CRTSⅢ型先张法轨道板平面度控制研究

CRTSⅢ型先张法轨道板平面度控制研究

邵将,陈昌

中铁四局集团有限公司第八工程分公司  安徽合肥  230041

摘要：本文立足于以往CRTSⅢ型轨道板生产预防中央翘曲的经验，结合新建济南至莱芜高速铁路CRTSⅢ型轨道板生产过程中出现的翘曲现象，以及控制翘曲采取的一系列措施，主要从模具预设反拱、模具存放架起拱、混凝土状态、蒸汽养护等方面展开研究，有效的控制轨道板的翘曲，保证高铁列车运行的平顺性。

关键词：CRTSⅢ型轨道板；平面度；翘曲；混凝土；养护

1.研究背景

本文的研究以新建济南至莱芜高速铁路CRTSⅢ型轨道板生产为基础，CRTSⅢ型轨道板是我国具有独立自主知识产权的技术体系，优点有结构受力好、轨道平顺度高、耐久性好，而且后期维护也较为方便，为我国高速铁路建设进步打下了坚实的基础并提供了强有力的技术支撑。

新建济南至莱芜高速铁路，线路全长117km，DK0～DK17段为有砟线路，DK17～DK117段为无砟线路，采用CRTSⅢ型轨道板。济南轨道中铁新型建材有限公司负责济莱全线35173块轨道板的制造，采用国际领先水平的流水机组法生产线。针对轨道板生产过程中存在的平面度翘曲变形问题进行了研究。通过对生产工艺的调整，采取一系列防控措施，有效的降低了轨道板的翘曲变形，明显提升了轨道板平面度控制效果。

图1 新建济南至莱芜高速铁路线路走向图

2.轨道板翘曲变形的危害

根据《高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道先张法预应力混凝土轨道板暂行技术要求（流水机组法）》（TJ/GW 156-2017）的要求：轨道板四角的承轨面水平允许偏差为±1.0mm；单侧承轨面中央翘曲量≤2.0mm。轨道板翘曲变形超限影响轨道铺设及列车通过的平顺性，并且造成轨道高程调整量大，精调扣件使用量增多，精调作业难度增大，制约了轨道施工总体进度。如超限较大，则轨道板需按照废品进行报废处置，导致生产成本的增加。

3.影响轨道板翘曲变形的主要因素

  以P5600型轨道板为例，长度5600mm、宽度2500mm、厚度200mm，采用“整体普通钢筋骨架+双向预应力体系”的结构形式。预应力筋采用螺旋肋钢筋，抗拉强度不小于1570MPa，为保证均匀的将预应力传递到轨道板，在每根预应力筋的端部设置了锚固板，φ30mm，降低了轨道板中央翘曲变形，还有效提升了轨道板承载能力。经过研究分析，影响轨道板翘曲变形的因素主要有：模具抵抗变形能力、混凝土状态、蒸汽养护、模具存放架平整等。

4.轨道板翘曲变形控制措施

4.1模具设计选型控制

模具的强度、刚度、稳定性和精确度是保证轨道板外形尺寸、抵抗翘曲变形的基础和前提，必须符合生产实际要求。考虑生产过程中的动载荷影响,应对轨道板模具的结构进行调整或优化,以减少模具的内应力,防止其变形,提高轨道板的精度。在模具设置反力张拉杆，给模具纵向、横向施加预应力,抵消预应力筋的张拉力，使模具自身的变形量减小,实现了轨道板上拱的目的,有效的提高了轨道板翘曲控制的合格率。

4.2混凝土状态的优化

4.2.1混凝土配合比优化

CRTSⅢ型无砟轨道板混凝土强度等级为C60，每立方混凝土胶凝材料用量不大于450kg，水胶比不大于0.35，坍落度不大于100mm，含气量为2.0%-4.0%。混凝土配合比由中铁四局集团工程质量检测中心通过试验确定，理论配合比为：水泥：掺合料：砂：碎石：减水剂：水=401: 45: 684:1165:3.46:125，其中每立方混凝土胶凝材料用量为446kg，水胶比为0.28，砂率为37%。

通过对理论配合比进行试拌时发现，混凝土拌合物工作性能不佳，混凝土粘聚性差，在轨道板试生产过程中混凝土流动性差，分析原因时发现进场的河砂细度模数为2.9-3.0，与混凝土设计时偏粗，提高2%的砂率，改为39%，碎石选用二级配为5-10mm，10-20mm比例为3:7，其次外加剂和水泥的相容性较差，调整外加剂成分。经过多次试验，最终确定调整后的混凝土配合比为水泥：掺合料：砂：碎石（5-10mm）：碎石（10-20mm）：减水剂：水=401: 45: 721:338:790:3.46:125。

混凝土拌合物状态调整试验记录详见下表：

表1 混凝土调整一览表

经过多次试验，通过调整外加剂成分和砂率，最终确定使其混凝土拌合物性能状态调到满足施工生产，确定外加剂掺量为1.0%，砂率为39%，混凝土用水量通过实测含水率来确定用水量。

图2 调整前混凝土                             图3 调整后混凝土

混凝土拌合物性能：采用混凝土输送系统+运灰料斗方式进行的运输，混凝土的坍落度在入模时实测值在80-100mm，含气量在2%-4%。

混凝土耐久性：现场成型混凝土标养试块、弹性模量试块、抗冻试块，送铁科院进行型式检验验证，满足《高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道先张法预应力混凝土轨道板暂行技术要求（流水机组法）》（TJ/GW 156-2017）的规定要求。

4.2.2 混凝土浇筑、振动优化

混凝土浇筑时，模具温度在5℃～35℃。混凝土拌和物入模温度控制在5℃～30℃。若模具温度过高或过低，则在温控工位对模具进行降温或升温处理，直至模具温度符合要求。

混凝土浇筑时每个振捣台位均配置了振动器，根据振动器的有效作用范围，每个浇筑振捣台配置了10个振动器，为便于拆卸和更换，浇筑振捣台与振动器采用螺栓连接。采取由一端向另一端依次浇筑的办法。

混凝土布料及振动频率调整：

（1）混凝土布料分三层进行:第一层(约10cm厚)浇筑后，振动5s（频率80hz）+10s（频率85hz）+40s（频率90hz）+10s（频率80hz）。第二层(约8cm厚)浇筑后，振动5s（频率80hz）+10s（频率85hz）+40s（频率90hz）+10s（频率80hz）。第三层(约2cm厚)浇筑后，低频振动约30s（频率80hz）。

振动频率过大，混凝土振完后容易离析，表面容易出现浮浆。

（2）混凝土布料分三层进行:第一层(约10cm厚)浇筑后，振动5s（频率60hz）+10s（频率70hz）+40s（频率80hz）+10s（频率60hz）。第二层(约8cm厚)浇筑后，振动5s（频率60hz）+10s（频率70hz）+40s（频率80hz）+10s（频率60hz）。第三层(约2cm厚)浇筑后，低频振动约30s（频率60hz）。

振动频率较小，混凝土不易振动密实，脱模后轨道板面气孔较多。

（3）混凝土布料分三层进行:第一层(约10cm厚)浇筑后，振动5s（频率75hz）+10s（频率83hz）+40s（频率89hz）+10s（频率78hz）。第二层(约8cm厚)浇筑后，振动5s（频率75hz）+10s（频率83hz）+40s（频率89hz）+10s（频率78hz）。第三层(约2cm厚)浇筑后，低频振动约30s（频率75hz）。

振动效果较好，混凝土振动密实，表面浮浆较少，脱模后轨道板面气孔较少。

在轨道板试生产期间通过振捣工艺性试验，确定了最佳振动频率、振幅和时间等工艺参数。混凝土布料分三层进行:为10cm+8cm+2cm。振动频率为：5s（75Hz）+10s（83Hz）+40s（89Hz）+10s（78Hz）。

图4 混凝土浇筑、振动

4.3模具预设反拱

选取10组5600型模具做预拱度工艺性试验，平面度数据如表2，可以发现张拉后P5600型模具预拱度会减小1.0-1.5mm，P4856和P4925两型模具预拱度减小1.0mm。这就解释了为什么预拱度为0的P5600模具脱模后成品板中央翘曲量就达到1.5mm。水养3天后快速增长至2.0mm，28天后增长至4.0mm，然后稳定。针对这种规律，我们对模具做不同的预拱度设置，记录张拉后模具平面度的数据，找到了模具最优预拱度，如表3。把模具的预拱度设置为2.5mm，使得模具在张拉后仍具有1.0的预拱度，脱模后的成品板中央翘曲量为-1.0mm，水养3天后增长至0mm，28天后增长至1mm，然后稳定。这一举措取得了很好的成效。图5为将模具预拱度设置为1.8mm。

表2 未设置预拱度时模具张拉前后平面度

表3 设置不同预拱度时模具张拉前后平面度

图5 模具平面度俯视图

4.4模具存放架起拱

针对模具预拱度设置不足的难点，可考虑存放架起拱的方式解决。首先，浇筑后混凝土与模具合计重量约20吨，在模具存放架中间设置起拱，利用模具与混凝土的自重，形成模具两端低中间高的养护姿态，具有可行性。然后，对每个存放架进行高程测量，根据数据制定调整方案，将存放架调整为中间比两端高1mm。这样，所有模具在混凝土养护阶段预拱度都能控制在1.0mm，避免了成品轨道板中央翘曲后期增长过快，甚至超限。

4.5蒸汽养护

通过对蒸汽养护参数、时间的优化，能有效防止轨道板因内外温差过大及恒温温度过高而导致的翘曲变形问题，必须对蒸汽养护过程中的升温、降温速率及恒温时的温度严格控制。

4.5.1 蒸汽养护对翘曲变形的影响

静停阶段可以提高水泥的水化程度，形成一定量的高分散水化物填充在毛细孔内并吸附水分，减少升温时体积膨胀对结构的破坏，静停时间应适当延长。

升温阶段是混凝土结构的定型期，决定着蒸汽养护质量。升温速度调节着混凝土硬化和热胀变形的关系，避免温度应力过大造成的混凝土开裂。水泥的热胀变形能力远大于钢质模具，控制不到位会造成轨道板与模具连接部位温度应力增大，从而造成不可恢复的翘曲变形。

恒温阶段是混凝土强度的主要增长期，通常认为温度越高，养护时间越长，混凝土强度就越高。当获得一定强度时，水化产物充满混凝土空间，仍会有水泥粒子在水化，生成水化产物，使固相体积增大。在钢模约束下，混凝土产生内压由轨道板底面释放，对已定型的结构施加变形应力。

降温阶段对混凝土强度仍有一定影响，若表层降温过快，收缩亦快；芯部降温过慢，收缩亦慢，轨道板里表产生较大温差，在温度阶梯的作用下，表层会产生一定的拉应力，当拉应力超过了混凝土抗拉强度时，就会出现裂缝。

4.5.2 蒸汽养护时间及参数的优化

《高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道先张法预应力混凝土轨道板暂行技术要求（流水机组法）》（TJ/GW 156-2017）对蒸汽养护的要求：轨道板蒸汽养护时，应采用自动温控设备进行调节。蒸汽养护分为静置、升温、恒温、降温四个阶段；混凝土浇筑后在5℃～30℃的环境中静置3h以上方可升温，升温速度不应大于15℃/h；恒温时蒸汽养护温度不宜大于45℃；降温速度不应大于10℃/h。轨道板混凝土养护期间，板内芯部温度不应大于55℃；轨道板芯部混凝土与表面混凝土之间、表面混凝土与环境之间的温差均不应大于15℃。

轨道板生产为工厂化施工，主要工序均在封闭的车间内完成，全年生产的平均温度在25℃左右，冬季施工平均温度在15℃左右。通过试生产阶段确定了蒸汽养护的时间及参数为：3h静停+3h升温+8h恒温+3h降温。①静停阶段设置：轨道板进入蒸养仓后静停3h开始蒸汽养护。②升温阶段设置：养护时设定的目标温度为32℃，升温速率≤5.7℃/h。③恒温阶段设置：8h恒温养护，养护时的板芯温度≤42℃，可根据具体的环境温度及生产组织情况，适当的调整目标温度、板芯温度。④降温阶段设置：降温时间为3h，降温速率≤5.7℃/h。

总蒸汽养护时间为17h，可结合实际情况适当调整。充足的静停时间有效提高了水泥的水化程度。养护过程中的补水：第一次喷淋时间为轨道板进入蒸养仓内至少5.5h，过早的喷水可能会造成轨道板板底坑洼，影响外观；然后每30min补水一次，保证轨道板保湿养护，防止出现裂纹。蒸汽养护按照“慢升温、低恒温、缓降温”的原则进行，可以有效控制由于温度阶梯引起的轨道板翘曲变形。

5.轨道板平面度实际效果

通过采取的以上各项措施，有效的控制了轨道板单侧承轨面翘曲量，通过实际测量，合格率最终稳定在100%，如表4所示。单块轨道板平面度整体发展趋势改观也较为可观，图6至图11为轨道板一年以内不同时间节点平面度偏差俯视图。

表4 不同时间轨道板平面度数值

图6 脱模后2h轨道板平面度                   图7 脱模后72h轨道板平面度

图8脱模后28d轨道板平面度                    图9脱模后90d轨道板平面度

图10脱模后180d轨道板平面度                       图11脱模后360d轨道板平面度

6.结论

在工厂内生产CRTSⅢ型轨道板时，单侧承轨面中央翘曲变形是可以通过采取措施来控制的。通过对模具质量控制、预设反拱、蒸养仓内模具存放架起拱、混凝土状态控制、蒸汽养护过程参数及时间控制等过程优化管理，加强生产各阶段的质量监测，大幅提升了轨道板平面度控制的合格率，降低了后期无砟轨道精调作业难度，减少了精调工作量，保证了线路开通后列车运行的平稳性。

参考文献

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作者简介：

邵将，（1990- ），男，安徽蚌埠人，毕业于安徽建筑大学，助理工程师，电话：15256090590，

地址：合肥市阜阳北路365号中铁四局八分公司，邮箱：951231172@qq.com

陈昌,（1989- ），男，安徽阜阳人，毕业于中国地质大学，工程师，电话：19956800528，地址：合肥市阜阳北路365号中铁四局八分公司，邮箱：1609708700@qq.com

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