CRTSⅢ型板式无砟轨道充填层自密实混凝土碳化及力学性能演变的研究*

马昆林，龙广成，谢友均

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075;2.高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075)

中国铁路轨道系统(China railway track system，CRTS)Ⅲ型板式无砟轨道结构由钢轨、扣件系统、轨道板、自密实混凝土充填层、混凝土底座等部分组成［1～4］。充填层位于轨道板与底座板之间，起到支撑、承力、传力、填充和调整轨道板高度的作用，是轨道板与底座板之间调平减振的结构层材料，是保证高速铁路平顺性的必要条件。充填层是整个板式无砟轨道结构的关键部位，因此，用于充填层的混凝土必须具有优异的工程性能，包括良好的工作性能、较高的尺寸稳定性、适度的弹韧性以及与服役环境相应的耐久性能，从而确保整个结构的服役寿命［3～5］。自密实混凝土充填层位于轨道板和底座板之间，因此，CRTSⅢ型板式无砟轨道结构也被称作“三明治”结构，充填层混凝土就位于“三明治”结构的中间。由于不同结构层的材料组成和性能不同，无砟轨道“三明治”结构在服役期间的力学性能变化将与单独材料的力学性能变化不同，这些对轨道结构的正常使用会产生较大影响，特别是板式无砟轨道结构建成后将长期服役于大气环境中，在长期服役环境下，混凝土材料将与大气中的CO2气体作用发生碳化反应，混凝土碳化后脆性将增大，韧性将降低［6－7］，这些变化对 CRTSⅢ型板式无砟轨道结构的整体变形协调和动力学性能造成影响，然而，关于该方面的研究还鲜见报道。目前，CRTSⅢ型板式无砟轨道结构在我国高速铁路中的应用正逐渐展开。本文通过试验研究了CRTSⅢ型板式无砟轨道各结构层材料，特别是掺入了不同韧性组分用于充填层的自密实混凝土的碳化性能，以及碳化作用下的该“三明治”结构力学行为的变化，重点研究不同充填层混凝土材料在碳化作用下的抗压应力－应变曲线、力学性能和破坏形式，以便为CRTSⅢ型板式无砟轨道充填层混凝土的制备提供理论支持。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料及配合比

水泥(C)为湖南南方水泥厂生产的兆山新星牌P.O 42.5 水泥，28 d 抗压强度为 48.0 MPa，表观密度为3.10 g/cm3;粉煤灰(FA)为湖南湘潭电厂提供的I级粉煤灰，比表面积为465 m2/kg，烧失量为2.48%;砂(S):湖南湘江河砂，中砂，细度模数为2.5，Ⅱ区级配合格，表观密度为2650 kg/m3;石(G):湖南长沙望城莲花石场石灰石质的粒径为5～20 mm的连续级配的碎石，表观密度为2680 kg/m3，含泥量为0.7%，压碎指标为7.4%;硅灰(SF):青海产硅灰，比表面积约为20000 m2/kg，SiO2含量 ≥92%;石灰石粉(LP)为湖南省益阳桃江县石料厂产重质石灰石粉，表观密度2650 kg/m3;橡胶粉(RP)为粒径为1.8～3.8 mm目的橡胶粉;乳化沥青(EA)为壳牌SBS改性乳化沥青;水(w)为自来水;减水剂(J)为萘系高效减水剂。

混凝土充填层设计强度为C40，底座板混凝土设计强度为C20，轨道板混凝土设计强度为C60，各混凝土配合比见表1。底座板和轨道板混凝土配合比分别为C1和C2组，充填层混凝土配合比为S1～S3组，其中S1为基准配合比，S2和S3组通过掺入橡胶粉等改性组分改善充填层混凝土的弹韧性，掺入的橡胶粉取代等体积的砂子。混凝土性能参数见表2。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete kg/m3

表2 混凝土性能参数Table 2 Parameters of concrete

1.2 试件制备及试验方法

按照表1配合比分别成型100 mm×100 mm×300 mm和100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试件，按照图8(a)所示将100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试件进行组合，试件分为2组:一组标准养护至28 d，测试其应力应变曲线、力学性能和破坏形式;另外一组养护至28 d后进行快速碳化试验，快速碳化试验结束后测试其碳化深度、应力应变曲线、力学性能和破坏形式。应力应变曲线采中南大学高速铁路建造技术国家工程中心的电液伺服万能试验机 SHT4305进行，数据采集系统为SANS PowerTest V3.2中文版。在测试过程中，应力应变曲线上升段采用应力控制，曲线下降段采用位移控制。力学性能按照《普通混凝土力学性能试验标准(GB/T 50081—2002)》方法进行，混凝土碳化实验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T 50082—2009)》进行。

2 试验结果与讨论

2.1 碳化深度测试

近年来，国内外学者提出了多种碳化深度预测模型。目前，一致认可混凝土碳化深度与碳化时间的平方根成正比［8－9］，即 x=kt1/2。其中 x 是混凝土碳化深度，mm;k是碳化系数，是反映混凝土碳化速度快慢的综合参数;t是碳化时间。本文采用快速碳化试验测试了不同碳化时间，各混凝土的碳化深度，采用回归分析拟合各组混凝土在快速碳化作用下的碳化系数k，并进行比较。

图1 快速碳化试验结果Fig.1 Results of concrete carbonation

各组混凝土快速碳化试验结果见图1。采用归回分析得出的快速碳化试验条件下各混凝土碳化系数k及其相关系数见表3。由图1和表3可知:在快速碳化试验中，各组混凝土早期的碳化深度发展较快，后期增速减缓;碳化系数k随混凝土配合比的不同而不同，各组混凝土碳化系数相关程度均较高。作为充填层混凝土材料，S1组比掺入了橡胶粉的S2组混凝土碳化系数稍大，而掺入了橡胶粉和乳化沥青的S3混凝土的碳化系数与S1和S2组相比有较大降低。

表3 碳化系数回归拟合与相关性检验Table 3 Regress simulation of concrete carbonation coefficient

2.2 单一试件应力应变曲线

底座板混凝土在碳化前后的力学性能变化见图2。由图2可知:碳化试验后，底座板混凝土的力学性能呈现如下变化:(1)峰值应力增大，由28.6 MPa增加至 31.7MPa，增加 10.8%，而所对应的峰值应变则由0.432%降低至0.412%，降低了4.7%;(2)应力应变曲线在压应力超过15 MPa后，上升段的斜率明显增大，说明碳化使底座板混凝土的弹性模量增大;(3)应力应变曲线的下降段变陡，说明底座板混凝土的韧性降低。以上表明:底座板混凝土在碳化作用下，弹性模量将增大，变形性能降低，韧性降低，脆性增大。图3所示为轨道板混凝土在碳化前后力学性能变化。由图3可知碳化后轨道板混凝土力学性能呈现如下变化:(1)材料的峰值应力有较大增加，由58.6 MPa增加到79.1 MPa，增加34.9%，对应的峰值应变由0.401%增加至0.591%，增加了47.4%;(2)应力应变曲线的上升段斜率增大，下降段曲线变得更陡，几乎与横坐标轴垂直，这说明碳化后材料的弹性模量增大，呈现典型的脆性破坏特征，韧性非常低。以上说明:轨道板混凝土材料在碳化作用后，材料的峰值应变和峰值应力均显著增大，破坏时为典型脆性破坏。

图2 轨道底座板混凝土应力应变曲线Fig.2 Stress strain curve of base slab concrete

充填层混凝土材料在碳化前后力学变化见图4。由图4(a)可知碳化后S1组材料的力学性能呈现如下变化:(1)材料的峰值应力由61.6MPa增加至 63.5MPa，峰值应变由0.393% 降低至0.369%;(2)应力应变曲线上升段与碳化前相比无明显变化，但下降段明显变陡。说明S1组材料在碳化作用下，峰值应力、峰值应变和弹性模量等力学参数变化不显著，但材料的韧性降低，脆性增强。

图3 轨道板混凝土应力应变曲线Fig.3 Stress strain curve of track slab concrete

图4 充填层混凝土应力应变曲线Fig.4 Stress strain curve of SCC used in filling layer

由图4(b)可知碳化后S2组材料的力学性能呈现如下变化:(1)材料的峰值应力由49.0 MPa增至50.4 MPa，峰值应变由 0.423%降低至0.406%;(2)应力应变曲线上升段和下降段与碳化前相比均无明显变化。这说明S2组材料在碳化作用下，各项力学性能与碳化前相比未发生显著变化，从图4(b)可知:在碳化作用下该材料仍具有一定的韧性。

由图4(c)可知碳化后S3组材料力学性能呈现如下变化:(1)材料峰值应力45.5MPa增加至49.9MPa，峰值应变由 0.433% 降低至 0.397%;(2)应力应变曲线上升段和下降段与碳化前相比未发生显著变化。说明S3组材料在碳化作用下，峰值应力、峰值应变和弹性模量等力学参数变化不显著，但S3组材料应力应变曲线下降段平缓，碳化实验前后均具有较好韧性。

由图4还可知:标养28 d时测试得到S1，S2和S3组混凝土材料的峰值应变分别为0.393%，0.423%和0.433%，说明掺入橡胶粉等韧性组分可以提高充填层自密实混凝土材料的峰值应变。快速碳化试验后，S1，S2和S3组混凝土材料的峰值应变分别为0.369%，0.406%和0.397%，各组混凝土峰值应变均有所降低，但是掺入橡胶粉等弹性组分的混凝土峰值应变仍然大于空白组;S1组应力应变曲线的下降段曲线较S2和S3组陡，说明S1组材料的韧性较S2和S3组的差，脆性较大。在充填层混凝土中掺入橡胶粉和乳化沥青可以有效提高充填层混凝土的变形性能和韧性。

2.3 组合试件应力应变曲线

底座板、充填层和轨道板混凝土组合结构在碳化作用下力学性能的变化见图5所示。由图5(a)可知碳化后(C1+S1+C2)组合试件力学性能变化如下:(1)峰值应力由32.9 MPa增加至33.2 MPa，峰值应变由0.479%降低至0.427%;(2)应力应变曲线上升段斜率增大，在碳化前后，应力应变曲线的下降段均较陡，几乎与横轴垂直。以上说明:采用S1组材料作为充填层材料后，碳化作用下该组合结构的峰值应力增大，峰值应变降低，弹性模量增大，在外力作用下的韧性较差，脆性较大。

由图5(b)可知碳化后(C1+S2+C2)组合试件的力学性能变化如下:(1)峰值应力由26.0MPa增加至 32.2MPa，峰值应变由 0.498% 降低至0.442%;(2)应力应变曲线上升段的斜率增大，在碳化前后，应力应变曲线的下降段均较缓，显示出一定韧性。以上说明:采用S2组材料作为充填层材料后，在碳化作用下该结构材料的弹性模量和峰值应力增加，峰值应变减低，但仍具有一定的韧性。

由图5(c)可知碳化后(C1+S3+C2)组合试件的力学性能变化如下:(1)峰值应力由24.6 MPa增加至 34.3 MPa，峰值应变由 0.511% 降低至0.436%;(2)应力应变曲线上升段的斜率增大，在碳化前后，应力应变曲线的下降段仍然显示一定的韧性。以上说明:采用S3组材料作为充填层材料后，碳化作用下该结构材料的弹性模量和峰值应力增加，峰值应变降低，仍有一定的韧性。

图5 无砟轨道组合结构材料应力应变曲线Fig.5 Stress－strain curve of ballastless track concrete compound structure

2.4 破坏形式

各混凝土破坏形式见图6。由图6(a)可知:在碳化前后，底座板混凝土C1在加载过程中均是沿纵向逐渐出现1条贯穿的斜裂缝和数条细小裂缝，然后，随着荷载的增加，试件逐渐破坏。由图6(b)可知:在碳化前后，轨道板混凝土C2在破坏前沿试件纵向出现斜裂缝，继续加载到极限荷载时，试件突然炸裂破坏，破坏声音脆而响，轨道板混凝土为明显的脆性破坏。结合图3和图4所示的C1和C2组材料的应力应变曲线图可见:碳化前后，混凝土底座板和轨道板的破坏形式无显著变化，破坏过程中均表现为较大的脆性破坏特征。

图6 混凝土底座板和轨道板的破坏形式Fig.6 Damage forms of concrete base slab and track slab

充填层混凝土碳化试验后的破坏形式见图7。从图7可见:对于充填层混凝土S1，破坏时表面出现数条粗大竖向贯穿裂缝，随着压力的增大，试件崩裂(见图7(a))。掺入了橡胶粉和乳化沥青的混凝土S2和S3破坏时混凝土表面的出现细小的贯穿裂缝，混凝土未发生崩裂，破坏的形式较缓和(见图7(b)和图7(c))。这表明橡胶粉和乳化沥青掺入作为韧性组分掺入混凝土后，混凝土的韧性得到了提到，混凝土脆性破坏得到显著改善。

图7 无砟轨道充填层混凝土碳化后破坏形式Fig.7 Damage form of filling layer concrete after carbonation

组合材料碳化后的破坏形式见图8。由图8(a)可知:(C1+S1+C2)组合试件破坏时，首先C1组混凝土被压碎，然后试件表面中部出现1条与纵向倾斜的贯穿主裂缝;(C1+S2+C2)组合试件破坏时，首先是C1组混凝土被压碎，然后，在试件表面出现2条斜向的贯穿裂缝;(C1+S3+C2)组合试件破坏时，首先是C1组混凝土被压碎，然后，在试件表面出现3条斜向的贯穿裂缝。快速碳化试验结束后对组合试件进行的抗压破坏试验中发现，与(C1+S1+C2)组合结构材料相比，其他2试件均具有一定的韧性，破坏形式较为缓和。

图8 无砟轨道混凝土组合结构碳化试验后的破坏形式Fig.8 Damage form of ballastless track concrete compound structure after carbonation

通过以上分析可知，在充填层自密实混凝土中掺入适量韧性组分，如橡胶粉或乳化沥青可以使无砟轨道的组合结构在大气碳化作用下仍具有较好的韧性，有效改善了CRTSⅢ 型板式无砟轨道结构的动力学性能。

3 结论

(1)掺入橡胶粉和乳化沥青的自密实混凝土碳化系数显著降低。普通自密实混凝土作为充填层材料在碳化后脆性显著增大，掺入橡胶粉和乳化沥青的自密实混凝土充填层材料碳化前后抗压应力－应变曲线变化不显著，材料的韧性得到改善。

(2)CRTSⅢ型板式无砟轨道结构中的混凝土底座板和轨道板在碳化后峰值应力增大，脆性增大。采用底座板混凝土、不同充填层自密实混凝土和轨道板混凝土制作的3种轨道结构试件，在碳化后均呈现弹性模量增大、峰值应力增大、峰值应变降低的特点。

(3)与采用普通自密实混凝土作为充填层材料相比，采用橡胶粉等韧性组分配制的自密实混凝土作为充填层材料后，组合结构试件在碳化前后均具有较好的韧性，为CRTSⅢ型板式无砟轨道充填层混凝土的制备提供了相应的理论支持。

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