商合杭高鐵CRTSⅢ型板式無砟軌道用自密實混凝土性能研究

張 潔

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300450)

自密實混凝土(Self-Compacting Concrete, 簡稱SCC)是由東京大學的Okamura教授配制出的一種高流動性、不離析、不泌水、不經振搗而充滿模板和包裹鋼筋的混凝土[1-2]。其優點是具有較大的流動性能，僅依靠混凝土自身的重力和變形能力即可穿越密布鋼筋的阻隔，均勻填充于模板的各個部分，無須振搗即可完成高質量的澆筑[3]。相關研究學者對新拌SCC的穩定性展開了諸多研究，同時取得了一定成果，但仍存在相關問題亟待解決。Esmaeikhanian等[4]指出無論采取何種措施，SCC離析現象依然存在。近年來自密實混凝土的研究逐漸趨于成熟，劉清等[5-8]對SCC的工作性能、力學性能及抗凍性能做了深入研究，發現不同礦物摻合料對SCC工作性能和力學性能影響規律、骨料形狀指數和粒徑級配對SCC性能的影響規律以及SCC經過凍融循環前后基本力學性能和應力應變曲線變化規律。

目前自密實混凝土的應用研究主要停留在工民建方面，而我國自主知識產權的CRTSⅢ型板式無砟軌道中自密實混凝土相關研究較少。自密實混凝土本身的性能以及施工水平制約著高速鐵路運行過程中的平順性、安全性，因此開展CRTSⅢ型板式無砟軌道用自密實混凝土本身性能的相關研究至關重要。本文擬采用控制變量的方法，在膠凝材料、集料、外加劑、拌和用水量保持相對不變的條件下，通過調整膠凝材料組分中粘改劑、膨脹劑的摻加量，設計出普通自密實混凝土(C1)和兩種應用于商合杭高鐵中的自密實混凝土(C2、C3)，使其工作性、力學性、耐久性達到CRTSⅢ型板式無砟軌道服役性能要求。

1 試驗過程

混凝土設計要求：T2碳化環境；56 d設計強度等級C40，混凝土擴展度≤680 mm，含氣量3.0%～6.0%，擴展度T500為3～7 s，混凝土堿含量 ≤3.0 kg/m3，56 d彈性模量30.0×103～38.0×103MPa，56 d 電通量小于1 000 C，56 d抗鹽凍性≤1 000 g/m2。

1.1 原材料組成

水泥：淮北礦業相山水泥有限責任公司生產的P.O 42.5 低堿水泥；礦物摻合料：河南省商丘裕東發電有限責任公司生產的FⅠ類粉煤灰，安鋼集團信陽鋼鐵有限責任公司生產的S95級礦粉；集料：六安金寨提供的細度模數2.5、含泥量0.3%的中砂，徐州澄清提供的5～16 mm含泥量0.3%、壓碎指標5%的碎石；減水劑、引氣劑：河北三楷深發股份科技有限公司提供；膨脹劑：山西科騰環保科技股份有限公司提供；粘度改性材料：山東三澤硅膠有限公司提供。

1.2 拌合物性能測試方法

新拌混凝土工作性能測試坍落擴展度、T500、含氣量試驗依據《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土暫行技術條件》(TJ/GW112-2013)、《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/50081-2016)測試；混凝土抗壓強度、彈性模量依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/50081-2019)測試；混凝土的氯離子電通量、抗凍融性依據《普通混凝土長期性和耐久性試驗方法標準》(GB/50082-2009)測試。

1.3 自密實混凝土配合比設計

根據設計指標，自密實混凝土的配合比設計如表1所示。

表1 3種自密實混凝土配合比 kg/m3

編號水泥粉煤灰礦粉膨脹劑粘改劑砂 碎石/mm 5～1010～16減水劑引氣劑水C1300100120008643733739.365.20180C22751007247268703703709.365.20180C3300014747268543783789.365.20180

2 結果與分析

2.1 3種配合比混凝土拌合物性能分析

CRTSⅢ型板式無砟軌道結構用自密實混凝土質量要求，混凝土自出機到現場施工時間不得超過2 h，因此新拌自密實混凝土坍落擴展度和2 h后坍落擴展度對混凝土后期質量、施工效率至關重要。3種配合比坍落擴展度2 h 內發展情況如表2所示，從表中可以看出2 h損失的發展規律為:C1(35 mm) > C2(10 mm) > C3(5 mm)，分別較新拌擴展度損失的質量分數為5.26%、1.49%、0.775%，其中C1的2 h損失最高，C2、C3的2 h損失較低且較為接近。對比C1和C2、C3配合比原材料的用量得出，與C1配合比不同的是C2、C3中均摻加膠凝性原材料膨脹劑和粘改劑，2種膠凝原材料的摻入大大制約著坍落擴展度的損失，保證了混凝土新拌至現場過程中可施工性。對比C2與C3發現，C2新拌混凝土的坍落擴展度高于C3，結合混凝土配合比可得與C3中不同的是C2中粉煤灰的摻入，粉煤灰微觀形貌呈球形可以改善早期混凝土的流動性提高施工效率，因此C2擴展度較高。隨著混凝土中各種組分反應的進行，2 h時C2的損失質量分數稍大于C3，其主要原因是，水泥在初始早期迅速水化，水化過程中包裹了一定量的粉煤灰，組分膠凝材料中可移動的粉煤灰數量降低，因此C2的損失率略高于C3。

表2 3種配合比混凝土拌合物性能指標

CRTSⅢ型板式無砟軌道結構充填層用自密實混凝土T500的技術要求是3～7 s，T500的時間是制約結構是否飽滿的關鍵性因素。表2為3種配合比T500發展變化數據，2 h時混凝土拌合物的T500時間較新拌混凝土均有所延遲，其中2 h損失率發展趨勢為C1(2.33 s) > C2(0.58 s) > C3(0.04 s)，分別較新拌混凝土T500時間延遲為48.3%、10.6%、0.654%，其中C1的延遲時間最長，2 h后自密實混凝土T500的時間達到7.15 s，不符合CRTSⅢ型板式無砟軌道結構用自密實混凝土T500的技術要求。對比3種混凝土配合比可得，與C2、C3不同的是C1中沒有摻加具有膠凝性的膨脹劑和粘改劑，膨脹劑和粘改劑的引入一定程度上縮短了T500時間的延遲。

自密實混凝土配合比相較于普通混凝土配合比主要特點是：組分中引入較多尺寸較小、分布均勻、密閉的氣泡，進一步達到高流動性、間隙通過性、抗離析性，同時兼具塑性粘度，使骨料懸浮于水泥漿中，僅靠其自重作用無須振搗便能均勻充填，形成密實且均勻的膠凝結構。CRTSⅢ型板式無砟軌道結構充填層用自密實混凝土含氣量的技術要求是3.0%～6.0%，3種配合比含氣量發展變化如表2所示，2 h時含氣量損失的發展規律為：C1(1.8%)>C2(0.6%)>C3(0.4%)，分別較新拌混凝土損失的百分數為39.1%、10.09%、7.69%，其中C1含氣量的損失分數均高于C2、C3，2 h后C1的含氣量達到2.8%，已不滿足于CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土的技術要求。

綜上所述，C1配合比2 h時坍落擴展度、T500時間延遲、含氣量損失率均大于C2、C3，尤其是2 h時T500時間、含氣量均低于自密實混凝土技術要求，因此不滿足現場施工需求；相較于C1配合比，C2、C3均滿足現場施工技術要求。究其主要原因：C2、C3配合比在水泥、粉煤灰、礦粉膠凝材料的基礎上摻加具有膠凝性的膨脹劑和粘改劑，2種組分的摻入一定程度上提高了自密實混凝土的工作性，保證了自密實混凝土在運輸過程中的質量，大大提高了施工效率，節約成本。

2.2 力學性能分析

標準養護條件下3種配合比(C1、C2、C3)混凝土抗壓強度發展趨勢如圖1所示，從圖中可以得出，不同齡期下混凝土抗壓強度的發展趨勢均呈現C1

圖1 3種配合比抗壓強度值

彈性模量是指材料在外力作用下產生單位彈性變形所需要的應力，彈性模量可作為衡量材料產生彈性變形難易程度的指標，其值越大，材料發生彈性變形的應力也越大。56 d 3種配合比硬化漿體彈性模量的發展趨勢為C3 (34.2×103MPa)>C2 (33.5×103MPa)>C1 (32.3×103MPa)，即硬化漿體發生應變時應力變化規律為C3>C2>C1，強度發展趨勢亦遵循此規律，與圖1得出的強度發展規律相同。

2.3 耐久性分析

CRTSⅢ型板式無砟軌道結構混凝土的使用年限為60 a，混凝土耐久性指標評價對混凝土結構服役過程中的質量安全至關重要。CRTSⅢ型板式無砟軌道結構用自密實混凝土電通量的技術要求56 d電通量小于1 000 C，56 d抗鹽凍性(28次凍融循環剝落量)不超過1 000 g/m2。C1、C2、C3三種配合比56 d 電通量值均低于1 000 C，其發展規律為C1(687 C)>C2(637 C)>C3(596 C)，即滲透能力C1>C2>C3，其斷面水化產物微觀密實度C1

3種配合比56 d抗鹽凍性能均未超過1 000 g/m2，其發展規律為C1(208 g/m2)>C2(103 g/m2)>C3(50 g/m2)，即抗剝蝕能力C1

3 工程應用

綜合上述C1、C2、C3三種配合比下混凝土工作性能、力學性能以及耐久性能研究分析，得出C2、C3配合比均滿足CRTSⅢ型板式無砟軌道結構用自密實混凝土技術要求。現今C2、C3配合比已應用于商合杭高鐵CRTSⅢ型板式無砟軌道結構，C3配比的早期強度優于C2，C3更加適用于較低溫度(不低于5℃)下施工。