前言

作为起承力和调平功能的CRTSⅢ型板式无砟轨道系统自密实混凝土调整层是一种特殊的自密实混凝土,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,它也是板式无砟轨道的关键工程材料之一。用于高速铁路的这种特种自密实混凝土,其材料配制有以下三大技术难点:①需具备0～3h超长时间可调的工作性能,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长时间性的问题,同时在此时间段内黏度值需精确可控,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。

本书依托国家973重点研究发展规划课题(2009CB623201),结合武汉城市圈城际高速铁路工程,针对高铁充填层自密实混凝土的主要技术瓶颈系统展开了高流态、高均质自密实耐久混凝土(High Flowability-Homogeneity-Durability Self-compacting Concrete,简称FHDC)的研究,取得的主要成果如下:

(1)提出了FHDC的设计原则。针对CRTSⅢ型板充填层密闭大面积薄板空间结构的施工灌注技术,目前主要还是依赖于工程经验的问题,进行了充盈性、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案,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。

(2)掌握了FHDC超长输送时间下的流动性随时间变化的准确控制技术。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—流变模型(热—黏模型),系统研究了不同功能组分(减水、黏度改性、气相调控、矿物掺和料等)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,在屈服应力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,把到达τ0的时间记为T0,它依赖于水胶比、外加剂掺量、仪器设置参数等,通常是在搅拌结束5～20min达到,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,到达第二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:Ⅰ:无结构的悬浮状态;Ⅱ:絮凝结构状态;Ⅲ:凝聚结构状态。

2)建立水泥初始水化热—流变模型(热—黏模型),运用本书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),结合水化动力学分析,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结合起来。从而有效指导自密实混凝土在不同材料体系下初始τ0设计,并为从搅拌到施工前及时调整流变衰减时间阈值T阈提供理论基础。

3)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;矿粉功能组分为a=0.0013,b=-0.0634,c=2.6371;粉煤灰功能组分为a=-0.0003,b=0.0234,c=2.4629。

(3)提出了FHDC充盈性与高精度界面测试方法与控制技术。针对高精密制造过程存在的黏度值过大充填不饱满、轨道板易上浮或者黏度值过小易离析泌水、界面产生浮浆层和气孔等问题,提出了用NL型可灌性仪评价充盈性和灌注界面性能的方法,并将该方法与施工现场常用检测指标——扩展度、T50及J环高差相结合。提出了采用多元外加剂复合体系对FHDC的充盈性及高精度界面性能的有效调控技术。

1)在原有L型仪的基础上,结合CRTSⅢ型轨道板充填层的特点对其形状尺寸及内部配筋进行了改进,增加了两个测试指标——充盈率及离析率,制备了可用来评价充盈性和灌注界面性能的NL型可灌性仪,提出采用充盈率来评价自密实混凝土充填状态,采用离析率对流动方向上不同区段混凝土的均质性做定量分析,采用拍照和Image-Pro图像软件进行处理的方式对自密实混凝土充填层的表面气泡进行评价。

2)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0.28～0.32kg/m3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。

(4)建立了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,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,确定了合理的灌注工艺和成套灌注设备。所制备FHDC的主要技术指标为,灌注前:扩展度SF在650～750mm、J环高差BJ<12mm,扩展时间T50在2～5s,充盈率FR在90%～100%;离析率SR在5%～10%,含气量为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,可提高轨道结构材料的使用寿命。

高铁实际施工工程应用研究表明,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,揭板试验达到技术要求,通过权威部门检测耐久性达到指标要求。

在本书的研究过程中,得到了众多人士的帮助和支持。本书首先凝结了作者的博士生导师武汉理工大学马保国教授的大量心血,在此向他致以深切的谢意和崇高的敬意!研究期间,作者还得到了中南大学肖佳教授、武汉理工大学李相国副教授、蹇守卫副研究员、谭洪波博士后、黄健博士、张运华博士等前辈和同学的帮助和指点,以及中铁第四勘察设计院、湖北城际铁路有限责任公司、中建四局第六建筑工程有限公司在工程应用方面的支持,在此表示由衷的感谢!最后,向所有关心和帮助过我的同志们,表示诚挚的感谢!

由于材料的性能受其多方面因素的控制和制约,本书的研究有一定的局限性。受专业素养、理论水平及可操作性能力的制约,本书研究中的方法、结构安排、文字表达等方面定会存在问题,敬请各位同行专家本着关心和爱护的态度,予以批评指正。

著者　　

2015年1月