RPC在無砟軌道中的應用研究與展望

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RPC在無砟軌道中的應用研究與展望

楊劍,汪金勝,彭鑫

(中南大學 土木工程學院,湖南 長沙 410075)

摘要:針對目前高速鐵路無砟軌道結構在荷載及環境因素綜合作用下存在易開裂、耐久性差、維修困難等問題，提出將材料性能優異的活性粉末混凝土應用于無砟軌道結構。對比普通混凝土和活性粉末混凝土無砟軌道結構的受力性能和經濟性指標，發現活性粉末混凝土無砟軌道結構具有較高的技術經濟性?；钚苑勰┗炷猎跓o砟軌道結構中的應用為解決目前無砟軌道結構所存在的問題找到了一條新的途徑，同時為實現資源節約利用、發展輕型化高速鐵路提供了參考。

關鍵詞：高速鐵路；無砟軌道；普通混凝土；活性粉末混凝土

無砟軌道以其高平順性、剛度均勻性好、穩定性好及維修工作量少等特點在高速鐵路上得到了快速發展和廣泛應用[1-2]。目前，我國高速鐵路大都采用無砟軌道結構形式，由于普通混凝土的力學性能較差以及高速鐵路所處的惡劣環境，無砟軌道結構存在開裂、耐久性差、維修困難等諸多問題，因此，尋求一種有效的解決方法對現有無砟軌道的維修更換及未來的新建工程具有重要意義。

1普通混凝土無砟軌道存在的問題

通過對已營運高速鐵路調查發現，普通混凝土無砟軌道結構仍存在許多問題需要解決，主要表現為以下方面。

①軌道板易開裂，導致其耐久性降低，使用壽命縮短，需維修更換。

②由于軌道板厚度較小，使預應力混凝土軌道板在施工(尤其是張拉過程)及運營過程軌道板錨端容易出現裂縫，導致出現混凝土脫落掉塊、鋼筋銹蝕等病害的發生。

③普通混凝土軌道板中含有鋼筋網，而鋼筋網與鋼軌之間容易產生電流互感作用，導致諧振式軌道電路技術傳輸長度的縮短[3]；

④軌道板的自重大，不利于制作、運輸及安裝，對維修更換的機具設備提出了更高要求，同時也違背了結構朝著輕型化方向發展的理念。

目前軌道板存在的種種缺陷主要是由于普通混凝土力學性能和耐久性能差造成的。因此，在滿足軌道結構強度、剛度、穩定性的前提下尋求一種輕型高效、經濟耐久的無砟軌道結構，對促進高速鐵路無砟軌道的發展具有重要意義。

2RPC的優越性及其研究應用情況

活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)是一種具有較高的韌性、高抗壓強度和優異耐久性能的新型水泥基復合材料[4-5]。RPC與普通混凝土NC(Normal Concrete)的力學性能對比見表1[5]。

表1RPC和NC的主要物理力學性能比較

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

混凝土類型RPCNCRPC/NC抗壓強度/MPa170～23020～50約4倍抗折強度/MPa30～602～5約10倍彈性模量/GPa40～6030～40約1.2倍材料斷裂/(kJ·m-2)20～400.12約200倍徐變系數0.29～0.311.3～2.1約20%氯離子擴散/(m2·s-1)0.02×10-121.1×10-12約2%凍融剝離/(g·cm-2)7>100<7%磨耗系數1.34約30%抗壓強度/材料容重7.4～100.87～2.2約7倍

由表1可以看出，RPC不僅具有較高的抗壓強度，達230 MPa，是普通混凝土的4倍左右，而且具有很高的抗折強度，RPC的抗折強度為30～60 MPa，比普通混凝土高1個數量級。同時RPC的斷裂能平均值達30 kJ/m2，是普通混凝土的200倍左右，甚至與金屬鋁相近(>10 kJ/m2)。其抗壓比強度(抗壓強度/材料容重)約為普通混凝土的7倍、普通鋼材的2倍。

此外，由于RPC在配制過程中將材料的內部缺陷( 孔隙與微裂隙) 減小到最少，而且在材料凝結后采用熱養護改善了微觀結構，使得材料內部具有極小的空隙率且孔隙尺寸較小，相比普通混凝土，RPC具有優良的抗氯離子滲透、抗碳化、抗腐蝕、抗滲、抗凍及耐磨性能，顯示出優異的耐久性[5]。

RPC在兼具優良的力學性能和耐久性能的同時，還具有較好的環保性能。表2為同等承載力條件下， 30 MPa引氣型混凝土和 RPC 材料的等效體積、水泥用量、生產水泥過程CO2排放量及骨料用量[6]。由表2中數據可知，在同等承載力條件下，制備RPC材料的水泥用量是NC的一半左右，因此其制備過程中CO2排放量也只有NC的一半左右，這對于控制溫室效應具有重要意義；而且RPC材料生產制備過程對不可再生自然資源——骨料的需求量只占 NC的1/4，可有效控制對相關自然資源的開采利用。

表2RPC和NC的生態性能指標比較

Table 2 Comparison of ecological performance index of RPC and NC

品種30MPa引氣型混凝土RPC等效體積/m312623水泥用量/t4423CO2排放量/t4423骨料用量/t23060

目前對RPC結構的設計計算理論的研究較少，主要集中在構件的受彎、受剪等力學性能的研究[7-8]，而針對RPC在無砟軌道結構應用方面的研究則更少[9]。

在鐵路工程應用方面，北京市建筑工程研究院承擔的“863”計劃項目“超高性能結構混凝土材料工程化應用基礎研究”開展了超高性能結構混凝土(UHPSC)材料及其制備等方面的研究[10]，并成功應用于遷曹鐵路、薊港鐵路、京滬高速、滬寧城際等十多條鐵路低高度梁及高耐久性配套構件中。但目前尚未出現RPC在無砟軌道結構應用方面的工程實例。

對數據采取SPSS 26.0統計學軟件進行分析，其中計數資料以百分比（%）表示，進行χ2檢驗；計量資料應用（±s）表示，進行 t檢驗，P＜0.05 為差異有統計學意義。

因此，鑒于RPC具有優異的材料力學性能和耐久性能，如果能將其合理地應用于高速鐵路無砟軌道結構，對于解決目前無砟軌道結構所存在的問題具有重要的工程實用意義，同時也可很好地推進我國高速鐵路在新材料新技術領域的進程以及拓寬RPC在工程領域的應用范圍。

3RPC與普通混凝土軌道板對比分析

以單元板式無砟軌道為研究對象，研究NC和RPC兩種不同材料無砟軌道結構的受力性能和經濟性。

3.1受力性能分析

3.1.1計算模型的建立

對圖3所示的2種型式的單元板式軌道結構分別采用NC軌道板和RPC軌道板建立有限元模型并對其力學性能進行對比分析。模型中鋼軌采用彈性點支撐梁單元模擬；扣件用線性彈簧單元模擬，用以連接鋼軌和軌道板；軌道板、CA砂漿、底座則采用實體單元模擬；為消除邊界效應，模型中取相鄰的3塊板進行計算，并以中間的板作為分析對象。設計荷載取300 kN[11]，溫度荷載為10 ℃“上冷下熱”的負溫度梯度荷載[12]，軌道板的線膨脹系數取為1.18×10-5/℃，模型中的其他計算參數如表3所示[13]。計算模型如圖2所示，其中縱向為軌道板長度方向，橫向為軌道板寬度方向，豎向則為軌道板厚度方向。

(a) 實體板式無砟軌道結構；(b) 框架板式無砟軌道結構圖1　單元板式無砟軌道結構Fig.1 Structure of slab track

軌道結構彈性模量/MPa泊松比剛度/(kN·m-1)鋼軌2.10×1050.30—扣件——50NC軌道板3.60×1040.20—RPC軌道板4.50×1040.20—CA砂漿2000.30—底座3.25×1040.20—

(a) 實體式無砟軌道模型；(b) 框架式無砟軌道模型圖2　單元板式無砟軌道結構計算模型Fig.2 Model of the slab track structure

3.1.2計算結果分析

通過對這2種材料不同類型軌道結構的計算得到在設計荷載作用下鋼軌位移及扣件扣壓力沿軌道板縱向的分布如圖3和圖4所示，表4和表5為軌道板在列車荷載及溫度梯度荷載作用下的響應極值。

圖3　鋼軌豎向位移縱向分布Fig.3 Rail displacement distribution curve of different types of RPC slab track

圖4　扣件扣壓力縱向分布Fig.4 Fastener force distribution curve ofdifferent types of RPC slab track

從圖3～4中可以看出，軌道板的結構類型和材料種類對鋼軌和扣件的受力基本沒影響，不會影響其分布規律。

從表4和表5可知，在列車荷載作用下，普通混凝土軌道板的最大拉應力均不超過其抗拉強度，但在溫度梯度作用下，普通混凝土的實體板和框架板的拉應力基本接近甚至超過了混凝土的抗拉強度；在列車和溫度梯度荷載共同作用下，其最不利組合應力極值為：對于普通混凝軌道板其最大拉應力達4.94 MPa(實體型)和4.35 MPa(框架型)，都已超過普通混凝土的抗拉強度，可能因此而導致軌道板的開裂。

鑒于RPC軌道板的抗拉能力有較大的富余，甚至可以在不配筋或少配筋的情況下滿足承載能力的要求，這為解決目前無砟軌道與諧振式軌道電路之間的協調性問題提供了一條新的途徑。

表4　列車荷載作用下軌道板應力極值

表5　溫度梯度荷載作用下軌道板應力及位移極值

圖5～6給出了NC和RPC 2種不同材料無砟軌道結構軌道板的應力分布。從圖5～6中可以看出：軌道板峰值應力出現在荷載作用點附近與扣件相連的截面上，隨著與作用點縱向距離的增加，軌道板兩側的應力在零附近波動并逐漸趨于零，這主要是因為鋼軌所受外荷載主要由作用點附近的扣件承擔并向下傳遞給軌道板，由于軌道板的剛度較大，使得該處軌道板處于局部受壓的狀態。對于實體型軌道板，在軌道板橫向，應力只在鋼軌附近區域較大，在軌道板中間一定范圍內應力在零附近波動，此時如果采用RPC則不能有效地發揮其優異的力學性能，造成材料的浪費，但如果將實體軌道板中間部分截面削弱形成框架型軌道板則不僅可以充分的利用RPC的材料特性，還能減輕軌道板的自重，有利于制作運輸和安裝，一定程度上降低了生產成本。

此外，從表5中可以看出，框架型軌道板在溫度梯度荷載作用下產生的翹曲應力及翹曲位移均比實體式軌道板小，相比實體板式軌道，框架板式軌道的縱向拉應力減小約12%，橫向拉應力減小約14%，而翹曲位移則減小約8%，這對于減少軌道板的開裂及砂漿層的傷損具有重要意義。進一步分析圖6，甚至還可以減小軌下截面0.6 m左右寬度范圍以外軌道板的厚度而形成變厚度框架型軌道板，此時局部區域可以采用玻璃纖維增強筋GFRP(Glass Fiber Reinforcement Plastic)等高強材料提高其承載能力。

由于GFRP的抗拉強度大于500 MPa，且結合RPC軌道板在列車和溫度作用下的分析結果表明RPC軌道板的抗拉能力有較大的富余，在RPC框架軌道板中配置GFRP筋后不僅能進一步提高其承載力，且可消除普通混凝土軌道板中鋼筋網與鋼軌電流之間的互感作用，從而有效改善諧振式軌道電路在無砟軌道結構條件下的傳輸特性，甚至可在優化截面尺寸的情況下進一步減輕軌道板的自重，更好的顯示出RPC軌道板優良的經濟效益。

圖5　軌道板豎向應力縱向分布Fig.5 Longitudinal distribution curve of vertical stress of the slab

圖6　軌道板豎向應力橫向分布Fig.6 Transverse distribution curve of vertical stress of the slab

通過以上分析可以看出，利用材料性能優異的RPC制作軌道板能有效的改善軌道板的力學性能，提高軌道板的承載能力和耐久性能，延長其使用壽命，以及改善諧振式軌道電路傳輸特性，同時還可為高速鐵路無砟軌道朝著輕型化方向的發展提供技術支持，是我國未來高速鐵路無砟軌道發展的首選材料之一。

3.2經濟性分析

根據軌道板配筋、幾何尺寸、混凝土材料、扣件布置等，計算得到普通混凝土實體板式軌道結構和RPC框架板式軌道結構的造價如表6所示。其中，材料單價按預應力筋17 000 元/t、涂層鋼筋8 200 元/t、普通鋼筋5 500 元/t計，普通混凝土按366 元/m3計，RPC為3 064 元/m3，CA砂漿單價按6 000 元/m3計、扣件按300/套計，凸型擋臺681 元/個[14]，GFRP筋3.5元/m計。

由于RPC軌道板具有較大的強度儲備，GFRP筋按普通混凝土軌道板中一半初步估計用量。其中實體軌道板尺寸為4.93 m×2.40 m×0.19 m，框架板尺寸為4.93 m×2.40 m×0.19 m，削弱部分尺寸取為2.80 m×0.70 m×0.19 m。

表6　2種軌道結構造價

說明：括號中GFRP筋只適用于RPC框架軌道結構

由表6可以看出，普通混凝土實體型軌道結構造價與RPC框架軌道結構造價基本接近。如果綜合考慮軌道板的使用壽命、養護維修及更換等方面，RPC軌道板相比普通混凝土實體板具有更高的技術經濟性，這主要體現在以下幾方面。

因為RPC軌道板具有更大的承載能力、優異的耐久性能，在相同條件下，其使用壽命更長，而養護維修工作量則大大減少，在顯著的降低后期養護維修費用的同時，也使得維修天窗的安排更加靈活，一定程度上會使鐵路的營運更加暢通。

其次，在少配筋或配置GFRP筋的RPC框架軌道板對改善諧振式軌道電路在無砟軌道結構條件下的傳輸特性，提高軌道電路傳輸長度具有重要意義。同時，RPC框架板比普通實體板重量減輕約30 %，對于變厚型框架板重量甚至減輕40%，這不僅能有效提高軌道板的運輸效率，降低運輸成本，同時也有利于軌道板的安裝及后期的維修更換。

此外，對于RPC軌道板的養護及成型工藝，由于目前預制板均在預制場采用熱養護成型，且有相應的模具成型，而RPC軌道板養護也是采用蒸汽養護(90℃蒸汽)，所以只需要按其型式設計相應的模具即可完成成型。在預制場與普通混凝土板的制作基本一樣，其與普通混凝土成型不同是地方是，活性粉末混凝土攪拌需要高速攪拌機，這樣才能打開攪拌過程中低水膠比的分子張力，使其充分攪拌成型，而目前市場上有多種高速攪拌機可供選用。因此，相比普通混凝土板，RPC軌道板的養護及成型工藝不會增加額外成本。

所以綜合考慮各方面，RPC軌道板的長遠經濟效益是非常顯著的。

4結論及展望

通過以上分析可知，將RPC應用于無砟軌道結構中，特別是將其應用于框架板式無砟軌道，具有較高的技術經濟性。利用其優異的材料特性，在解決目前普通混凝土無砟軌道結構所存在問題的同時，亦能推廣RPC在工程領域的應用，是未來無砟軌道結構發展過程中具有廣闊應用前景的一種材料。

然而，目前關于RPC無砟軌道方面的研究極少，僅北京交通大學趙曼等對RPC板式無砟軌道進行了理論研究，所以亟需開展針對RPC在無砟軌道結構應用方面的研究。為此，對RPC在無砟軌道結構中的應用提出以下幾點展望：

1)結合RPC材料的性能，對RPC無砟軌道結構形式進行優化，形成受力合理、經濟耐久、尺寸輕巧、外形美觀的無砟軌道結構；

2)對RPC無砟軌道結構的靜力、動力性能進行系統的試驗和理論研究，明確其受力性能和破壞機理，提出RPC無砟軌道結構設計計算理論和方法，用以指導相關設計；

3)對RPC無砟軌道結構的制作工藝(養護及成型)、運輸安裝、施工流程、以及維修更換等進行系統研究，并形成一整套經濟、實用、高效的技術指導規范，為其全面推廣應用打下堅實基礎。

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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

中圖分類號：U213.242

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2015)01-0053-06

通訊作者：楊劍(1978-)，男，湖南華容人，副教授，博士，從事新材料在土木工程中應用研究； E-mail:jianyangyy@126.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51378511)

*收稿日期：2014-06-23