摘要：CRTSIII型板式轨道结构是我国自主研发并且具有完全知识产权的无砟轨道结构型式，目前已经在我国获得广泛的推广和应用。充填层是该轨道结构的核心结构，自密实混凝土是其关键材料。本文针对影响充填层施工质量的关键因素和环节，着重分析了关键原材料组份、环境温度及核心工艺等因素对自密实混凝土充填层现场施工过程的影响，研究了混凝土拌合物坍落扩展度及T50的经时变化及其与灌注效率、灌注质量等的影响关系，并结合实际工程应用提出了相应现场规模化施工质量控制技术措施。
关键词：高速铁路；无砟轨道；自密实混凝土；施工稳定性
1前言
板式无砟轨道是我国高铁特别是时速300km/h干线的主要轨道结构形式。我国板式轨道的主要结构形式有CRTSⅠ、CRTSⅡ和CRTSⅢ型，前两种是在引进国外技术基础上发展起来的。CRTSⅢ型板式轨道是我国自主研发的板式轨道结构形式，是今后高铁建设首选的轨道结构，是我国高铁“走出去”战略的关键技术之一。2013年9月通车的盘锦到营口高铁，全线首次采用了CRTSⅢ型轨道结构。随后CRTSⅢ型轨道结构在武汉城际、成绵乐、郑徐、昌赣、商合杭、鲁南等高铁推广应用。
CRTSIII型轨道结构主要由轨道板、自密实混凝土充填层、钢筋网片、土工布隔离层以及底座板等部分组成，其中充填层在轨道结构中起到支承调整、缓冲协调和阻断裂纹等功能，其性能对轨道结构的稳定性、平顺性和耐久性有重大意义。自密实混凝土是CRTSIII型轨道结构充填层的主要材料，其性能决定了无砟轨道施工的成败。图1为CRTSIII型轨道结构示意图，图2为CRTSIII型轨道结构实体结构。
图1 CRTSIII型轨道结构示意图
图2 CRTSIII型轨道结构实体结构
CRTSⅢ型板式轨道充填层是一个上下空间封闭、构造复杂（多向钢筋，包括水平钢筋网片和竖直方向的门型钢筋、凹槽、土工布隔离层），单块面积大，上层为轨道板，下层为混凝土底座板，厚度为8～10cm的“三明治”结构，见图1所示。SCC从中部灌注孔浇筑后在重力下在充填层内水平流动，充填面积约为15m2，流动距离最长约3.066m，见图3所示，流动过程中受钢筋网、凹槽和土工布影响，因此，若要自密实混凝土能够高质量灌满充填层结构，对自密实混凝土工作性提出的极高的性能要求。首先，自密实混凝土必须具有较高的流动性、抗离析性能以及在长距离流动过程中保持整个体系稳定的性能，即混凝土能够在重力作用下保持长距离的流动且浆体能够较好的包裹石子不出现泌水，浆骨分离等离析现象，其次，自密实混凝土要具备较好填充性能和穿越钢筋性能，即混凝土在流动过程中能够完全穿越充填层内部的钢筋网片，饱满地填充整个充填层结构[5,6]。
图3 轨道板平面及自密实混凝土最远流动距离
2.关键原材料的影响
2.1胶凝材料和减水剂的影响
胶凝组份和减水剂是影响新拌混凝土工作性的重要因素，特别是影响混凝土拌合物流动性的经时变化，通常使拌合物坍落度减小，俗称坍损，在温度较低环境下也会出现坍落度返大现象（这部分在后续阐述）。自密实混凝土中胶凝材料用量较大，且组成复杂，在温度较高气候环境下施工时较常遇到其拌合物出现坍损问题，自密实混凝土出现坍损将导致混凝土扩展度减小，黏度增大，从而不能正常施工。实践证明，对坍损影响较大的是原材料中的水泥和减水剂。
水泥的主要矿物成分是C3A、C4AF、C3S和C2S，不同矿物成分对减水剂的吸附作用大小不同。减水剂的主要作用是吸附在水泥矿物的表面，降低分散体系中两相间的界面自由能，提高分散体系的稳定性。在相同条件下，水泥成分中对减水剂的吸附性大小依次为C3A>C4AF>C3S>C2S。若水泥中C3A、C4AF含量较大，则大量减水剂被其吸附，导致混凝土坍落度损失迅速增大。减水剂中减水成分固含量低、保坍成分不足或者减水剂与水泥相容性不良均会导致混凝土出现坍损。由于水泥组分中C3A、C4AF含量较大造成的坍损与减水剂性能不足造成的坍损不同，由于水泥组分吸附减水剂造成的坍损在自密实混凝土出机后就会显著体现，而由于减水剂泥保坍性能不足造成的坍损通常在混凝土出机后逐渐出现。
2.2砂的影响
砂子对自密实混凝土性能影响非常大，泥粉质山砂、石粉含量高的机制砂、化严重的粉砂以及含泥量大于2%的河砂均不能在自密实混凝土中使用。通常砂场为了降低砂子的含泥量，会对砂子进行多次水洗。砂子水洗后，含泥量较低，但是水泥过程中也将砂子中0.15mm以及以下的颗粒冲洗掉了，造成砂子细颗粒减少，细度模数增大。
自密实混凝土采用了细颗粒少，细度模数偏大的砂子，将会造成混凝土粘聚性降低，混凝土中粗骨料容易下沉，粗骨料表面不挂浆等情况，从而造成自密实混凝土在灌注过程中，灌注时间过长，很有可能不能将板灌满，或者即使能灌满板，也会出现排浆孔只能流出浆体，造成充填层表面出现浮浆疏松层，揭板切开后，骨料分布不均匀，骨料下沉，浆体上浮。图5为采用不同细度模数砂子进行灌板后将充填层自密实混凝土切割开后的照片，由图5可见，相同条件下，采用粗砂配制自密实混凝土进行灌板试验，虽然充填层能够灌满，但是切开后发现，充填层内部粗骨料下沉，浆体上浮，而采用细砂配制的自密实混凝土切开后横断面骨料分布均匀。
(a)粗骨料下沉（砂子细度2.81） (b)粗骨料分布均匀（砂子细度2.51）
图5 采用不同细度砂子进行试验结果（砂率均为52%）
表1为不同细度砂子进行灌板试验得到统计数据。表1采用的均为相同配合比，砂率均为52%，仅砂子细度模数变化。通过现场配合比调整还表明，砂子的细度模数在合理范围内变化时，适当变化自密实混凝土的砂率，如砂子细度模数小，0.15mm及以下细颗粒含量较高时，可以通过降低砂率的方法，调整混凝土工作性，使混凝土满足施工要求。但是当砂子制度模数较大，如细度模数大于2.7，以及0.15mm及以及下的细颗粒较少时（两者合计少于15%），通过增大混凝土砂率的方法已经不能有效改善其工作性，如当砂子细度模数为2.81时，砂率提高到56%，混凝土仍然呈现出粘聚性不好、石子不挂浆以及石子下沉等状态不佳现象，而且砂率增大后，混凝土T50时间增大，造成灌板困难。
表1 砂子细度及细颗粒含量对混凝土性能的影响
图6为砂子细度以及0.15mm及以下颗粒含量对自密实混凝土工作性之间的关系。由图6(a)和(b)可知，随着砂子细度模数增大，砂子中0.15mm及其以下颗粒含量减少，当砂率不变时（本文砂率为52%）自密实混凝土的T50时间降低，扩展度增大。结合现场试验混凝土的实际状态，砂率不变，砂子细度模数增大，混凝土黏度降低，扩展度增大，当砂子细度为2.86时，混凝土出现轻微离析现象，增加砂率至58%，未能改善混凝土状态。
因此，结合实验研究综合和现场测试结果，针对充填层自密实混凝土使用的砂子，细度模数应该控制在2.2～2.70范围内，且0.15mm以以下颗粒含量不宜少于15%。
(a)砂子细度模数及细颗粒含量与T50时间关系 (b)砂子细度模数及细颗粒含量与扩展度关系
图6砂子细度模数及细颗粒含量与自密实混凝土工作性的关系（砂率52%）
3.环境温度的影响
3.1高温的影响
当环境温度高于25°C时，自密实混凝土扩展度随着时间增加而降低，而T50时间将增加，混凝土出现坍损，到施工现场后混凝土工作性不能满足要求，造成无法施工或者灌板失败等情况。环境温度高时，应采用缓凝性的聚羧酸高性能减水剂，并配合适量的保坍剂和缓凝组分，还可以适当增加外加剂的0.05%～0.15%的掺量。应避免白天温度最高的时候进行自密实混凝土施工，施工时间应选择在下午太阳落山后环境温度趋于稳定的时间段施工。夏天环境温度高，砂石等原材料应堆放在有遮阳的料仓中，避免太阳直接照射，混凝土的拌合用水若存储在蓄水池中，应该在蓄水池上方搭建遮阳棚从而避免太阳的直接照射而导致温度过高，也可以在拌制混凝土前2h在温度较高的蓄水池中投入冰块降温，还可以采用温度较低的地下水拌合混凝土。
图7为环境温度30°C时，采用不同减水剂配方进行的自密实混凝土工作性测试结果。由图7可知，调整外加剂配方是解决环境温度变化对混凝土工作性影响的重要手段，通过外加剂成分调整，环境温度较高时混凝土的坍损得到有效控制，现场能够正常施工。
(a)扩展度随时间变化 (b)T50随时间的变化
图7 不同外加剂配方对自密实混凝土工作性的影响
3.2低温的影响
当环境温度低于15°C时，自密实混凝土扩展度随时间增加而增大，而T50时间随时间增加而降低的返大现象，且根据现场实践，低温时自密实混凝土一般在出机后50min～70min出现的返大最严重，造成混凝土工作性能降低，严重的将造成粗骨料下沉，浆体上浮，现场不能施工，即使自密实混凝土能够灌注到充填层内，也会造成充填层离缝，表面出现浮浆或者泡沫层等严重质量缺陷。环境温度低时，可采用标准型聚羧酸高性能减水剂，并减少保坍剂和缓凝组分的使用，或者适当降低外加剂0.05%～0.15%的掺量。有时候自密实混凝土的返大很难完全控制住，这时候就要通过外加剂的调整，将返大的范围控制在一定程度之内，同时适当降低自密实混凝土出机的扩展度，但要通过试验确认混凝土的返大量较小，不宜大于3cm，且混凝土的返大不会造成粗骨料下沉，浆体上浮以及离析的现象。
图8为环境温度为10°C时，采用不同减水剂配方进行的自密实混凝土工作性测试结果。由图8可知，调整外加剂配方，并适当降低出机扩展度，能够有效控制自密实混凝土返大情况，满足现场施工质量要求。
(a)扩展度随时间变化 (b)T50随时间的变化
图8 不同外加剂配方对自密实混凝土工作性的影响
图8为环境温度为10°C时，采用不同减水剂配方进行的自密实混凝土工作性测试结果。由图8可知，调整外加剂配方，并适当降低出机扩展度，能够有效控制自密实混凝土返大情况，满足现场施工质量要求。
4.施工工艺的影响
现场施工时，通常首先采用混凝土罐车从搅拌站将自密实混凝土运输到施工现场，将自密实混凝土放入体积约为1.8m3的吊篮中，随后用吊车将吊篮吊到无砟轨道充填层施工的部位的上方，采用溜槽的方法，将自密实混凝土放到灌注口上方的下料漏斗中，通过下料漏斗将自密实混凝土灌注到充填层中，见图9所示。为确保施工质量，从混凝土开始搅拌到灌注结束，时间宜控制在120min之内。
图9 充填层自密实混凝土施工
充填层自密实混凝土的线上施工应该严格按照线下工艺性试验制定的施工工艺进行。但是由于现场施工队管理能力不同，由施工工艺也会造成混凝土灌注时间较长，灌注效率低，容易在灌注过程中出现死板现象。最典型的就是工艺问题就是灌注口高度不足和下料漏斗直径小。
5.结论
本文基于关键原材料、环境温度和施工工艺对自密实混凝土现场规模化施工控制关键技术进行分析，得到以下结论：
（1）原材料中的水泥和减水剂是造成坍落度损失的主要原因，但水泥和减水剂对自密实混凝土所造成的坍损的影响机理不同，通过净浆流动度经时变化试验可以有效区分以上坍损产生的原因，并及时采取相应对策。
（2）砂子细度和0.15mm以及以下细颗粒含量对于自密实混凝土的粘聚性和抗离析性能有重要影响。适合自密实混凝土使用的砂子细度模数介于2.2～2.7之间，且0.15mm以下颗粒含量宜15%~30%。
（3）夏天高温或冬天低温条件下，自密实混凝土拌合物工作性易出现不正常波动，应及时调整外加剂的组分，确保较高温度施工条件拌合物坍损小，较低温度条件下拌合物扩展度随时间延长不出现过大增加。
（4）线上施工工艺和工装应该和线下工艺线试验保持一致，灌注高度降低，下料口内径小于13cm将导致自密实混凝土灌注速率降低，严重影响施工工效，建议其下料口内径不小于15cm，下料口至拌合物灌注入口高度不应低于的80cm。
（5）施工过程中对原材料质量必须进行严格管控，施工工艺也必须严格按照相应工艺和规范进行。
论文作者:范建军
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/26
标签：混凝土论文; 密实论文; 砂子论文; 轨道论文; 结构论文; 细度论文; 骨料论文; 《基层建设》2019年第14期论文;