CRTS Ⅲ型板式无砟轨道自密实混凝土技术研究与应用

谭盐宾，谢永江，杨鲁，李林香

（1. 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2. 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

CRTS Ⅲ型板式无砟轨道自密实混凝土技术研究与应用

谭盐宾1，2，谢永江1，2，杨鲁1，2，李林香1，2

（1. 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2. 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

CRTSⅢ型板式无砟轨道是我国具有自主知识产权的新型无砟轨道结构，其结构特点之一是采用了高稳定性自密实混凝土作为充填材料，与轨道板形成复合结构，共同承受列车动荷载。从CRTSⅢ型板式无砟轨道复合结构特点及其对充填材料的特殊要求、自密实混凝土性能指标、施工关键工艺以及工程应用等方面详细介绍CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土研究与应用现状。研究和工程应用实践表明，自密实混凝土技术在我国高速铁路建设中具有广阔的应用前景，但也存在一些技术问题有待解决，应进一步加强板式无砟轨道结构用自密实混凝土配合比设计理论、施工技术和实体质量无损检测评估技术研究。

高速铁路；CRTSⅢ型板；无砟轨道；自密实混凝土；性能指标；关键工艺

截至2016年底，我国高速铁路运营里程已超过2.2万km。尽管与德国、日本等国家相比，我国对高速铁路技术的研究起步较晚，但通过技术引进、消化、吸收和再创新，已成为世界高速铁路建设和运营线路最长的国家。我国高速铁路轨道结构经历了从有砟轨道向无砟轨道转变的过程，无砟轨道结构以其高平顺性、高稳定性和少维修性成为高速铁路首选。我国无砟轨道结构主要分为板式无砟轨道和双块式无砟轨道2大类，其中板式无砟轨道结构为主要型式。CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构是我国在引进CRTS Ⅰ型板式无砟轨道结构（日本单元板结构）和CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构（德国博格板结构）之后，创新研发的具有自主知识产权的新型无砟轨道结构形式，与前两种板式无砟轨道结构形式相比，其结构特点之一是采用了耐久性优异的自密实混凝土材料。

1 轨道结构特点与功能定位

典型的CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构见图1[1]。结构从上至下分别是钢轨、扣件、轨道板、自密实混凝土调整层、中间隔离层、钢筋混凝土底座（底座上设有2个限位凹槽）。在结构设计上，轨道板与自密实混凝土调整层被设计成复合结构，两者通过轨道板板底预留的“门”型连接钢筋进行锚固加强，共同承受上部列车动荷载。

图1 典型的CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构示意图

调整层位于轨道板和底座钢筋混凝土之间，其与轨道板同长（5.6 m）、同宽（2.5 m），厚度为9 cm，属于典型的狭长薄板状结构。在自密实混凝土调整层结构中，还设有1层钢筋网片。轨道板底部沿承轨槽方向有2排深入自密实混凝土层的“门”型连接钢筋，在钢筋混凝土底座上对称设有2个长为100 cm、宽为70 cm、深为10 cm的限位凹槽以防止轨道结构纵向和横向位移；在钢筋混凝土底座表面还铺设有一层土工布隔离层。自密实混凝土调整层是整个板式无砟轨道混凝土结构施工的最后一步，施工时自密实混凝土调整层四周全部被模板封闭，只能从轨道板上预留的灌注孔（φ170 mm）灌入调整层。自密实混凝土调整层结构示意见图2。

由上述CRTS Ⅲ型板式无砟轨道调整层结构特点可知，CRTS Ⅲ型板式无砟轨道对自密实混凝土的性能与工民建、超高层建筑、水工结构等要求显著不同[1]。

（1）较高的塑性状态稳定性与硬化体体积稳定性。当上部覆盖有轨道板时，调整层自密实混凝土所处结构近似于全封闭结构，但设计上要求其与轨道板形成良好的复合结构共同受力，要求自密实混凝土必须具有较高的塑性状态稳定性，以保证自密实混凝土在板腔流动时不发生离析、泌水等现象，还需保证内容气泡的稳定性，不随混凝土中的自由水上浮到自密实混凝土与轨道板混凝土的结合面形成薄弱层；同时，还需具有较高的硬化体体积稳定性，减少与预制轨道板混凝土之间的变形差。

（2）较高的流动性和自充填能力。自密实混凝土进入调整层板腔只能从轨道板上的预制小孔进入，要在表面粗糙且吸水的土工布表面流动，流动阻力较大。由于结构限制，无法对其进行辅助振捣作业，因此要求自密实混凝土必须具有较高的流动性和自充填能力。

（3）较高的抗离析性和钢筋穿越性。板式无砟轨道调整层内复杂的钢筋网片和“门”型连接钢筋将板腔内有效净空分割的极为狭窄，特别是限位凹槽极易导致自密实混凝土在板腔内流动时出现浆骨分离的离析而发生堵塞，因而要求自密实混凝土必须具有较高的抗离析性和钢筋穿越性。

图2 自密实混凝土调整层结构示意图

2 性能评价方法及指标

2.1 评价方法

自密实混凝土与普通混凝土最大的区别就是高流动性，因而工作性能是自密实混凝土最重要的性能指标。为评价自密实混凝土工作性能（流动性、抗离析性、间隙通过性和填充性），各国研究人员提出了多达23种测试方法[2]。目前，国际上采用较多的测试方法主要有坍落扩展度试验、L型仪试验、V型漏斗试验、U型箱试验、J型环试验、Orimet流出仪试验、沉球试验、Settlement column试验和筛分稳定性试验等[3-5]。自密实混凝土工作性能常用测试方法见表1。

表1 自密实混凝土工作性能常用测试方法

国内研究人员一般选用坍落扩展度试验、J型环试验、L型仪试验、V型漏斗试验、U型箱试验作为自密实混凝土工作性能检测评价方法；铁路行业研究人员则根据自密实混凝土在板式无砟轨道结构调整层中的流变特性，确定采用坍落扩展度试验、J型环试验、L型仪试验、含气量试验等方法。

2.2 评价指标

国内外研究人员均以拌和物流动性、填充性、通过性和抗离析性等4项指标作为性能评价指标，但采用试验方法各不相同，所以评价指标及分类方法也有所差别。我国CECS203：2006《自密实混凝土应用技术规程》[5]根据不同检验指标将混凝土自密实性能等级分为三级，具体指标见表2。

表2 我国自密实混凝土工作性能评价指标

我国台湾地区自密实混凝土工作性能评价指标[6]见表3。

表3 我国台湾地区自密实混凝土工作性能评价指标

欧洲2005年发布的《自密实混凝土设计与施工指南》中自密实混凝土工作性能评价指标[4]见表4。

表4 欧洲自密实混凝土工作性能评价指标

日本土木学会自密实混凝土工作性能评价指标见表5。

对比上述各国或地区自密实混凝土工作性能评价指标可知，亚洲地区对自密实混凝土工作性能的评价方法和评价指标基本相同，而欧洲则增加了筛析试验。与日本和我国台湾地区的规定对比，我国对自密实混凝土工作性能的主要指标为V型漏斗时间和T500时间，指标范围过于宽泛，不利于实际操作中的有效评价。

表5 日本土木学会自密实混凝土工作性能评价指标

2.3 指标要求

2.3.1 工作性能

针对高速铁路CRTS Ⅲ型板式无砟轨道自密实混凝土调整层的功能定位与结构特点，通过大量模拟试验和1∶1模拟验证试验，研究确定了适用于板式无砟轨道结构特点和施工工艺的自密实混凝土工作性能指标[7]，并纳入铁路相关技术标准中（见表6）。

表6 自密实混凝土工作性能指标[8]

2.3.2 硬化体性能

研究表明，自密实混凝土与普通混凝土的干燥收缩影响因素及其发展规律相似，但自密实混凝土比同强度等级的普通混凝土胶凝材料用量大、砂率高，若不采取适当措施降低混凝土的收缩变形，其开裂敏感性较普通混凝土更高。调整层结构作为轨道板的水平调高和受力支承结构，要求轨道板与调整层填充材料间不得有裂缝出现，否则不但水等物质侵入，造成调整层混凝土材料的劣化破坏，而且在高速列车动荷载作用下，轨道板与调整层混凝土材料由于受力不协调而导致调整层材料破坏。一旦调整层出现碎裂破坏，将影响整个轨道结构的平顺性、耐久性和安全性。考虑到调整层中分布有纵向连通的钢筋，因而自密实混凝土也应具有较高的护筋性，即较高的抗氯离子渗透性能。同时，对于调整层结构，自密实混凝土材料大多都处于封闭空间，仅纵向两侧少部分暴露于外。处于北方寒冷地区的板式无砟轨道结构自密实混凝土暴露面受到冻融影响，但由于其暴露面有限，仅侧面可接触水，因而即便遭受冻融破坏，也不会出现大面积开裂，而表现为表面层剥落破坏。因此，自密实混凝土冻融破坏宜采用单边盐冻法进行评价。

根据相关研究[7-10]确定了板式无砟轨道自密实混凝土硬化体性能指标（见表7）。

表7 自密实混凝土硬化体性能指标[8]

3 板式无砟轨道自密实混凝土应用现状

3.1 施工工艺及关键参数

3.1.1 施工工艺

CRTS Ⅲ型板式无砟轨道自密实混凝土施工工艺流程见图3。自密实混凝土灌注工艺、压紧工艺和灌注高度等是影响自密实混凝土施工质量的关键[11]。

3.1.2 灌注工艺

板式无砟轨道自密实混凝土灌注工艺包括轨道板中间孔单点灌注、两点灌注和侧向灌注3种（见图4），目前以中间孔单点灌注方式为主。3种灌注工艺各有优缺点：

（1）中间孔单点灌注工艺以轨道板中心点为灌注点，自密实混凝土进入板腔后由中心向四周扩散，逐渐填满整个板腔，其流动状态最为对称，有利于灌注过程排气。缺点是受轨道板预制灌注孔尺寸限制，无法通过增大进料口截面尺寸来增大进料流量，缩短灌注时间。

图3 CRTS Ⅲ型板式无砟轨道自密实混凝土施工工艺流程

（2）两点灌注工艺则由于增加了1个进料通道，其灌注时间大幅缩短，但由于自密实混凝土同时从轨道板上2个灌注孔进入板腔，在中部交汇。相关灌注试验表明，该交汇结合面也是该灌注方式的薄弱点，且由于最终交汇面具体位置不定，无法预设排气孔，因而容易在交汇面形成空洞，并不适合实际使用。

（3）侧向灌注工艺是从轨道板侧向模板上开口进行灌注，其优点是灌注口设置在模板上，尺寸可根据自密实混凝土状态进行调整，控制灌注速度。研究表明[11]，当侧向灌注口进料截面积比轨道板中间孔单点灌注进料口截面积增大一倍时，灌注时间比中间孔单点灌注缩短35%左右。但该灌注工艺容易造成轨道板受力不均，不利于轨道板水平高差控制，因而在实际施工中较少采用。

3.1.3 压紧工艺

轨道板压紧工艺是控制板式无砟轨道结构水平标高的关键，决定后期铺轨调整工作量的大小和工程造价。该工艺有2个要求：（1）压紧装置必须有效，保证在自密实混凝土灌注过程中轨道板不发生超出设计的上浮或侧移；（2）压紧装置数量应尽可能少，减少施工工艺，提高施工效率。通过大量工程实践，目前轨道板压紧工艺普遍采用扁担横梁式压紧方式（见图5）。通过对自密实混凝土灌注过程中轨道板上浮力测试可知，压紧装置设置为3组时，自密实混凝土灌注后轨道板上浮量最大可达3.0～4.0 mm；压紧装置设置为4组时，轨道板上浮量一般在1.0～3.0 mm；当压紧装置设置为5组时，则上浮量可控制在1.5 mm以内，满足相关标准要求。因此，实际工程中轨道板压紧一般采用5组压紧装置。同时，对于曲线段，还需考虑自密实混凝土灌注过程中轨道板的侧向滑移，一般在曲线段低侧设置3组横向限位装置，固定于钢筋混凝土底座上。

图4 自密实混凝土灌注工艺

图5 扁担横梁式压紧装置

3.1.4 灌注高度

由于不能施加外加辅助措施，在CRTS Ⅲ型板式无砟轨道自密实混凝土施工中，自密实混凝土完全依靠自身重力填满整个板腔（见图6），因此灌注漏斗高度成为决定自密实混凝土灌注施工快慢的关键参数。仅从理论上分析可知，灌注高度越高，自密实混凝土重力势能越大，越易灌注。但工程试验结果表明，灌注高度过高，虽然可加快灌注速度、提高施工效率，但对轨道板上浮压力增加，导致轨道板压紧装置失效。通过大量试验得到自密实混凝土灌注高度与现有轨道板压紧工艺的合理关系为：在轨道板压紧装置为5组的情况下，自密实混凝土灌注高度不宜超过1 m。

图6 自密实混凝土灌注示意图

3.2 工程应用

截至2016年底，已通车CRTS Ⅲ型板式无砟轨道线路里程达1 000 km，在建线路里程约2 100 km。CRTS Ⅲ型板式无砟轨道技术在国内的发展大致可分为以下4个阶段：

（1）试验阶段。主要在成都—都江堰铁路（成灌铁路）进行试验应用，该阶段CRTS Ⅲ型板式无砟轨道整套技术都处于雏形和早期探索阶段。

（2）试应用阶段。对成灌铁路试验情况进行了系统优化、初步定型，正式提出CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构，并先后在武汉城市圈城际铁路、盘锦—营口客专、成都—绵阳—乐山客专（眉乐段）、成都—彭州支线、西安—宝鸡客专综合试验段等线路进行了试应用，也初步建立自密实混凝土完整技术体系。其中盘锦—营口客专是我国首条设计时速350 km的CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构线路。

（3）优化定型阶段。依托沈阳—丹东客专和郑州—徐州客专对CRTS Ⅲ型板式无砟轨道自密实混凝土技术指标和施工工艺进一步完善优化。

（4）规模化应用阶段。随着CRTS Ⅲ型板式无砟轨道自密实混凝土技术的相对成熟，在京沈客专、济青客专、商合杭客专等长大线路中进行了规模应用。与此同时，也首次实现了CRTS Ⅲ型板式无砟轨道成套技术走出国门——印度尼西亚首次全系统采用高速铁路CRTS Ⅲ型板式无砟轨道技术建造雅（加达）万（隆）高铁。

4 结束语

通过对CRTS Ⅲ型板式无砟轨道自密实混凝土技术在我国的研究与应用可知：

（1）由于高速铁路CRTS Ⅲ型板式无砟轨道调整层结构特点和功能定位的特殊性，高速铁路CRTS Ⅲ型板式无砟轨道自密实混凝土与传统工业及民用建筑的自密实混凝土在工作性能、力学性能和耐久性能指标明显不同。

（2）由高速铁路CRTS Ⅲ型板式无砟轨道自密实混凝土施工工艺可知，灌注工艺、压紧工艺和灌注高度等是影响自密实混凝土施工质量的关键，并给出了关键工艺参数。

[1] 谢永江，谭盐宾，李化建，等. 2014G001-C高速铁路无砟轨道关键技术深化研究：高速铁路CRTSIII型板式无砟轨道自密实混凝土制备工艺及施工工法深化研究[R]. 北京：中国铁道科学研究院，2015.

[2] 安学晖，黄绵松. 自密实混凝土技术手册[M]. 北京：中国水利水电出版社，2008.

[3] EFNARC. Specification and Guidenlines for Self-Compacting Concrete[S]. UK: EFNARC，2002.

[4] The European Project Group. The European Guidellines for Self Compacting Concrete[R]. UK：The European Project Group，2005.

[5] 中国工程建设标准化协会. CECS 203：2006自密实混凝土应用技术规程[S]. 北京：中国计划出版社，2006.

[6] 石尊仁. 中低强度自充填混凝土应用于一般建筑工程之讨论[D]. 台湾：朝阳科技大学，2003.

[7] 谭盐宾，谢永江，李化建，等. 高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土性能研究[J]. 铁道建筑，2015(1)：132-136.

[8] 中国铁路总公司. TJ/GW 112—2013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[S]. 北京：中国铁道出版社，2013.

[9] YANBIN TAN，YONGJIANG XIE，HUAJIAN LI，et al. The proceedings of the Fifth North American Conference on the Design and Use of Self-Consolidating Concrete [EB/OL].（2013-05-12）[2017-01-16]. http://www.intrans.iastate.edu/events/scc2013/.

[10] 谭盐宾，赵健，李化建，等. 高速铁路板式无砟轨道充填层混凝土收缩变形特性研究[J]. 混凝土，2011(3)：125-128.

[11] 樊齐旻，谭盐宾. CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土施工工艺优化及应用[J]. 施工技术，2016，45(17)：106-108.

Study and Application of Self-compacting Concrete for HSR CRTS Ⅲ Slab Ballastless Track

TAN Yanbin1，2，XIE Yongjiang1，2，YANG Lu1，2，LI Linxiang1，2
（1. Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China）

CRTS Ⅲ slab ballastless track is a new type of ballastless track structure with independent Chinese intellectual property rights. One of its structural features is the use of highly stable, self-compacting concrete as filling material, forming with the track slab a composite structure, which bears the dynamic load of trains.This paper introduces in detail the study and application of CRTS Ⅲ slab ballastless self-compacting concrete from aspects such as structural characteristics of the composite layer of the CRTS Ⅲ slab ballastless track and its special requirements for filling materials, performance index of self-compacting concrete, key construction technologies and engineering application. Research and engineering practices show that self-compacting concrete technology enjoys good application prospect in the construction of high-speed railways in China,but there are some technical problems yet to be solved. We should further strengthen studies on design,construction and entity quality NDT and evaluation of self-compacting concrete used in slab ballastless track structure.

high-speed railway；CRTS Ⅲ slab；ballastless track；self-compacting concrete；performance index；key technology

U214

A

1001-683X（2017）08-0021-07

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.08.021

国家自然科学基金项目（51408611）；中国铁道科学研究院科技研究开发计划项目（2015YJ027）

谭盐宾（1981—），男，副研究员。

E-mail：ybtan1981@126.com

责任编辑 李葳

2017-04-21