自密實混凝土在高速鐵路建設中的研究及發展方向

董 博，王 輝

(1.中鐵二局新運公司，四川成都610031;2.四川交通職業技術學院，四川成都610000)

成都至都江堰鐵路是鐵道部及四川省災后重建重點基礎設施項目，建成后將成為連接成都市中心城區與周邊區(市)縣的第一條快速軌道交通線路，對加快成都市災后重建，進一步恢復和開發青城山－都江堰旅游資源，促進災區經濟社會發展發揮重要作用。按照鐵道部科技創新要求，該管轄段內，板式無砟軌道采用優化設計方案，主要特點是將原軌道板與底座混凝土(支承層)之間的填充層由乳化瀝青水泥砂漿變為自密實混凝土。本文總結中鐵二局新運公司在成都至都江堰鐵路自密實混凝土施工過程的經驗，對自密實混凝土在高速鐵路建設中的應用及今后發展方向提出自己的一些愚見。

1 自密實混凝土的特點

1.1 自密實混凝土的定義

自密實混凝土(Self Compacting Conctete，簡稱SCC)是指在自身重力作用下，能夠流動、密實，即使存在致密鋼筋也能完全填充模板，同時獲得很好均質性，并且不需要附加振動的混凝土。

1.2 自密實混凝土的特點

(1)保證混凝土良好地密實，提高生產效率;

(2)降低工人勞動強度，節省工人數量;

(3)可用于難以澆筑甚至無法澆筑的結構;

(4)能大量利用工業廢料作為摻合料，有利于環境保護，能降低混凝土水化熱;

(5)改善工作環境和安全性;

(6)改善混凝土的表面質量，減少或避免混凝土表面缺陷與修補;

(7)避免了振搗對模板產生的磨損;

(8)減少混凝土對攪拌機的磨損;

(9)降低工程造價，節約成本。

1.3 自密實混凝土用于無砟軌道填充層應具有的性能

(1)高工作性:高工作性主要包括高流動性、高保水性、高粘聚性、高保坍性(坍落度經時損失小)。

(2)高填充性:能夠填充整個軌道板，且要較低的含氣量，確保混凝土密實。

(3)高體積穩定性:不能產生較大的體積收縮和裂紋。

(4)高耐久性、低彈模:為滿足施工周期的需要，應具有一定的早期強度，在滿足強度和耐久性的情況下應具有盡量低的彈性模量。

(5)高摻量外摻料、多組份添加劑。

2 自密實混凝土在高速鐵路建設中的應用及研究

2.1 自密實混凝土在高速鐵路建設中的應用

在我國，自密實混凝土用于鐵路無砟軌道的工程實例尚處于起步階段，目前僅在京津(北京－天津)城際鐵路和武廣(武漢－廣州)客運專線無砟軌道道岔板部分采用自密實混凝土作為無砟軌道的填充層，像成都至都江堰鐵路工程采用自密實混凝土作為干線無砟軌道填充層尚屬首次。

2.2 自密實混凝土在高速鐵路建設中的研究

2.2.1 自密實混凝土作用機理

眾所周知，自密實混凝土各組成材料包括固、氣、液三相，有體積加和性:石子的空隙由干砂漿填充，干砂漿的空隙由水填充。砂漿由水泥、細摻料、砂和空隙組成。

通過對自密實混凝土組成的分析，發現混凝土內漿體在自身重力作用下有從高向低的流動趨勢，再通過漿體的粘聚性能將粗細骨料形成一個整體，帶動粗細骨料一起流動達到填充空隙的作用。

2.2.2 自密實混凝土強度研究

自密實混凝土作為無砟道床調整層的填充材料，首先要有足夠的強度和剛度來傳遞軌道板重量以及其他荷載，成都至都江堰鐵路無砟道床調整層用自密實混凝土強度設計等級為C40，能在傳遞荷載的同時保證自身不會出現破壞。自密實混凝土的強度主要有以下幾個影響因素。

(1)骨料強度。骨料在混凝土中起著骨架的作用，它自身的強度直接影響到混凝土的強度性能。自密實混凝土骨料采用都江堰向峨鄉石甕采石場生產的石灰巖級配碎石，該骨料經試驗檢測得巖石抗壓強度達到142 MPa，壓碎指標為7.3%。通過試驗數據表面，該骨料能有效地起到骨架的作用。

(2)膠凝材料強度。自密實混凝土中的漿體起到連接骨料，并填充骨料縫隙的作用。從混凝土破壞的角度來說，混凝土破裂一般都在漿體與骨料的界面處以及漿體內出現。根據混凝土的破壞機理，選取水泥和礦粉作為自密實混凝土的膠凝材料，水泥和礦粉均有著高粘聚性能的特點，能有效地連接和包裹骨料，并且水泥和礦粉自身就有足夠的強度來抵抗對其的破壞力。

經過實測，本工程采用的P.0 42.5水泥3 d強度達到31.8 MPa(規范要求≥17.0 MPa)，28 d強度達到52.5 MPa(規范要求≥42.5 MPa)。采用的S95級礦粉的28 d活性指數達到105%(規范要求≥95%)。所以，膠凝材料的強度指標均大于國家規范及設計要求。

自密實混凝土相對于其他普通混凝土來說，有著高膠凝材料用量的特點，通過實測，用于無砟道床的自密實混凝土在標準養護情況下28 d強度可達到50 MPa，其強度遠遠高于同樣作為調整層的乳化瀝青水泥砂漿。并且混凝土本身作為一種剛性材料，其彈性模量可達到3.0×104MPa。所以自密實混凝土有足夠的強度和剛度來滿足調整層的要求。

(3)用水量(水膠比)。自密實混凝土的用水量(水膠比)直接關系到混凝土的強度，并影響混凝土本身的均勻性能。用水量過多時，混凝土在凝固過程中由于膠凝材料水化反應將消耗一部分水，另外一部分水分將存在于混凝土內部，長時間下，混凝土內部的水分蒸發后，在內部出現大量空隙，降低混凝土密實性，降低漿體與骨料的接觸面積，從而降低混凝土強度。

2.2.3 自密實混凝土流動性能研究

自密實混凝土流動性能研究主要包括混凝土的流動性、均勻性等和易性能。首先要考慮它的流動性能是否能夠滿足充分填充整塊軌道板的灌注空間，能否達到自密實的要求。由于混凝土具有大流動性，要考慮它的粘聚性能和保水性能，防止出現離析、分層和泌水等不良現象，降低自密實混凝土的含氣量，保證自密實混凝土的密實性，防止灌注過程中出現浮漿和泡沫等現象。

(1)流動性。自密實混凝土能有效地填充無砟道床的調整層，其本身必須有足夠的流動性能，依靠自身的重力勢能可完全填充于軌道板下方，起到傳遞荷載的作用。混凝土流動性能主要通過以下幾種方式進行改進:第一，采用高效、質量穩定、減水率大、適量引氣的聚羧酸系高效減水劑;第二，采用細度模數為2.6～3.0的中級粗砂;第三，采用針、片狀含量低的碎石(或碎卵石);第四，采用粗、細骨料的含泥量必須較低，其中細骨料含泥量≤2.0%，粗骨料≤1.0%;第五，自密實混凝土需有足夠的漿體含量。

(2)粘聚性能。各項原材料對自密實混凝土性能的影響較大，如果原材料品質或者各項材料之間的相容性出現波動，對自密實混凝土的性能指標就會出現大的影響。特別是在單摻礦粉摻合料的情況下，漿體含量相對較低，自密實混凝土對用水量十分敏感，在相同配合比情況下，用水量的波動會引起自密實混凝土的形態出現較大的波動。

2.2.4 自密實混凝土收縮率研究

自密實混凝土做為調整層來支承軌道板，如若出現較大的變形將改變軌道板以及鋼軌的空間位置，對行車安全產生不良隱患，同時也將會降低行車舒適性。自密實混凝土收縮或膨脹過大，都會在混凝土與軌道邊的接觸面產生裂縫，影響結構的耐久性能。但是自密實混凝土有著高膠凝材料和高砂率的特點，自身的特點就決定其收縮率會高于普通的混凝土。為了降低自密實混凝土的收縮率，筆者通過以下方式進行調整。

(1)摻入一定量的膨脹劑，用于補償混凝土的收縮。自密實混凝土中膠凝材料在水化作用時，需消耗一部分水分，會造成混凝土在早期出現收縮的現象，膨脹劑摻入后，能在前期水化作用階段以及混凝土初凝前補償混凝土的收縮量。

自密實混凝土在膨脹及收縮過程中，將會帶動軌道板一起膨脹或收縮。當混凝土因氣溫等因素出現膨脹或收縮時，軌道板與自密實混凝土之間將出現相對移動的趨勢，當自密實混凝土施加給軌道板的作用力大于軌道板與自密實混凝土之間的粘接結時，自密實混凝土與軌道板的界面處將出現開裂的現象。所以膨脹劑的摻量就尤為重要。通過試驗比較，發現將膨脹劑摻量定位6%時，混凝土呈現無收縮低膨脹的趨勢。

(2)降低膠凝材料用量，采用礦物摻合料取代水泥，降低混凝土的水化熱，增加混凝土早期的體積穩定性。

膠凝材料(特別是水泥)在前期水化作用過程中會產生很大的熱量，使內部溫度增加，產生體積膨脹。到后期時，水化熱較小后，體積會出現一定的收縮，在此時，混凝土已經硬化，若混凝土再出現收縮，在混凝土與軌道板界面處必定出現裂紋，影響結構的耐久性能。混凝土水化熱會使混凝土內外部產生溫差，超過一定值時，因混凝土的收縮不一致而產生裂縫。

礦粉作為一種礦物摻合料來取代水泥后，能有效地補償混凝土中水泥應提供的強度值。并且P.O 42.5水泥3 d水化熱200 J/g、7 d水化熱245 J/g，而摻入礦粉后，3 d水化熱能降低36%、7 d能降低29%。通過比較，發現礦粉取代水泥后能有效地降低混凝土的水化熱，提高混凝土的體積穩定性能，。

(3)加強后期養護，減少混凝土的收縮。后期養護是降低混凝土收縮的有效途徑，后期養護包括保溫和濕潤兩部分。

混凝土的水化反應主要集中在7 d齡期內，在這段時間里混凝土會源源不斷地向環境散發熱量，其內部與環境均會出現一定的溫度差異，如若收縮不一致時，則混凝土就會出現裂紋。通過適當的保溫措施后，是混凝土內外溫度基本一致，到達收縮一致，則可有效避免混凝土出現裂紋的現象。

混凝土在水化階段需要有足夠的水分來保證水化反應的完成。當水分不能滿足時，混凝土將會出現一定量的收縮，影響混凝土與軌道板的密貼。所以在后期養護時，通過灑水、薄膜覆蓋等保濕措施，可保證混凝土水化反應的進行，提高混凝土的體積穩定性。

3 自密實混凝土在高速鐵路建設中應用前景展望

目前高速鐵路無咋軌道調整層大量使用乳化瀝青水泥砂漿調整層，成本價格高。而自密實混凝土是一項能夠給施工工藝帶來巨大變革的建筑材料，也只有在實際工程中大量應用，才能真正全面發揮這種材料的性能優勢。在高速鐵路無咋軌道的應用中，自密實混凝土配合我國自主研發的Ⅲ型無咋軌道板施工技術，是值得大量應用和推廣。目前已經在成灌鐵路、成綿樂城際鐵路中應用，昆萬鐵路(昆明至萬象)擬采用該技術。實際上，如果仔細分析自密實混凝土的特性和施工工藝，它在社會效益和經濟效益方面都會帶來很大的提高。

4 結束語

在高速鐵路板式無咋道床設計施工過程中，Ⅰ型軌道板、Ⅱ型軌道板結構型式調整層采用乳化瀝青水泥砂漿屬國外技術引進，成本價格高。而Ⅲ型軌道板調整層采用自密實混凝土，屬于我國自主產權的板式無咋軌道結構型式，成本價格相對較低，具備廣泛的應用前景。

[1]CECS203－2006自密實混凝土應用技術規程[S]

[2]科技基[2005]101號 客運專線高性能混凝土暫行技術條件[S]