武廣鐵路客運(yùn)專線 CRTSI型板式無(wú)砟軌道混凝土試驗(yàn)研究

另本春,薛模美,吳 榃

(中鐵四局集團(tuán)有限公司,合肥 230023)

武廣客運(yùn)專線是采用日本板式無(wú)砟軌道的試驗(yàn)段。無(wú)砟軌道核心組成部分軌道板為混凝土制品,可以在工廠內(nèi)大批量預(yù)制生產(chǎn),其混凝土技術(shù)條件的成熟應(yīng)用十分關(guān)鍵,由于我國(guó)與日本在混凝土質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)理念與原材料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)都存在著很大的區(qū)別,為更好地把世界先進(jìn)無(wú)砟軌道技術(shù)應(yīng)用到我國(guó)客運(yùn)專線建設(shè)上來(lái),有必要對(duì)日本板式無(wú)砟軌道混凝土的應(yīng)用情況進(jìn)行研究。

1 CRTSI板式無(wú)砟混凝土設(shè)計(jì)要求

1.1 工程概況

武廣客運(yùn)專線新廣州站及相關(guān)工程試驗(yàn)段工程全長(zhǎng) 7.38正線 k m,軌道結(jié)構(gòu)類型均為Ⅰ型板式無(wú)砟軌道(見(jiàn)圖1),采用日本框架型軌道板。CRTSI型無(wú)砟軌道板混凝土采用 C 60級(jí)。

圖1 Ⅰ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)示意

1.2 CRTSI板式無(wú)砟混凝土設(shè)計(jì)要求

1)早期強(qiáng)度。采用與日本相同的高品質(zhì)早強(qiáng)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(qiáng)度。

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

3)耐久性。嚴(yán)格控制軌道板水泥用量上限,控制混凝土各項(xiàng)原材料的總堿量、氯含量滿足要求,混凝土滿足軌道板設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求,確保軌道板混凝土不開(kāi)裂。

1.3 中日兩國(guó)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)強(qiáng)度和設(shè)計(jì)強(qiáng)度的比較

(見(jiàn)表1)

表1 中日設(shè)計(jì)基準(zhǔn)強(qiáng)度和設(shè)計(jì)強(qiáng)度的比較

“設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值”的換算考慮:混凝土的表觀抗壓強(qiáng)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(guān)于加載裝置及加載速度,確認(rèn)了中日兩國(guó)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(guó)規(guī)格采用 150 mm的立方體。根據(jù)以往的文獻(xiàn),由于試件的形狀及尺寸不同,表觀抗壓強(qiáng)度存在如表2所示的差值。同時(shí)為了確認(rèn)上述關(guān)系,應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)攪拌,對(duì)兩種試件實(shí)施室內(nèi)試驗(yàn)。

表2 由于試件的形狀不同產(chǎn)生的容許抗壓應(yīng)力的不同

2 原材料選擇

水泥:日本技術(shù)強(qiáng)調(diào)軌道板宜用早強(qiáng)硅酸鹽水泥,水泥必須要達(dá)到很高的比表面積,對(duì)上限不作要求。因此,在選用水泥品種和等級(jí)時(shí),應(yīng)參考表3的數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行考慮。

表3 日本及中國(guó)規(guī)格的壓縮強(qiáng)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(diǎn):①確保初期強(qiáng)度。混凝土里的早強(qiáng)硅酸鹽水泥如果摻加粉煤灰、礦粉等混合材料時(shí),就有初期強(qiáng)度上升慢的趨勢(shì)。②摻加混合材料時(shí),混凝土的碳化速度比單純使用硅酸鹽水泥更快。③當(dāng)使用比表面積更大的混合材料時(shí),混凝土的收縮會(huì)增大,易導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂紋。骨料選用 5～25 mm連續(xù)級(jí)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(shè)計(jì)研究

3.1 設(shè)計(jì)要求

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C 60,混凝土配合比應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定,水泥用量應(yīng) ＞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(shè)計(jì),含氣量 ＞2%,混凝土中各種原材料引入的氯離子總含量不應(yīng)超過(guò)膠凝材料總量的 0.10%,同時(shí)軌道板混凝土中的氯離子含量不得超過(guò) 0.30 kg/m3。

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)強(qiáng)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(qiáng)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(jì)算

根據(jù)日方對(duì)混凝土參數(shù)的要求以及中國(guó)現(xiàn)行混凝土設(shè)計(jì)法則,計(jì)算理論配合比見(jiàn)表4。

表4 理論配合比

3.3 試驗(yàn)室及攪拌樓各材料計(jì)量

混凝土試驗(yàn)為準(zhǔn)確檢驗(yàn)配合比的實(shí)際使用效果,必須同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)室及攪拌站的混凝土試拌試驗(yàn),以此來(lái)確定最終的混凝土配合比。

JGJ 55—2000普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程中規(guī)定:“進(jìn)行混凝土配合比計(jì)算時(shí),其計(jì)算公式和有關(guān)參數(shù)表格中的數(shù)值均是以干燥狀態(tài)骨料為基準(zhǔn)。”而反映實(shí)際混凝土水膠比的設(shè)計(jì)應(yīng)以飽和面干骨料為基準(zhǔn)。如果不考慮粗細(xì)骨料的飽和面干吸水率,則混凝土的實(shí)際水膠比要比計(jì)算的偏小,得出的混凝土強(qiáng)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(shí)的氣干狀態(tài);③顆粒表面干燥,而顆粒內(nèi)部的孔隙含水飽和面干狀態(tài);④顆粒不僅內(nèi)部孔隙充滿水,表面還吸附了水的潤(rùn)濕狀態(tài)。

含水量是指包含在骨料之中的全部實(shí)際含水量,骨料由烘干狀態(tài)到面干狀態(tài)時(shí)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(jīng)常測(cè)定的是以烘干重量為基礎(chǔ)的含水率以及飽和面干吸水率。

3.3.2 骨料不同含水率測(cè)試方法區(qū)別

客運(yùn)專線鐵路采用 JGJ 52—2006標(biāo)準(zhǔn),通行的試驗(yàn)方法即為測(cè)試粗細(xì)骨料的烘干重量的含水率,目前大多數(shù)攪拌站采取該種方法。

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

日本配合比設(shè)計(jì)和施工控制通常采用飽和面干含水率測(cè)試,試驗(yàn)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(shù)測(cè)試集料的飽和面干含水率

試驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí),測(cè)定細(xì)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(shí),測(cè)定細(xì)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(yàn)室每次拌合 0.04 m3,攪拌站 1 m3。計(jì)量見(jiàn)表5、表6。

表5 試驗(yàn)室試拌計(jì)量值(0.04 m3)

表6 攪拌站拌合計(jì)量值(1m3)

3.4 試拌工作性能及強(qiáng)度

試驗(yàn)室試拌配合比見(jiàn)表7。

據(jù)表7有試驗(yàn)室強(qiáng)度水膠比關(guān)系見(jiàn)圖2。

攪拌站試拌配合比見(jiàn)表8。

據(jù)表8有攪拌站強(qiáng)度水膠比關(guān)系如圖3。

表7 試驗(yàn)室試拌工作性能及強(qiáng)度

圖2 試驗(yàn)室軌道板強(qiáng)度與水膠比線性關(guān)系

表8 攪拌站試拌配合比

圖3 攪拌站軌道板強(qiáng)度與水膠比線性關(guān)系

3.5 選定配合比

3.5.1 強(qiáng)度選定

選取強(qiáng)度變異系數(shù)為 1.1,設(shè)計(jì)強(qiáng)度:44.0 MPa(日方試件),66.0 MPa(中方試件);脫模強(qiáng)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(jù)強(qiáng)度灰水比關(guān)系式,反推選定強(qiáng)度時(shí)所需水膠比為 0.345,選定最終水膠比 0.34。

3.5.3 其它參數(shù)選定

根據(jù)當(dāng)時(shí)集料、外加劑性能,結(jié)合前期試拌時(shí)工作性能來(lái)選定。

3.5.4 選定的配合比(見(jiàn)表9)

3.6 配合比試拌的確認(rèn)

3.6.1 試驗(yàn)室試拌(見(jiàn)表10)

3.6.2 攪拌站試拌(見(jiàn)表11)

3.7 選定配合比試拌工作性能及強(qiáng)度

3.7.1 新拌混凝土工作性能及蒸汽養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度(見(jiàn)表12)

表9 選定配合比

表10 試驗(yàn)室試拌計(jì)量值(0.04 m3)

表11 攪拌站試拌計(jì)量值(1 m3)

表12 新拌混凝土工作性能及蒸汽養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度

3.7.2 自然養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度(見(jiàn)表13)

表13 自然養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度 MP a

4 結(jié)論

1)根據(jù)中日雙方共同的技術(shù)指標(biāo)要求,應(yīng)用中國(guó)本地的原材料,對(duì)日本板式無(wú)砟軌道混凝土進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì),在早期力學(xué)性能以及耐久性設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證,其結(jié)果均為合格。

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

3)與鐵路耐久性混凝土標(biāo)準(zhǔn)相區(qū)別的是,在軌道板混凝土配合比設(shè)計(jì)中沒(méi)有使用礦物摻合料,根據(jù)日本規(guī)范進(jìn)行的驗(yàn)證表明,軌道板混凝土的耐久性設(shè)計(jì)為合格,日本規(guī)范的耐久性設(shè)計(jì)方法是定量的性能驗(yàn)證方法,綜合考慮結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)使用年限、環(huán)境條件以及混凝土材料的特性數(shù)值進(jìn)行耐久性驗(yàn)證。

4)在軌道板生產(chǎn)過(guò)程中要嚴(yán)格控制混凝土的施工質(zhì)量,確保軌道板的使用耐久性能。

[1]中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)[2005]157號(hào) 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2005.

[2]鐵路綜合技術(shù)研究所.日本鐵路結(jié)構(gòu)物等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)·同解說(shuō)混凝土結(jié)構(gòu)物[R].東京:鐵路綜合技術(shù)研究所,2004.