板式無砟軌道充填層自密實混凝土研究進展

程健強 曾曉輝 楊彥克 顧海鵬（西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031）

軌道結構是高速鐵路的基礎，其穩定性和耐久性對高速鐵路營運安全性、舒適性及經濟性具有重要影響。目前，高速鐵路主要采用有砟軌道和無砟軌道兩種軌道結構形式[1,2]。有砟軌道在高速列車的巨大沖擊下，碎石道床磨損和道砟粉化均很嚴重，使軌道幾何尺寸難以保持。無砟軌道則是一種以自密實混凝土或CA 砂漿取代道砟道床的軌道結構形式， 其具有良好的平順性、穩定性，在整個使用周期中維護量小。 目前在我國使用的無砟軌道結構主要有3 種：CRTS-Ⅰ型、CRTS-Ⅱ型及CRTS-Ⅲ型。 CA 砂漿施工復雜，成本高[3,4,5]，而自密實混凝土在力學性能、施工性、維修性及經濟性等方面有優勢，其應用前景廣闊。

1 板式無砟軌道充填層自密實混凝土概況

無砟軌道主要由鋼軌、彈性有擋肩扣件、軌道板、鋼筋混凝土底座以及充填層等部分組成，其中充填層作為軌道板的調平層和傳力結構，見圖1。自密實混凝土作為充填層的填充材料，其主要作用：

1)承受來自上部軌道板傳來的荷載，并將荷載傳遞給混凝土底板；

2)做為調平層來支承軌道板，保證軌道的平順性；

3)作為支撐層的填充材料，能實現上下層結構統一性。

板式無砟軌道充填層屬典型的狹長板狀結[6]，施工空間狹窄，無法進行振搗密實，為實現自密實混凝土在澆注時能長距離流動在結構空間中的自填充和自密實，自密實混凝土拌合物性能要求包括如下三方面的內容:

圖1 無砟軌道橫斷面圖

1)流動性和穩定性，即拌合物必須具有足夠的流動充模能力，且拌合物具有合適的粘度從而保證拌合物體系在流動過程中各組分不發生分離的性能;

2)充盈性，是指拌合物能在自重作用下自動充滿模腔，并在硬化后與周圍結構層之間緊密接觸，無收縮，不產生空隙，無明顯氣泡存在的性能；

3)抗離析性，是指拌合物的各組分不發生分離，造成內部組成和結構不均勻的性能。

2 板式無砟軌道充填層自密實混凝土設計及檢測方法

自密實混凝土作為無砟軌道充填層的填充材料，需均勻填充整個空間，同時需穿過軌道板預制時預留和下部結構連接的門型鋼筋以及為控制自密實混凝土的裂縫而設置的細鋼筋網。因此，自密實混凝土需要很高的工作性能。自密實混凝土的配合比是影響其工作性能的關鍵因素。

2.1 配合比

充填層自密實混凝土的配合比設計可以參考普通自密實混凝土設計方法，其中影響混凝土工作性能的主要因素有：水膠比、砂率、礦物摻合料及外加劑的種類與摻量。

2.1.1 水膠比

水膠比是影響混凝土工作性能和抗壓強度主要因素。水膠比和拌合物的塑性粘度有直接關系[7]，水膠比越大，拌合物的塑性粘度降低，流動性越大，穩定性下降。水膠比越小，混凝土拌合物硬化后強度越高，混凝土的密實性和耐久性越好。水膠比應根據膠凝材料中礦物摻合料的摻量以及減水劑的用量通過實驗決定。

2.1.2 砂率

砂率是影響混凝土工作性能的重要因素[6]。砂率增大，流動性會增大，粘聚性減小。同時，砂率過大會導致漿體量增大，混凝土硬化后收縮增大，抗壓強度下降幅度過大。砂率過小，則混凝土拌合物流動性會下降。砂率宜控制0.50～0.55[6]。

2.1.3 礦物摻合料

為滿足流動性要求，自密實混凝土的膠凝材料一般用量都比較大，為防止自密實混凝土早期水化熱過高、收縮過大，提高自密實耐久性，一般采用在混凝土膠凝材料中摻入礦物摻合料的措施。摻合料一般使用粉煤灰、礦渣粉。

粉煤灰：粉煤灰可以有效改善混凝土的工作性能，減少混凝土拌合物在施工過程中的流動性經時損失，提高混凝土的最終強度和耐久性，粉煤灰的最佳摻量范圍為20%～30%[9]。

礦渣粉：礦渣粉可以有效地改善自密實混凝土拌合物的流動性、粘聚性，同時還能顯著提高混凝土的強度和耐久性[6]。但礦渣粉比表面積和摻量過大時會加大混凝土的收縮，因此，在使用中應嚴格控制其比表面積和使用量。礦粉的最佳摻量范圍為5%～15%[9]。

2.1.4 外加劑

板式無砟軌道充填層自密實混凝土常用外加劑有減水劑、膨脹劑。

減水劑：由 于混凝土拌合物要求具有高的流動性、良好的粘聚性，因 此應選擇減水率較高，保水性好的減水劑。聚 羧酸系減水劑減水率高，同 時還能降低混凝土硬化后的收縮量，改 善自密實混凝土收縮大的缺陷，因 此，自密實混凝土宜優先使用聚羧酸系減水劑[6]。

膨脹劑：自密實混凝土有著高膠凝材料和高砂率的特點，自 身的特點決定其收縮率會高于普通的混凝土。當收縮達到一定量時，自密實混凝土與軌道板易脫粘，對行車安全產生不良隱患。因此，應在混凝土拌合物中加入高效膨脹劑，嚴格控制其收縮量。

2.2 技術要求與檢測方法

2.2.1 拌合物技術要求和檢測方法

根據自密實混凝土要求的高流動性，良好的抗離析性，間隙通過性，填充性，其各項工作性能指標見表1[6]

表1 自密實拌合物性能指標

1）流動性

由于自密實混凝土要滿足長距離流動的要求，所以流動性是其一項非常重要的性能指標，單一的測量方法不能準確地評價其流動性，現在主要采用塌落擴展度、擴展時間（T50，S）綜合評定,見圖2、圖3。

圖2 塌落擴展度實驗原理圖

圖3 現場實測

實驗步驟[5]：將塌落度筒水平放置在底板中心，用鏟子將混凝土勻速連續加入到坍落度筒中，加滿后垂直平穩地提起坍落度筒，使混凝土自由流出，記下擴展50cm 時所用時間，并記下最終塌落度。

2）間歇通過性及抗離析性

自密實混凝土在軌道板和基礎之間流動時會穿過門型鋼筋，所以其間隙通過性和抗離析性是一項重要的性能指標。檢測間隙通過性和抗離析性主要通過J 環測定，見圖4、圖5。

圖4 J 環實驗原理圖

圖5 現場實測

實驗步驟[5]：底板、塌落筒及J 環放置好后，將6～7 升新拌混凝土連續加到塌落筒內，然后快速垂直的提起塌落度筒，測量J 環內外高差。

3)填充性

填充性是保證 自密實混凝土能均勻填充軌道板和基礎底板之間的支撐層的一項重要指標。主要用L 型儀 阻滯率和流動時間（T700L,S）來測定新拌混凝土的填充性，見圖6、圖7。

圖6 L 型 儀實驗原理圖

實驗步驟[5]：將L 型儀水平放 置在地面上，檢查儀器活動門 能否開關。用混凝土將L 型 儀前槽填滿，快速提起活動門，使混凝土拌合物 自流進后槽。記下混凝土拌合 物到達水平槽外緣的時間T700L。當混凝土停止流 動至靜止時，記錄H1，H2。

圖7 現場實測

2.3 硬化后自密實 混凝土性能與檢測方法

硬化后的性能檢測主 要包括力學性能、耐久性能、體積穩定性，其中力學性能滿足設計要求即可。

對耐久性的檢測主要包括電通量、抗凍性能、干燥收縮值，檢測按《客運專線高性能混凝土暫行技術條件》執行，檢測指標見表2[6]。

表2 耐久性檢測 指標

體積穩定性：自密實混凝土膠凝材料用量大，砂率高，收縮變形較普通混凝土更高。 自密實混凝土作為軌道板的調高層和受力支承層結構的填充材料，收縮過大，會導致支承層與軌道板脫粘，嚴重影響整個軌道結構平順性、安全性及耐久性。支承層自密實混凝土材料56d 干縮值不得大于400X10-6。

3 板式無砟軌道充填層自密實混凝土的應用

自密實混凝土在京津、武廣、京滬高鐵的道岔板填充層施工中都有應用。目前已建成的成都至都江堰線、武漢城市圈城際線充填層全部采用自密實混凝土，其使用尚待進一步觀察，見圖8。

圖8 自密實混凝土在成灌線的應用

4 結語

1）充填層自密實混凝土較普通混凝土需要更大的流動性，對干 燥收縮控制更嚴，所以 需根據其技術要求，優化配合比設計。

2）應重 點研究如何量化充填層自密實混凝土的工作性能和久耐性，特別是如何評價充填層自密實混凝土在受到高速列車反復荷載作用下的耐久性。

3）外加 劑對充填層自密實混凝土的工作性能的改善起著非常重要的作用，應重 點開發高性能減水劑及膨脹劑。

4）加強對施工工藝和施工質量控制方法的研究，研究 不同的施工工藝對施工質量的影響。

[1]何華武.我國客運專線應大力發展無碴軌道[J].中國鐵路，2005(1):11～15.He Huawu.Our country should develop ballastless track in special passenger line.Ch ina railway 2005;1:11-5.

[2]盧祖文.解決關鍵技術發展無碴軌道[J].中國鐵路，2005(1):16～19.Lu Zuwen.solve the key technical and develop ballastless track.China railway 2005;1:16-9.

[3]李進銳.高速鐵路板式軌道充填層自密實混凝土性能研究[D].武漢:武漢理工大學,2011.Li Jinrui.Research on the performance of the filling layer self-compacting concrete in slab track of high-speed railway.Wu Han:Wuhan University of Technology,2011.

[4]曾曉輝，謝友均，鄧德華.溫度對水泥乳化瀝青砂漿早期膨脹特性的影響[J].硅酸鹽學報，2012，40(2)，207-11.l of Chinese Ceramic Society 2012;40(2):207-11

[5]曾曉輝，謝友均，鄧德華.新拌水泥乳化瀝青砂漿導電特性及其應用[J].建筑材料學報，2011，14(1):52-7.ZENG Xiaohui,XIE Youjun,DENG Dehua.Electrical conductivity characteristics and applications of fresh CA mortar.Journal of Building Materials 2011;14(1)，52-7

[6]鐵道部.京滬高速鐵路道岔板充填層自密實混凝土暫行技術要求[S].北京:中國鐵道出版社,2011.The Ministry of Railways of The People's Republic of China.Theempered technical standard of the highperformance concrete in passenger dedicated line.Bei Jing:China Railway Publishing House,2011.

[7]羅鈺.中低強度自密實混凝土配合比參數優化研究[D].長沙:中南大學,2008.Luo Yu.Research of low intensity of self-compacting concrete mix parameters optimization.Chang Sha:Central South University,2008.

{8}鐵道部科學研究院.CRTS Ⅲ型板式無砟軌道自密實混凝土[R],2011.China Academy of Railway Sciences.Bastless track of self-compacting concrete in CR TS-Ⅲ,2011.

[9]王發洲,李進銳,付軍.板式軌道充填層自密實混凝土工作性能實驗研究[J].交通科技,2011,5.77-79.Wang Fazhou,Li Jinrui,Fu Jun.workability of Board type rail filling layer self-compacting concrete experimental study.Transportation science &technology 2011;5:77-9.