基于强度分布的CRTSIII板式轨道充填层灌注质量的影响因素研究

丁伟，贾宝红，李文旭，刘赞群

基于强度分布的CRTSIII板式轨道充填层灌注质量的影响因素研究

丁伟1，贾宝红2，李文旭3，刘赞群3

(1. 中铁十九局集团有限公司，北京 100176；2. 郑万铁路客运专线河南有限责任公司，河南 郑州 450000；3.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

依托郑阜客专线下工艺性试验，得到不同拌合物性能、灌注时间、排浆时间的充填层强度分布特征，提出基于强度标准差的充填层匀质性指标，研究结果表明：充填层匀质性随自密实混凝土拌合物扩展度增大而减小且当扩展度小于620 mm，充填层自密实混凝土匀质性降低。随着出浆口排浆时间增长，充填层自密实混凝土匀质性越好，当排浆时间大于30 s时，充填层匀质性变化不大；随着灌注时间增长，充填层自密实混凝土匀质性略有提升且灌注时间超过8 min后，灌注时间对充填层匀质性的提升较小；得到现场最佳混凝土拌合物状态及灌注工艺为：拌和物扩展度范围620~670 mm，出浆口排浆时间为30 s，灌注时间6~8 min。研究结果为充填层现场施工提供参考。

自密实混凝土；施工工艺；匀质性；缺陷率

CRTSIII型板是具有我国自主知识产权的无砟轨道结构，与源自日本技术的 CRTSI型板式无砟轨道结构和源自德国技术的CRTSII型板式无砟轨道结构相比，该结构体系的特点之一就是采用具有高流动性、高稳定性和低收缩变形的自密实混凝土作为无砟轨道充填层材料[1−4]。CRTSIII板式无砟轨道自密实混凝土作为充填层需浇筑在 5 600 mm× 2 500 mm×90 mm的狭长薄板状封闭空间中，其工作性能要求比普通自密实混凝土更高，灌注技术和施工工艺更困难[5−8]。目前，国内外针对拌合物基础工作性能对自密实混凝稳定性的影响已有大量研究。Nathan等[9]研究发现增加自密实混凝土拌合物最终流动时间可提高其动态稳定性，且更能表征其黏度。 LIN等[10]也得到同样的结论。张勇等[11−12]研究发现自密实混凝土的流动时间和扩展度与其静态稳定性间存在良好相关性，流动时间的延长或扩展度的降低均有利于静态稳定性的提高。同时，认为当自密实混凝土的基本工作性能至少满足5.3 s≤500≤20.0 s，12.1 s≤600≤46.4 s，35.7 s ≤≤63.7 s 和550 mm≤≤715 mm 中的3项时，可判定其静态稳定性良好。但在现场施工中，填充层内放置有疏密不等的钢筋网，这使得试验室测得的结果与实际施工要求仍有出入。付钢等[13]结合郑徐客运专线CRTSⅢ型板式无砟轨道充填层工艺性揭板试验和现场施工实践，总结出满足现场条件的施工配合比和稳定的施工工艺流程。研究表明，自密实混凝土灌筑速度不宜过快，否则压力过大容易导致轨道板发生位移或上浮，灌筑时间一般控制在5~8 min为宜。入模坍落扩展度宜控制在650 ~680 mm，500宜控制在3~5 s，若大于7 s，建议不灌筑。王显进[14]同样总结出自密实混凝土塌落扩展度为650 mm，中间孔灌注效果最优，而王秀芬[15]则认为为避免自密实混凝土硬化过程中出现较大的干缩，影响灌筑效果，坍落度应控制在630 mm，扩展时间500控制在4~5 s为宜。工程人员往往仅根据《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》[16]要求，定性的评估灌注质量，并未对材料性能与施工工艺对自密实混凝土充填层灌注质量的影响规律进行系统的、定量分析。自密实混凝土充填层是轨道结构的关键结构部件且其性能的优劣直接影响到轨道系统的耐久性以及使用的舒适性、安全性、经济性[17−18]。因此，深入研究自密实混凝土拌合物性能与施工工艺对自密实混凝土充填层灌注质量的影响规律对控制和优化现场施工技术措施具有重要意义。鉴于此，本文结合线下工艺性揭板试验，钻芯取样，测试其相关力学性能，并提出基于强度分布的CRTSIII型板匀质性指标，研究自密实混凝土拌合物性能与施工工艺对自密实混凝土充填层灌注质量的影响。

1 试验概况

1.1 试验原材料、配比及试件制备

充填层自密实混凝土(SCC)采用的原材料包括水泥、粉煤灰、膨胀剂、粗细集料、黏度改性材料、高效减水剂等。P.O 42.5 普通硅酸盐水泥(C)由许昌天瑞集团水泥有限公司生产，Ⅰ级粉煤灰(FA)和膨胀剂(EA)分别由宝丰县吉森实业有限公司和郑州艾克思建材有限公司提供，水泥、粉煤灰的物理化学性能如表1所示。

黏度改性剂、减水剂等由安徽中铁工程材料科技有限公司，其中羧酸系减水剂(SP)减水率为29%。细集料采用普通河砂，其细度模数为2.6，表观密度为2 650 kg/m3；粗集料采用石灰石质碎石，表观密度为2 735 kg/m3，试验中选用5~10 mm 和10~16 mm 2种级配混配而成；拌合水为饮用自来水。试验各原材料性能均满足《高速铁路 CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土暂行技术条件》[16](TJ/GW 112—2013)的相关规定。

结合线下工艺性揭板试验，按图1中布点位置进行钻芯取样，芯样直径为70 mm，每个取芯位置取3个芯样，每种工况共取76个芯样，取出后编号并放入标准养护室中养护至56 d进行力学性能试验，其中，试件测试前用环氧树脂补平且平行误差不超过0.02 mm。取芯现场见图2所示。

表1 水泥、粉煤灰、膨胀剂的物理化学性能

图1 充填层自密实混凝土取芯位置示意图

图2 取芯现场图

表2 各板号的试验工况条件

通过调控减水剂、黏度改性剂用量配制所需工作性的自密实混凝土，并设计7种工况，以此研究拌合物扩展度、出浆口排浆时间、灌注时间对自密实混凝土充填层灌注质量的影响。设计工况见表2。

1.2 试验方法

芯样处理及抗压强度计算均按《钻芯法检测混凝土强度技术规程》[19]展开，试验采用DYE−1000型混凝土压力试验机，如图3所示，测得充填层各位置自密实混凝土芯样的抗压强度，绘制充填层自密实混凝土强度分布云图，并提出了基于强度标准差的充填层匀质性评价指标，以此对充填层灌注质量进行表征，最终得到控制与优化自密实混凝土充填层现场施工质量的技术措施。匀质性指数σ表达式见式(1)。

式中：N为芯样数量；si为芯样强度；m为芯样强度平均值。

2 试验结果及分析

2.1 拌合物扩展度对充填层自密实混凝土灌注质量的影响

图4与图5显示了不同拌合物扩展度下的充填层自密实混凝土强度分布及匀质性指标。由图4和图5可知，填充层自密实混凝土强度呈现沿混凝土灌注方向递减的趋势且在以灌注口为中心的横向强度较高；自密实混凝土拌合物扩展度对充填层匀质性影响较大；板1由于自密实混凝土拌合物扩展度较大(即扩展度大于670 mm)，其拌合物稳定性相对较差，加之充填层内钢筋网阻隔，使得在流动的过程中自密实混凝土发生离析。板1排浆口附近区域混凝土中浆骨比高于板内，导致该区域强度出现明显较低，匀质性较差；板2和板3的强度分布较板1更加均匀，排浆口附近区域强度没有明显降低。板3由于自密实混凝土拌合物扩展度较小(扩展度小于620 mm)，其间隙通过性能较差，很容易在钢筋间距小的区域出现骨料集聚，出现局部强度不匀质的情况，使得其匀质性略低于板2。结合充填层自密实混凝土强度分布及其匀质性指数，得到现场施工最适宜的自密实混凝土扩展度范围为620~ 670 mm。

单位：mm

图5 不同扩展度下充填层的匀质性变化

2.2 出浆口排浆时间对充填层自密实混凝土灌注质量的影响

充填层自密实混凝土在不同出浆口排浆时间下的强度分布及匀质性指标如图6和图7所示。由图6和图7可知随着出浆口排浆时间增长，充填层自密实混凝土匀质性越好；此外，由图6(a)可知板4因过早关闭出浆口，多余的浆体未能排出，使得出浆口附近出现浆骨比高于板内其他部位，导致出浆口附近处混凝土强度明显低于板内，匀质性较差。板2和板5强度分布较板4更加均匀，总体匀质性较好，板5的匀质性与板2接近且板5匀质性略好于板2。由此可知，出浆口处混凝土状态良好时，再增加排浆时间对充填层质量影响不大。综上所述，最经济、合理的灌注工艺为自密实混凝土拌合物扩展都范围为620~670 mm，出浆口排浆时间为30 s。

(a) 板2填充层自密实混凝土强度分布云图；(b) 板4填充层自密实混凝土强度分布云图；(c) 板5填充层自密实混凝土强度分布云图

图7 不同排浆时间下充填层匀质性变化

2.3 灌注时间对充填层自密实混凝土灌注质量的影响

图8与图9显示了不同灌注时间下的充填层自密实混凝土强度分布及匀质性指标。由图8和图9可知随着灌注时间增长，充填层自密实混凝土匀质性越好；板6因灌注时间过短在观察口及排浆口附近，混凝土强度略有降低，匀质性稍差。板2和板7充填层自密实混凝土强度分布板6更加均匀且板2和板7匀质性接近。总体而已，当混凝土拌和物扩展度处于620~670 mm范围且排浆时间为30 s时，随着灌注时间增长，充填层自密实混凝土匀质性越好，但灌注时间超过8 min后，对充填层匀质性的提升并不大。这与Mesbah等[20−23]的研究结果相比：自密实混凝土流速对其动态稳定性影响很小，即对于工作性相同的自密实混凝土拌合物，灌注速度对其匀质性影响较小相吻合。考虑到灌注质量及经济效益得出，自密实混凝土最佳灌注时间为6~8 min。

(a) 板2填充层自密实混凝土强度分布云图；(b) 板6填充层自密实混凝土强度分布云图；(c) 板7填充层自密实混凝土强度分布云图

图9 不同灌注时间充填层匀质性变化

综上所述，得到现场条件下最佳混凝土拌合物状态及灌注工艺为：拌和物扩展度范围620~670 mm，出浆口排浆时间为30 s，灌注时间6~8 min。

3 结论

1) 填充层自密实混凝土强度呈现沿混凝土灌注方向递减的趋势且在以灌注口为中心的横向强度较高。

2) 充填层自密实混凝土匀质性随着拌合物扩展度增大而降低且当扩展度小于620 mm，充填层自密实混凝土匀质性出现降低，拌合物扩展度处于620～670 mm时，匀质性最佳。

3) 随着出浆口排浆时间增长，充填层自密实混凝土匀质性越好，当出浆口排浆时间大于30 s时，排浆时间对充填层匀质性影响不大。

4) 当自密实混凝土拌和物扩展度处于620~ 670 mm范围且排浆时间为30 s时，随着灌注时间增长，充填层自密实混凝土匀质性越好，但灌注时间超过8 min后，对充填层匀质性的提升不大。

5) 基于充填层自密实混凝土强度分布及其匀质性得到现场条件下最佳混凝土拌合物状态及灌注工艺为：拌和物扩展度范围620~670 mm，出浆口排浆时间为30 s，灌注时间6~8 min。

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Study on influencing factors of filling quality of crtsIII slab track filling layer based on strength distribution

DING Wei1, JIA Baohong2, LI Wenxu3, LIU Zanqun3

(1.China Railway 19th Bureau Group Co., Ltd, Beijing 100176, China;2. Zheng-Wan Railway Passenger Dedicated Line Henan Co., Ltd, Zhengzhou 450000, China3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

This paper relies on the Off-line process test in the Zhengzhou-Fuyang Railway. By sampling the SCC (self-compacting concrete) core in the filling layer, the strength distribution characteristics of the filling layer with different SCC mixture properties, discharge time and filling time were obtained, and the filling layer homogeneity index based on the strength standard deviation was proposed. The filling quality of filling layer was characterized. The research shows that the homogeneity of the filling layer decreases with increasing the slump flow. when the slump flow is less than 620 mm, the homogeneity of the filling layer is slightly reduced, and the homogeneity is best when the slump flow is in the range of 620~670 mm. The homogeneity of the filling layer is better with increasing discharge time, and when the SCC is in good condition at the four outlets, the increase of the discharge time has a little effect on the filling quality of the filling layer. The filling time a has little effect on the homogeneityof the filling layer, and the homogeneity of the filling layer is slightly improved with the increase of the filling time. The best SCC mixture properties and filling process under the field conditions are that the range of slump flow is 620~670 mm, the discharge time is 30 s, and the filling time is about 6~8 min. The research results provide reference for field construction of the filling layer.

self-compacting concrete; construction technology; homogenization; defect rate

TQ172

A

1672 − 7029(2019)11− 2651 − 07

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.11.002

2019−02−20

国家自然科学基金资助项目(51678569，51678568)；中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题资助项目(2017G005-B)

刘赞群(1975−)，男，湖南娄底人，教授，从事新型胶凝材料及混凝土耐久性研究；E−mail：zanqun.Liu@csu.edu.cn

(编辑 蒋学东)