武廣鐵路客運專線 CRTSI型板式無砟軌道混凝土試驗研究

另本春,薛模美,吳 榃

(中鐵四局集團有限公司,合肥 230023)

武廣客運專線是采用日本板式無砟軌道的試驗段。無砟軌道核心組成部分軌道板為混凝土制品,可以在工廠內大批量預制生產,其混凝土技術條件的成熟應用十分關鍵,由于我國與日本在混凝土質量標準、設計理念與原材料質量標準都存在著很大的區(qū)別,為更好地把世界先進無砟軌道技術應用到我國客運專線建設上來,有必要對日本板式無砟軌道混凝土的應用情況進行研究。

1 CRTSI板式無砟混凝土設計要求

1.1 工程概況

武廣客運專線新廣州站及相關工程試驗段工程全長 7.38正線 k m,軌道結構類型均為Ⅰ型板式無砟軌道(見圖1),采用日本框架型軌道板。CRTSI型無砟軌道板混凝土采用 C 60級。

圖1 Ⅰ型板式無砟軌道結構示意

1.2 CRTSI板式無砟混凝土設計要求

1)早期強度。采用與日本相同的高品質早強型的硅酸鹽水泥 P·Ⅱ 52.5R和 0.34低水灰比的配合比,確保混凝土材齡 15 h的脫模強度。

2)工作性。軌道板高性能耐久性混凝土采用低坍落度設計,混凝土的作業(yè)性通過單位水量進行管理。由于單位水量對混凝土收縮及耐久性產生的影響較大,因此需要進行嚴格管理。

3)耐久性。嚴格控制軌道板水泥用量上限,控制混凝土各項原材料的總堿量、氯含量滿足要求,混凝土滿足軌道板設計強度要求,確保軌道板混凝土不開裂。

1.3 中日兩國的設計基準強度和設計強度的比較

(見表1)

表1 中日設計基準強度和設計強度的比較

“設計基準值”的換算考慮:混凝土的表觀抗壓強度受到加載裝置承壓板的平坦度及其底座精度、加載速度以及試件的形狀、尺寸的影響。關于加載裝置及加載速度,確認了中日兩國的規(guī)格基本上相同。但是作為試件,日本規(guī)格采用直徑為 100 mm、高度為 200 mm的圓柱體試件,中國規(guī)格采用 150 mm的立方體。根據以往的文獻,由于試件的形狀及尺寸不同,表觀抗壓強度存在如表2所示的差值。同時為了確認上述關系,應進行現場試驗攪拌,對兩種試件實施室內試驗。

表2 由于試件的形狀不同產生的容許抗壓應力的不同

2 原材料選擇

水泥:日本技術強調軌道板宜用早強硅酸鹽水泥,水泥必須要達到很高的比表面積,對上限不作要求。因此,在選用水泥品種和等級時,應參考表3的數據對比進行考慮。

表3 日本及中國規(guī)格的壓縮強度比較

日本在用于軌道板的混凝土上不使用粉煤灰、礦粉等混合材料,理由有以下幾點:①確保初期強度?；炷晾锏脑鐝姽杷猁}水泥如果摻加粉煤灰、礦粉等混合材料時,就有初期強度上升慢的趨勢。②摻加混合材料時,混凝土的碳化速度比單純使用硅酸鹽水泥更快。③當使用比表面積更大的混合材料時,混凝土的收縮會增大,易導致混凝土產生裂紋。骨料選用 5～25 mm連續(xù)級配碎石和河砂。減水劑選用 L E X-9H聚羧酸鹽類高性能混凝土減水劑。

3 混凝土配合比設計研究

3.1 設計要求

混凝土強度等級為 C 60,混凝土配合比應通過試驗確定,水泥用量應 ＞350 kg/m3,并且 ＜450 kg/m3,水膠比不大于 0.45,混凝土坍落度按(6.0±1.5)cm設計,含氣量 ＞2%,混凝土中各種原材料引入的氯離子總含量不應超過膠凝材料總量的 0.10%,同時軌道板混凝土中的氯離子含量不得超過 0.30 kg/m3。

設計基準強度 Fck:40 MPa(日方試件、齡期 28 d),60 MPa(中方試件、齡期 28 d)。

脫模強度 Fcd:30 MPa(日方試件、齡期 15 h),40 MPa(中方試件 、齡期 15 h)。

粗骨料最大粒徑:25 cm。

3.2 理論配合比計算

根據日方對混凝土參數的要求以及中國現行混凝土設計法則,計算理論配合比見表4。

表4 理論配合比

3.3 試驗室及攪拌樓各材料計量

混凝土試驗為準確檢驗配合比的實際使用效果,必須同時進行試驗室及攪拌站的混凝土試拌試驗,以此來確定最終的混凝土配合比。

JGJ 55—2000普通混凝土配合比設計規(guī)程中規(guī)定:“進行混凝土配合比計算時,其計算公式和有關參數表格中的數值均是以干燥狀態(tài)骨料為基準?！倍从硨嶋H混凝土水膠比的設計應以飽和面干骨料為基準。如果不考慮粗細骨料的飽和面干吸水率,則混凝土的實際水膠比要比計算的偏小,得出的混凝土強度自然偏高。

3.3.1 骨料的含水狀態(tài)

骨料的含水狀態(tài)一般可分為:①不含水分的全干狀態(tài);②含與大氣濕度平衡的水分時的氣干狀態(tài);③顆粒表面干燥,而顆粒內部的孔隙含水飽和面干狀態(tài);④顆粒不僅內部孔隙充滿水,表面還吸附了水的潤濕狀態(tài)。

含水量是指包含在骨料之中的全部實際含水量,骨料由烘干狀態(tài)到面干狀態(tài)時的最大含水率成為吸水量,骨料表面附著的水分成為表面含水量,使用中經常測定的是以烘干重量為基礎的含水率以及飽和面干吸水率。

3.3.2 骨料不同含水率測試方法區(qū)別

客運專線鐵路采用 JGJ 52—2006標準,通行的試驗方法即為測試粗細骨料的烘干重量的含水率,目前大多數攪拌站采取該種方法。

對于特殊構造而言,可以采用飽和面干含水率測試,試驗方法參考《水工混凝土砂、石骨料試驗規(guī)程》D L/T 5151—2001,也非常方便。

日本配合比設計和施工控制通常采用飽和面干含水率測試,試驗方法參考 J I SA 1111:2001和 J I S A 1125:2001。

3.3.3 本工程采用日本技術測試集料的飽和面干含水率

試驗室試驗時,測定細集料表面含水率為 5.0%;粗集料表面含水率為 0.7%。

攪拌站試拌時,測定細集料表面含水率為 7.2%;粗集料(5～10 mm)為 1.03%;粗集料(10～25 mm)為1.63%。

試驗室每次拌合 0.04 m3,攪拌站 1 m3。計量見表5、表6。

表5 試驗室試拌計量值(0.04 m3)

表6 攪拌站拌合計量值(1m3)

3.4 試拌工作性能及強度

試驗室試拌配合比見表7。

據表7有試驗室強度水膠比關系見圖2。

攪拌站試拌配合比見表8。

據表8有攪拌站強度水膠比關系如圖3。

表7 試驗室試拌工作性能及強度

圖2 試驗室軌道板強度與水膠比線性關系

表8 攪拌站試拌配合比

圖3 攪拌站軌道板強度與水膠比線性關系

3.5 選定配合比

3.5.1 強度選定

選取強度變異系數為 1.1,設計強度:44.0 MPa(日方試件),66.0 MPa(中方試件);脫模強度:33.0 MPa(日方試件),45.0 MPa(中方試件)。

3.5.2 水灰比選定

根據強度灰水比關系式,反推選定強度時所需水膠比為 0.345,選定最終水膠比 0.34。

3.5.3 其它參數選定

根據當時集料、外加劑性能,結合前期試拌時工作性能來選定。

3.5.4 選定的配合比(見表9)

3.6 配合比試拌的確認

3.6.1 試驗室試拌(見表10)

3.6.2 攪拌站試拌(見表11)

3.7 選定配合比試拌工作性能及強度

3.7.1 新拌混凝土工作性能及蒸汽養(yǎng)護強度(見表12)

表9 選定配合比

表10 試驗室試拌計量值(0.04 m3)

表11 攪拌站試拌計量值(1 m3)

表12 新拌混凝土工作性能及蒸汽養(yǎng)護強度

3.7.2 自然養(yǎng)護強度(見表13)

表13 自然養(yǎng)護抗壓強度 MP a

4 結論

1)根據中日雙方共同的技術指標要求,應用中國本地的原材料,對日本板式無砟軌道混凝土進行了配合比設計,在早期力學性能以及耐久性設計進行了驗證,其結果均為合格。

2)在軌道板的制造中,為了確保脫模強度,有必要選擇使用強度發(fā)展速度較快的早強型硅酸鹽水泥P.Ⅱ 52.5R,這樣可以使模板的周轉率或生產效率提高一倍以上。

3)與鐵路耐久性混凝土標準相區(qū)別的是,在軌道板混凝土配合比設計中沒有使用礦物摻合料,根據日本規(guī)范進行的驗證表明,軌道板混凝土的耐久性設計為合格,日本規(guī)范的耐久性設計方法是定量的性能驗證方法,綜合考慮結構物的設計使用年限、環(huán)境條件以及混凝土材料的特性數值進行耐久性驗證。

4)在軌道板生產過程中要嚴格控制混凝土的施工質量,確保軌道板的使用耐久性能。

[1]中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2005]157號 鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規(guī)定[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[2]鐵路綜合技術研究所.日本鐵路結構物等設計標準·同解說混凝土結構物[R].東京:鐵路綜合技術研究所,2004.