基于強度分布的CRTSIII板式軌道充填層灌注質量的影響因素研究

丁偉，賈寶紅，李文旭，劉贊群

基于強度分布的CRTSIII板式軌道充填層灌注質量的影響因素研究

丁偉1，賈寶紅2，李文旭3，劉贊群3

(1. 中鐵十九局集團有限公司，北京 100176；2. 鄭萬鐵路客運專線河南有限責任公司，河南 鄭州 450000；3.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

依托鄭阜客專線下工藝性試驗，得到不同拌合物性能、灌注時間、排漿時間的充填層強度分布特征，提出基于強度標準差的充填層勻質性指標，研究結果表明：充填層勻質性隨自密實混凝土拌合物擴展度增大而減小且當擴展度小于620 mm，充填層自密實混凝土勻質性降低。隨著出漿口排漿時間增長，充填層自密實混凝土勻質性越好，當排漿時間大于30 s時，充填層勻質性變化不大；隨著灌注時間增長，充填層自密實混凝土勻質性略有提升且灌注時間超過8 min后，灌注時間對充填層勻質性的提升較小；得到現場最佳混凝土拌合物狀態及灌注工藝為：拌和物擴展度范圍620~670 mm，出漿口排漿時間為30 s，灌注時間6~8 min。研究結果為充填層現場施工提供參考。

自密實混凝土；施工工藝；勻質性；缺陷率

CRTSIII型板是具有我國自主知識產權的無砟軌道結構，與源自日本技術的 CRTSI型板式無砟軌道結構和源自德國技術的CRTSII型板式無砟軌道結構相比，該結構體系的特點之一就是采用具有高流動性、高穩定性和低收縮變形的自密實混凝土作為無砟軌道充填層材料[1?4]。CRTSIII板式無砟軌道自密實混凝土作為充填層需澆筑在 5 600 mm× 2 500 mm×90 mm的狹長薄板狀封閉空間中，其工作性能要求比普通自密實混凝土更高，灌注技術和施工工藝更困難[5?8]。目前，國內外針對拌合物基礎工作性能對自密實混凝穩定性的影響已有大量研究。Nathan等[9]研究發現增加自密實混凝土拌合物最終流動時間可提高其動態穩定性，且更能表征其黏度。 LIN等[10]也得到同樣的結論。張勇等[11?12]研究發現自密實混凝土的流動時間和擴展度與其靜態穩定性間存在良好相關性，流動時間的延長或擴展度的降低均有利于靜態穩定性的提高。同時，認為當自密實混凝土的基本工作性能至少滿足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項時，可判定其靜態穩定性良好。但在現場施工中，填充層內放置有疏密不等的鋼筋網，這使得試驗室測得的結果與實際施工要求仍有出入。付鋼等[13]結合鄭徐客運專線CRTSⅢ型板式無砟軌道充填層工藝性揭板試驗和現場施工實踐，總結出滿足現場條件的施工配合比和穩定的施工工藝流程。研究表明，自密實混凝土灌筑速度不宜過快，否則壓力過大容易導致軌道板發生位移或上浮，灌筑時間一般控制在5~8 min為宜。入模坍落擴展度宜控制在650 ~680 mm，500宜控制在3~5 s，若大于7 s，建議不灌筑。王顯進[14]同樣總結出自密實混凝土塌落擴展度為650 mm，中間孔灌注效果最優，而王秀芬[15]則認為為避免自密實混凝土硬化過程中出現較大的干縮，影響灌筑效果，坍落度應控制在630 mm，擴展時間500控制在4~5 s為宜。工程人員往往僅根據《高速鐵路CRTS III型板式無砟軌道自密實混凝土暫行技術條件》[16]要求，定性的評估灌注質量，并未對材料性能與施工工藝對自密實混凝土充填層灌注質量的影響規律進行系統的、定量分析。自密實混凝土充填層是軌道結構的關鍵結構部件且其性能的優劣直接影響到軌道系統的耐久性以及使用的舒適性、安全性、經濟性[17?18]。因此，深入研究自密實混凝土拌合物性能與施工工藝對自密實混凝土充填層灌注質量的影響規律對控制和優化現場施工技術措施具有重要意義。鑒于此，本文結合線下工藝性揭板試驗，鉆芯取樣，測試其相關力學性能，并提出基于強度分布的CRTSIII型板勻質性指標，研究自密實混凝土拌合物性能與施工工藝對自密實混凝土充填層灌注質量的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料、配比及試件制備

充填層自密實混凝土(SCC)采用的原材料包括水泥、粉煤灰、膨脹劑、粗細集料、黏度改性材料、高效減水劑等。P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥(C)由許昌天瑞集團水泥有限公司生產，Ⅰ級粉煤灰(FA)和膨脹劑(EA)分別由寶豐縣吉森實業有限公司和鄭州艾克思建材有限公司提供，水泥、粉煤灰的物理化學性能如表1所示。

黏度改性劑、減水劑等由安徽中鐵工程材料科技有限公司，其中羧酸系減水劑(SP)減水率為29%。細集料采用普通河砂，其細度模數為2.6，表觀密度為2 650 kg/m3；粗集料采用石灰石質碎石，表觀密度為2 735 kg/m3，試驗中選用5~10 mm 和10~16 mm 2種級配混配而成；拌合水為飲用自來水。試驗各原材料性能均滿足《高速鐵路 CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土暫行技術條件》[16](TJ/GW 112—2013)的相關規定。

結合線下工藝性揭板試驗，按圖1中布點位置進行鉆芯取樣，芯樣直徑為70 mm，每個取芯位置取3個芯樣，每種工況共取76個芯樣，取出后編號并放入標準養護室中養護至56 d進行力學性能試驗，其中，試件測試前用環氧樹脂補平且平行誤差不超過0.02 mm。取芯現場見圖2所示。

表1 水泥、粉煤灰、膨脹劑的物理化學性能

圖1 充填層自密實混凝土取芯位置示意圖

圖2 取芯現場圖

表2 各板號的試驗工況條件

通過調控減水劑、黏度改性劑用量配制所需工作性的自密實混凝土，并設計7種工況，以此研究拌合物擴展度、出漿口排漿時間、灌注時間對自密實混凝土充填層灌注質量的影響。設計工況見表2。

1.2 試驗方法

芯樣處理及抗壓強度計算均按《鉆芯法檢測混凝土強度技術規程》[19]展開，試驗采用DYE?1000型混凝土壓力試驗機，如圖3所示，測得充填層各位置自密實混凝土芯樣的抗壓強度，繪制充填層自密實混凝土強度分布云圖，并提出了基于強度標準差的充填層勻質性評價指標，以此對充填層灌注質量進行表征，最終得到控制與優化自密實混凝土充填層現場施工質量的技術措施。勻質性指數σ表達式見式(1)。

式中：N為芯樣數量；si為芯樣強度；m為芯樣強度平均值。

2 試驗結果及分析

2.1 拌合物擴展度對充填層自密實混凝土灌注質量的影響

圖4與圖5顯示了不同拌合物擴展度下的充填層自密實混凝土強度分布及勻質性指標。由圖4和圖5可知，填充層自密實混凝土強度呈現沿混凝土灌注方向遞減的趨勢且在以灌注口為中心的橫向強度較高；自密實混凝土拌合物擴展度對充填層勻質性影響較大；板1由于自密實混凝土拌合物擴展度較大(即擴展度大于670 mm)，其拌合物穩定性相對較差，加之充填層內鋼筋網阻隔，使得在流動的過程中自密實混凝土發生離析。板1排漿口附近區域混凝土中漿骨比高于板內，導致該區域強度出現明顯較低，勻質性較差；板2和板3的強度分布較板1更加均勻，排漿口附近區域強度沒有明顯降低。板3由于自密實混凝土拌合物擴展度較小(擴展度小于620 mm)，其間隙通過性能較差，很容易在鋼筋間距小的區域出現骨料集聚，出現局部強度不勻質的情況，使得其勻質性略低于板2。結合充填層自密實混凝土強度分布及其勻質性指數，得到現場施工最適宜的自密實混凝土擴展度范圍為620~ 670 mm。

單位：mm

圖5 不同擴展度下充填層的勻質性變化

2.2 出漿口排漿時間對充填層自密實混凝土灌注質量的影響

充填層自密實混凝土在不同出漿口排漿時間下的強度分布及勻質性指標如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可知隨著出漿口排漿時間增長，充填層自密實混凝土勻質性越好；此外，由圖6(a)可知板4因過早關閉出漿口，多余的漿體未能排出，使得出漿口附近出現漿骨比高于板內其他部位，導致出漿口附近處混凝土強度明顯低于板內，勻質性較差。板2和板5強度分布較板4更加均勻，總體勻質性較好，板5的勻質性與板2接近且板5勻質性略好于板2。由此可知，出漿口處混凝土狀態良好時，再增加排漿時間對充填層質量影響不大。綜上所述，最經濟、合理的灌注工藝為自密實混凝土拌合物擴展都范圍為620~670 mm，出漿口排漿時間為30 s。

(a) 板2填充層自密實混凝土強度分布云圖；(b) 板4填充層自密實混凝土強度分布云圖；(c) 板5填充層自密實混凝土強度分布云圖

圖7 不同排漿時間下充填層勻質性變化

2.3 灌注時間對充填層自密實混凝土灌注質量的影響

圖8與圖9顯示了不同灌注時間下的充填層自密實混凝土強度分布及勻質性指標。由圖8和圖9可知隨著灌注時間增長，充填層自密實混凝土勻質性越好；板6因灌注時間過短在觀察口及排漿口附近，混凝土強度略有降低，勻質性稍差。板2和板7充填層自密實混凝土強度分布板6更加均勻且板2和板7勻質性接近。總體而已，當混凝土拌和物擴展度處于620~670 mm范圍且排漿時間為30 s時，隨著灌注時間增長，充填層自密實混凝土勻質性越好，但灌注時間超過8 min后，對充填層勻質性的提升并不大。這與Mesbah等[20?23]的研究結果相比：自密實混凝土流速對其動態穩定性影響很小，即對于工作性相同的自密實混凝土拌合物，灌注速度對其勻質性影響較小相吻合。考慮到灌注質量及經濟效益得出，自密實混凝土最佳灌注時間為6~8 min。

(a) 板2填充層自密實混凝土強度分布云圖；(b) 板6填充層自密實混凝土強度分布云圖；(c) 板7填充層自密實混凝土強度分布云圖

圖9 不同灌注時間充填層勻質性變化

綜上所述，得到現場條件下最佳混凝土拌合物狀態及灌注工藝為：拌和物擴展度范圍620~670 mm，出漿口排漿時間為30 s，灌注時間6~8 min。

3 結論

1) 填充層自密實混凝土強度呈現沿混凝土灌注方向遞減的趨勢且在以灌注口為中心的橫向強度較高。

2) 充填層自密實混凝土勻質性隨著拌合物擴展度增大而降低且當擴展度小于620 mm，充填層自密實混凝土勻質性出現降低，拌合物擴展度處于620～670 mm時，勻質性最佳。

3) 隨著出漿口排漿時間增長，充填層自密實混凝土勻質性越好，當出漿口排漿時間大于30 s時，排漿時間對充填層勻質性影響不大。

4) 當自密實混凝土拌和物擴展度處于620~ 670 mm范圍且排漿時間為30 s時，隨著灌注時間增長，充填層自密實混凝土勻質性越好，但灌注時間超過8 min后，對充填層勻質性的提升不大。

5) 基于充填層自密實混凝土強度分布及其勻質性得到現場條件下最佳混凝土拌合物狀態及灌注工藝為：拌和物擴展度范圍620~670 mm，出漿口排漿時間為30 s，灌注時間6~8 min。

[1] 章健華, 李榮飛, 劉贊群. CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土充填層施工技術研究[J]. 中國鐵路, 2013(12): 33?37. ZHANG Jianhua, LI Rongfei, LIU Zanqun. Research on construction technology of CRTSIII type slab ballastless track self-compacting concrete filling layer[J]. China Railways, 2013(12): 33?37.

[2] 樊齊旻, 孫學奎, 邢志勝. CRTSⅢ型板式無砟軌道施工技術[J]. 中國鐵路, 2017(8): 28?32.FAN Qimin, SUN Xuekui, XING Zhisheng. Construction technology of CRTSⅢ slab track[J]. Chinese Railway, 2017(8): 28?32.

[3] 王繼軍, 王夢, 劉偉斌, 等. CRTSⅢ型板式無砟軌道系統技術[J]. 中國鐵路, 2017(8): 10?15.WANG Jijun, WANG Meng, LIU Weibin, et al. Technology of CRTS Ⅲ ballastless track system[J]. Chinese Railways, 2017(8): 10?15.

[4] 熊德輝. 高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道養護維修技術研究[D]. 北京: 中國鐵道科學研究院, 2014: 1?69. XIONG Dehui. Research on maintenance techniques of CRTSIII slab ballastless track system on high speed railway[D]. Beijing: China Academy of Railway Sciences, 2014: 1?69.

[5] 中國鐵道科學研究院.岔區板式無砟軌道自密實混凝土材料試驗研究[R]. 北京: 中國鐵道科學研究院, 2011. China Academy of Railway Sciences. Experimental study on self-compacting concrete material for slab ballastless track in bifurcation[R]. Beijiing: China Academy of Railway Sciences, 2011.

[6] 李化建, 譚鹽賓, 謝永江, 等. 自密實混凝土的特點及其在高速鐵路中的應用[J]. 鐵道建筑, 2012(8): 143? 145. LI Huajian, TAN Yanbin, XIE Yongjiang, et al. Characteristics of self-compacting concrete and its application in high-speed railway[J]. Railway Engineering, 2012(8): 143?145.

[7] 李應龍. 提高CRTSIII板式無砟軌道自密實混凝土灌注質量[J]. 工程技術, 2015(41): 194?194. LI Yinglong. Improve the quality of CRTSIII slab ballastless track self-compacting concrete[J]. Engineering Technology, 2015(41): 194?194.

[8] 彭卿. CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實高性能混凝土充填層主要質量缺陷及防治措施[J]. 混凝土, 2013(8): 158?160. PENG Qing. CRTSⅢ slab ballastless track self- compacting high performance concrete filling layer of main quality defects and prevention measures[J]. Concrete, 2013(8): 158?160.

[9] Nathan T, Amedeo G, Liberato F, et al. Correlating dynamic segregation of self-consolidating concrete to the slump-fiow test[J]. Construct Build Mater, 2012, 28: 499?505.

[10] Lin S, Struble L, Lange D. New method for measuring static segregation of self-consolidating concrete[J]. Journal of Testing & Evaluation, 2006, 35(3): 100535.

[11] 張勇, 趙慶新, 李化建, 等. 自密實混凝土基本工作性能與其靜態穩定性間的關系[J]. 硅酸鹽學報, 2016, 44(2): 87?93. ZHANG Yong, ZHAO Qinxin, LI Huajian, et al. Relationship between basic Workability and Static Stability of SCC[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society Classification, 2016, 44(2): 87?93.

[12] 張勇. CRTSⅢ型板式無砟軌道充填層自密實混凝土靜態穩定性研究[D]. 秦皇島: 燕山大學, 2016: 1?49. ZHANG Yong. Research on the static stability of the filling layer SCC of CRTSⅢ type system[D]. Qinhuangdao: Yanshan University, 2016: 1?49.

[13] 付鋼, 王建偉. CRTSⅢ型板充填層自密實混凝土施工質量控制研究[J]. 鐵道建筑技術, 2016(9): 100?104.FU Gang WANG Jianwei. Construction quality control for self-compacting concrete of CRTSⅢ slab filling layer[J]. Railway Construction Technology, 2016(9): 100?104.

[14] 王顯進. 鄭徐客運專線CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土施工工藝探討[J]. 鐵道建筑, 2015(8): 105? 108.WANG Xianjin. Discussion on construction technology of self-compaction concrete for CRTSⅢ slab-type ballastless track on Zhengzhou-Xuzhou passenger- dedicated railway[J]. Railway Engineering, 2015(8): 105?108.

[15] 王秀芬. CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土制備及施工工藝研究[J]. 鐵道建筑技術, 2015(7): 98?102.WANG Xiufen. Preparation and construction Technology of self-compacting concrete on CRTSⅢ slab-type ballastless track[J]. Railway Construction Technology, 2015(7): 98?102.

[16] 中國鐵路總公司. 鐵總科技[2013]125號高速鐵路CRTSIII型板式無砟軌道自密實混凝土暫行技術條件[S]. China general railway company. Temporary technical conditions for CRTSIII type slab ballastless track self- compacting concrete for high-speed railway[S].

[17] 李進銳. 高速鐵路板式軌道充填層自密實混凝土性能研究[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2011: 1?67. LI Jinrui. Study on performance of self-compacting concrete for high-speed railway slab track filling layer[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2011: 1?67.

[18] 陳艷麗, 劉赫, 龍廣成, 等. CRTSⅢ型板式軌道結構充填層自密實混凝土拌合物穩定性測試方法及評價[J].混凝土, 2017(11): 145?148.CHEN Yanli, LIU He, LONG Guangcheng, et al. Research on testing method and evaluating of stability of fresh self-compacting concrete applied in CRTSⅢ type slab ballastless track filling layer[J]. Concrete, 2017(11): 145?148.

[19] 中國工程建設標準化協會.鉆芯法檢測混凝土強度技術規程[S]. China Engineering Construction Standardization Association. quality of civil engineering and construction [S].

[20] Mesbah H A, Yahia A, Khayat K H. Electrical conductivity method to assess static stability of self- consolidating concrete[J]. Cement & Concrete Research, 2011, 41(5): 451?458.

[21] Alami M M, Erdem T K, Khayat K H. Development of a new test method to evaluate dynamic stability of self- consolidating concrete[C]// International Rilem Symposium on Self-compacting Concrete & North American Conference on Design & Use of Self- consolidating Concrete, 2014.

[22] Shen L, Struble L, Lange D. Modeling dynamic segregation of self-consolidating concrete[J]. Aci Materials Journal, 2009, 106(4): 375?380.

[23] Alami M M, Erdem T K, Khayat K H. Development of a new test method to evaluate dynamic stability of self- consolidating concrete[C]// International Rilem Symposium on Self-compacting Concrete & North American Conference on Design & Use of Self- Consolidating Concrete, 2014.

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

國家自然科學基金資助項目(51678569，51678568)；中國鐵路總公司科技研究開發計劃重點課題資助項目(2017G005-B)

劉贊群(1975?)，男，湖南婁底人，教授，從事新型膠凝材料及混凝土耐久性研究；E?mail：zanqun.Liu@csu.edu.cn

(編輯 蔣學東)