板式无砟轨道充填层自密实混凝土研究进展

程健强 曾晓辉 杨彦克 顾海鹏（西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031）

轨道结构是高速铁路的基础，其稳定性和耐久性对高速铁路营运安全性、舒适性及经济性具有重要影响。目前，高速铁路主要采用有砟轨道和无砟轨道两种轨道结构形式[1,2]。有砟轨道在高速列车的巨大冲击下，碎石道床磨损和道砟粉化均很严重，使轨道几何尺寸难以保持。无砟轨道则是一种以自密实混凝土或CA 砂浆取代道砟道床的轨道结构形式， 其具有良好的平顺性、稳定性，在整个使用周期中维护量小。 目前在我国使用的无砟轨道结构主要有3 种：CRTS-Ⅰ型、CRTS-Ⅱ型及CRTS-Ⅲ型。 CA 砂浆施工复杂，成本高[3,4,5]，而自密实混凝土在力学性能、施工性、维修性及经济性等方面有优势，其应用前景广阔。

1 板式无砟轨道充填层自密实混凝土概况

无砟轨道主要由钢轨、弹性有挡肩扣件、轨道板、钢筋混凝土底座以及充填层等部分组成，其中充填层作为轨道板的调平层和传力结构，见图1。自密实混凝土作为充填层的填充材料，其主要作用：

1)承受来自上部轨道板传来的荷载，并将荷载传递给混凝土底板；

2)做为调平层来支承轨道板，保证轨道的平顺性；

3)作为支撑层的填充材料，能实现上下层结构统一性。

板式无砟轨道充填层属典型的狭长板状结[6]，施工空间狭窄，无法进行振捣密实，为实现自密实混凝土在浇注时能长距离流动在结构空间中的自填充和自密实，自密实混凝土拌合物性能要求包括如下三方面的内容:

图1 无砟轨道横断面图

1)流动性和稳定性，即拌合物必须具有足够的流动充模能力，且拌合物具有合适的粘度从而保证拌合物体系在流动过程中各组分不发生分离的性能;

2)充盈性，是指拌合物能在自重作用下自动充满模腔，并在硬化后与周围结构层之间紧密接触，无收缩，不产生空隙，无明显气泡存在的性能；

3)抗离析性，是指拌合物的各组分不发生分离，造成内部组成和结构不均匀的性能。

2 板式无砟轨道充填层自密实混凝土设计及检测方法

自密实混凝土作为无砟轨道充填层的填充材料，需均匀填充整个空间，同时需穿过轨道板预制时预留和下部结构连接的门型钢筋以及为控制自密实混凝土的裂缝而设置的细钢筋网。因此，自密实混凝土需要很高的工作性能。自密实混凝土的配合比是影响其工作性能的关键因素。

2.1 配合比

充填层自密实混凝土的配合比设计可以参考普通自密实混凝土设计方法，其中影响混凝土工作性能的主要因素有：水胶比、砂率、矿物掺合料及外加剂的种类与掺量。

2.1.1 水胶比

水胶比是影响混凝土工作性能和抗压强度主要因素。水胶比和拌合物的塑性粘度有直接关系[7]，水胶比越大，拌合物的塑性粘度降低，流动性越大，稳定性下降。水胶比越小，混凝土拌合物硬化后强度越高，混凝土的密实性和耐久性越好。水胶比应根据胶凝材料中矿物掺合料的掺量以及减水剂的用量通过实验决定。

2.1.2 砂率

砂率是影响混凝土工作性能的重要因素[6]。砂率增大，流动性会增大，粘聚性减小。同时，砂率过大会导致浆体量增大，混凝土硬化后收缩增大，抗压强度下降幅度过大。砂率过小，则混凝土拌合物流动性会下降。砂率宜控制0.50～0.55[6]。

2.1.3 矿物掺合料

为满足流动性要求，自密实混凝土的胶凝材料一般用量都比较大，为防止自密实混凝土早期水化热过高、收缩过大，提高自密实耐久性，一般采用在混凝土胶凝材料中掺入矿物掺合料的措施。掺合料一般使用粉煤灰、矿渣粉。

粉煤灰：粉煤灰可以有效改善混凝土的工作性能，减少混凝土拌合物在施工过程中的流动性经时损失，提高混凝土的最终强度和耐久性，粉煤灰的最佳掺量范围为20%～30%[9]。

矿渣粉：矿渣粉可以有效地改善自密实混凝土拌合物的流动性、粘聚性，同时还能显著提高混凝土的强度和耐久性[6]。但矿渣粉比表面积和掺量过大时会加大混凝土的收缩，因此，在使用中应严格控制其比表面积和使用量。矿粉的最佳掺量范围为5%～15%[9]。

2.1.4 外加剂

板式无砟轨道充填层自密实混凝土常用外加剂有减水剂、膨胀剂。

减水剂：由 于混凝土拌合物要求具有高的流动性、良好的粘聚性，因 此应选择减水率较高，保水性好的减水剂。聚 羧酸系减水剂减水率高，同 时还能降低混凝土硬化后的收缩量，改 善自密实混凝土收缩大的缺陷，因 此，自密实混凝土宜优先使用聚羧酸系减水剂[6]。

膨胀剂：自密实混凝土有着高胶凝材料和高砂率的特点，自 身的特点决定其收缩率会高于普通的混凝土。当收缩达到一定量时，自密实混凝土与轨道板易脱粘，对行车安全产生不良隐患。因此，应在混凝土拌合物中加入高效膨胀剂，严格控制其收缩量。

2.2 技术要求与检测方法

2.2.1 拌合物技术要求和检测方法

根据自密实混凝土要求的高流动性，良好的抗离析性，间隙通过性，填充性，其各项工作性能指标见表1[6]

表1 自密实拌合物性能指标

1）流动性

由于自密实混凝土要满足长距离流动的要求，所以流动性是其一项非常重要的性能指标，单一的测量方法不能准确地评价其流动性，现在主要采用塌落扩展度、扩展时间（T50，S）综合评定,见图2、图3。

图2 塌落扩展度实验原理图

图3 现场实测

实验步骤[5]：将塌落度筒水平放置在底板中心，用铲子将混凝土匀速连续加入到坍落度筒中，加满后垂直平稳地提起坍落度筒，使混凝土自由流出，记下扩展50cm 时所用时间，并记下最终塌落度。

2）间歇通过性及抗离析性

自密实混凝土在轨道板和基础之间流动时会穿过门型钢筋，所以其间隙通过性和抗离析性是一项重要的性能指标。检测间隙通过性和抗离析性主要通过J 环测定，见图4、图5。

图4 J 环实验原理图

图5 现场实测

实验步骤[5]：底板、塌落筒及J 环放置好后，将6～7 升新拌混凝土连续加到塌落筒内，然后快速垂直的提起塌落度筒，测量J 环内外高差。

3)填充性

填充性是保证 自密实混凝土能均匀填充轨道板和基础底板之间的支撑层的一项重要指标。主要用L 型仪 阻滞率和流动时间（T700L,S）来测定新拌混凝土的填充性，见图6、图7。

图6 L 型 仪实验原理图

实验步骤[5]：将L 型仪水平放 置在地面上，检查仪器活动门 能否开关。用混凝土将L 型 仪前槽填满，快速提起活动门，使混凝土拌合物 自流进后槽。记下混凝土拌合 物到达水平槽外缘的时间T700L。当混凝土停止流 动至静止时，记录H1，H2。

图7 现场实测

2.3 硬化后自密实 混凝土性能与检测方法

硬化后的性能检测主 要包括力学性能、耐久性能、体积稳定性，其中力学性能满足设计要求即可。

对耐久性的检测主要包括电通量、抗冻性能、干燥收缩值，检测按《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》执行，检测指标见表2[6]。

表2 耐久性检测 指标

体积稳定性：自密实混凝土胶凝材料用量大，砂率高，收缩变形较普通混凝土更高。 自密实混凝土作为轨道板的调高层和受力支承层结构的填充材料，收缩过大，会导致支承层与轨道板脱粘，严重影响整个轨道结构平顺性、安全性及耐久性。支承层自密实混凝土材料56d 干缩值不得大于400X10-6。

3 板式无砟轨道充填层自密实混凝土的应用

自密实混凝土在京津、武广、京沪高铁的道岔板填充层施工中都有应用。目前已建成的成都至都江堰线、武汉城市圈城际线充填层全部采用自密实混凝土，其使用尚待进一步观察，见图8。

图8 自密实混凝土在成灌线的应用

4 结语

1）充填层自密实混凝土较普通混凝土需要更大的流动性，对干 燥收缩控制更严，所以 需根据其技术要求，优化配合比设计。

2）应重 点研究如何量化充填层自密实混凝土的工作性能和久耐性，特别是如何评价充填层自密实混凝土在受到高速列车反复荷载作用下的耐久性。

3）外加 剂对充填层自密实混凝土的工作性能的改善起着非常重要的作用，应重 点开发高性能减水剂及膨胀剂。

4）加强对施工工艺和施工质量控制方法的研究，研究 不同的施工工艺对施工质量的影响。

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