高性能混凝土工程技術(shù)
——為中國高鐵提質(zhì)增效

自2008年8月1日中國第一條運行速度達350 km/h的高速鐵路——京津城際鐵路開通運營以來，高速鐵路在我國迅猛發(fā)展。按照國家《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》和鐵路“十二五”至“十四五”規(guī)劃，以“四縱四橫”快速客運網(wǎng)為主骨架的高速鐵路建設(shè)全面加快推進，建成了京津、滬寧、京滬、京廣、哈大等一批設(shè)計速度350 km/h、具有世界先進水平的高速鐵路，形成了比較完善的高鐵技術(shù)體系。截至2020年末，全國鐵路營業(yè)里程達到14.6萬km，其中高速鐵路營業(yè)里程3.8萬km，中西部地區(qū)鐵路營業(yè)里程9萬km。

混凝土是高速鐵路建設(shè)中使用量最大、外部作用最復(fù)雜、服役年限要求最高的基礎(chǔ)性工程材料，其施工技術(shù)、產(chǎn)品性能是實現(xiàn)高鐵“高安全性、高平順性、高耐久性”運營服役目標(biāo)的關(guān)鍵。與擁有高速鐵路的日本、德國、法國、韓國等國家相比，我國高速鐵路服役環(huán)境更復(fù)雜、軌道結(jié)構(gòu)形式更多樣、線下基礎(chǔ)變形控制要求更高。以正在建設(shè)的南沿江高鐵為例，其全線橋梁占比達95%，同時也是中國第一條大規(guī)模采用40 m箱梁的高速鐵路。40 m箱梁截面尺寸較32 m箱梁更薄，但梁體質(zhì)量躍升到1 000噸級，對混凝土的工作性能、力學(xué)性能與抗裂性能提出了更高的挑戰(zhàn)。

圖1 南沿江高速鐵路混凝土工程

在服役環(huán)境適宜性、區(qū)域資源依賴性以及長期服役耐久性的多重要求下，中國高速鐵路結(jié)構(gòu)混凝土在設(shè)計、制備、應(yīng)用等遇到更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。而傳統(tǒng)混凝土材料在高鐵高頻動荷載與嚴(yán)酷環(huán)境反復(fù)作用下性能衰減快、徐變變形大，在無砟軌道多層復(fù)合結(jié)構(gòu)中變形協(xié)調(diào)難、易開裂，難以滿足高鐵高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)要求。

高性能土木工程材料國家重點實驗室與東南大學(xué)、中國鐵道科學(xué)研究院等高校、科研院所合作，歷經(jīng)近20年的理論和技術(shù)創(chuàng)新，在高速鐵路用混凝土流變性能調(diào)控、體積穩(wěn)定性控制及長期服役性能提升等方面開展系統(tǒng)研究，攻克了高鐵高性能混凝土設(shè)計理論、制備與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高鐵高性能混凝土關(guān)鍵技術(shù)與工程應(yīng)用系列創(chuàng)新成果：

(1)開發(fā)了有機高分子超早強技術(shù)，采用常規(guī)原材料和成型工藝制備出16 h抗壓強度達54.1 MPa、抗凍性>F300、電通量<600 C的超早強高耐久性混凝土，避免了德國超細水泥技術(shù)路線能耗高、生產(chǎn)效率低、混凝土收縮大、后期強度倒縮等缺陷，實現(xiàn)了高鐵軌道板制品關(guān)鍵技術(shù)的國產(chǎn)化與低能耗生產(chǎn)，并在京滬、石武、京雄城際等高鐵工程得到規(guī)模化應(yīng)用。

(2)開發(fā)了基于孔隙負壓控制的早期智能養(yǎng)護系統(tǒng)，實時監(jiān)控收縮驅(qū)動力，自動噴灑水分蒸發(fā)抑制材料，將塑性階段表層孔隙負壓控制在閾值以下，避免極端干燥條件下塑性開裂。該研究成果應(yīng)用于蘭新高鐵，解決了西北地區(qū)極端干燥條件下高性能混凝土容易開裂的技術(shù)難題。

(3)開發(fā)了水泥瀝青砂漿(CA砂漿)制備關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了核心原材料專用乳化瀝青及乳化劑的完全自主化制備與生產(chǎn)，打破了國外的技術(shù)封鎖，解決了CA砂漿高溫流動性損失快、體系穩(wěn)定性差和易開裂的關(guān)鍵問題。成果替代國外產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于京滬、滬昆等高速鐵路工程。

(4)研發(fā)了具有高減水率、高抗離析性、保持流動性能強和抗凍抗?jié)B耐久性優(yōu)良的自密實混凝土專用外加劑，解決了低粉體材料用量條件下實現(xiàn)自密實性的關(guān)鍵技術(shù)難題，攻克了高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)充填層均勻充填密實成型的難題。成果在鄭徐、成綿樂高鐵的CRTS Ⅲ型無砟軌道中得到應(yīng)用，成功實現(xiàn)了3 h長效保坍，且對砂石等原材料品質(zhì)、溫度等因素波動具有良好抵抗能力，有效提高了混凝土經(jīng)時穩(wěn)定性。

基于高速鐵路服役性能的混凝土微結(jié)構(gòu)調(diào)控理論與方法，項目團隊針對服役環(huán)境和形變控制要求，研發(fā)了高速鐵路高性能混凝土綠色制備技術(shù)，構(gòu)建了全過程的高速鐵路高性能混凝土應(yīng)用成套技術(shù)，形成了可以滿足服役性能、適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境、面向結(jié)構(gòu)部位、固廢高質(zhì)化利用的混凝土綠色制備技術(shù)體系，推動了我國高速鐵路建造技術(shù)的自主創(chuàng)新，未來還將為我國高速鐵路綠色建造、智能制造、“一帶一路”倡議以及“走出去”戰(zhàn)略的實施提供強有力的技術(shù)支撐。