一种高速铁路无砟轨道自充填混凝土专用改性剂

　　自充填混凝土在高速铁路中的应用，始于京津城际亦庄车站道岔区充填层，推广于京沪高速铁路路基段道岔区充填层，规模应用于CRTSⅢ型板式无砟轨道工程。CRTSⅢ型板式无砟轨道结构是我国具有自主知识产权的新型无砟轨道结构形式，其轨道结构形式如图1所示。其中，CRTSⅢ型板式无砟轨道结构一大创新之处就是采用自充填混凝土作为轨道板下调整层材料取代了传统的乳化沥青砂浆材料，大大提升了整体结构材料性能的一致性和服役寿命。

图1 CRTSⅢ型板式无砟轨道结构图示

　　位于轨道板与钢筋混凝土底座间的自充填混凝土调整层厚度仅为9cm，长度则达5.6m，宽度为2.5m，中间还分布一层直径8mm的钢筋网片，属于典型的狭长薄板结构，其在结构设计上要求自充填混凝土层需与轨道板混凝土层形成良好的复合整体结构，共同承受上部列车荷载。在板式无砟轨道结构施工工序中，自充填混凝土层为最后施工，自充填混凝土仅能从上层结构轨道板中央直径不足15cm的灌注孔中灌入调整层，整个模腔上下及四周近乎为全封闭状态，这要求自充填混凝土必须具有极其良好的施工性能和稳定性能。与正常振捣混凝土相比，自充填混凝土高粉体用量、低水胶比、低骨料用量的配合比特征以及自充填混凝土高流动性决定了自充填混凝土主要性能特点为敏感性，具体表现为原材料敏感性、温度敏感性、施工敏感性以及时间敏感性。铁路条状结构分布与混凝土用原材料就地取材之间的矛盾，则进一步加剧了CRTSⅢ型板式无砟轨道自充填混凝土对原材料的依赖性，再加上施工单位没有自充填混凝土施工方面的技术储备，造成了早期工程试验阶段自充填混凝土施工存在较多质量缺陷。

　　高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道结构填充层的特殊性，不仅要求灌注充填层的自充填混凝土拌合物性能具有优异的流动稳定性和塑性稳定性，还要求其具有优异的体积稳定性和耐久性能。自充填混凝土专用改性剂在不降低自充填混凝土高流动性和自充填性的前提下，提高混凝土拌合物体系的塑性粘度，有效抑制混凝土拌合物的离析、泌水、浮浆等问题，并能适当延长自充填混凝土的可操作时间。保证了自充填混凝土在施工过程中的稳定性，使气泡不会上浮与自充填混凝土表面，降低自充填混凝土与轨道板的粘结能力，同时阻止骨料下沉，提高自充填混凝土的匀质性。同时，还能大幅提高自充填混凝土与轨道板的界面粘结强度，有效降低自充填混凝土的收缩变形，确保自充填混凝土与轨道板的粘结成统一整体，共同起到承载和传力作用。

　　通过在自充填混凝土中使用本发明的改性剂材料，可起到以下显著有益作用：

　　（1）改善自充填混凝土工作性能，提高气泡稳定性，显著抑制泡沫层的产生

　　采用可以均匀分散在自充填混凝土中的增稠组分，其长的分子链联接着水泥与细骨料，作用机理如图2所示，通过不同官能团间的交互作用，形成一个空间网络结构，它们像“柔性胶”一样保持细粉颗粒处于匀质的悬浮状态，起到增加拌和物浆体粘度和稳定性、抑制泌水和气泡上浮等作用，并可阻止骨料下沉，确保自充填混凝土经过板腔内的长距离流动以及钢筋网片的切削分隔作用下不发生离析、泌水以及大量气泡逸出等问题，有效抑制在自充填混凝土和上层轨道板混凝土间产生泡沫层等严重影响两层结构整体性的质量缺陷，如图3所示。

图2 增稠剂在自充填混凝土中的作用机理示意图

图3 自充填混凝土与轨道板混凝土间的泡沫层缺陷

　　（2）显著降低自充填混凝土的用水量敏感性

　　通过选用特殊的增稠这份和高效缓凝保坍组分，实现掺加本发明改性剂材料的自充填混凝土用水量容忍度大于15kg/m3，即可保证当原材料河砂含水率增大2%以内自充填混凝土性能不会发生明显劣化。

　　（3）显著提高自充填混凝土与轨道板的界面粘结强度

　　粘结强度是表征充填层自充填混凝土与轨道板混凝土粘结能力高低的指标，粘结强度越高，说明充填层自充填混凝土与轨道板混凝土整体性越好。自充填混凝土与C60轨道板混凝土粘结，如图4所示，采用劈裂抗拉强度表征充填层混凝土与轨道板混凝土的粘结能力，掺入改性剂的自充填混凝土比基准混凝土劈裂抗拉强度高13%。

图4 自充填混凝土粘结强度试件测试

　　（4）显著提高自充填混凝土的体积稳定性

　　自充填混凝土填充于封闭的充填层，如果体积稳定性差，在灌注完成后导致自密实混凝土与轨道板脱离，形成离缝，无法使自充填混凝土层与轨道板形成统一整体，达到承载和传力作用。掺入专用改性剂的自充填混凝土可显著降低塑性收缩和干燥收缩，24h塑性收缩可降低50%，56d干燥收缩可降低至375με，如图5和图6所示。

图5 改性剂对自充填混凝土塑性收缩的影响

图6 改性剂对自充填混凝土干燥收缩的影响

　　（5）大幅提高自充填混凝土的耐久性能

　　通过本发明改性剂对自充填混凝土孔结构的细化和优化，大幅提高自充填混凝土的抗冻性能和耐久性能。

图7 改性剂对自充填混凝土孔结构分布的影响

图8 改性剂对自充填混凝土抗冻性能的影响

　　本发明大幅提升了我国自充填混凝土的制备技术水平；扩大了自充填混凝土的适用范围，解决了自充填混凝土制备时易产生的离析、泌水、浮浆等关键技术难题，保证了施工质量，降低了自充填混凝土的收缩，降低了其开裂风险，延长了自充填混凝土的使用寿命。本发明所涉及一种高速铁路无砟轨道自充填混凝土专用改性剂，其在组成上取得了创新，解决了现有自充填混凝土存在的问题并丰富了自充填混凝土的制备技术，实现了自充填混凝土施工质量的可控，显著降低了自充填混凝土的损耗以及由于质量缺陷而返工带来的大幅成本增加。本发明在我国多条高速铁路上得到了广泛应用，为国家节省成本1.7亿元（按减少10%自充填混凝土质量事故计算）以上。综合比较国内外自充填混凝土技术研究和工程应用现状，本发明技术处于国际领先水平。

　　专利权人：中国铁道科学研究院铁道建筑研究所