1.5　主要研究成果

本书研究工作依托武汉城市圈城际高速铁路工程,对作为起承力和调平功能的CRTSⅢ型无砟轨道板自密实混凝土调整层开展了系统的研究,它的性能直接影响到轨道结构的平顺性、列车运行的舒适性与安全性以及轨道结构耐久性和运营维护成本,是板式无砟轨道的关键工程材料之一。用于高速铁路用的这种特种自密实混凝土,它的材料配制有以下三大技术难点:①需要具备0～3h以上超长时间工作性能,满足高铁施工存在点线运输距离的不确定性以及灌注过程的长时间性的问题,同时在此时间段内黏度值需精确可调,并满足在密闭大面积薄板(5350mm×2500mm×100mm)三维空间结构的充填性能;②为了满足高铁的行车舒适性和安全性需求,适应高频率荷载的长期运行的服役环境,要求达到精密制造的水平(界面高差需小于0.3mm,表面气孔率不大于2%);③合适的力学性能、体积稳定性极高的耐久性和使用寿命。

本书主要围绕以上三大技术难题开展了可以满足特殊使用条件下的高流态、高均质自密实耐久混凝土(简称FHDC)的充盈性理论分析、流变性能、体积稳定性能、耐久性能的研究,揭示了特种自密实混凝土的材料—结构—性能—工艺之间的相关规律,建立应用于长距离运输、长时间灌注、复杂薄壁空间结构、高精度要求等特殊使用条件下的自密实混凝土的材料与结构匹配设计、制备工艺、工程应用等方面的关键技术,为高铁充填层自密实混凝土的设计、制备与性能研究以及工程应用提供了重要的技术支撑,对于高铁工程调整层的功能设计与应用,具有重要的理论指导意义和现实的实践意义。

1.5.1　FHDC的设计理论基础

FHDC材料设计理论基础包括充盈性、高精度界面控制、超长时间工作性能、长寿命等设计技术理论分析,建立了特种自密实混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能、施工工艺方面的设计准则及其设计方法,为高速铁路无砟轨道充填层自密实混凝土的设计进行了理论基础分析研究。

(1)充盈性设计技术理论分析是指针对无砟轨道充填层密闭狭长大面积薄板高配筋空间的特点,对不同的灌注方式以及对应的流态模式进行分析,对比得出一种最佳的灌注方式,即中孔单点灌注方式。

(2)高精度界面控制设计技术理论分析是指在自密实混凝土灌注施工工艺中引入精密制造设计思路,进行功能、结构、材料一体化设计与优化,将材料的功能设计与灌注工艺统一起来,以实现在灌注过程中能够充填饱满,灌注结束后低界面气泡,以及材料后期高体积稳定的精密制造设计理论。

1.5.2　建立了水泥初始水化热—流变模型(热—黏模型)

针对长距离运输长时间灌注时流动度损失的关键问题,建立了水化热—流变(热—黏)模型,并系统研究了不同外加剂(减水、黏度改性、气相调控、矿物掺合料等功能组分)对水泥浆体初始水化历程及早期流变特性的变化规律,提出了采用多元外加剂复合体系对水泥浆体依时流变特性的调控技术路线,为提升自密实混凝土的超长时间工作性能提供理论基础。

(1)提出了水泥初始水化流变特性模型,采用高精度黏度测试仪超低转速(0.01r/min)可准确在线检测水泥浆体的屈服应力值,研究表明,屈服应力变化规律为N形变化,在曲线上存在两个屈服应力突变值,第一突变值为浆体结构所能承受的极限剪切应力值,即浆体本身的屈服应力值τ0,第二突变值为浆体从流体向塑性体转变时的结构突变值,本书定义为流变衰减屈服应力阈值τmax,对于不同的浆体,到达突变值所需的时间不同,但到达突变值时浆体结构的屈服应力值是确定的[τmax=(80±5)Pa],把τmax处所对应的时间定义为流变衰减时间阈值T阈,根据这两个屈服应力突变值可将水泥早期水化分为3个不同的阶段:无结构的悬浮状态;絮凝结构状态;凝聚结构状态。

(2)建立水泥初始水化热—流变模型(热—黏模型),运用建立的流变特性模型,结合水化热模型,建立水泥水化热—流变模型(热—黏模型),这一模型包含水泥水化过程中伴随的两大特点:一是化学反应热学特性;二是结构形成的宏观力学特性。热—黏模型可提供水泥初始水化历程的热学参数及结构形成参数,将水泥水化进程中的化学反应状态及结构形成的物理状态发展结合。通过同时在线检测水泥水化的热学特性及力学特性,采用双参数评价体系可以更准确地描述水泥初始水化历程及结构形成的瞬时状态,弥补单一热学模型在水泥水化结构表征中的不足。

(3)各功能组分对水化热—流变模型的影响规律是,减水功能组分可以明显地改变体系的水化放热速率和流变特性,在前4h的水化放热速率曲线上表现出明显的延长了诱导期的趋势,在屈服应力曲线上,表现出结构弱化的发展规律,明显地降低了屈服应力值,延长了絮凝结构阶段和流变衰减时间阈值;黏度改性功能组分也表现出延迟诱导期的趋势,但却明显增强了屈服应力值,随着掺量的增加,对流变衰减时间阈值先延迟后促进;气相调控功能组分对水化热的影响不明显,但却可以延迟流变衰减时间阈值;矿物外加剂功能组分中,粉煤灰和矿粉呈现出不同的放热规律,粉煤灰延迟了诱导期,并且降低了屈服应力值,而矿粉则加速了诱导期,增强了屈服应力值。

(4)各种功能外加剂组分对流变衰减时间阈值产生决定性的影响,在本试验条件下,功能组分随着掺量变化对流变衰减时间阈值的影响规律以及计算公式为:T阈=ax2+bx+c(x为功能组分的掺量,T阈为不同掺量时的流变衰减时间阈值,a、b、c为不同的系数)。功能组分不同,各个参数的值不同,减水功能组分为a=-119.05,b=31.786,c=0.8548,黏度改性功能组分为a=-821.43,b=54.214,c=2.46;引气功能组分为a=-304642,b=531.43,c=2.6209;消气功能组分为a=0,b=806.45,c=2.6274;矿粉为a=0.0013,b=-0.0634,c=2.6371;粉煤灰为a=-0.0003,b=0.0234,c=2.4629。

(5)FHDC超长时间工作性能外加剂体系的调控技术路线,采用化学外加剂和矿物外加剂复合路线,充分发挥减水组分、黏度改性组分、气相调控组分及矿物固相密实组分复合作用的特点,合理控制各种功能组分的种类和掺量,实现对体系中自由水的释放和吸收,以及对液相表面张力大小的控制。研究表明,经各种功能组分的合理调控FHDC浆体满足2h流动度损失小于5%,3h流动度损失小于10%的良好流动性能及工作性能。

1.5.3　FHDC的充盈性及高精度界面测试方法与控制技术

针对板式轨道自密实混凝土灌注施工特点,提出充盈性及灌注界面性能评价方法,在原有L型仪的基础上进行了改进,制备了NL型可灌性仪,提出采用充盈率FR评价自密实混凝土充填状态,提出离析率SR对流动方向上不同区段混凝土的均质性做定量描述,提出采用拍照和图像处理的方式对充填层的界面性能进行评价。

(1)灌注界面气泡评价方法的建立,采用Image-Pro图像软件进行定量分析与处理,分为4个步骤:图像采集;灰度处理;气泡大小和数量分析;数值判断,建立了应用于自密实混凝土充填层的表面气泡的评价方法。

(2)各功能组分对流动性、稳定性、充盈性及界面气泡的影响情况是,减水组分与消气组分能显著提高混凝土体系的流动性,降低稳定性,而黏度改性组分与引气组分可以提高稳定性,降低流动性,矿物外加剂组分中,适当的掺量可以提高混凝土的流动性和黏聚性。灌注界面效果与整个体系的流动性和均质性有很大的关系,采用先消泡后引气的方式,复掺各种功能组分控制体系的流动性和均质性在合理的范围内可以明显改善自密实混凝土灌注表面质量。

(3)充填层自密实混凝土存在最佳的配合比参数,水胶比和胶凝材料总量分别为0.28～0.32和550～650kg/m3,一级粉煤灰为20%～40%,S95矿粉为5%～15%,减水剂为0.8%～1.2%,黏度改性剂为0.02%～0.04%,引气剂为0.0001%～0.005%,消泡剂为0.0005%～0.01%,粗骨料最大粒径在5～10mm,细骨料细度模数在2.5～2.8,含量范围为52%～56%,所配制出的C40充填层自密实混凝土综合性能较优,可满足流动性、充盈性、均质性及界面性能的要求。

1.5.4　FHDC工程应用的关键技术

对大规模工业试验施工工艺进行了系统研究,开发了FHDC材料,经过第三方检验耐久性指标达到要求。

(1)施工工艺包括搅拌工艺、运输工艺、灌注工艺,针对CRTSⅢ型板式无砟轨道结构特点,确立了合理的灌注工艺和成套灌注设备。灌注工艺控制主要包括施工前—采用中间孔单点灌注,透水模板布封边,改进轻便型模板排气;施工中—灌注前拌和物检测及指标的确定,灌注料斗高度及容积设计,灌注速度及终灌条件控制;施工后—拆模时抗压强度控制,养护方式时间及水温度控制。

(2)所制备FHDC的主要技术指标为,灌注前:扩展度650～750mm、J环高差小于12mm,T50为2～5s,90%≤FR<100%;5%≤SR≤10%,含气量3%～5%,硬化后:28d抗压强度不小于40MPa;56d电通量不大于1000C,56d抗冻性能不小于F300,56d干燥收缩不大于400×10-6。该材料适用于高速铁路充填层工程结构,可提高高铁路基材料的使用寿命。

工业试验结果表明,所制备的FHDC材料,有效保证了充填层自密实混凝土良好的工作性能、填充性能及较低的界面气孔率,揭板试验达到要求,通过权威部门检测56d电通量值在140～220C之间,56d抗冻值大于F300,耐久性达到指标要求。