谢清泉 于连山 马昆林 刘婉婉

(1.中铁二十一局集团第六工程有限公司 北京 101111；2.中南大学土木工程学院 湖南长沙 410075)

1 前言

近年来，我国高铁建设取得了高效快速的发展，2019年1月已开通运营的高铁已达2.9万km。板式无砟轨道是我国高铁特别是时速300 km干线的主要轨道结构形式。板式轨道中的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、平顺性和耐久性具有重大意义[1-2]。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。图1为CRTSⅢ型轨道结构示意图，从上到下依次由轨道板、自密实混凝土(self-compacting concrete，SCC)充填层、土工布隔离层、底座板组成[3]。图2为CRTSⅢ型轨道实体结构。

图1 CRTSⅢ型轨道结构

图2 CRTSⅢ型轨道实体结构

CRTSⅢ型板式轨道充填层是一个上下空间封闭、构造复杂、单块面积大，上层为轨道板、下层为混凝土底座板，厚度为8～10 cm的“三明治”结构。CRTSⅢ型板式轨道结构的核心技术是在充填层中灌注的SCC。SCC从中部灌注孔浇筑后由于重力作用在充填层内水平流动，流动过程中受钢筋网、凹槽和土工布影响，因此，若要SCC能够高质量灌满充填层结构，SCC的工作性需满足极高的性能要求，如表1所示[4]。首先，SCC必须具有较好的流动性、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地包裹石子，不出现泌水、浆骨分离等离析现象[5]；其次，SCC要具备较好的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[6]。

表1 充填层自密实混凝土工作性参数[4]

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质量。大量研究及实践表明，稳定的原材料是SCC施工稳定性和质量的保证。细骨料(砂子)是SCC配合比设计的重要参数，且在SCC中占有较大的质量比。由于高速铁路施工周期长，通常经历春夏秋冬四季，且铁路施工属于线性施工，沿线原材料变化大，因此现场细骨料很容易出现质量波动，极可能造成施工不稳定。本文结合工程现场实践，主要探讨细骨料的细度、0.15 mm及以下细颗粒含量和砂率对CRTSⅢ型板式轨道充填层自密实混凝土工作性能的影响。

2 试验设计

(1)原材料

水泥为赣州海螺水泥有限责任公司P.O42.5水泥；粉煤灰为江西大唐国际新余发电厂 F类Ⅰ级；矿粉为新余中冶环保资源开发有限公司S95级；膨胀剂为江苏尼高科技有限公司HEA-Ⅱ型膨胀剂；粘度改性材料为四川恒泽建材有限公司ZTVM-1型；减水剂为山西佳维新材料股份有限公司HT-HPC聚羧酸高性能减水剂，减水率大于30%；砂子为赣江产河砂，细度模数在2.0～3.0之间；粗骨料为赣州遂川县巾石乡石门岭碎石场提供粒径为5～10 mm和10～16 mm的石灰石碎石；拌和用水采用当地自来水。

(2)配合比设计

自密实混凝土配合比设计如表2所示。本文主要研究砂子细度、0.15 mm及以下细颗粒含量和砂率对自密实混凝土工作性的影响。表2配合比采用细度为2.51、级配较好的河砂，砂率为52%。按照表2配合比制成的自密实混凝土的工作性参数如表3所示。

表2 SCC配合比 kg/m3

表3 SCC主要工作性参数

3 试验结果与讨论

3.1 砂子细度及细颗粒含量的影响

表4为不同细度砂子进行配合比试验得到的统计数据。表4采用表2的SCC配合比，砂率均为52%，仅砂子细度模数变化。

表4 砂子细度及细颗粒含量对混凝土性能的影响

图3为砂子细度模数及0.15 mm以下细颗粒含量与T50时间关系曲线，图4为砂子细度以及0.15 mm及以下颗粒含量与坍落扩展度的关系曲线。由图3可知，随着砂子细度模数的增大，砂子中0.15 mm及以下颗粒含量逐渐降低，自密实混凝土的T50时间逐渐降低，这说明，在砂率不变时，砂子细度模数增大，自密实混凝土的流速随之增大。由图4可知，随着砂子细度模数增大，砂子中0.15 mm及其以下颗粒含量减少，当砂率不变时，自密实混凝土的扩展度增大。结合现场试验中混凝土的实际状态，砂率不变，砂子细度模数增大，混凝土粘度降低，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，当砂子细度为2.97时，混凝土出现离析。

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、风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，但是水洗过程中也会将砂子中0.15 mm以及以下的颗粒冲洗掉，造成砂子细颗粒减少，细度模数增大。自密实混凝土采用细颗粒少、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时间过长，很有可能不能将板灌满，或者即使能灌满，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，揭板切开后发现，骨料分布不均匀，骨料下沉、浆体上浮。

图3 砂子细度模数、细颗粒含量与T50时间关系曲线

图4 砂子细度模数、细颗粒含量与扩展度关系曲线

图5为施工现场采用不同细度模数砂子进行揭板试验，对充填层自密实混凝土进行切割后横截面骨料分布情况。由图5可以清晰看到，采用细度较大、0.15 mm及以下颗粒含量较少的砂子灌注的充填层SCC出现了粗骨料下沉、浆体上浮的明显质量缺陷。

因此，结合试验研究和现场测试结果，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2.20～2.70范围内，且0.15 mm以下颗粒含量宜为15%～30%。

图5 采用不同细度砂子揭板试验结果(砂率均为52%)

3.2 砂率的影响

表5为砂率调整对SCC工作性的影响。表5采用的砂子细度模数为2.86，通过提高砂率改变工作性。

图6所示为砂率对坍落扩展度的影响，图7所示为砂率对T50时间的影响。由图6和图7可知，随着砂率的增大，SCC的坍落扩展度降低，而T50时间增大。当砂率增加至56%时，混凝土比较粘，但是混凝土状态较差，已经不能满足施工条件。针对不同细度的砂子，施工现场通常通过调整砂率确保混凝土施工稳定性。通过现场配合比调整表明，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、0.15 mm及以下细颗粒含量较高时，可以通过降低砂率的方法来调整混凝土工作性，使混凝土满足施工要求。但是当砂子细度模数较大，如细度模数大于2.7，以及0.15 mm及以下的细颗粒较少时(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，如本文中当砂子细度模数为2.86时，砂率提高到60%，混凝土很粘，已经不能满足施工要求。

表5 砂率对混凝土性能的影响

图6 砂率对坍落扩展度的影响(细度2.86)

图7 砂率对T50的影响(细度2.86)

4 结论

由于CRTSⅢ型板式轨道结构的特点，对其充填层自密实混凝土的工作性有较高的要求，因此稳定的原材料是SCC施工稳定性的重要保证。

(1)当细骨料的细度模数过大时，自密实混凝土的粘聚性降低，且细度模数越大，粘聚性越差，混凝土容易出现离析、浆骨分离等不良状况。此时仅通过提高砂率的方法将导致混凝土施工稳定性进一步降低，并不能有效改善自密实混凝土工作性。

(2)结合试验研究和工程实践针对充填层自密实混凝土使用的细骨料，当细度模数控制在2.2～2.70范围内，且0.15 mm及以下颗粒含量控制在15%～30%之间时，能够获得具有较高施工稳定性的自密实混凝土。