第1章绪论
1.1板式轨道自密实混凝土充填层概述
1.1.1构造特点
板式轨道是我国高速铁路采用的主要轨道结构型式之一，先后发展了CRTSI型板式无砟轨道、CRTS n型板式无砟轨道和CRTS m型板式无砟轨道等多种类型[1]。鉴于其优良的平顺性和可靠性，板式轨道已在我国新建高速铁路、城市地铁中得到广泛应用。图1-1所示为典型板式轨道结构轨下主要部件构成断面示意图。
由图1-1可知，钢轨以下的板式轨道结构主要由轨道板（蒸养混凝土）、充填层和底座等组成，其中充填层是其关键结构层，前期为水泥乳化沥青砂桨充填层，目前主要为自密实混凝土（self-compacting concrete，SCC）充填层，其主要作用是调整、支撑、传力及减振吸能等，也称为调整层。本书着重研究高速铁路CRTSH型板式无砟轨道自密实混凝土充填层，即采用自密实混凝土灌注充填工艺建造的薄层状结构。在建筑工程领域用作隔声、保温、找坡或敷设管线等用途的构造充填层不属于本书讨论的范畴。
近年来，我国现代轨道交通基础设施建设发展迅猛。截至2024年底，我国高速铁路已开通运营48000多km、城市轨道交通营运里程超过10000km，其中*近建设的很大一部分线路都采用了自密实混凝土充填层技术。自密实混凝土充填层技术是我国自主研发的crtsm型板式无砟轨道技术体系的重要组成部分，不仅已在我国高速铁路建设中实现了规模化工程应用，还在我国高速铁路“走出去”中发挥了重要作用[1，2];同时，由于该技术的优越性，已逐渐被城市地铁新型轨道结构借鉴采用。图1-2所示为采用自密实混凝土充填层技术的高速铁路、城市地铁的典型板式无砟轨道结构示意图。可以预见，自密实混凝土充填层技术具有广阔的应用前景。
自密实混凝土充填层技术是保障板式无砟轨道结构平顺性的核心技术之一，也是高速列车平稳、舒适和低噪声运行的良好保证。为实现此目标，轨道结构通常需要按照以下工序进行建造施工：*先进行*下部的基础和底座板施工；其次在施工完成的底座板上部铺设土工布层、布置钢筋网片等；再次根据线路平顺性要求和轨道高程铺设预制轨道板并进行轨道板位置精调；*后采用灌注充填工艺对轨道板与底座板之间的充填层进行充填施工，直至充填饱满，*终使整个板式无砟轨道结构达到设计要求的高平顺性标准。图1-3所示为施工完成的某高速铁路CRTSm型板式无砟轨道结构。
在运营过程中，轨道结构需要承担来自列车的自重荷载及其运行中产生的冲击荷载、各结构层之间的约束荷载以及环境作用等[2]。自密实混凝土充填层与上
部轨道板之间通过黏结作用形成复合板结构，主要发挥支撑、传力、限位等作用。支撑、传力主要是指充填层承担来自上部轨道板传递的荷载并将荷载向下部传递等;CRTSm型板式无砟轨道结构主要通过嵌合于底座板的凹形槽来限制轨道结构水平位移；另外，高速铁路CRTSm型板式无砟轨道中充填层与底座板之间设有土工布层，而地铁新型板式轨道充填层与轨道板之间则设有弹性橡胶垫，起到隔离或减振降噪的作用，这一层被称为隔离层或弹性垫层。
由此可知，自密实混凝土充填层在板式无砟轨道结构中有重要作用，是CRTSm型板式无砟轨道结构的关键部件。
1.2自密实混凝土技术现状
SCC自20世纪80年代中期在日本诞生以来，至今已有近40年的发展历程[3，4]。鉴于SCC性能的优越性，其在世界各国得到了广泛关注。SCC的研究与应用已在世界范围内展开，取得了很大的进展。
国内外相关领域的研究人员及学术组织在推动SCC的工程应用实践方面做出了很多贡献，世界各大混凝土领域的学术组织纷纷成立了相关的专门委员会。各有关国家或机构也逐步形成了适用于各自特点和条件的自密实混凝土应用技术指南（规程），包括日本、欧盟、美国等均制定了相应自密实混凝土技术指南；中国土木工程学会也于2004年发布了CCES02—2004《自密实混凝土设计与施工指南》，并在随后又制定了多个有关自密实混凝土应用的地方或行业技术规程。虽然上述自密实混凝土相关技术指南或规程还有待在未来实践中不断完善，但这些技术指南的制定对于促进SCC的工程应用具有重要意义。
SCC优异的工作性能使得其在工程应用中显示出巨大的潜力。可以说，SCC的出现使得传统的混凝土工程结构的施工方法发生了变革，其符合建筑技术发展对混凝土性能的新要求。随着现代建筑技术的发展，各种形状复杂、配筋密集的构件不断出现，采用普通混凝土制作的构件已无法用于有效施工，SCC应运而生。在我国一些大型重要工程建设中都采用了SCC及其技术，如北京奥运场馆、国家大剧院以及一些带有地标意义的超高层建筑工程，从而解决了实际工程中出现的诸如不允许振捣、无法振捣以及难以振捣密实成型等施工技术难题。特别是近年来，随着SCC关键技术的不断突破以及人们对SCC优越性的认识不断加深，SCC得到了更为广泛的推广应用。当前，SCC的应用领域涉及了大部分土木工程领域，如现场灌注施工的新建工程、修补工程以及工厂化生产的预制构件等，几乎涵盖了铁路工程、建筑工程、水利工程、公路工程、市政工程等各个工程领域。
当然，SCC技术一直在研究与应用实践中不断完善。随着现代新型、复杂工程建设向智能/智慧建造发展，SCC技术将发挥更大的作用，并助力更多现代新型工程结构的高效、高质量以及智能建造，期待SCC技术和工程应用实践取得更大突破。
以下着重对SCC主要性能特点进行阐述。
1.2.1拌和物的工作性
SCC拌和物的工作性（亦称和易性）是其区别于普通混凝土*为关键的工程性能之一，决定其能否在仅依靠自重力作用的条件下进行均勻密实灌注施工，即自密实性能。SCC拌和物的工作性一直是相关研究的焦点。相对于普通混凝土，新拌SCC工作性的内涵更为丰富。
1.作为流体的流变性
本质上，新拌SCC属于一种组成复杂的流体，运用流变学知识分析这一复杂系统的流变性能有助于理解其在灌注施工过程中是否具有合适的工作性。
除常见的水、油等这些牛顿流体外，大多数流体一般是由颗粒分散相和液体连续相组成的复杂悬浮体系，表现出复杂的流变行为。屈服应力、塑性黏度是描述流体流变性的两个基本参数，其各自与流体系统中的颗粒性质、颗粒分布与体积分数以及连续相性质等密切相关[5]。通常流体在稳态条件下的流变行为可用Herschel-Bulkley流变方程进行描述[6]，如式（1-1）所示：
（1-1）
式中，r为施加的剪切应力；r。为屈服应力，即流体产生流动所需的初始剪切应
力；r为剪切速率；々为塑性黏度系数，描述相应剪切应力与剪切速率之间的关系；n为与流体类型有关的指数。
如式（1-1）所示，当、n取不同值时，分别对应不同流变特性的流体材料，且只有当施加的剪切应力大于屈服应力时，流体才会发生相应的流动和变形。当t0=0、n=1时，*线通过坐标原点，屈服应力为零，对应为牛顿流体（Newtonian fluid）；当r。^0、n=1时，表明该方程表示的*线不通过原点，对应于具有一定屈服应力、塑性黏度的宾厄姆流体（Bingham fluid），如水泥桨体（混凝土）即属于该类型流体；当、时，意味着该流体的剪切应力与剪切速率之间的*线不再是直线，分别表示在剪切应力作用下，流体的黏度随剪切应力与剪切速率发生变化[6-8]，分别称为流体的剪切稠化（shear thickening）现象[n>1）或剪切稀化（shear thinning）现象（n<1）。各种流体的流变*线如图1-4所示。
新拌混凝土由尺度、形状以及表面特征各异的骨料颗粒及桨体组成，决定了其流变性的复杂性。一般认为，新拌混凝土属于宾厄姆流体[9]，需要克服一定的屈服应力。才能产生流动；在开始流动后，剪切应力与剪切速率的关系为常数，称为塑性黏度，常用表示，屈服应力。和塑性黏度^是表征混凝土流变行为的两个基本参数。研究表明，对于大流动性混凝土，如，表现为剪切稠化行为；而对于一些高性能混凝土、大流动性（假塑性）桨体，则表现为剪切稀化行为，即这些大流动性的水泥基材料的流变性表现出非线性行为。这种变化主要是现代混凝土中作为液相的桨体性质以及桨体和砂石颗粒分散相的体积分数发生变化而导致的。
从流变性角度来看，混凝土拌和物具有较低的屈服应力和塑性黏度，拌和物具有较大的流动性能，从而在无需外部机械振捣力作用下可以实现自密实。新拌SCC的屈服应力、塑性黏度处于较低水平，Wallevik教授对自密实混凝土的流变
参数范围进行了较为详细的研究和划分[15]，如图1-5所示。
新拌混凝土的触变性是与流变性密切相关的另一个重要性质，涉及混凝土拌和物发生絮凝和解絮凝两个过程。具有合适触变性的新拌混凝土，有利于保证灌注后混凝土的质量，并在以下几个方面对混凝土的施工过程产生影响。
（1）灌注后的混凝土拌和物的稳定性。混凝土拌和物在灌注后的静止过程中发生絮凝作用，逐步形成更为紧密的内部结构，其屈服应力逐渐增大，因而骨料颗粒进一步产生沉降的趋势减小，拌和物的稳定性增加。
（2）模板压力。具有较显著触变作用的混凝土拌和物，自其灌注于模腔后，即产生较大的絮凝作用，并逐渐形成具有内聚力的结构，体系内的屈服应力增加，使其能逐步承受上部灌注混凝土对其产生的扰动作用力，从而减少模板压力。
（3）多层灌注施工条件下层间的黏结性能。对于分层灌注施工的较大体积的结构，上下相邻两灌注层之间存在一定时间的间歇，若该间歇时间过长，甚至超过混凝土拌和物发生絮凝并形成某一临界内聚结构所需的时间，此时下层混凝土内部建立的内聚力足以承受上层灌注的混凝土的扰动作用，两灌注层间的混凝土之间将无法产生较好的拌和作用，这将导致上下两层之间形成弱界面黏结力，*终影响混凝土结构的质量。
新拌混凝土絮凝过程，即其内部内聚结构逐步形成的过程，该过程中拌和物的屈服应力随静停时间的延长而增大，根据新拌混凝土屈服应力随时间的变化关系可以了解其触变性。有些研究者在这方面开展了一些工作[16，17]。Nicolas等假定混凝土拌和物在稳态条件下服从宾厄姆流体流变行为，并且认为拌和物在无扰动条件下的屈服应力与时间呈线性增加关系，从而建立了相应的数学方程来描述混凝土拌和物的触变性，考虑触变性的混凝土拌和物的流变方程可用式（1-2）及
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