过空心导管且采用螺栓固定。表层浆体厚度测定仪下方放置几何尺寸为筒内径为Ф200mm、高度为110mm，壁厚为2mm的不锈钢圆柱筒[16]。

1.4.2测试步骤

（1）将搅拌完成的混凝土拌合物均匀且连续地装入不锈钢圆柱桶中，使混凝土拌合物上表面距圆柱桶上边缘10mm位置处。将表面浆体厚度测定仪置于三脚架中央位置。

（2）调整表面浆体厚度测定仪，使其下端与混凝土拌合物上表面刚好接触。同时，读取并记录中心杆与导管上边缘相交处的刻度读数L1。

（3）静置15min，开启导管阀门，使中心导杆自由沉入混凝土拌合物中，计时30s后，读取中心导杆与导管上边缘相交处刻度读数L2。

（4）自密实混凝土拌合物稳定性指数L=L2-L1。

2 结果与分析

2.1 SCC拌合物稳定性指数随配合比参数的变化规律

如图6所示，从浆体体积角度出发，相比于配合比S1，1m3混凝土中S2~S5浆体体积依次增大6.3%、12.5%、18.8%和25%，稳定性指数分别增加1.04倍、2.09倍、3.22倍和4.45倍。由图7可知给出的不同浆体稠度情况下稳定指数变化规律可知，相比配合比S6减水剂掺量1.1，配合比S7和S8减水剂掺量分别为1.2%和1.3%，其稳定性指数分别增大0.49倍和1.26倍。综合分析混凝土配合比参数，稳定性指数对浆体体积变化较为敏感。

2.2稳定性指数与扩展度、T50及J环障碍高差的对应关系

图8、图9和图10分别给出了不同自密实混凝土扩展度及J环障碍高差与稳定指数之间的关系结果，由图中可知，随拌合物稳定性指数L增加，扩展度与环高差不断增大，T50不断减小，且相互之间呈较好的线性关系，由此可以验证稳定性测试装置的有效性。同时，相比于配合比S7，配合比S9掺入UEA及配合比S10掺入UEA和VEA，配合比S9稳定指数增加0.06倍，配合比S10稳定性指数降低0.38倍。

图10 J环障碍高差随稳定性指数变化规律

根据《高速铁路CRTS III 型板式无砟轨道自密实混凝土暂行技术条件》规定，T50扩展时间为3~7s，J环障碍高差＜18mm，坍落扩展度≤680mm。由此初步优选出稳定指数L范围为2~9.5。

2.3拌合物稳定性指数对试件粘结性能的影响

根据上述工作性能参数优选出稳定性指数L为2、4、7、8及9.5的自密实混凝土，进行

模拟灌注试验，养护至7天，沿着预留泡沫板位置进行切割，形成100mm×100mm×100mm叠合试件，采用直接拉伸试验方法对不同稳定性指数的自密实混凝土与蒸养C60混凝土粘结强度进行测试，测试结果如图11所示。

由图11中的结果可知，当拌合物稳定性指数L在2~7之间时，自密实混凝土与蒸养C60混凝土间的粘结强度最大，且各强度值基本相似；然而，若稳定性指数进一步增加，则自密实混凝土与蒸养C60混凝土间的粘结强度显著下降，其粘结强度下降幅度达25%~50%。

2.4拌合物稳定性指数对界面粘结状态的影响

粘结试件拉伸破坏后，自密实混凝土一侧界面状态示于图12，由图可见，自密实混凝土拌合物稳定性指数较小时，界面气泡均匀且无较大气泡，未见水纹及酥松层，拌合物稳定性指数为8和9.5时，界面存在较多面积较大气泡，且存在大面积水纹及酥松层。自密实混凝土与轨道板之间的界面为结构中的薄弱区，由于气泡、水纹及酥松层的存在将大幅度减少自密实混凝土与轨道板之间的粘结力，对结构服役状态及运营安全造成不利影响。因此，进一步优选出自密实混凝土稳定性指数L范围为2~7。

3 结 语

（1）浆体体积含量和浆体稠度变化显著影响自密实混凝土拌合物稳定性指数L，随浆体体积及减水剂掺量（稠度减小）增加，拌合物稳定性指数呈现显著增大趋势。

（2）自密实混凝土拌合物稳定性指数与其扩展度、T50和J环障碍高差存在良好的线性对应关系。

（3）基于拌合物工性能、粘结性能及界面状态的分析，得到了适用于CRTSIII型板式无砟轨道充填层的自密实混凝土稳定性指数最佳范围为2~7之间。

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