RPC在无砟轨道中的应用研究与展望



RPC在无砟轨道中的应用研究与展望

杨剑,汪金胜,彭鑫

(中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075)

摘要:针对目前高速铁路无砟轨道结构在荷载及环境因素综合作用下存在易开裂、耐久性差、维修困难等问题，提出将材料性能优异的活性粉末混凝土应用于无砟轨道结构。对比普通混凝土和活性粉末混凝土无砟轨道结构的受力性能和经济性指标，发现活性粉末混凝土无砟轨道结构具有较高的技术经济性。活性粉末混凝土在无砟轨道结构中的应用为解决目前无砟轨道结构所存在的问题找到了一条新的途径，同时为实现资源节约利用、发展轻型化高速铁路提供了参考。

关键词：高速铁路；无砟轨道；普通混凝土；活性粉末混凝土

无砟轨道以其高平顺性、刚度均匀性好、稳定性好及维修工作量少等特点在高速铁路上得到了快速发展和广泛应用[1-2]。目前，我国高速铁路大都采用无砟轨道结构形式，由于普通混凝土的力学性能较差以及高速铁路所处的恶劣环境，无砟轨道结构存在开裂、耐久性差、维修困难等诸多问题，因此，寻求一种有效的解决方法对现有无砟轨道的维修更换及未来的新建工程具有重要意义。

1普通混凝土无砟轨道存在的问题

通过对已营运高速铁路调查发现，普通混凝土无砟轨道结构仍存在许多问题需要解决，主要表现为以下方面。

①轨道板易开裂，导致其耐久性降低，使用寿命缩短，需维修更换。

②由于轨道板厚度较小，使预应力混凝土轨道板在施工(尤其是张拉过程)及运营过程轨道板锚端容易出现裂缝，导致出现混凝土脱落掉块、钢筋锈蚀等病害的发生。

③普通混凝土轨道板中含有钢筋网，而钢筋网与钢轨之间容易产生电流互感作用，导致谐振式轨道电路技术传输长度的缩短[3]；

④轨道板的自重大，不利于制作、运输及安装，对维修更换的机具设备提出了更高要求，同时也违背了结构朝着轻型化方向发展的理念。

目前轨道板存在的种种缺陷主要是由于普通混凝土力学性能和耐久性能差造成的。因此，在满足轨道结构强度、刚度、稳定性的前提下寻求一种轻型高效、经济耐久的无砟轨道结构，对促进高速铁路无砟轨道的发展具有重要意义。

2RPC的优越性及其研究应用情况

活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)是一种具有较高的韧性、高抗压强度和优异耐久性能的新型水泥基复合材料[4-5]。RPC与普通混凝土NC(Normal Concrete)的力学性能对比见表1[5]。

表1RPC和NC的主要物理力学性能比较

Table 1 Comparison of physical - mechanical properties of RPC and NC

混凝土类型RPCNCRPC/NC抗压强度/MPa170～23020～50约4倍抗折强度/MPa30～602～5约10倍弹性模量/GPa40～6030～40约1.2倍材料断裂/(kJ·m-2)20～400.12约200倍徐变系数0.29～0.311.3～2.1约20%氯离子扩散/(m2·s-1)0.02×10-121.1×10-12约2%冻融剥离/(g·cm-2)7>100<7%磨耗系数1.34约30%抗压强度/材料容重7.4～100.87～2.2约7倍

由表1可以看出，RPC不仅具有较高的抗压强度，达230 MPa，是普通混凝土的4倍左右，而且具有很高的抗折强度，RPC的抗折强度为30～60 MPa，比普通混凝土高1个数量级。同时RPC的断裂能平均值达30 kJ/m2，是普通混凝土的200倍左右，甚至与金属铝相近(>10 kJ/m2)。其抗压比强度(抗压强度/材料容重)约为普通混凝土的7倍、普通钢材的2倍。

此外，由于RPC在配制过程中将材料的内部缺陷( 孔隙与微裂隙) 减小到最少，而且在材料凝结后采用热养护改善了微观结构，使得材料内部具有极小的空隙率且孔隙尺寸较小，相比普通混凝土，RPC具有优良的抗氯离子渗透、抗碳化、抗腐蚀、抗渗、抗冻及耐磨性能，显示出优异的耐久性[5]。

RPC在兼具优良的力学性能和耐久性能的同时，还具有较好的环保性能。表2为同等承载力条件下， 30 MPa引气型混凝土和 RPC 材料的等效体积、水泥用量、生产水泥过程CO2排放量及骨料用量[6]。由表2中数据可知，在同等承载力条件下，制备RPC材料的水泥用量是NC的一半左右，因此其制备过程中CO2排放量也只有NC的一半左右，这对于控制温室效应具有重要意义；而且RPC材料生产制备过程对不可再生自然资源——骨料的需求量只占 NC的1/4，可有效控制对相关自然资源的开采利用。

表2RPC和NC的生态性能指标比较

Table 2 Comparison of ecological performance index of RPC and NC

品种30MPa引气型混凝土RPC等效体积/m312623水泥用量/t4423CO2排放量/t4423骨料用量/t23060

目前对RPC结构的设计计算理论的研究较少，主要集中在构件的受弯、受剪等力学性能的研究[7-8]，而针对RPC在无砟轨道结构应用方面的研究则更少[9]。

在铁路工程应用方面，北京市建筑工程研究院承担的“863”计划项目“超高性能结构混凝土材料工程化应用基础研究”开展了超高性能结构混凝土(UHPSC)材料及其制备等方面的研究[10]，并成功应用于迁曹铁路、蓟港铁路、京沪高速、沪宁城际等十多条铁路低高度梁及高耐久性配套构件中。但目前尚未出现RPC在无砟轨道结构应用方面的工程实例。

对数据采取SPSS 26.0统计学软件进行分析，其中计数资料以百分比（%）表示，进行χ2检验；计量资料应用（±s）表示，进行 t检验，P＜0.05 为差异有统计学意义。

因此，鉴于RPC具有优异的材料力学性能和耐久性能，如果能将其合理地应用于高速铁路无砟轨道结构，对于解决目前无砟轨道结构所存在的问题具有重要的工程实用意义，同时也可很好地推进我国高速铁路在新材料新技术领域的进程以及拓宽RPC在工程领域的应用范围。

3RPC与普通混凝土轨道板对比分析

以单元板式无砟轨道为研究对象，研究NC和RPC两种不同材料无砟轨道结构的受力性能和经济性。

3.1受力性能分析

3.1.1计算模型的建立

对图3所示的2种型式的单元板式轨道结构分别采用NC轨道板和RPC轨道板建立有限元模型并对其力学性能进行对比分析。模型中钢轨采用弹性点支撑梁单元模拟；扣件用线性弹簧单元模拟，用以连接钢轨和轨道板；轨道板、CA砂浆、底座则采用实体单元模拟；为消除边界效应，模型中取相邻的3块板进行计算，并以中间的板作为分析对象。设计荷载取300 kN[11]，温度荷载为10 ℃“上冷下热”的负温度梯度荷载[12]，轨道板的线膨胀系数取为1.18×10-5/℃，模型中的其他计算参数如表3所示[13]。计算模型如图2所示，其中纵向为轨道板长度方向，横向为轨道板宽度方向，竖向则为轨道板厚度方向。

(a) 实体板式无砟轨道结构；(b) 框架板式无砟轨道结构图1　单元板式无砟轨道结构Fig.1 Structure of slab track

轨道结构弹性模量/MPa泊松比刚度/(kN·m-1)钢轨2.10×1050.30—扣件——50NC轨道板3.60×1040.20—RPC轨道板4.50×1040.20—CA砂浆2000.30—底座3.25×1040.20—

(a) 实体式无砟轨道模型；(b) 框架式无砟轨道模型图2　单元板式无砟轨道结构计算模型Fig.2 Model of the slab track structure

3.1.2计算结果分析

通过对这2种材料不同类型轨道结构的计算得到在设计荷载作用下钢轨位移及扣件扣压力沿轨道板纵向的分布如图3和图4所示，表4和表5为轨道板在列车荷载及温度梯度荷载作用下的响应极值。

图3　钢轨竖向位移纵向分布Fig.3 Rail displacement distribution curve of different types of RPC slab track

图4　扣件扣压力纵向分布Fig.4 Fastener force distribution curve ofdifferent types of RPC slab track

从图3～4中可以看出，轨道板的结构类型和材料种类对钢轨和扣件的受力基本没影响，不会影响其分布规律。

从表4和表5可知，在列车荷载作用下，普通混凝土轨道板的最大拉应力均不超过其抗拉强度，但在温度梯度作用下，普通混凝土的实体板和框架板的拉应力基本接近甚至超过了混凝土的抗拉强度；在列车和温度梯度荷载共同作用下，其最不利组合应力极值为：对于普通混凝轨道板其最大拉应力达4.94 MPa(实体型)和4.35 MPa(框架型)，都已超过普通混凝土的抗拉强度，可能因此而导致轨道板的开裂。

鉴于RPC轨道板的抗拉能力有较大的富余，甚至可以在不配筋或少配筋的情况下满足承载能力的要求，这为解决目前无砟轨道与谐振式轨道电路之间的协调性问题提供了一条新的途径。

表4　列车荷载作用下轨道板应力极值

表5　温度梯度荷载作用下轨道板应力及位移极值

图5～6给出了NC和RPC 2种不同材料无砟轨道结构轨道板的应力分布。从图5～6中可以看出：轨道板峰值应力出现在荷载作用点附近与扣件相连的截面上，随着与作用点纵向距离的增加，轨道板两侧的应力在零附近波动并逐渐趋于零，这主要是因为钢轨所受外荷载主要由作用点附近的扣件承担并向下传递给轨道板，由于轨道板的刚度较大，使得该处轨道板处于局部受压的状态。对于实体型轨道板，在轨道板横向，应力只在钢轨附近区域较大，在轨道板中间一定范围内应力在零附近波动，此时如果采用RPC则不能有效地发挥其优异的力学性能，造成材料的浪费，但如果将实体轨道板中间部分截面削弱形成框架型轨道板则不仅可以充分的利用RPC的材料特性，还能减轻轨道板的自重，有利于制作运输和安装，一定程度上降低了生产成本。

此外，从表5中可以看出，框架型轨道板在温度梯度荷载作用下产生的翘曲应力及翘曲位移均比实体式轨道板小，相比实体板式轨道，框架板式轨道的纵向拉应力减小约12%，横向拉应力减小约14%，而翘曲位移则减小约8%，这对于减少轨道板的开裂及砂浆层的伤损具有重要意义。进一步分析图6，甚至还可以减小轨下截面0.6 m左右宽度范围以外轨道板的厚度而形成变厚度框架型轨道板，此时局部区域可以采用玻璃纤维增强筋GFRP(Glass Fiber Reinforcement Plastic)等高强材料提高其承载能力。

由于GFRP的抗拉强度大于500 MPa，且结合RPC轨道板在列车和温度作用下的分析结果表明RPC轨道板的抗拉能力有较大的富余，在RPC框架轨道板中配置GFRP筋后不仅能进一步提高其承载力，且可消除普通混凝土轨道板中钢筋网与钢轨电流之间的互感作用，从而有效改善谐振式轨道电路在无砟轨道结构条件下的传输特性，甚至可在优化截面尺寸的情况下进一步减轻轨道板的自重，更好的显示出RPC轨道板优良的经济效益。

图5　轨道板竖向应力纵向分布Fig.5 Longitudinal distribution curve of vertical stress of the slab

图6　轨道板竖向应力横向分布Fig.6 Transverse distribution curve of vertical stress of the slab

通过以上分析可以看出，利用材料性能优异的RPC制作轨道板能有效的改善轨道板的力学性能，提高轨道板的承载能力和耐久性能，延长其使用寿命，以及改善谐振式轨道电路传输特性，同时还可为高速铁路无砟轨道朝着轻型化方向的发展提供技术支持，是我国未来高速铁路无砟轨道发展的首选材料之一。

3.2经济性分析

根据轨道板配筋、几何尺寸、混凝土材料、扣件布置等，计算得到普通混凝土实体板式轨道结构和RPC框架板式轨道结构的造价如表6所示。其中，材料单价按预应力筋17 000 元/t、涂层钢筋8 200 元/t、普通钢筋5 500 元/t计，普通混凝土按366 元/m3计，RPC为3 064 元/m3，CA砂浆单价按6 000 元/m3计、扣件按300/套计，凸型挡台681 元/个[14]，GFRP筋3.5元/m计。

由于RPC轨道板具有较大的强度储备，GFRP筋按普通混凝土轨道板中一半初步估计用量。其中实体轨道板尺寸为4.93 m×2.40 m×0.19 m，框架板尺寸为4.93 m×2.40 m×0.19 m，削弱部分尺寸取为2.80 m×0.70 m×0.19 m。

表6　2种轨道结构造价

说明：括号中GFRP筋只适用于RPC框架轨道结构

由表6可以看出，普通混凝土实体型轨道结构造价与RPC框架轨道结构造价基本接近。如果综合考虑轨道板的使用寿命、养护维修及更换等方面，RPC轨道板相比普通混凝土实体板具有更高的技术经济性，这主要体现在以下几方面。

因为RPC轨道板具有更大的承载能力、优异的耐久性能，在相同条件下，其使用寿命更长，而养护维修工作量则大大减少，在显著的降低后期养护维修费用的同时，也使得维修天窗的安排更加灵活，一定程度上会使铁路的营运更加畅通。

其次，在少配筋或配置GFRP筋的RPC框架轨道板对改善谐振式轨道电路在无砟轨道结构条件下的传输特性，提高轨道电路传输长度具有重要意义。同时，RPC框架板比普通实体板重量减轻约30 %，对于变厚型框架板重量甚至减轻40%，这不仅能有效提高轨道板的运输效率，降低运输成本，同时也有利于轨道板的安装及后期的维修更换。

此外，对于RPC轨道板的养护及成型工艺，由于目前预制板均在预制场采用热养护成型，且有相应的模具成型，而RPC轨道板养护也是采用蒸汽养护(90℃蒸汽)，所以只需要按其型式设计相应的模具即可完成成型。在预制场与普通混凝土板的制作基本一样，其与普通混凝土成型不同是地方是，活性粉末混凝土搅拌需要高速搅拌机，这样才能打开搅拌过程中低水胶比的分子张力，使其充分搅拌成型，而目前市场上有多种高速搅拌机可供选用。因此，相比普通混凝土板，RPC轨道板的养护及成型工艺不会增加额外成本。

所以综合考虑各方面，RPC轨道板的长远经济效益是非常显著的。

4结论及展望

通过以上分析可知，将RPC应用于无砟轨道结构中，特别是将其应用于框架板式无砟轨道，具有较高的技术经济性。利用其优异的材料特性，在解决目前普通混凝土无砟轨道结构所存在问题的同时，亦能推广RPC在工程领域的应用，是未来无砟轨道结构发展过程中具有广阔应用前景的一种材料。

然而，目前关于RPC无砟轨道方面的研究极少，仅北京交通大学赵曼等对RPC板式无砟轨道进行了理论研究，所以亟需开展针对RPC在无砟轨道结构应用方面的研究。为此，对RPC在无砟轨道结构中的应用提出以下几点展望：

1)结合RPC材料的性能，对RPC无砟轨道结构形式进行优化，形成受力合理、经济耐久、尺寸轻巧、外形美观的无砟轨道结构；

2)对RPC无砟轨道结构的静力、动力性能进行系统的试验和理论研究，明确其受力性能和破坏机理，提出RPC无砟轨道结构设计计算理论和方法，用以指导相关设计；

3)对RPC无砟轨道结构的制作工艺(养护及成型)、运输安装、施工流程、以及维修更换等进行系统研究，并形成一整套经济、实用、高效的技术指导规范，为其全面推广应用打下坚实基础。

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Application and outlook of RPC in ballastless track

YANG Jian, WANG Jinsheng, PENG Xin

( School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract:Aiming to the existed problems that the high speed railway ballastless track suffers from crack of track slab, poor durability and maintenance difficulties, the reactive powder concrete was suggested to be used in the ballastless track for its excellent material properties. It is found that the RPC ballastless track has a high level of techno-economic advantage in terms of the mechanical behavior and economic index by comparing the structures of normal concrete and RPC ballastless track. The application of reactive powder concrete in ballastless track provides a new way to solve the existing problems in the structure of ballastless track, and offers references in realizing the resource conservation and light-duty development of high speed railway.

Key words:high speed railway; ballastless track; normal concrete; reactive powder concrete

中图分类号：U213.242

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2015)01-0053-06

通讯作者：杨剑(1978-)，男，湖南华容人，副教授，博士，从事新材料在土木工程中应用研究； E-mail:jianyangyy@126.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51378511)

*收稿日期：2014-06-23