CRTS III 型軌道填充層自密實混凝土砂率的研究

顧海朋 李固華 曾曉輝 程健強（西南交通大學，四川 成都610031）

1 前言

CRTS III 型板式無砟軌道是由我國自主研發的一種新式無砟軌道，它不同于CRTS I 型和CRTS II 型無砟軌道，不需要采用水泥乳化瀝青作為填充層[1]，而是采用具有良好和易性，對環境溫度不敏感以及優良的力學與耐久性的自密實混凝土，將軌道板、自密實混凝土以及其下部的支承層澆筑成為一個整體，確保了其長期整體性[2,3,4]。新型板式無砟軌道如圖1 所示，自密實混凝土需澆筑在100mm×2700mm×5350mm 的狹小空間，其性能要求高，制備技術和施工工藝都比較困難，是新型軌道結構的核心技術之一。然而我國對自密實混凝土的研究還不成熟，在實際工程中的應用還不能達到預期的效果。因此研究出符合性能要求的自密實混凝土對CRTS III 型板式無砟軌道的發展與應用具有重要的意義。

砂率是混凝土配合比設計中的一個重要參數，其大小對新拌混凝土的工作性能有非常大的影響[5]。黃健對自密實混凝土配合比設計做了許多研究，但是他沒有考慮砂率對新拌自密實混凝土工作性能的影響[6]。李進銳則提出當砂率為0.50 至0.52 之間時[4]，自密實混凝土的工作性能最佳，但是鐵科院提出的最佳砂率范圍為0.50 至0.55之間[7]。因此本文對自密實混凝土的最佳砂率做了進一步的研究。

圖1 CRTS III 型軌道示意圖

2 新拌自密實混凝土的技術要求

CRTS III 型無砟軌道板下填充層空間狹小，且板下布有鋼筋網，使用普通自密實混凝土澆筑很難充填密實。因此填充層自密實混凝土必須要有非常好的工作性能，物理力學性能，耐久性能等，其工作性能及檢測方法如表1。

表1 拌合物的性能指標及檢測方法[7]

表2 水泥的主要性能

3 配合比試驗

3.1 原材料

1)水泥

本試驗中采用的是拉法基P.O42.5 水泥，水泥的各項性能指標均符合GB175-1999 標準,見表2。

2)粉煤灰

試驗用的礦物摻合料為遂寧熱電廠生產的優質粉煤灰。主要性能指標見表3。

3)砂

本實驗采用天然河砂，細度模數為2.8。其堆積密度1590kg/m3,表觀密度2600 kg/m3，各項性能要求均符合《建筑用砂》（GB/T 14684-2011）。

4)碎石

采 用5 ～10mm 和10 ～16mm 兩 種粒級摻配使用。符合《建筑用卵石、碎石》（GB14685-2001）規定的Ⅱ類骨料。

5)減水劑

本實驗選用柯帥減水劑，減少率為30%，符合《混凝土外加劑》（GB8076-2008）和《聚羧酸系高性能減水劑》（JG/T223-2007）的要求。

6)膨脹劑

本實驗采用UEA 型膨脹劑，其使用符合《混凝土外加劑應用技術規范》（GB50119-2003）的要求。

7)水

來自潔凈的自來水,符合《混凝土用水標準》(JGJ63-2006)。

表3 粉煤灰的主要性能

3.2 配合比設計

自密實混凝土的自密實原理如圖2 所示，粗骨料懸浮在具有足夠粘度和變形能力的砂漿中，在自身重力作用下，砂漿包裹粗骨料一起向前流動，通過鋼筋間隙，形成均勻密實結構。所以要獲得良好流動性和填充性的自密實混凝土，最重要的是選用合適的砂率和骨料級配。

圖2 自密實混凝土拌合物的自密實過程

表4 自密實混凝土配合比（kg）

根據計算以及參考其他研究[1,7,9]，初步確定最佳膠凝材料用量為550-600kg/m3，其中粉煤灰摻量為20%-35%，膨脹劑摻量為8%-15%，水膠比為0.31-0.36，減水劑摻量宜為2.8%，砂石總摻量為1700-1800 kg/m3，其中直徑5-10mm 石子與10-16mm 石子的最佳摻配比例為7:3.。為了能夠確定出理想的砂率，根據已確定的材料用量，設計如表4 的幾組配合比。

3.3 試驗方法

塌落筒試驗：參照CCES 02-2004《自密實混凝土設計與施工指南》中的測試方法，測試時將混凝土裝入塌落度筒中，慢慢提起塌落度筒，測量混凝土流動至50cm 的時間T50 和最終擴展度D，主要檢測混凝土的流動性。

J 環試驗：試驗主要由塌落筒和J 環試驗組成，J 環由16 根直徑為18mm 的鋼筋組成，J 環直徑為300mm。試驗主要通過測試J 環內外四個方向的混凝土的平均高度差來檢測混凝土的抗離析性和間隙通過性。

L 型儀試驗：試驗參照CCES 02-2004《自密實混凝土設計與施工指南》，測量混凝土流到端頭的時間T700L 和水平槽內混凝土的坡度H2/H1。此試驗主要檢驗混凝土的間隙通過性和填充性。

4 試驗結果與分析

4.1 砂率對流動性的影響

從圖3 可以看出，砂率在0.52-0.60 之間時，擴展度都能夠滿足要求，呈現出先增大后減小的趨勢，且在0.56 左右擴展度達到最大值。T50 則隨著砂率的增大先減小后增大，但是只有當砂率在0.58 左右才能基本滿足要求。

圖3 流動性試驗及結果

砂子是細骨料，其形狀接近圓形，具有滾動減水效應。當用水量一定時，如果砂率較小，則起滾動作用的粒子減少，同時石子之間的空隙變大，只能由漿體填充，從而起潤滑作用的漿體減少了，拌合物的內摩擦力增加，混凝土的流動性變差。砂率過大時，總表面積增大，所需漿體增多，但在用水量和膠凝材料一定的情況下，混凝土會變得粘稠，從而流動性降低。從此試驗可看出砂率在0.54-0.59 之間最為適中。

4.2 砂率對抗離析性和間隙通過性的影響

從圖4 所示的J 環試驗結果可以看出，砂率在0.55 以下時，J 環中間堆積了大量碎石，間隙通過性較差，且泌水比較嚴重，四周析出大量漿體，混凝土的抗離析性較差。隨著砂率的增加，J環中間碎石逐漸減少，并在砂率為0.58 時BJ 達到最小值13mm。但是隨著砂率的繼續增加，BJ由于混凝土流動性的降低會增大，但是沒有再次發生離析現象。當砂率過小時，混凝土拌合物中沒有足夠的砂漿來包裹粗骨料，因此一部分粗骨料無法流動而產生離析。當砂率過高時，混凝土太過粘稠，內摩擦力增加，間隙通過能力大大減弱。從此試驗可以看出砂率的最佳范圍為0.56-0.59。

圖4 抗離析性試驗及結果

4.3 砂率對填充性的影響

填充性試驗結果如圖5 所示，其圖形與流動性試驗結果相似，T700L 隨著砂率增大先減小后增大，H1/H2 隨著砂率增大先增大后減小，當砂率達到0.58 附近時，兩者均達到極值。砂率比較低時，混凝土的流動性不高，流動比較緩慢，流動時間長。同時低砂率導致的混凝土離析和低間隙通過性，使得混凝土難以均勻通過鋼筋流動到L 型儀器的端頭。相反當砂率超過一定值時，混凝土會變得非常粘稠，內摩擦力增大，L 型儀器水平槽內混凝土達到一定坡度時，混凝土自身的重力不足以抵抗其內摩擦力，混凝土就停止流動。從圖中可以看出，兩者都是在砂率為0.58 附近達到最理想的值。

圖5 填充性試驗及結果

6 結論

由于CRTS III 型軌道填充層非常狹長，因此這種自密實混凝土必須有非常好的流動性。通過試驗可以得出結論，在其他材料用量一定時，如果砂率低于0.56，混凝土不僅流動性差，而且會產生分層離析；如果砂率高于0.58，混凝土會變得非常粘稠，不會產生離析，但是流動性也很差。研究表明砂率為0.56-0.58 之間時，混凝土的工作性能最好。

[1]陳劍雄，張旭，劉巧玲. 自密實混凝土研究進展[J]. 建筑技術開發，2003,30(13)：92-94.

[2]曾曉輝，謝友均，鄧德華. 溫度對水泥乳化瀝青砂漿早期膨脹特性的影響[J]. 硅酸鹽學報，2012,40(2);207-211.

[3]曾曉輝，謝友均，鄧德華. 新拌水泥乳化瀝青砂漿導電特性及其應用[J]. 建筑材料學報，2011,14(1):52-57.

[4]李進銳. 高速鐵路板式軌道充填層自密實混凝土性能研究[D]. 武漢：武漢理工大學碩士學位論文. 2011.

[5]P.Kumar Mehta,Paulo J.M.Monteiro. Concrete:Microstructure,Properties and Materials[M].New York:McGraw-Hill Professional,1900; 318-320.

[6]黃健. 高速鐵路板式無砟軌道結構充填層自密實混凝土技術研究[D].湖南：中南大學碩士學位論文. 2011.

[7]中國鐵路科學研究院. 京滬高速鐵路道岔板填充層自密實混凝土暫行技術要求. 北京：中國鐵道出版社，2010.

[8]劉運華，謝友均，龍廣成. 自密實混凝土研究進展[J].硅酸鹽學報,2007,35(5); 671-678.

[9]張習.自密實混凝土的配制和應用[J]. 交通標準化，2011,238(3); 140-143.