CRTSⅡ型轨道板高性能混凝土配合比设计探讨

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摘要

高速铁路的关键技术之一crtsⅡ型无砟轨道板是目前国际上最先进的无砟轨道施工技术，具有高精度、高平顺性、高稳定性、高运输效率、少维修等技术特点，采用了C55高性能混凝土进行轨道板的预制, C55高性能混凝土配合比的设计，对CRTSⅡ型无砟轨道板内实外美的质量要求具有重要作用。

关键词：CRTSⅡ型无砟轨道板混凝土配合比

中图分类号： TU37文献标识码： A

引言

京石、石武高铁设计时速350KM/h，采用了CRTSⅡ型无砟轨道板，该轨道板采用了C55高性能混凝土进行轨道板的预制, C55高性能混凝土配合比的设计，对CRTSⅡ型无砟轨道板内实外美的质量要求具有重要作用。

2 C55高性能混凝土主要性能

依据设计图纸、《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》铁建设【2005】160号、《客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道混凝土轨道板（有挡肩）暂行技术条件》科技基【2008】173号和《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》科技基【2005】101号要求，轨道板混凝土主要性能如下：

1）混凝土的抗压强度和弹性模量应符合设计要求。

2）混凝土的抗冻性能应满足F300的要求。

3）混凝土的电通量应小于1000C。

4）混凝土内总碱含量不应超过3.5kg/m3。当骨料具有潜在碱活性时，总碱含量不应超过3.0kg/m3。混凝土中总氯离子含量不应超过胶凝材料总量的0.06%。

5）凝土中应选用高效减水剂及能够改善混凝土性能的高活性复合掺合料，混凝土的胶凝材料总量不宜超过480 kg/m3，用水量不应超过150 kg/m3。

6）预应力筋放张时，混凝土抗压强度不得低于设计强度的80％，且不应低于48MPa。

7）设计坍落度：120mm～160mm，含气量：1～4%。

8)轨道板在生产厂房内集中预制，实行工厂化管理因此要求达到16h混凝土抗压强度大于48MPa的技术指标。

3配合比设计过程

在配合比优化设计中应以四性（耐久性、力学性、工作性、经济性）为目标，遵循四大法则（灰水比法则、混凝土密实体积法则、最小单位用水量或最小胶凝材料用量法则和最小水泥用量法则），选择最佳三比参数（水胶比、浆集比、砂石比），根据工程实际和工程设计要求，优化配合比设计路线。

3.1耐久混凝土配合比优化设计路线：

配制抗压强度的确定：

fcu,o= fcu,k+1.645σ

水胶比的确定：通过前期调研及察看相关资料，对轨道板混凝土水胶比进行细化并确定在0.26～0.28之间调整。

单位用水量的确定：

表3-1不同水胶比的混凝土单位用水量推荐范围

序号 水胶比 单位用水量(kg/m3)

1 0.26 125

2 0.27 130

3 0.28 140

表3-2单位体积混凝土粗骨料的体积比（干燥捣实下）

砂子Mx粗骨料Dmax 2．4 2．6 2．8 3．0

25．4 0．71 0．69 0．67 0．65

表3-3砂率的选用

砂子类型 胶结料用量（kg/m3）

＜360 360～420 420～480 480～540 ＞540

细砂Mx：1.6～2.2

中砂Mx：2.3～3.0

粗砂Mx：3.1～3.7 0.38

0.40

0.42 0.36

0.38

0.40 0.34

0.36

0.38 0.32

0.34

0.36 0.30

0.32

0.34

3.2掺和料掺加量比例试验优化设计

通过相同配合比对混凝土和易性、力学性能和混凝土耐久性三方面试验以确定轨道板混凝土掺和料掺量。

3.2.1水泥－掺和料比例与新拌混凝土性能相关性分析

水泥－掺和料比例不同对混凝土拌合物性能的影响见表3.2.1

表3.2.1水泥－掺和料比例不同时混凝土坍落度

编号 水泥（％） 掺和料（％） 混凝土坍落度

出机 20min后

SN-CHL1 100 0 190 190

SN-CHL2 94 6 170 160

SN-CHL3 92 8 160 120

SN-CHL4 90 10 140 110

SN-CHL5 88 12 100 20

图3.2.1水泥－掺和料的比例对混凝土坍落度及其损失影响

从图3.2.1可以看出，通过两种掺和料在不同掺量下的对比试验，我们可以得出以下结论：

掺和料随掺量的增大混凝土需水量随之增大；

掺和料随掺量的增大混凝土的粘度随之增大；

不掺掺和料的混凝土坍落度最大。随掺和料掺量比例增加，坍落度下降明显。

3.2.2水泥－掺和料比例与混凝土力学性能相关性分析

水泥－掺和料比例不同对16h和28d混凝土力学性能的影响见表3.2.2

表3.2.2水泥－掺和料不同比例掺量下16h和28强度

编号 水泥（％） 掺和料（％） 混凝土力学性能

16h 28d

SN-CHL1 100 0 47.9 70.0

SN-CHL2 94 6 49.0 72.9

SN-CHL3 92 8 50.5 74.3

SN-CHL4 90 10 51.8 75.1

SN-CHL5 88 12 52.3 76.7

图3.2.2水泥－掺和料比例对混凝土力学性能的影响

从图3.2.2中可以看出，混凝土的抗压强度随着掺和料比例的降低，抗压强度亦有所降低。

3.2.3水泥－掺和料比例与混凝土电通量分析

水泥－掺和料比例不同与混凝土28d、56d混凝土电通量关系见表3.2.3。

表3.2.3水泥－掺和料不同掺量比例混凝土电通量

编号 水泥（％） 掺和料（％） 混凝土电通量

28d 56d

SN-CHL1 100 0 973 856

SN-CHL2 94 6 578 490

SN-CHL3 92 8 456 413

SN-CHL4 90 10 356 329

SN-CHL5 88 12 322 300

图3.2.3 混凝土电通量随水泥－掺和料比例的变化

从图3.2.3可知，不掺掺和料的混凝土的电通量均高于有掺和料混凝土电通量，而且随掺和料比例逐渐增大，混凝土的56天电通量越小，即混凝土的抗氯离子渗透性能越佳。

3.2.4小 结

综合混凝土和易性、力学性能和混凝土耐久性三方面试验分析，水泥与掺和料比例为90∶10时，对改善混凝土的力学性能、和易性和抗氯离子渗透性均有良好的表现，因此最终确定掺和料掺量为10%。

3.3混凝土配合比设计方案

根据水泥－掺和料掺量比例试验研究结果可知，水泥与掺和料的最优掺配比例为90∶10，因此混凝土配合比设计掺和料的使用按照以上原则进行。结合前面的混凝土原材料优选结果以及优化设计路线，设计本项目混凝土配合比方案如表3.3.1所示。

选用同力P·Ⅱ42.5水泥、北京邦福德掺和料、中铁四威外加剂、峰峰矿区5～20mm碎石、新乐砂场中砂。

表3.3.1 混凝土配合比方案

材料用量 水灰比

编号 水泥 掺和料 粗骨料 细骨料 水 外加剂

SP1 445 50 1126 634 135 8.4 0.27

SP2 432 48 1145 645 135 7.2 0.28

SP3 432 48 1145 645 130 7.2 0.27

混凝土拌合物的性能见表3.3.2

表3.3.2轨道板C55混凝土拌合物性能

编号 出机坍落度/扩展度（mm） 10min后坍落度/扩展度（mm） 容重

（kg/m3） 含气

量（%） 备注

SP1 180 80 2436 3.6 保水性、粘聚性较好，流动差，坍落度损失大

SP2 180 140 2451 3.9 保水性较好，流动性、粘聚性差。

SP3 150 120 2440 2.8 拌合物性能良好,实测温度曲线，型耐久性试件。

3.4优化混凝土配合比设计

综合表3.3.2混凝土拌合物性能统计表可以确定配合比见表3.4.1，配方能够满足设计要求。材料组合分别如下：

SP3同力水泥+北京邦福德掺和料+新乐砂场中砂+峰峰矿区石场碎石+中铁四威外加剂+板场驻地井水；

表3.4.1混凝土配合比用量

材料名称 水泥 掺和料 砂 碎石 水 外加剂

材料用量（kg/m3） 432 48 645 1145 130 7.2

4确定优选原材料

根据上述规范的要求，通过试验成功优选混凝土用原材料如下：

水泥：河南省同力水泥股份有限公司“同力”牌P·Ⅱ42.5水泥

高活性复合掺和料：北京邦福德科技发展有限公司CH-82

成都天福特种工程材料有限责任公司DZ-RA

砂：新乐砂场中砂

碎石：峰峰矿区石场5～20mm（5～10mm：10～20mm=4：6）

外加剂：安徽中铁工程材料科技有限公司RAWY101高效减水剂

水：板场驻地井水

5确定混凝土配合比

根据混凝土配合比设计原则，采用优选的原材料，通过和易性、力学性能、耐久性能试验优化，成功设计了符合CRTSⅡ型轨道板要求的预制混凝土配合比。配合比详细用量见表5.1。

表5.1 CRTSⅡ型轨道板配合比

编号 配合比用量（kg/m3）

水泥P·Ⅱ42.5 高活性复合 掺和料 砂 石 水 减水剂

SP1 432 48 645 1145 130 7.2

SP3 432 48 645 1145 130 7.2

结束语

京石、石武客运专线3标采用本文设计的配合比，通过试制试件、模拟板、试验板、正式产品几个阶段的反复摸索，最终确定了施工配合比，攻克了混凝土（设计强度等级C55）在非蒸养条件下（混凝土芯部温度控制在55℃内）16h抗压强度达到48MPa的技术难关，同时其余技术指标全面满足《客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道混凝土轨道板（有挡肩）暂行技术条件》要求，混凝土表面光泽美观，无气泡、无裂纹，顺利通过了铁道部铁科院组织的CRTSⅡ型无砟轨道板的上道技术审查，取得了不菲的技术、经济与社会效益。

参考文献

《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》（铁建设[2006]158号）

《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》（铁建设[2005]157号）

《CRTSⅡ型板式无碴轨道施工质量验收细则》

《客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道混凝土轨道板（有挡肩）暂行技术条件》（科技基【2008】173号）

《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》（科技基【2005】101号）。