譚鹽賓，謝永江，楊魯，李林香

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2. 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081）

CRTS Ⅲ型板式無砟軌道自密實混凝土技術(shù)研究與應(yīng)用

譚鹽賓1，2，謝永江1，2，楊魯1，2，李林香1，2

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2. 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081）

CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型無砟軌道結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點之一是采用了高穩(wěn)定性自密實混凝土作為充填材料，與軌道板形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，共同承受列車動荷載。從CRTSⅢ型板式無砟軌道復(fù)合結(jié)構(gòu)特點及其對充填材料的特殊要求、自密實混凝土性能指標(biāo)、施工關(guān)鍵工藝以及工程應(yīng)用等方面詳細介紹CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土研究與應(yīng)用現(xiàn)狀。研究和工程應(yīng)用實踐表明，自密實混凝土技術(shù)在我國高速鐵路建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景，但也存在一些技術(shù)問題有待解決，應(yīng)進一步加強板式無砟軌道結(jié)構(gòu)用自密實混凝土配合比設(shè)計理論、施工技術(shù)和實體質(zhì)量無損檢測評估技術(shù)研究。

高速鐵路；CRTSⅢ型板；無砟軌道；自密實混凝土；性能指標(biāo)；關(guān)鍵工藝

截至2016年底，我國高速鐵路運營里程已超過2.2萬km。盡管與德國、日本等國家相比，我國對高速鐵路技術(shù)的研究起步較晚，但通過技術(shù)引進、消化、吸收和再創(chuàng)新，已成為世界高速鐵路建設(shè)和運營線路最長的國家。我國高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從有砟軌道向無砟軌道轉(zhuǎn)變的過程，無砟軌道結(jié)構(gòu)以其高平順性、高穩(wěn)定性和少維修性成為高速鐵路首選。我國無砟軌道結(jié)構(gòu)主要分為板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道2大類，其中板式無砟軌道結(jié)構(gòu)為主要型式。CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)是我國在引進CRTS Ⅰ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)（日本單元板結(jié)構(gòu)）和CRTS Ⅱ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)（德國博格板結(jié)構(gòu)）之后，創(chuàng)新研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型無砟軌道結(jié)構(gòu)形式，與前兩種板式無砟軌道結(jié)構(gòu)形式相比，其結(jié)構(gòu)特點之一是采用了耐久性優(yōu)異的自密實混凝土材料。

1 軌道結(jié)構(gòu)特點與功能定位

典型的CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)見圖1[1]。結(jié)構(gòu)從上至下分別是鋼軌、扣件、軌道板、自密實混凝土調(diào)整層、中間隔離層、鋼筋混凝土底座（底座上設(shè)有2個限位凹槽）。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，軌道板與自密實混凝土調(diào)整層被設(shè)計成復(fù)合結(jié)構(gòu)，兩者通過軌道板板底預(yù)留的“門”型連接鋼筋進行錨固加強，共同承受上部列車動荷載。

圖1 典型的CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)示意圖

調(diào)整層位于軌道板和底座鋼筋混凝土之間，其與軌道板同長（5.6 m）、同寬（2.5 m），厚度為9 cm，屬于典型的狹長薄板狀結(jié)構(gòu)。在自密實混凝土調(diào)整層結(jié)構(gòu)中，還設(shè)有1層鋼筋網(wǎng)片。軌道板底部沿承軌槽方向有2排深入自密實混凝土層的“門”型連接鋼筋，在鋼筋混凝土底座上對稱設(shè)有2個長為100 cm、寬為70 cm、深為10 cm的限位凹槽以防止軌道結(jié)構(gòu)縱向和橫向位移；在鋼筋混凝土底座表面還鋪設(shè)有一層土工布隔離層。自密實混凝土調(diào)整層是整個板式無砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)施工的最后一步，施工時自密實混凝土調(diào)整層四周全部被模板封閉，只能從軌道板上預(yù)留的灌注孔（φ170 mm）灌入調(diào)整層。自密實混凝土調(diào)整層結(jié)構(gòu)示意見圖2。

由上述CRTS Ⅲ型板式無砟軌道調(diào)整層結(jié)構(gòu)特點可知，CRTS Ⅲ型板式無砟軌道對自密實混凝土的性能與工民建、超高層建筑、水工結(jié)構(gòu)等要求顯著不同[1]。

（1）較高的塑性狀態(tài)穩(wěn)定性與硬化體體積穩(wěn)定性。當(dāng)上部覆蓋有軌道板時，調(diào)整層自密實混凝土所處結(jié)構(gòu)近似于全封閉結(jié)構(gòu)，但設(shè)計上要求其與軌道板形成良好的復(fù)合結(jié)構(gòu)共同受力，要求自密實混凝土必須具有較高的塑性狀態(tài)穩(wěn)定性，以保證自密實混凝土在板腔流動時不發(fā)生離析、泌水等現(xiàn)象，還需保證內(nèi)容氣泡的穩(wěn)定性，不隨混凝土中的自由水上浮到自密實混凝土與軌道板混凝土的結(jié)合面形成薄弱層；同時，還需具有較高的硬化體體積穩(wěn)定性，減少與預(yù)制軌道板混凝土之間的變形差。

（2）較高的流動性和自充填能力。自密實混凝土進入調(diào)整層板腔只能從軌道板上的預(yù)制小孔進入，要在表面粗糙且吸水的土工布表面流動，流動阻力較大。由于結(jié)構(gòu)限制，無法對其進行輔助振搗作業(yè)，因此要求自密實混凝土必須具有較高的流動性和自充填能力。

（3）較高的抗離析性和鋼筋穿越性。板式無砟軌道調(diào)整層內(nèi)復(fù)雜的鋼筋網(wǎng)片和“門”型連接鋼筋將板腔內(nèi)有效凈空分割的極為狹窄，特別是限位凹槽極易導(dǎo)致自密實混凝土在板腔內(nèi)流動時出現(xiàn)漿骨分離的離析而發(fā)生堵塞，因而要求自密實混凝土必須具有較高的抗離析性和鋼筋穿越性。

圖2 自密實混凝土調(diào)整層結(jié)構(gòu)示意圖

2 性能評價方法及指標(biāo)

2.1 評價方法

自密實混凝土與普通混凝土最大的區(qū)別就是高流動性，因而工作性能是自密實混凝土最重要的性能指標(biāo)。為評價自密實混凝土工作性能（流動性、抗離析性、間隙通過性和填充性），各國研究人員提出了多達23種測試方法[2]。目前，國際上采用較多的測試方法主要有坍落擴展度試驗、L型儀試驗、V型漏斗試驗、U型箱試驗、J型環(huán)試驗、Orimet流出儀試驗、沉球試驗、Settlement column試驗和篩分穩(wěn)定性試驗等[3-5]。自密實混凝土工作性能常用測試方法見表1。

表1 自密實混凝土工作性能常用測試方法

國內(nèi)研究人員一般選用坍落擴展度試驗、J型環(huán)試驗、L型儀試驗、V型漏斗試驗、U型箱試驗作為自密實混凝土工作性能檢測評價方法；鐵路行業(yè)研究人員則根據(jù)自密實混凝土在板式無砟軌道結(jié)構(gòu)調(diào)整層中的流變特性，確定采用坍落擴展度試驗、J型環(huán)試驗、L型儀試驗、含氣量試驗等方法。

2.2 評價指標(biāo)

國內(nèi)外研究人員均以拌和物流動性、填充性、通過性和抗離析性等4項指標(biāo)作為性能評價指標(biāo)，但采用試驗方法各不相同，所以評價指標(biāo)及分類方法也有所差別。我國CECS203：2006《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[5]根據(jù)不同檢驗指標(biāo)將混凝土自密實性能等級分為三級，具體指標(biāo)見表2。

表2 我國自密實混凝土工作性能評價指標(biāo)

我國臺灣地區(qū)自密實混凝土工作性能評價指標(biāo)[6]見表3。

表3 我國臺灣地區(qū)自密實混凝土工作性能評價指標(biāo)

歐洲2005年發(fā)布的《自密實混凝土設(shè)計與施工指南》中自密實混凝土工作性能評價指標(biāo)[4]見表4。

表4 歐洲自密實混凝土工作性能評價指標(biāo)

日本土木學(xué)會自密實混凝土工作性能評價指標(biāo)見表5。

對比上述各國或地區(qū)自密實混凝土工作性能評價指標(biāo)可知，亞洲地區(qū)對自密實混凝土工作性能的評價方法和評價指標(biāo)基本相同，而歐洲則增加了篩析試驗。與日本和我國臺灣地區(qū)的規(guī)定對比，我國對自密實混凝土工作性能的主要指標(biāo)為V型漏斗時間和T500時間，指標(biāo)范圍過于寬泛，不利于實際操作中的有效評價。

表5 日本土木學(xué)會自密實混凝土工作性能評價指標(biāo)

2.3 指標(biāo)要求

2.3.1 工作性能

針對高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無砟軌道自密實混凝土調(diào)整層的功能定位與結(jié)構(gòu)特點，通過大量模擬試驗和1∶1模擬驗證試驗，研究確定了適用于板式無砟軌道結(jié)構(gòu)特點和施工工藝的自密實混凝土工作性能指標(biāo)[7]，并納入鐵路相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中（見表6）。

表6 自密實混凝土工作性能指標(biāo)[8]

2.3.2 硬化體性能

研究表明，自密實混凝土與普通混凝土的干燥收縮影響因素及其發(fā)展規(guī)律相似，但自密實混凝土比同強度等級的普通混凝土膠凝材料用量大、砂率高，若不采取適當(dāng)措施降低混凝土的收縮變形，其開裂敏感性較普通混凝土更高。調(diào)整層結(jié)構(gòu)作為軌道板的水平調(diào)高和受力支承結(jié)構(gòu)，要求軌道板與調(diào)整層填充材料間不得有裂縫出現(xiàn)，否則不但水等物質(zhì)侵入，造成調(diào)整層混凝土材料的劣化破壞，而且在高速列車動荷載作用下，軌道板與調(diào)整層混凝土材料由于受力不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致調(diào)整層材料破壞。一旦調(diào)整層出現(xiàn)碎裂破壞，將影響整個軌道結(jié)構(gòu)的平順性、耐久性和安全性?？紤]到調(diào)整層中分布有縱向連通的鋼筋，因而自密實混凝土也應(yīng)具有較高的護筋性，即較高的抗氯離子滲透性能。同時，對于調(diào)整層結(jié)構(gòu)，自密實混凝土材料大多都處于封閉空間，僅縱向兩側(cè)少部分暴露于外。處于北方寒冷地區(qū)的板式無砟軌道結(jié)構(gòu)自密實混凝土暴露面受到凍融影響，但由于其暴露面有限，僅側(cè)面可接觸水，因而即便遭受凍融破壞，也不會出現(xiàn)大面積開裂，而表現(xiàn)為表面層剝落破壞。因此，自密實混凝土凍融破壞宜采用單邊鹽凍法進行評價。

根據(jù)相關(guān)研究[7-10]確定了板式無砟軌道自密實混凝土硬化體性能指標(biāo)（見表7）。

表7 自密實混凝土硬化體性能指標(biāo)[8]

3 板式無砟軌道自密實混凝土應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 施工工藝及關(guān)鍵參數(shù)

3.1.1 施工工藝

CRTS Ⅲ型板式無砟軌道自密實混凝土施工工藝流程見圖3。自密實混凝土灌注工藝、壓緊工藝和灌注高度等是影響自密實混凝土施工質(zhì)量的關(guān)鍵[11]。

3.1.2 灌注工藝

板式無砟軌道自密實混凝土灌注工藝包括軌道板中間孔單點灌注、兩點灌注和側(cè)向灌注3種（見圖4），目前以中間孔單點灌注方式為主。3種灌注工藝各有優(yōu)缺點：

（1）中間孔單點灌注工藝以軌道板中心點為灌注點，自密實混凝土進入板腔后由中心向四周擴散，逐漸填滿整個板腔，其流動狀態(tài)最為對稱，有利于灌注過程排氣。缺點是受軌道板預(yù)制灌注孔尺寸限制，無法通過增大進料口截面尺寸來增大進料流量，縮短灌注時間。

圖3 CRTS Ⅲ型板式無砟軌道自密實混凝土施工工藝流程

（2）兩點灌注工藝則由于增加了1個進料通道，其灌注時間大幅縮短，但由于自密實混凝土同時從軌道板上2個灌注孔進入板腔，在中部交匯。相關(guān)灌注試驗表明，該交匯結(jié)合面也是該灌注方式的薄弱點，且由于最終交匯面具體位置不定，無法預(yù)設(shè)排氣孔，因而容易在交匯面形成空洞，并不適合實際使用。

（3）側(cè)向灌注工藝是從軌道板側(cè)向模板上開口進行灌注，其優(yōu)點是灌注口設(shè)置在模板上，尺寸可根據(jù)自密實混凝土狀態(tài)進行調(diào)整，控制灌注速度。研究表明[11]，當(dāng)側(cè)向灌注口進料截面積比軌道板中間孔單點灌注進料口截面積增大一倍時，灌注時間比中間孔單點灌注縮短35%左右。但該灌注工藝容易造成軌道板受力不均，不利于軌道板水平高差控制，因而在實際施工中較少采用。

3.1.3 壓緊工藝

軌道板壓緊工藝是控制板式無砟軌道結(jié)構(gòu)水平標(biāo)高的關(guān)鍵，決定后期鋪軌調(diào)整工作量的大小和工程造價。該工藝有2個要求：（1）壓緊裝置必須有效，保證在自密實混凝土灌注過程中軌道板不發(fā)生超出設(shè)計的上浮或側(cè)移；（2）壓緊裝置數(shù)量應(yīng)盡可能少，減少施工工藝，提高施工效率。通過大量工程實踐，目前軌道板壓緊工藝普遍采用扁擔(dān)橫梁式壓緊方式（見圖5）。通過對自密實混凝土灌注過程中軌道板上浮力測試可知，壓緊裝置設(shè)置為3組時，自密實混凝土灌注后軌道板上浮量最大可達3.0～4.0 mm；壓緊裝置設(shè)置為4組時，軌道板上浮量一般在1.0～3.0 mm；當(dāng)壓緊裝置設(shè)置為5組時，則上浮量可控制在1.5 mm以內(nèi)，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，實際工程中軌道板壓緊一般采用5組壓緊裝置。同時，對于曲線段，還需考慮自密實混凝土灌注過程中軌道板的側(cè)向滑移，一般在曲線段低側(cè)設(shè)置3組橫向限位裝置，固定于鋼筋混凝土底座上。

圖4 自密實混凝土灌注工藝

圖5 扁擔(dān)橫梁式壓緊裝置

3.1.4 灌注高度

由于不能施加外加輔助措施，在CRTS Ⅲ型板式無砟軌道自密實混凝土施工中，自密實混凝土完全依靠自身重力填滿整個板腔（見圖6），因此灌注漏斗高度成為決定自密實混凝土灌注施工快慢的關(guān)鍵參數(shù)。僅從理論上分析可知，灌注高度越高，自密實混凝土重力勢能越大，越易灌注。但工程試驗結(jié)果表明，灌注高度過高，雖然可加快灌注速度、提高施工效率，但對軌道板上浮壓力增加，導(dǎo)致軌道板壓緊裝置失效。通過大量試驗得到自密實混凝土灌注高度與現(xiàn)有軌道板壓緊工藝的合理關(guān)系為：在軌道板壓緊裝置為5組的情況下，自密實混凝土灌注高度不宜超過1 m。

圖6 自密實混凝土灌注示意圖

3.2 工程應(yīng)用

截至2016年底，已通車CRTS Ⅲ型板式無砟軌道線路里程達1 000 km，在建線路里程約2 100 km。CRTS Ⅲ型板式無砟軌道技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展大致可分為以下4個階段：

（1）試驗階段。主要在成都—都江堰鐵路（成灌鐵路）進行試驗應(yīng)用，該階段CRTS Ⅲ型板式無砟軌道整套技術(shù)都處于雛形和早期探索階段。

（2）試應(yīng)用階段。對成灌鐵路試驗情況進行了系統(tǒng)優(yōu)化、初步定型，正式提出CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，并先后在武漢城市圈城際鐵路、盤錦—營口客專、成都—綿陽—樂山客專（眉樂段）、成都—彭州支線、西安—寶雞客專綜合試驗段等線路進行了試應(yīng)用，也初步建立自密實混凝土完整技術(shù)體系。其中盤錦—營口客專是我國首條設(shè)計時速350 km的CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)線路。

（3）優(yōu)化定型階段。依托沈陽—丹東客專和鄭州—徐州客專對CRTS Ⅲ型板式無砟軌道自密實混凝土技術(shù)指標(biāo)和施工工藝進一步完善優(yōu)化。

（4）規(guī)模化應(yīng)用階段。隨著CRTS Ⅲ型板式無砟軌道自密實混凝土技術(shù)的相對成熟，在京沈客專、濟青客專、商合杭客專等長大線路中進行了規(guī)模應(yīng)用。與此同時，也首次實現(xiàn)了CRTS Ⅲ型板式無砟軌道成套技術(shù)走出國門——印度尼西亞首次全系統(tǒng)采用高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無砟軌道技術(shù)建造雅（加達）萬（隆）高鐵。

4 結(jié)束語

通過對CRTS Ⅲ型板式無砟軌道自密實混凝土技術(shù)在我國的研究與應(yīng)用可知：

（1）由于高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無砟軌道調(diào)整層結(jié)構(gòu)特點和功能定位的特殊性，高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無砟軌道自密實混凝土與傳統(tǒng)工業(yè)及民用建筑的自密實混凝土在工作性能、力學(xué)性能和耐久性能指標(biāo)明顯不同。

（2）由高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無砟軌道自密實混凝土施工工藝可知，灌注工藝、壓緊工藝和灌注高度等是影響自密實混凝土施工質(zhì)量的關(guān)鍵，并給出了關(guān)鍵工藝參數(shù)。

[1] 謝永江，譚鹽賓，李化建，等. 2014G001-C高速鐵路無砟軌道關(guān)鍵技術(shù)深化研究：高速鐵路CRTSIII型板式無砟軌道自密實混凝土制備工藝及施工工法深化研究[R]. 北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2015.

[2] 安學(xué)暉，黃綿松. 自密實混凝土技術(shù)手冊[M]. 北京：中國水利水電出版社，2008.

[3] EFNARC. Specification and Guidenlines for Self-Compacting Concrete[S]. UK: EFNARC，2002.

[4] The European Project Group. The European Guidellines for Self Compacting Concrete[R]. UK：The European Project Group，2005.

[5] 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會. CECS 203：2006自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國計劃出版社，2006.

[6] 石尊仁. 中低強度自充填混凝土應(yīng)用于一般建筑工程之討論[D]. 臺灣：朝陽科技大學(xué)，2003.

[7] 譚鹽賓，謝永江，李化建，等. 高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土性能研究[J]. 鐵道建筑，2015(1)：132-136.

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[9] YANBIN TAN，YONGJIANG XIE，HUAJIAN LI，et al. The proceedings of the Fifth North American Conference on the Design and Use of Self-Consolidating Concrete [EB/OL].（2013-05-12）[2017-01-16]. http://www.intrans.iastate.edu/events/scc2013/.

[10] 譚鹽賓，趙健，李化建，等. 高速鐵路板式無砟軌道充填層混凝土收縮變形特性研究[J]. 混凝土，2011(3)：125-128.

[11] 樊齊旻，譚鹽賓. CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土施工工藝優(yōu)化及應(yīng)用[J]. 施工技術(shù)，2016，45(17)：106-108.

Study and Application of Self-compacting Concrete for HSR CRTS Ⅲ Slab Ballastless Track

TAN Yanbin1，2，XIE Yongjiang1，2，YANG Lu1，2，LI Linxiang1，2
（1. Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China）

CRTS Ⅲ slab ballastless track is a new type of ballastless track structure with independent Chinese intellectual property rights. One of its structural features is the use of highly stable, self-compacting concrete as filling material, forming with the track slab a composite structure, which bears the dynamic load of trains.This paper introduces in detail the study and application of CRTS Ⅲ slab ballastless self-compacting concrete from aspects such as structural characteristics of the composite layer of the CRTS Ⅲ slab ballastless track and its special requirements for filling materials, performance index of self-compacting concrete, key construction technologies and engineering application. Research and engineering practices show that self-compacting concrete technology enjoys good application prospect in the construction of high-speed railways in China,but there are some technical problems yet to be solved. We should further strengthen studies on design,construction and entity quality NDT and evaluation of self-compacting concrete used in slab ballastless track structure.

high-speed railway；CRTS Ⅲ slab；ballastless track；self-compacting concrete；performance index；key technology

U214

A

1001-683X（2017）08-0021-07

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.08.021

國家自然科學(xué)基金項目（51408611）；中國鐵道科學(xué)研究院科技研究開發(fā)計劃項目（2015YJ027）

譚鹽賓（1981—），男，副研究員。

E-mail：ybtan1981@126.com

責(zé)任編輯 李葳

2017-04-21