栗恒滿

(鄭西鐵路客運專線有限責任公司，鄭州 450008)

高速鐵路CRTSⅢ型先張軌道板質(zhì)量控制關鍵技術探討

栗恒滿

(鄭西鐵路客運專線有限責任公司，鄭州 450008)

通過對高速鐵路CRTSⅢ型雙向先張預應力軌道板初張拉和終張拉過程完成后單根預應力筋張拉力的測試分析，提出“初張拉控制均勻性、終張拉控制總張拉力”的控制理念，并提出初張拉力值偏差應控制在3 kN以內(nèi)。針對軌道板早期脫模特點，提出膠凝材料粒度匹配和活性激發(fā)技術;為減少板底浮漿、實現(xiàn)骨料適量自然外露，提出減小混凝土坍落度、多層連續(xù)澆筑的技術措施。

高速鐵路；無砟軌道；先張板；預應力；生產(chǎn)工藝

我國前期對雙向后張法預應力軌道板開展了系統(tǒng)研究，并在滬寧、哈大、廣深港等CRTSI型和成灌、盤營、沈丹等CRTSⅢ型板式無砟軌道線路推廣應用[1-3]。相比而言，雙向先張法預應力軌道板研究相對較少，國外亦無規(guī)?；瘧孟壤樨S富軌道板預應力體系，完善無砟軌道系統(tǒng)技術，我國近期開展了具有自主知識產(chǎn)權的雙向先張法預應力軌道板系統(tǒng)研究[1，4，5]，形成了設計和制造技術，并在西寶客專CRTSⅢ型先張板式無砟軌道試驗段系統(tǒng)驗證基礎上，在鄭徐客專全面推廣應用。

鄭徐客專全長361.937 km，其中CRTSⅢ型板式無砟軌道345.760 km，鋪設各型雙向先張預應力軌道板共計12.72萬塊。主型軌道板P5600長5 600 mm，寬2 500 mm，厚200 mm；軌道板縱橫向均施加預應力，縱向配置16根φ10 mm預應力筋，截面中心對稱布置；橫向配置24根φ10 mm預應力筋，截面中心布置；軌道板頂面和底面配置普通鋼筋，形成骨架。目前，軌道板制造采用“矩陣單元”生產(chǎn)工藝，由于前期工程經(jīng)驗較少，結(jié)合鄭徐客專雙向先張預應力軌道板的首次規(guī)?；a(chǎn)，深化預應力施加等關鍵工序質(zhì)量控制技術研究，對完善雙向先張預應力軌道板生產(chǎn)工藝、保證成品軌道板質(zhì)量具有重要意義，并可為后續(xù)工程提供參考。

1 雙向先張預應力軌道板生產(chǎn)工藝

CRTSⅢ型雙向先張預應力軌道板采用“矩陣單元”生產(chǎn)工藝，每個張拉臺座設置8塊軌道板模板，呈“2×4矩陣”布置；軌道板預應力筋定長下料，端部不露出軌道板側(cè)面，兩端通過螺紋與張拉桿相連；相鄰模板對應張拉桿之間設置連接器，實現(xiàn)張拉端張拉梁與固定端反力墻之間傳力的連續(xù)性。根據(jù)端側(cè)模與底模的組合方式，軌道板模板分為原位型和隨動型兩種，以隨動型模板為例，其生產(chǎn)工藝如圖1所示。

圖1 雙向先張預應力軌道板生產(chǎn)工藝

(1)底模清理：采用清模工具清除承軌槽、預埋件安裝位置等的雜物；

(2)預埋套管及螺旋筋安裝：將扣件預埋套管及配套螺旋筋牢固安裝在底模定位銷上，避免混凝土振動成型時上??；

(3)鋼筋骨架與端側(cè)模組裝：在專業(yè)作業(yè)區(qū)將普通鋼筋骨架及預應力鋼筋吊入端側(cè)模內(nèi)，并完成各預應力筋與張拉桿組裝；

(4)端側(cè)模及鋼筋骨架安裝：將鋼筋骨架與端側(cè)模整體吊入張拉臺座，并將端側(cè)模通過螺栓鎖緊于底模上；

(5)連接器安裝：在張拉端、固定端及模板間安裝連接器，實現(xiàn)張拉端和固定端傳力的連續(xù)性；

(6)初張拉：采用單根張拉設備，逐根張拉預應力筋至張拉控制值的30%，消除系統(tǒng)間隙，為終張拉過程提供相對均勻的基準；

(7)終張拉：在張拉端采用張拉梁，整體均勻緩慢張拉預應力筋至張拉控制值，持荷后鎖緊；

(8)混凝土澆筑：軌道板混凝土逐模澆筑、逐模振動；

(9)軌道板養(yǎng)護：軌道板混凝土采用蒸汽養(yǎng)護方式，分為靜置、升溫、恒溫和降溫4個階段，并保證升降溫速率和軌道板芯部溫度不超過55 ℃；

(10)預應力放張：混凝土強度達到48 MPa、彈性模量大于3.4×104MPa以上，采用張拉梁進行整體緩慢放張；

(11)拆除連接器：依次拆除張拉端、固定端及模板間連接器；

(12)軌道板及端側(cè)模吊離：解除端側(cè)模與底座之間的緊固螺母，將軌道板、端側(cè)模及張拉桿一起吊離張拉臺座；

(13)拆除張拉桿：在專用臺座上進行張拉桿的拆卸，并打開端側(cè)模，實現(xiàn)軌道板完全脫模；

(14)封錨：進行錨穴清理并噴涂界面劑，填壓封錨材料；

(15)水養(yǎng)：封錨材料達到一定強度、軌道板表面溫度與養(yǎng)護水溫之差小于10 ℃時，將軌道板吊入水養(yǎng)池進行水中養(yǎng)護；

(16)存放：軌道板水養(yǎng)3 d以上并檢驗合格后，運至存板區(qū)存放，并濕潤養(yǎng)護至10 d以上。

在整個生產(chǎn)工藝流程中，軌道板及端側(cè)模吊離張拉臺座后，即可進行底模清理，進入下一“臺座內(nèi)循環(huán)”；張拉桿拆卸和軌道板完全脫模、端側(cè)模清理、鋼筋骨架與端側(cè)模組裝等工序均在相應作業(yè)區(qū)完成，實現(xiàn)“臺座外循環(huán)”；通過端側(cè)模與底模的合理配置，可實現(xiàn)臺座內(nèi)、外循環(huán)的有序銜接，有效減少張拉臺座占用時間，提高生產(chǎn)效率。

對于雙向先張預應力混凝土軌道板生產(chǎn)過程各工序而言，預應力施工工序直接影響軌道板有效預壓應力，進而影響軌道板的承載能力和耐久性；而預應力偏心則可導致軌道板初始翹曲變形，影響承軌槽的直線度和平面度，嚴重時可能影響軌道板的正常使用，因此，預應力施加是軌道板質(zhì)量控制的關鍵技術之一?；炷恋闹苽浜蜐仓苯佑绊戃壍腊宓膶嶓w質(zhì)量，軌道板底面粗糙度和浮漿層則影響軌道板和自密實混凝土層之間的粘結(jié)，進而影響復合板的受力特性和耐久性，是軌道板質(zhì)量控制的另一關鍵技術。因此，雙向先張預應力軌道板生產(chǎn)應加強預應力施加和混凝土澆筑工序的質(zhì)量控制和研究。

2 預應力工程質(zhì)量控制關鍵技術

雙向先張預應力軌道板預應力筋單根張拉控制值為80.0 kN，張拉過程分為初張拉和終張拉兩個階段，初張拉在固定端單根張拉實現(xiàn)，張拉至控制值的30%，即24.0 kN；終張拉在張拉端通過張拉梁整體張拉實現(xiàn)。為保證預應力的有效施加，張拉梁和臺座變形量均按1.0 mm進行控制。

2.1 初張拉與終張拉相關性研究

以P5600型軌道板為例，在張拉臺座內(nèi)，軌道板橫向?qū)粔K軌道板長度設置一根張拉梁，軌道板縱向?qū)績蓧K軌道板寬度設置一根張拉梁，某板場典型臺座單根預應力筋初張拉力和最終張拉力測試結(jié)果如圖2所示，終張拉力(終張拉過程施加于預應力筋的力)即最終張拉力和初張拉力之差統(tǒng)計分析結(jié)果如圖3所示。

圖2 軌道板縱橫向預應力鋼筋張拉測試結(jié)果

圖3 終張拉力值統(tǒng)計結(jié)果

由圖2和圖3測試結(jié)果可知：

(1)由于張拉梁和臺座變形量均按1.0 mm進行控制，抗彎剛度較大，單根預應力筋最終張拉力與初張拉力值具有較好的一致性；

(2)單根預應力筋終張拉力統(tǒng)計分析可知，其平均值為54.89 kN，標準差為2.38 kN，變異系數(shù)為0.043，終張拉力離散性較小。

由上述分析可知，預應力筋最終張拉力對初張拉力值具有較好的繼承性；同時，由于終張拉過程完成后，進行單根預應力筋最終張拉力的采集和均勻性分析需要設置大量傳感器和配套采集系統(tǒng)，既增加了前期投入，又容易造成軌道板制造過程中傳感器和線路的損壞，可操作性不強。藉此，宜通過初張拉過程控制，保證單根預應力筋最終張拉力的均勻性；同時，預應力筋最終張拉力還與張拉臺座摩阻等參數(shù)有關，其影響可通過終張拉過程張拉力的修正實現(xiàn)，因此，可通過終張拉過程控制，保證軌道板總體張拉力。

2.2 初張拉力值偏差研究

典型臺座單根預應力筋最終張拉力Ft、初張拉力值Fc及終張拉力值Fz的統(tǒng)計分析如圖4所示，由圖可知，三者均服從正態(tài)分布，而初張拉和終張拉是兩個相互獨立的過程，因此，可以認為Ft的正態(tài)分布特性是由Fc和Fz兩個相互獨立的正態(tài)分布特性疊加的結(jié)果。

注：圖中F分別代表Fc、Fz及Ft的數(shù)學期望。圖4 預應力筋張拉力值統(tǒng)計分析

根據(jù)TJ/GW 118—2013[6]要求，實測單根預應力筋最終張拉力與張拉控制值偏差不應大于10.0%，即8.0 kN，因此，對于Ft～N(Ft，σt)，根據(jù)“3σ規(guī)則”，可得σt=2.67 kN；而對于Fz～N(Fz，σz)，根據(jù)實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，σz=2.38 kN；所以，對于Fc～N(Fc，σc)有

同樣，根據(jù)“3σ規(guī)則”，可認為初張拉力值偏差控制在3.63kN以內(nèi)，能夠滿足最終張拉力偏差8.0kN的控制要求?？紤]現(xiàn)場可操作性，建議初張拉力值偏差按3.0kN進行控制。

3 混凝土工程質(zhì)量控制關鍵技術

混凝土制備及澆筑是影響混凝土及預應力混凝土結(jié)構實體質(zhì)量的關鍵因素。對于CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)而言，雙向先張預應力軌道板用混凝土應滿足：① 均勻密實，保證結(jié)構受力及預應力筋與混凝土之間的粘結(jié)錨固；② 振動成型后，軌道板底面粗糙，保證軌道板與自密實混凝土粘結(jié)，實現(xiàn)復合板的協(xié)同工作；③ 較高的早期強度和彈性模量，減小脫模時間，提高生產(chǎn)效率。目前，國內(nèi)外混凝土質(zhì)量控制及原材料對混凝土強度和彈性模量的影響規(guī)律已有大量研究成果，僅從CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)需求出發(fā)，針對增強復合板層間粘結(jié)，從混凝土配合比設計及澆筑和振動工藝進行探討。

(1)配合比設計

為保證軌道板混凝土具有較高的早期強度，并且不影響耐久性，宜采用功能化膠凝材料的途徑，即在水泥中摻入復合摻和料，使水泥和復合摻和料構成的膠凝材料體系具有較好的級配組成和活性。通過活性礦物摻和料的增強效應、填充效應、增塑效應和溫峰削減效應，提高和改善軌道板混凝土力學性能和耐久性能。

考慮到雙向先張預應力軌道板混凝土需要在16h左右的較短時間內(nèi)達到脫模強度，即需要混凝土中膠凝材料在較短時間內(nèi)發(fā)生水化而獲得強度，而較高的水化熱能夠加速膠凝材料的水化反應速率。因此，應采用具有較高水化活性的礦物摻和料或添加能夠促進礦物摻和料水化反應的活性激發(fā)組分，以充分發(fā)揮礦物摻和料的“超疊加效應”，滿足軌道板早期脫模要求。同時，復合摻和料的摻加，有利于降低膠凝材料用量，減少軌道板底面浮漿。

(2)混凝土澆筑及振動

CRTSⅢ型雙向先張預應力軌道板混凝土澆筑采用布料機方式，以實現(xiàn)布料均勻，軌道板混凝土目前多分兩層連續(xù)澆筑，每層各50%左右。為保證軌道板外觀質(zhì)量，混凝土坍落度相對較大，一般在120mm左右，成品軌道板底面浮漿普遍存在，而軌道板底面粗糙度主要通過拉毛方式實現(xiàn)，且拉毛質(zhì)量參差不齊。

為盡可能減少軌道板底面浮漿并實現(xiàn)骨料的適量自然外露，宜通過優(yōu)化混凝土配合比減小坍落度的途徑實現(xiàn)；同時可調(diào)整混凝土布料方式，將兩層連續(xù)布料優(yōu)化為多層連續(xù)布料，如50%、40%和10%組合的三層布料方式等，適度減小上層混凝土的澆筑厚度；此外，還應結(jié)合板場具體條件，在正式生產(chǎn)前，深化混凝土坍落度、模板剛度、支座剛度、振動頻率、振幅及振動時間等參數(shù)研究，確定相關工藝參數(shù)，并結(jié)合混凝土原材料及季節(jié)等變化，適時調(diào)整，以實現(xiàn)較好的板體和板底質(zhì)量。

4 結(jié)論

通過對高速鐵路CRTSⅢ型雙向先張預應力軌道板生產(chǎn)工藝及關鍵工序質(zhì)量控制技術的研究和分析，得到如下主要結(jié)論：

(1)在張拉臺座和張拉梁具有較高的抗彎剛度時，單根預應力筋最終張拉力與初始張拉力具有較好的一致性，藉此提出了“初張拉控制均勻性、終張拉控制總張拉力”的控制理念。

(2)為滿足單根預應力筋最終張拉力與張拉控制值偏差不大于8.0kN的技術要求，初張拉力值偏差應控制在3.0kN以內(nèi)；

(3)軌道板混凝土宜采用功能化膠凝材料的途徑，摻加復合摻和料，使膠凝材料體系具有較好的級配組成和活性，從而加速膠凝材料水化反應速率，滿足軌道板早期脫模要求；

(4)宜通過減小混凝土坍落度和多層布料方式實現(xiàn)軌道板底面骨料適量自然外露，增加軌道板底面粗糙度，并減少浮漿。

[1] 王夢，楊全亮，王繼軍，等.高速鐵路先張法軌道板預應力傳遞長度研究[J].中國鐵道科學，2015，36(1):48-53．

[2] 李陽春.武漢至咸寧城際鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道技術[J].鐵道工程學報，2013(4):51-55．

[3] 高亮，趙磊，曲村，等.路基上CRTSⅢ型板式無砟軌道設計方案比較分析[J].同濟大學學報：自然科學版，2013，41(6):848-855．

[4] 施成，王繼軍，王夢，等.先張法軌道板預應力傳遞長度的關鍵影響因素研究[J].鐵道建筑，2015(2):96-100．

[5] 林曉波.先張法預制軌道板振搗技術研究[J].鐵道建筑技術，2014(11):100-102．

[6] 中國鐵路總公司.TJ/GW118—2013高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道先張法預應力混凝土軌道板暫行技術條件[S].北京：中國鐵道出版社，2013．

An Approach to Key Techniques for Quality Control of CRTSⅢ Pre-stressed Track Slab of High Speed Railway

LI Heng-man

(Zhengzhou-Xi’an Passenger Dedicated Railway Co.， Ltd.， Zhengzhou 450008， China)

The concept of “Uniformity is controlled by initial stressing， and total stressing is controlled by final stressing” is brought forward based on test analysis of the stress force of a single pre-stressed bar after double directional initial stressing and final stressing of CRTS III track slab. The analysis results show that the allowance of initial stressing shall be controlled within 3 kN， and the combination of matching grain of cementing material with reactive excitation for early demoulding is proposed. To minimize laitance on base board and achieve appropriate amount of aggregate naturally exposed. such measures as cutting down concrete slum and multi-layer concreting are suggested.

High speed railway; Ballastless track; Pre-stressed track slab; Pre-stressing; Production proccesses

2015-05-04

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2013G003-B，2014G001-B)

栗恒滿(1963—)，男，高級工程師。

1004-2954(2015)10-0038-04

U238； U213.2+44

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.009