用于高速铁路CRTSⅢ型无砟轨道底座板混凝土配合比设计

【摘要】随着高铁技术的不断发展，高铁建设遍布大江南北，高铁建设中出现的各种问题也随之而来，本研究针对高速铁路底座板施工后出现的开裂问题进行了研究，采用对高速铁路CRTSⅢ型无砟轨道底座板混凝土配合比方面进行着手，以采取“三低一高”配合比设计方案和掺加内养护剂两种方法，来改善底座板后期出现开裂状况的问题。

【关键词】配合比设计;三低一高;现实意义;实际应用效果

根据以往高速铁路底座板混凝土施工现场来看，底座板混凝土面临的最大问题就是表面容易出现裂纹，进而出现开裂的情况。底座板混凝土在经历1～2个冬季后，严重的还会出现表面开裂、粉化，更进一步发展成为表面剥落粉化的恶性循环状况，导致后期不得不加大成本来对底座板混凝土进行维修工作。因此，在对导致底座板出现开裂的原因进行分析后，提出了配合比“三低一高”的设计思路和掺加内养护剂两种思路，通过现场施工试验验证，新配合比施工的底座板混凝土有效降低了底座板混凝土表面出现开裂的情况。

1、工程概况

商合杭铁路站前十七标起迄里程DK628+815.78至DK674+162.9，线路长度44.588公里。正线路基长18.199km（路改桥变更后），共计34段，占40.8%;桥梁共计26.389km，占59.2%，本次试验设计配合比为桥梁段CRTSⅢ型无砟轨道底座板用混凝土，配合比于2018年3月开始进行试验设计，2018年5月经验证，强度及耐久性指标满足要求，同月于现场开始进行试验段验证，现场情况表现良好，达到了预期目标。

2、导致底座板混凝土开裂的原因分析

普通混凝土配合比胶凝材料用量高、用水量大、设计配合比坍落度一般为（160～200mm）、含气量低、早期强度高。

（1）胶凝材料用量高、用水量大：高胶凝材料用量会进一步放大因胶凝材料本身的收缩引起的开裂情况，另外使得混凝土干燥收缩大，因而产生易开裂的情况;

（2）混凝土坍落度大：坍落度大的混凝土在振捣后易产生离析、分层、泌水，使得混凝土表面产生大量浮浆，引起混凝土表面析浆，密实度不够的情况，从而导致表面开裂;

（3）含气量低：含气量低会导致混凝土的工作性和抗冻性低，在冬季会因低温导致混凝土表面出现开裂。

本次试验采用“低胶凝用量、低用水量、低坍落度、高含气量”的“三低一高”混凝土配合比方案设计底座板混凝土配合比，在保证混凝土耐久性、工作性的前提下，提高混凝土的抗裂性。

3、混凝土配合比原材料选择

（1）水泥：选用宜兴天山生产的P·O42.5级普通硅酸盐水泥，经试验，本次配合比设计所选水泥的3d和28d抗压强度分别为26.5MPa和47.8MPa;

（2）粉煤灰：选用宣城电厂生产的F类Ⅰ级粉煤灰，相比F类Ⅱ级粉煤灰，F类Ⅰ级粉煤灰具有性能更稳定，需水量比更低的优势，能进一步的降低混凝土拌和用水量，本次试验选用的粉煤灰细度为10.4%，需水量比为89%;

（3）集料：粗集料选用安鑫建材生产的（5～10）mm和（10～20）mm兩级配碎石，两档碎石合成比例为5：5。细集料选用产地为江西赣江的细度模数为2.5的Ⅱ区中砂。

（4）外加剂：配合比试验用外加剂选用引气型聚羧酸系高性能减水剂，生产厂家为徐州鑫固公司，减水剂减水率为29%。

（5）内养护剂：使用中铁科学技术开发公司生产的内养护剂，氯离子含量为0.04%，碱含量为0.29%，三氧化硫含量为17.86%。

4、底座板配合比设计

CRTSⅢ型无砟轨道底座板设计强度为C40，环境等级、类别为T2，混凝土浇注方式采用泵送施工。本次试验混凝土配合比设计选用按照“三低一高”配合比的思路来进行设计，具体指标按照以下要求来进行：胶凝材料用量不宜超过380kg/m3，混凝土用水量不宜大于150kg/m3，坍落度控制：80mm～120mm范围内，混凝土入模含气量不宜小于4%。

4.1不掺加内养护剂底座板混凝土配合比：

首先确定配置强度：由公式 fcu，o=fcu，k+1.645σ（其中标准差σ采用5.0MPa），fcu，o=40+1.645×5.0，则试配强度 fcu，o =48.2MPa;根据先关要求，初步确定水胶比为W/C=0.38;根据“三低一高”原则和经验，用水量选取为144 kg/m3;根据用水量和水胶比计算得出胶凝材料用量为380 kg/m3;其中粉煤灰掺量为25%，计算得出粉煤灰用量为95 kg/m3，水泥用量为380-95=285 kg/m3;砂率初步选取为0.38，混凝土假定容重为2360 kg/m3，计算出碎石用量为1138 kg/m3，砂用量为698 kg/m3。

f、外加剂用量：根据减水剂减水率，减水剂掺量设计为胶凝材料用量的1.0%。

计算得出减水剂用量为3.80 kg/m3，引气剂用量为3.04 kg/m3。/7.理论基准配合比：水泥：粉煤灰：砂子：碎石：水：聚羧酸减水剂 = 285 ： 95 ： 696 ： 1136： 144：3.80=  1.00：：0.33 ：2.44 ：3.99 ：0.51：0.013

根据以上思路，最终确定混凝土配合比为：

根据上表配合比拌制混凝土，混凝土拌合物出机性能为：坍落度115 mm;混凝土含气量为4.7%;混凝土容重为2370 kg/m3;出机30min混凝土坍落度为110 mm;混凝土出机60min坍落度为100 mm;实测容重与计算容重偏差+0.4%，未超过±2%。混凝土泌水率为0，压力泌水率为0。拌合物工作性能与保坍性能良好，确定以该配合比水胶比0.38为基准配合比上下浮动水胶比，分别选取0.36和0.40的水胶比进行试拌。最终56天抗压强度0.36水胶比为54.0Mpa，0.38水胶比抗压强度为50.1 Mpa，0.40水胶比抗压强度为47.3 Mpa，根据混凝土抗压强度，最终选定水胶比为0.38的配合比。该配合比混凝土初凝时间为8小时45分钟，终凝时间为11小时15分钟，电通量为789，56天收缩率为238×10-6。混凝土的总三氧化硫含量，计算包括水泥、矿物掺合料、外加剂及水的三氧化硫之和与胶凝材料用量之比，计算结果为1.58%。混凝土总碱含量取水泥、粉煤灰、外加剂及水的碱含量之和，其中粉煤灰的可溶性碱量取粉煤灰总碱量的1/6，计算得出总碱含量为1.52 kg/m3。氯离子总含量包括水泥、矿物掺合物、粗骨料、细骨料、水、外加剂等所含氯离子含量之和和胶凝材料的比值，计算结果为0.04%。该混凝土配合比各项性能指标均能满足相关规范及设计要求，现场根据该配合比进行施工，混凝土性能表现良好，能够满足现场施工要求。

4.2掺加内养护剂底座板混凝土配合比设计

内养护剂含有吸水保水组份材料，能够通过前期吸水，混凝土后续水化过程中释放出水分，维持混凝土内部的充分湿润，通过补偿混凝土内部水分消耗，提高内部湿度来抑制自身收缩，通过降低，可以有效的降低混凝土开裂率，同时对混凝土结构耐久性有所提高。本次试验在原有配合比基础上加入内养护剂来进一步改善底座板混凝土出现开裂的情况，内养护剂用量根据现场混凝土裂纹数量进行调整，一般为胶凝材料用量的5.5%～10%，本次试验选用掺配比例为7.9%。同时降低粉煤灰掺量，保持胶凝材料总用量为380不变。

掺加内养护剂配合比为：

（见表2）

根据上表配合比拌制的混凝土，出机拌合物性能为：混凝土坍落度为105mm;混凝土含气量为5.4%;混凝土容重为2370kg/m3;出机30min混凝土坍落度为110mm;混凝土出机60min坍落度为100mm;混凝土泌水率为0，压力泌水率为0。拌合物性能良好，56天抗压强度为51.6Mpa电通量为732，56天收缩率为302×10-6。三氧化硫含量为1.69%，氯离子含量为0.03，总碱含量为1.59 kg/m3。各项指标均能满足要求。

5、现场施工情况

现场根据本次底座板混凝土配合比进行现场试验段施工，施工试验地点为商合杭铁路站前十七标（SHZQ-17标）中铁二十四集团港溪特大桥自第11跨至第25跨进行施工。港溪特大桥第11#梁至15#梁底座板混凝土采用原普通C40等级混凝土配合比进行施工，后期部分底座版混凝土表面出现细微裂纹，个别底座板混凝土出现狭长非贯通裂纹;第21-30跨底座板混凝土采用“三低一高”未掺加内养护剂配合比进行施工，后期观察底座板混凝土表面只有第26跨底座板混凝土出现细微裂纹;第31-40跨底座板混凝土施工选用“三低一高”加内养护剂配合比施工，通过后期观察，所有底座板混凝土表面均未出现裂纹情况。说明新配合比对抑制底座板混凝土表面出现裂纹是有效的。

6、总结分析

通过对底座板混凝土配合比进行调整，经过后期观察，随着胶凝材料用量的减少和坍落度的降低，混凝土表面出現开裂的情况有了明显的好转。但随着混凝土坍落度的降低，混凝土的工作性和流动性也随之受到影响，低坍落度混凝土加大了现场混凝土振捣和收光工作的工作量，我们需要通过提高混凝土含气量的方式来保证泵送对混凝土的流动性要求，在提高含气量的同时，混凝土的强度会随着含气量的提高而降低，这里需要通过试验来确定一个平衡点保证混凝土的各项性能指标能够满足各项要求。本次配合比试验通过试验验证，得出坍落度范围在80～120mm的混凝土，含气量控制在5%～6%范围内可以满足泵送要求，同时对混凝土强度不产生过大影响，能够满足混凝土工作性和耐久性能要求。内养护剂根据现场混凝土情况，如混凝土表面开裂情况不能达到目标要求的情况下，可以适当掺加内养护剂来进一步进行改善混凝土表面开裂的情况，最终达到相应的质量要求。

参考文献：

[1]新建商合杭铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道底座板“三低一高”混凝土试验阶段总结--吴俊杰

[2]《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》（GB/T50080-2016）

[3]《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB10424-2018）

作者简介：

颜鹏，男（1988-1），汉族，本科，工程师，主要从事研究方向：工程试验检测。