膨脹劑摻量對無砟軌道充填層用自密實混凝土的影響研究

李峰?耿春東

摘 要： 充填層是高速鐵路無砟軌道結構的重要組成部件，起支撐、調整及傳力等作用。本文從配合比優化設計入手，在C50自密實混凝土基礎配合比的基礎上，研究了UEA型膨脹劑摻量對混凝土性能的影響，試驗結果表明：UEA型膨脹劑的摻入可明顯改善混凝土的工作性能、抗凍性能和補償收縮性能;并確定其最佳摻量為10%，此時混凝土擴展度為700mm、T500為7s、28d抗壓強度57.3MPa、抗凍性能F150合格、28d限制膨脹率為-0.80%，滿足設計和施工要求。

關鍵詞：高速鐵路充填層;自密實混凝土;UEA型膨脹劑;補償收縮

1 引言

目前，我國正處于高速鐵路大規模建設與發展時期，各項高速鐵路技術處于國際領先水平。軌道結構作為高速鐵路的基礎，其耐久性、穩定性具有重要作用^[1]。高速鐵路主要采用無砟軌道和有砟軌道兩種軌道結構形式^[2-3]，而無砟軌道是目前軌道結構的首選。無砟軌道是一種以自密實混凝土或CA砂漿取代道砟道床的軌道結構形式。

CA砂漿體系復雜、環境敏感，在工程實際應用中極易出現氣泡、泌水等問題。目前國內自主研發出了新型板式軌道結構，該結構的最大特點是板下100mm×2500mm×5350mm的狹長空間采用自密實混凝土材料，新型板式軌道結構圖如圖2所示。

自密實混凝土是高性能混凝土的一種，具有更高的強度和耐久性能^[4]。日本學者Okamum于1986年最早提出自密實混凝土的概念^[5]，作為全面支承軌道板的充填層結構，其性能優劣直接影響到軌道使用的耐久性和安全性。基于上述前提，本文采用微膨脹補償收縮技術抑制自密實混凝土的收縮開裂，研究膨脹劑摻量對其工作性能、力學性能和耐久性能的影響。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

2.1.1 P.O 42.5水泥，I級粉煤灰、S95級礦粉，見表1。

2.1.2 河砂，表現密度為2640kg/m³，見表2;

石子選用5-10mm：10-20mm=1：1的玄武巖碎石。

計算可得Mx =2.69，中砂。

2.1.3 聚羧酸外加劑，減水率≥25%，保坍時間≥1.0h。

2.1.4 硫鋁酸鹽高效低堿膨脹劑。

2.1.5 水為普通自來水。

2.2 配合比設計

依據自密實混凝土配合比設計方法^[6]，通過調整膠凝材料組成、砂率、水膠比以及外加劑摻量，進行自密實混凝土的配合比設計。通過試驗研究，得到一組C50最優配合比，基礎配合比見表3。

在基礎配合比的基礎上，采用控制變量法（即單一改變硫鋁酸鹽高效低堿膨脹劑的摻量）進行配合比調整試驗，其配合比見表4。

按照表4中的試驗配合比進行C50自密實混凝土工作性能、力學性能和耐久性能的測試。

2.3 測試方法

2.3.1 自密實混凝土的工作性能和力學性能的測定參照GB/T 50080-2016、GB/T 50081-2019進行。

2.3.2 參照GB/T 50082-2009對抗凍性能和干燥收縮性能進行研究。其中，抗凍性能采用快凍法試驗，采用用100mm*100mm*400mm標準試塊，在標準養護條件下養護到28d齡期;試驗過程對凍融試件進行外觀檢查。

3 試驗結果與討論

3.1 膨脹劑摻量對混凝土工作性能和力學性能的影響

根據表4中的試驗配合比進行C50自密實補償收縮混凝土工作性能和力學性能測試，測試結果見表5。

由表5可知，C50自密實補償收縮混凝土的擴展度≥675mm，工作性能滿足要求要求;UEA型膨脹劑的加入改善了混凝土的和易性，增加粘聚性，擴展度有所增加，T500 時間減少;但UEA型膨脹劑摻加量值達到一定比例后（大于10%），擴展度隨之減少;同時發現膨脹劑的摻入對混凝土的力學性能有不利影響，在配合比2-5中，配比4的28d強度相對較高、擴展度最大、T500所用時間最少，綜合工作性能和力學性能方面，此種膨脹劑摻量在10%左右效果最明顯。

3.2 膨脹劑摻量對混凝土抗凍性能的影響

根據表4中的試驗配合比進行C50自密實補償收縮混凝土抗凍性能測試，測試結果見表6。

由表6和圖3可知，摻加UEA的C50自密實補償收縮混凝土，其凍融循環后質量損失都在5%以內，符合凍融循環要求，且其質量損失率均小于未摻加膨脹劑時的質量損失率，得出UEA膨脹劑的加入改善了自密實混凝土的抗凍性能。另外在一定范圍內，隨著膨脹劑摻量的增多，質量損失率達到最低值（0.43%），效果越好，但當膨脹劑摻量大于10%時，質量損失率又極劇變大，由此可知，摻量在10%左右時，質量損失率最小，對抗凍性能改善效果最明顯。

同時發現，在一定范圍內，隨著UEA膨脹劑摻入，經凍融循環后的混凝土28d強度損失率大幅降低，在膨脹劑摻量10%左右時，凍融循環后的抗壓強度最高，強度損失率最小，對抗凍性能改善效果最明顯。

綜合分析膨脹劑摻量對混凝土強度和質量損失率的影響，得出UEA型膨脹劑摻量為10%時效果最好，此時，膨脹劑能較好改善自密實混凝土的抗凍性能，配制出的C50自密實補償收縮混凝土達到凍融循環150而不破壞，能滿足抗凍要求。

3.3 膨脹劑摻量對混凝土限制膨脹率的影響

根據表4中的試驗配合比進行C50自密實補償收縮混凝土限制膨脹率測試，測試結果見表7。

由表7和圖4可知，配比1（空白組）1d的限制膨脹率為負值，可得出正常情況下，混凝土前期（1d內）體積出現收縮。

由配比2-4可知，添加膨脹劑的各組的限制膨脹率（1d內）都為正值，可得出膨脹劑的摻加明顯改善了混凝土的前期收縮，且使自密實混凝土前期略微膨脹。同時發現，自密實混凝土1d到3d收縮得到明顯改善，在大約3d的時間達到頂峰，此時混凝土收縮最小。五組配比中前期差距較大最后結果相近，得出膨脹劑的摻加能較好改善自密實混凝土前期收縮，對后期收縮影響較小。

對比配比2-5四組實驗易發現，膨脹劑摻加6%時雖改善了前期收縮，但后期收縮仍較大，效果不理想;膨脹劑摻加12%雖然后期收縮量最小，但前期膨脹率較大，考慮膨脹劑摻量過大，對混凝土強度有不利影響;由圖2可以看出，在膨脹劑摻量10%時即可明顯改善前期收縮，28d后收縮又相對較小，幾乎完全補償了自密實混凝土的收縮，綜上所述，10%摻量時效果最佳。

4 結語

4.1 通過配合比優化設計，確定了一組C50自密實混凝土的配合比。

4.2 UEA型膨脹劑的摻入改善了自密實混凝土的和易性，增加了粘聚性，擴展度增大，T500 時間減少;同時提高了自密實混凝土的抗凍性能，起到了補償收縮的作用。

4.3 綜合考慮混凝土的各項測試性能，UEA型膨脹劑的最佳摻量為膠凝材料用量的10%，此時C50自密實補償收縮混凝土的擴展度為700mm、T500為7s、28d抗壓強度57.3MPa、抗凍性能F150合格，28d限制膨脹率為-0.80%，幾乎完全補償了自密實混凝土的收縮，澆筑后的自密實混凝土具有較好的質量。

參考文獻：

[1] 范俊杰. 現代鐵路軌道[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 2001.

[2] 何華武. 我國客運專線應大力發展無碴軌道[J]. 中國鐵路， 2005（1）： 11-15.

[3] 盧祖文. 解決關鍵技術發展無碴軌道[J]. 中國鐵路， 2005（1）： 16-19.

[4] 馮乃謙. 流態混凝土[M].北京： 中國鐵道出版社， 1988.

[5]Juiirg Schlumpf. Self-compacting concrete structures in Switzerland[J].Tunneling and Underground Space Technology[J]. 2004 （19）：450.

[6]吳紅娟. 自密實混凝土配合比設計方法研究[D]. 天津： 天津大學碩士學位論文， 2005.

作者簡介：李峰，男，本科，助理工程師;

耿春東，男，碩士，助理工程師。