CRTS III 型轨道填充层自密实混凝土砂率的研究

顾海朋 李固华 曾晓辉 程健强（西南交通大学，四川 成都610031）

1 前言

CRTS III 型板式无砟轨道是由我国自主研发的一种新式无砟轨道，它不同于CRTS I 型和CRTS II 型无砟轨道，不需要采用水泥乳化沥青作为填充层[1]，而是采用具有良好和易性，对环境温度不敏感以及优良的力学与耐久性的自密实混凝土，将轨道板、自密实混凝土以及其下部的支承层浇筑成为一个整体，确保了其长期整体性[2,3,4]。新型板式无砟轨道如图1 所示，自密实混凝土需浇筑在100mm×2700mm×5350mm 的狭小空间，其性能要求高，制备技术和施工工艺都比较困难，是新型轨道结构的核心技术之一。然而我国对自密实混凝土的研究还不成熟，在实际工程中的应用还不能达到预期的效果。因此研究出符合性能要求的自密实混凝土对CRTS III 型板式无砟轨道的发展与应用具有重要的意义。

砂率是混凝土配合比设计中的一个重要参数，其大小对新拌混凝土的工作性能有非常大的影响[5]。黄健对自密实混凝土配合比设计做了许多研究，但是他没有考虑砂率对新拌自密实混凝土工作性能的影响[6]。李进锐则提出当砂率为0.50 至0.52 之间时[4]，自密实混凝土的工作性能最佳，但是铁科院提出的最佳砂率范围为0.50 至0.55之间[7]。因此本文对自密实混凝土的最佳砂率做了进一步的研究。

图1 CRTS III 型轨道示意图

2 新拌自密实混凝土的技术要求

CRTS III 型无砟轨道板下填充层空间狭小，且板下布有钢筋网，使用普通自密实混凝土浇筑很难充填密实。因此填充层自密实混凝土必须要有非常好的工作性能，物理力学性能，耐久性能等，其工作性能及检测方法如表1。

表1 拌合物的性能指标及检测方法[7]

表2 水泥的主要性能

3 配合比试验

3.1 原材料

1)水泥

本试验中采用的是拉法基P.O42.5 水泥，水泥的各项性能指标均符合GB175-1999 标准,见表2。

2)粉煤灰

试验用的矿物掺合料为遂宁热电厂生产的优质粉煤灰。主要性能指标见表3。

3)砂

本实验采用天然河砂，细度模数为2.8。其堆积密度1590kg/m3,表观密度2600 kg/m3，各项性能要求均符合《建筑用砂》（GB/T 14684-2011）。

4)碎石

采 用5 ～10mm 和10 ～16mm 两 种粒级掺配使用。符合《建筑用卵石、碎石》（GB14685-2001）规定的Ⅱ类骨料。

5)减水剂

本实验选用柯帅减水剂，减少率为30%，符合《混凝土外加剂》（GB8076-2008）和《聚羧酸系高性能减水剂》（JG/T223-2007）的要求。

6)膨胀剂

本实验采用UEA 型膨胀剂，其使用符合《混凝土外加剂应用技术规范》（GB50119-2003）的要求。

7)水

来自洁净的自来水,符合《混凝土用水标准》(JGJ63-2006)。

表3 粉煤灰的主要性能

3.2 配合比设计

自密实混凝土的自密实原理如图2 所示，粗骨料悬浮在具有足够粘度和变形能力的砂浆中，在自身重力作用下，砂浆包裹粗骨料一起向前流动，通过钢筋间隙，形成均匀密实结构。所以要获得良好流动性和填充性的自密实混凝土，最重要的是选用合适的砂率和骨料级配。

图2 自密实混凝土拌合物的自密实过程

表4 自密实混凝土配合比（kg）

根据计算以及参考其他研究[1,7,9]，初步确定最佳胶凝材料用量为550-600kg/m3，其中粉煤灰掺量为20%-35%，膨胀剂掺量为8%-15%，水胶比为0.31-0.36，减水剂掺量宜为2.8%，砂石总掺量为1700-1800 kg/m3，其中直径5-10mm 石子与10-16mm 石子的最佳掺配比例为7:3.。为了能够确定出理想的砂率，根据已确定的材料用量，设计如表4 的几组配合比。

3.3 试验方法

塌落筒试验：参照CCES 02-2004《自密实混凝土设计与施工指南》中的测试方法，测试时将混凝土装入塌落度筒中，慢慢提起塌落度筒，测量混凝土流动至50cm 的时间T50 和最终扩展度D，主要检测混凝土的流动性。

J 环试验：试验主要由塌落筒和J 环试验组成，J 环由16 根直径为18mm 的钢筋组成，J 环直径为300mm。试验主要通过测试J 环内外四个方向的混凝土的平均高度差来检测混凝土的抗离析性和间隙通过性。

L 型仪试验：试验参照CCES 02-2004《自密实混凝土设计与施工指南》，测量混凝土流到端头的时间T700L 和水平槽内混凝土的坡度H2/H1。此试验主要检验混凝土的间隙通过性和填充性。

4 试验结果与分析

4.1 砂率对流动性的影响

从图3 可以看出，砂率在0.52-0.60 之间时，扩展度都能够满足要求，呈现出先增大后减小的趋势，且在0.56 左右扩展度达到最大值。T50 则随着砂率的增大先减小后增大，但是只有当砂率在0.58 左右才能基本满足要求。

图3 流动性试验及结果

砂子是细骨料，其形状接近圆形，具有滚动减水效应。当用水量一定时，如果砂率较小，则起滚动作用的粒子减少，同时石子之间的空隙变大，只能由浆体填充，从而起润滑作用的浆体减少了，拌合物的内摩擦力增加，混凝土的流动性变差。砂率过大时，总表面积增大，所需浆体增多，但在用水量和胶凝材料一定的情况下，混凝土会变得粘稠，从而流动性降低。从此试验可看出砂率在0.54-0.59 之间最为适中。

4.2 砂率对抗离析性和间隙通过性的影响

从图4 所示的J 环试验结果可以看出，砂率在0.55 以下时，J 环中间堆积了大量碎石，间隙通过性较差，且泌水比较严重，四周析出大量浆体，混凝土的抗离析性较差。随着砂率的增加，J环中间碎石逐渐减少，并在砂率为0.58 时BJ 达到最小值13mm。但是随着砂率的继续增加，BJ由于混凝土流动性的降低会增大，但是没有再次发生离析现象。当砂率过小时，混凝土拌合物中没有足够的砂浆来包裹粗骨料，因此一部分粗骨料无法流动而产生离析。当砂率过高时，混凝土太过粘稠，内摩擦力增加，间隙通过能力大大减弱。从此试验可以看出砂率的最佳范围为0.56-0.59。

图4 抗离析性试验及结果

4.3 砂率对填充性的影响

填充性试验结果如图5 所示，其图形与流动性试验结果相似，T700L 随着砂率增大先减小后增大，H1/H2 随着砂率增大先增大后减小，当砂率达到0.58 附近时，两者均达到极值。砂率比较低时，混凝土的流动性不高，流动比较缓慢，流动时间长。同时低砂率导致的混凝土离析和低间隙通过性，使得混凝土难以均匀通过钢筋流动到L 型仪器的端头。相反当砂率超过一定值时，混凝土会变得非常粘稠，内摩擦力增大，L 型仪器水平槽内混凝土达到一定坡度时，混凝土自身的重力不足以抵抗其内摩擦力，混凝土就停止流动。从图中可以看出，两者都是在砂率为0.58 附近达到最理想的值。

图5 填充性试验及结果

6 结论

由于CRTS III 型轨道填充层非常狭长，因此这种自密实混凝土必须有非常好的流动性。通过试验可以得出结论，在其他材料用量一定时，如果砂率低于0.56，混凝土不仅流动性差，而且会产生分层离析；如果砂率高于0.58，混凝土会变得非常粘稠，不会产生离析，但是流动性也很差。研究表明砂率为0.56-0.58 之间时，混凝土的工作性能最好。

[1]陈剑雄，张旭，刘巧玲. 自密实混凝土研究进展[J]. 建筑技术开发，2003,30(13)：92-94.

[2]曾晓辉，谢友均，邓德华. 温度对水泥乳化沥青砂浆早期膨胀特性的影响[J]. 硅酸盐学报，2012,40(2);207-211.

[3]曾晓辉，谢友均，邓德华. 新拌水泥乳化沥青砂浆导电特性及其应用[J]. 建筑材料学报，2011,14(1):52-57.

[4]李进锐. 高速铁路板式轨道充填层自密实混凝土性能研究[D]. 武汉：武汉理工大学硕士学位论文. 2011.

[5]P.Kumar Mehta,Paulo J.M.Monteiro. Concrete:Microstructure,Properties and Materials[M].New York:McGraw-Hill Professional,1900; 318-320.

[6]黄健. 高速铁路板式无砟轨道结构充填层自密实混凝土技术研究[D].湖南：中南大学硕士学位论文. 2011.

[7]中国铁路科学研究院. 京沪高速铁路道岔板填充层自密实混凝土暂行技术要求. 北京：中国铁道出版社，2010.

[8]刘运华，谢友均，龙广成. 自密实混凝土研究进展[J].硅酸盐学报,2007,35(5); 671-678.

[9]张习.自密实混凝土的配制和应用[J]. 交通标准化，2011,238(3); 140-143.