一種高速鐵路無砟軌道自充填混凝土專用改性劑
自充填混凝土在高速鐵路中的應用，始于京津城際亦莊車站道岔區充填層，推廣于京滬高速鐵路路基段道岔區充填層，規模應用于CRTSⅢ型板式無砟軌道工程。CRTSⅢ型板式無砟軌道結構是我國具有自主知識產權的新型無砟軌道結構形式，其軌道結構形式如圖1所示。其中，CRTSⅢ型板式無砟軌道結構一大創新之處就是采用自充填混凝土作為軌道板下調整層材料取代了傳統的乳化瀝青砂漿材料，大大提升了整體結構材料性能的一致性和服役壽命。
圖1 CRTSⅢ型板式無砟軌道結構圖示
位于軌道板與鋼筋混凝土底座間的自充填混凝土調整層厚度僅為9cm，長度則達5.6m，寬度為2.5m，中間還分布一層直徑8mm的鋼筋網片，屬于典型的狹長薄板結構，其在結構設計上要求自充填混凝土層需與軌道板混凝土層形成良好的復合整體結構，共同承受上部列車荷載。在板式無砟軌道結構施工工序中，自充填混凝土層為最后施工，自充填混凝土僅能從上層結構軌道板中央直徑不足15cm的灌注孔中灌入調整層，整個模腔上下及四周近乎為全封閉狀態，這要求自充填混凝土必須具有極其良好的施工性能和穩定性能。與正常振搗混凝土相比，自充填混凝土高粉體用量、低水膠比、低骨料用量的配合比特征以及自充填混凝土高流動性決定了自充填混凝土主要性能特點為敏感性，具體表現為原材料敏感性、溫度敏感性、施工敏感性以及時間敏感性。鐵路條狀結構分布與混凝土用原材料就地取材之間的矛盾，則進一步加劇了CRTSⅢ型板式無砟軌道自充填混凝土對原材料的依賴性，再加上施工單位沒有自充填混凝土施工方面的技術儲備，造成了早期工程試驗階段自充填混凝土施工存在較多質量缺陷。
高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道結構填充層的特殊性，不僅要求灌注充填層的自充填混凝土拌合物性能具有優異的流動穩定性和塑性穩定性，還要求其具有優異的體積穩定性和耐久性能。自充填混凝土專用改性劑在不降低自充填混凝土高流動性和自充填性的前提下，提高混凝土拌合物體系的塑性粘度，有效抑制混凝土拌合物的離析、泌水、浮漿等問題，并能適當延長自充填混凝土的可操作時間。保證了自充填混凝土在施工過程中的穩定性，使氣泡不會上浮與自充填混凝土表面，降低自充填混凝土與軌道板的粘結能力，同時阻止骨料下沉，提高自充填混凝土的勻質性。同時，還能大幅提高自充填混凝土與軌道板的界面粘結強度，有效降低自充填混凝土的收縮變形，確保自充填混凝土與軌道板的粘結成統一整體，共同起到承載和傳力作用。
通過在自充填混凝土中使用本發明的改性劑材料，可起到以下顯著有益作用：
（1）改善自充填混凝土工作性能，提高氣泡穩定性，顯著抑制泡沫層的產生
采用可以均勻分散在自充填混凝土中的增稠組分，其長的分子鏈聯接著水泥與細骨料，作用機理如圖2所示，通過不同官能團間的交互作用，形成一個空間網絡結構，它們像“柔性膠”一樣保持細粉顆粒處于勻質的懸浮狀態，起到增加拌和物漿體粘度和穩定性、抑制泌水和氣泡上浮等作用，并可阻止骨料下沉，確保自充填混凝土經過板腔內的長距離流動以及鋼筋網片的切削分隔作用下不發生離析、泌水以及大量氣泡逸出等問題，有效抑制在自充填混凝土和上層軌道板混凝土間產生泡沫層等嚴重影響兩層結構整體性的質量缺陷，如圖3所示。
圖2 增稠劑在自充填混凝土中的作用機理示意圖
圖3 自充填混凝土與軌道板混凝土間的泡沫層缺陷
（2）顯著降低自充填混凝土的用水量敏感性
通過選用特殊的增稠這份和高效緩凝保坍組分，實現摻加本發明改性劑材料的自充填混凝土用水量容忍度大于15kg/m3，即可保證當原材料河砂含水率增大2%以內自充填混凝土性能不會發生明顯劣化。
（3）顯著提高自充填混凝土與軌道板的界面粘結強度
粘結強度是表征充填層自充填混凝土與軌道板混凝土粘結能力高低的指標，粘結強度越高，說明充填層自充填混凝土與軌道板混凝土整體性越好。自充填混凝土與C60軌道板混凝土粘結，如圖4所示，采用劈裂抗拉強度表征充填層混凝土與軌道板混凝土的粘結能力，摻入改性劑的自充填混凝土比基準混凝土劈裂抗拉強度高13%。
圖4 自充填混凝土粘結強度試件測試
（4）顯著提高自充填混凝土的體積穩定性
自充填混凝土填充于封閉的充填層，如果體積穩定性差，在灌注完成后導致自密實混凝土與軌道板脫離，形成離縫，無法使自充填混凝土層與軌道板形成統一整體，達到承載和傳力作用。摻入專用改性劑的自充填混凝土可顯著降低塑性收縮和干燥收縮，24h塑性收縮可降低50%，56d干燥收縮可降低至375με，如圖5和圖6所示。
圖5 改性劑對自充填混凝土塑性收縮的影響
圖6 改性劑對自充填混凝土干燥收縮的影響
（5）大幅提高自充填混凝土的耐久性能
通過本發明改性劑對自充填混凝土孔結構的細化和優化，大幅提高自充填混凝土的抗凍性能和耐久性能。
圖7 改性劑對自充填混凝土孔結構分布的影響
圖8 改性劑對自充填混凝土抗凍性能的影響
本發明大幅提升了我國自充填混凝土的制備技術水平；擴大了自充填混凝土的適用范圍，解決了自充填混凝土制備時易產生的離析、泌水、浮漿等關鍵技術難題，保證了施工質量，降低了自充填混凝土的收縮，降低了其開裂風險，延長了自充填混凝土的使用壽命。本發明所涉及一種高速鐵路無砟軌道自充填混凝土專用改性劑，其在組成上取得了創新，解決了現有自充填混凝土存在的問題并豐富了自充填混凝土的制備技術，實現了自充填混凝土施工質量的可控，顯著降低了自充填混凝土的損耗以及由于質量缺陷而返工帶來的大幅成本增加。本發明在我國多條高速鐵路上得到了廣泛應用，為國家節省成本1.7億元（按減少10%自充填混凝土質量事故計算）以上。綜合比較國內外自充填混凝土技術研究和工程應用現狀，本發明技術處于國際領先水平。
專利權人：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所
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