高速铁路CRTSII板式无砟轨道道岔区填充层自密实混凝土浇筑施工工艺技术研究.docx
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1、 高速铁路CRTSII板式无砟轨道道岔区填充层自密实混凝土浇筑施工工艺技术研究 (中铁五局二公司)【摘要】高速铁路CRTSII型板式无砟轨道道岔区填充层自密实混凝土浇筑现有工艺采用无压力浇筑的工艺方法。浇筑过程中混凝土坍落扩展度很大,混凝土处于浆骨料即将分离的边沿。浇筑完成后需要舀浆,去掉溢出的浮浆,浇筑施工质量较难控制。本文针对现行道岔板自密实混凝土配制及浇筑工艺中存在的问题展开研究,从沪昆高铁江西段的工程实际出发,提出了侧面半封闭加压法浇筑道岔板自密实混凝土的施工工艺方法以及配套的自密实混凝土性能要求和配制方法。通过使用新材料配制的自密实混凝土在道岔板填充层施工中实现了全断面流动,有效防止
2、了在老的工艺中经常出现的浮浆、松软层以及工艺性气泡的问题。文章通过现场揭板试验研究了道岔区自密实混凝土填充层施工的最佳工艺条件和对自密实混凝土的性能要求;研究了自密实混凝土的工作性能和浇筑工艺与工艺性气泡的关系;为CRTSII型板式无砟轨道道岔区自密实混凝土浇筑施工提出了一种新的工艺方法,提高了道岔区自密实混凝土施工效率和工程质量。【关键词】高铁无砟轨道;自密实混凝土;全断面流动;浮浆;松软层高速铁路CRTSII型板式无砟轨道道岔是高速铁路不可缺少的线路设备,是高速铁路轨道的一个重要组成部分,也是高速铁路核心建造技术之一。工程质量直接决定高速铁路的安全性、舒适性和耐久性。高速铁路各型板式无砟轨
3、道有一个共同的施工工艺特点,就是首先对位于下部的底座混凝土进行浇筑,再安装事先预制的钢筋混凝土轨道板并对其进行精调,使轨道板方向及水平尺寸符合铺轨时的精度要求。之后需要用合适的材料将精调以后在上部的轨道板与下部的底座之间所形成的空间进行填充,将轨道板进行固定。这个填充层将要起到支撑上部结构重量,保持结构安装的几何尺寸稳定,传递列车运行的冲击力的作用。CRTSI型和CRTSII型板式无砟轨道的线路区域使用均改性沥青砂浆进行填充,区别在于两者所使用的改性沥青砂浆的弹性模量不同。而CRTSIII型板式无砟轨道的填充层和使用高弹性模量的CRTSII型板式无砟轨道道岔区的填充层均使用自密实混凝土进行填充
4、。沪昆高速铁路所采用的CRTSII型板式无砟轨道是引进德国的高铁技术,该型无砟轨道在一般地段上使用高弹性模量的改性沥青砂浆作为填充层,而在道岔区使用自密实混凝土作为填充层。自密实混凝土是具有高流动性、高的间隙通过性和抗离析性,浇筑时依靠其自重作用而无需振捣便能均匀密实成型的高性能混凝土。沪昆高铁CRTSII型无砟轨道道岔岔区底座设计为C40混凝土浇筑而成,位于中间的填充层,按照设计也使用C40的自密实混凝土,在对轨道板精调以后进行填充浇筑。CRTSII型无砟轨道道岔结构从下至上分为:道岔板路基垫层、道岔底座自密实混凝土填充层、道岔板等三层混凝土结构;其道岔填充层为钢筋混凝土结构,采用流动性能良
5、好的自密实混凝土灌注施工。单块面积最大的底座长5.60m、宽2.89m。CRTSII型板式无砟轨道道岔底座填充层自密实混凝土灌注施工工艺为从宽度方向(结构设计限制)一端通过集料斗/罐车+溜槽的方式一次灌注完成,因而底座具有板腔小、钢筋密集、浇筑时自密实混凝土流动距离长等施工难点和特点。如何配制出性能良好的自密实混凝土,以及现场合理的控制自密实混凝土坍落扩展度是本道岔系统填充层自密实混凝土施工的关键。一、高铁无砟轨道自密实混凝土性能特点高速铁路CRTSII型无砟轨道道岔区自密实混凝土使用场合为封闭式体系中,气泡无法排出;多余浆体也无法排出。位于填充层底部的柔性土工布,增加了自密实混凝土的流动摩擦
6、力,要求配置的自密实混凝土要具有极好的流动性。道岔区自密实混凝土浇筑中受到多重阻碍(门型钢筋、限位凹槽、钢筋网片等),这些阻碍增加了自密实混凝土的流动阻力;也增加了自密实混凝土离析的可能;也增加了骨料堵塞的可能。原材料控制难度大;运输距离长,要求混凝土具有足够的坍落扩展度保持能力;受气候、环境温度影响大。自密实混凝土灌注方式为自由流动,单点浇筑。而且自密实混凝土必须一次灌注到位,出现问题无补救措施。在性能上自密实混凝土必须具备足够的自充填、自密实功能。铁路线状结构分布与自密实混凝土原材料敏感性之间存在明显矛盾。不同地域原材料性能差异很大。铁路混凝土用原材料必须就地取材是制约铁路混凝土配制最为关
7、键的因素。另外,与常规振捣混凝土相比,自密实混凝土具有显著的原材料敏感性,这就要求高速铁路自密实混凝土原材料必须相对稳定和固定。搅拌站分布分散与自密实混凝土工作性能经时损失大之间存在大的矛盾。高速铁路混凝土搅拌站多是沿铁路线分布,主要配制C30C50的现浇混凝土和C15的水硬性支承层材料。在铁路沿线还会专门为轨道板厂、轨枕厂和预制梁厂设置一些专用搅拌站。而自密实混凝土是以高工作性能为特征,并且这些高工作性能是以浇注现场的评价指标为准,并不是在搅拌站内的测试结果,有时自密实混凝土的运输距离较长,运输时间就会超过2个小时,夏季施工气温较高,南方地区常常超过35。高温加快了水泥的水化,自密实混凝土的
8、工作性能的保持成为了主要的难题。这些问题对自密实混凝土工作性能的保持提出了很高的要求。综上所诉,高铁无砟轨道自密实混凝土具有高粉体用量、低水胶比、低骨料用量、高砂率的配合比特征以及自密实混凝土高流动性决定了自密实混凝土的敏感性特点,主要表现为对原材料的敏感性、对温度的敏感性以及对于时间的敏感性等等。以下我们分别研究这些敏感性问题及其解决办法。1、自密实混凝土对原材料的敏感性问题。原材料敏感性是指与传统振捣混凝土相比,自密实混凝土的性能尤其是拌合物工作性能受原材料性能波动影响较大。原材料波动包括两个方面:一是不同批次原材料的稳定性,二是同一批次原材料不同部位材料之间的均质性。针对不同批次原材料,
9、应控制不同批次原材料的性质指标的波动在一定范围内。第二种情况多发生在骨料中,骨料堆放的不同部位的细颗粒含量与含水率均在不断随时间发生变化。因此要求在自密实混凝土拌合生产中,必须要正确测定骨料的含水率,以正确的工艺过程和管理措施来给以保证。自密实混凝土坍落扩展度损失是影响自密实混凝土灌注施工的关键因素,原材料质量对自密实混凝土坍落扩展度损失影响比较大,除了有质量优良的聚羧酸高性能减水剂及水泥、粉煤灰等原材料质量满足标准要求且质量稳定外,粗细骨料的含泥量对混凝土坍落扩展度损失影响较大;有试验结果表明,当细骨料含泥量超过2%时,自密实混凝土坍落扩展度损失加剧,为了有效抑制自密实坍落扩展度损失,宜选用
10、含泥量小于1.0%的河砂以及洁净的水洗碎石。2、自密实混凝土对于的温度敏感性问题。温度敏感性是指自密实混凝土拌合物工作性能随温度变化波动幅度大。自密实混凝土的核心是其拌合物的自密实性能,由于自密实混凝土中胶凝材料用量较大,当环境温度较高或者原材料的温度较高时,会加快水泥的水化,自密实混凝土工作性能也将随着温度的提高而损失加快。通常解决的方法为使用缓凝减水剂,控制和延缓水泥的水化,解决温度敏感性问题。3、自密实混凝土工作性能对于时间的敏感性问题。时间敏感性是指自密实混凝土拌和物工作性能随时间的非线性变化。对于自密实混凝土而言,材料性能和施工效果都是靠自密实混凝土自身工作性能来实现。要解决自密实混
11、凝土时间敏感性和温度敏感性问题,保证在高温下自密实混凝土自生产出来到浇筑完成的合理时间内保持工作性能稳定不变,满足自密实混凝土全断面流动排气和流动性能、填充性能的要求,并在合理的加固强度下不使轨道板上浮。这些性能要求,必须要研制和使用新的材料才可能给以满足。通常使用的新材料有两种类型:一种为在水泥混凝土高碱性的液相环境中,能够缓慢释放减水分散有效成分的系列化保坍组分,持续为自密实混凝土补充因水泥水化而消耗掉的减水分散有效成分,实现对于自密实混凝土的持续分散,从而保持自密实混凝土工作性能随时间保持不变,解决自密实混凝土对于时间的敏感性问题二、浇筑工艺对于自密实混凝土施工质量和性能的要求1、无压力
12、自密实浇筑工艺通常的自密实混凝土的浇筑工艺采用的是单侧无压力自流浇筑施工。该工艺方法由于无压力的原因,自密实混凝土从一侧流动到布满整个道岔板需要极大的扩展度,常常要求扩展度到700750毫米;这样的自密实混凝土的保水性已经很差,工作性能处于浆骨料即将分离的边沿状况,极易发生浆骨料分离的问题。所以,该工艺规定了一个舀浆的工艺工程:在自密实混凝土自流浇筑充满整个填充空间以后,还要继续浇筑到浮浆层达到一定的高度再停止浇筑,在自密实混凝土接近初凝以后,由人工进行舀浆作业,去掉浮浆后再进行抹面。很难保证轨道板底部与自密实混凝土的界面上的浮浆彻底排除,浇筑效果较难得到保证。该工艺方法还存在另外一个问题:自
13、密实混凝土填充层随着浇筑的进行,混凝土顶层面基本上同步上升,直到布满整个填充空间,没有明显的驱赶空气的过程。易于在填充层和上部的轨道板底部的结合面上形成所谓的工艺性气泡,影响粘结强度,从而影响到结构的耐久性。有没有更好的工艺方法来解决这个道岔区自密实混凝土填充层施工所存在的问题呢?当然,那就是在CRTSIII型板式无砟轨道填充层自密实混凝土施工工艺中得到广泛应用的加压式浇筑工艺。2、加压式自密实混凝土浇筑工艺具有国内自主知识产权的高铁CRTSIII型板式无砟轨道的填充层也使用自密实混凝土进行填充,与CRTSII型道岔板填充层的施工有一些共同点。在CRTSIII型板式无砟轨道自密实混凝土填充层施
14、工中的经验应该对于CRTSII型道岔区的自密实混凝土的施工工艺的改进有所帮助。CRTSIII型板式无砟轨道填充层自密实混凝土施工采用加压浇筑施工的工艺方法,从位于轨道板中部的浇筑孔中进行浇筑,在轨道板的四周预留有排气孔,轨道板的靠近两端的地方还留有两个观察孔,便于观察自密实混凝土的状态。CRTSIII型板式无砟轨道自密实混凝土的浇筑要求:均匀布满整个填充空间,与上层轨道板底部粘结良好,不能够出现离缝的质量问题。由于采用加压浇筑,轨道板的扣压加固的力必须要足够克服自密实混凝土浇筑时产生的浮力,以防轨道板上浮,影响结构尺寸。CRTSII型道岔区自密实混凝土如果也采用加压浇筑的工艺方法,对于自密实混
15、凝土的要求与CRTSIII型板式无砟轨道自密实混凝土相同。三、轨道板或道岔板填充层浇筑对于自密实混凝土性能的要求1、对于自密实混凝土性能的要求由填充层自密实混凝土在板式轨道中的理想流态分布状态可知,填充层自密实混凝土沿轨道板下空间推进,在较大的阻力下(土工布阻力上流动)穿越板底钢筋间隙,而将轨道板下的狭长空间均匀而密实的填充满,要保证轨道板底部空腔中的填充密实效果以及界面处无有害气泡,填充层自密实混凝土需在板底空间理想流态分布形成全断面式的流动状态。不同灌注方式下,填充层自密实混凝土在轨道板底空间的流动模型如下图所示:液面逐步上升的浇筑方式自密实混凝土流动阻力小,虽然易于灌注,但揭板试验发现板
16、底空间空气难于排净,在界面上形成工艺性气泡;全断面流动的自密实混凝土流动阻力较大,其全断面式的流动推进容易将空气排出,但如果控制不好,其灌注压力太大,则难于将板底空间填充饱满,并易于使轨道板或道岔板上浮。对比两种流动模型可知,自密实混凝土浇筑的难易与自密实混凝土流动面与底面夹角相关。如下图所示:由图3分析可知,流动夹角越大,流动阻力越大,虽然容易形成全断面式流动,容易将气泡排出,但会使灌注压力增大,难以将整个轨道板板底空间灌注饱满和易于使轨道板上浮。夹角越小,流动阻力越小,虽然易于将整个轨道板板底空间填充饱满,但越难以形成全断面式流动,易于出现浮浆、松软层和工艺性气泡。多次揭板试验的结果表明,
17、夹角最佳范围为20度一30度之间。而其不仅与灌注工艺相关,最为重要的是与填充层自密实混凝土的流变性能息息相关。要保证流动角度在2030度之间,必须要保证表征自密实混凝土工作性能的坍落扩展度指标保持在660毫米690毫米之间,T500时间保持在36秒之间。2、评价自密实混凝土性能的理论基础:自密实混凝土的流变学机理流变学是研究实际材料在外力作用下产生的应变和应力,以及与时间因素有关的流变状态。混凝土是一种由胶凝材料、水、外加剂以及粗、细骨料按适当的比例配合、拌制而成的拌合物,经过一段时间硬化而成的具有所需形状、力学性能及耐久性的复合材料。新拌混凝土是一种具有弹、粘、塑性的流体材料。其性能随着水泥
18、水化的进行而不断演变。当其从粘塑性为主的状态逐渐进入以粘弹性为主的状态时称之为硬化混凝土。平时见到的混凝土建筑为其硬化混凝土阶段。自密实混凝土突出了新拌混凝土流变性能,其具有胶凝材料用量大、砂率较高以及使用高性能减水剂等特点。自密实混凝土流变学的基本模型和规律对于研究充填层自密实混凝土拌和物流变性特性来满足板式轨道灌注施工性能要求十分重要。掌握新拌自密实混凝土复杂的工作性能,必须从自密实混凝土流变学机理和模型入手。只有这样才能较好揭示自密实混凝土中各成分的相互作用以及新拌自密实混凝土工作性能的机理,从而建立自密实混凝土拌合物的流变性能与实际工程应用中工作性参数的关系曲线或者关系式,实现现场施工
19、控制与应用。自密实混凝土流变模型研究国外的材料专家在研究水泥混凝土的流变特性时提出了宾汉姆模型,该模型为由塑性元件与粘性元件并联后,再与弹性元件串联而成的流变模型。可以用屈服应力和塑性黏度这两个参数来表征材料的性质,这2个参数满足式(1)。=0+p(v/t)(1)式中:0屈服应力,指流体流动之初的内摩擦力;p塑性黏度;v/t速度梯度或速度指数;当0时,材料结构被破坏而进入液态,按照牛顿黏性体规律连续流动,而且这种流动与(-0)有关系:-0=p(v/t),v/t为黏液流动瞬时变形,由于总变形=e+v中,e为常数,故可得到式(1)。而进入0的黏性流动过程后,当0,则物体又迅速形成新的固态,所以,在
20、施工的过程中(搅拌、运输、泵送、浇筑等),施加于新拌自密实混凝土的外力须大于0与p(v/t)之和。从以上研究分析可以看出:该模型所描述的物体的流变特性是:当外力未达到屈服值之前,表现出弹性固体的性质,没有流动性。只有在外力超过屈服值之后,才具有液体的性质,产生流动。由以上新拌自密实混凝土的流变学分析可知:根据采用宾汉姆体模型来描述的新拌填充层自密实混凝土流变学特性,填充层自密实混凝土为仅依靠自重进行填充轨道板狭窄空间并形成均匀密实的硬化体,这要求其具有尽可能低的屈服应力0,以保证拌和物在较高流动阻力的情况下具有高的流动能力,将轨道板填充饱满;同时,拌合物还应具有适当的塑性粘度系数p,以保证在穿
21、越钢筋填充轨道空间容易形成全断面式流动以及流动过程中保持混凝土拌和物的均质性。如何保证自密实混凝土具有较低的屈服应力0和适当的塑性粘度系数p以及这些参数在合理的浇筑时间内的稳定性就是我们研究自密实混凝土浇筑工艺所要研究的主要内容。四、保证道岔区自密实混凝土浇筑的技术措施和方法使用新材料和新的工艺是保证道岔区自密实混凝土浇筑质量的关键。而借鉴我局在CRTSIII型板式无砟轨道自密实混凝土施工中的成功经验,是一个有效途径。这些经验主要是:1)使用我局的发明专利:自密实混凝土专用减水剂实现高温下自密实混凝土工作性能的长时间稳定保持。2)使用我局的另一个发明专利:自密实混凝土专用粘度改性材料,增加自密
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