混凝土施工參數(shù)對(duì)軌道充填層灌注質(zhì)量的影響研究

劉敏杰 劉贊群 李文旭

（1.京濱城際鐵路有限公司 天津 300450；2.中南大學(xué) 湖南長沙 410075）

1 引言

CRTSⅢ型板是具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無砟軌道結(jié)構(gòu)，采用自密實(shí)混凝土（以下簡(jiǎn)稱SCC）作為無砟軌道充填層材料［1－4］。CRTSⅢ型板式軌道充填層為5 600×2 500×90 mm的狹長薄板狀封閉空間，流動(dòng)距離最長約3.066 m。自密實(shí)混凝土必須具有較高填充性能和穿越鋼筋性能［5－7］，灌注過程中速度需適中，以保證板面質(zhì)量并控制軌道板上浮量。

自密實(shí)混凝土充填層是軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件［8］，因此，深入研究自密實(shí)混凝土拌合物性能及灌注時(shí)間對(duì)自密實(shí)混凝土充填層灌注質(zhì)量的影響規(guī)律對(duì)控制和優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)具有重要意義。鑒于此，本文結(jié)合線下工藝性揭板試驗(yàn)鉆芯取樣，并利用Imagepro-plus圖像處理軟件，研究自密實(shí)混凝土拌合物性能與灌注時(shí)間對(duì)自密實(shí)混凝土充填層勻質(zhì)性及表面缺陷的影響。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件制備及工況設(shè)置

結(jié)合某客專線下工藝性揭板試驗(yàn)進(jìn)行鉆芯取樣，芯樣直徑為70 mm。取芯現(xiàn)場(chǎng)及充填層自密實(shí)混凝土芯樣見圖1；設(shè)計(jì)7種工況見表1。

表1 各板號(hào)的試驗(yàn)工況條件

2.2 試驗(yàn)方法

芯樣處理按《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》［9］展開，試驗(yàn)采用HS-SB1W型非金屬無損檢測(cè)超聲波測(cè)試儀（見圖2），測(cè)得充填層自密實(shí)混凝土芯樣的密度及橫、縱波聲速，并基于聲學(xué)基礎(chǔ)研究所得的無限大固體彈性參數(shù)計(jì)算公式（1）、公式（2），求得自密實(shí)混凝土動(dòng)彈性模量。考慮充填層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將充填層板沿灌注方向分成9個(gè)區(qū)段（見圖3），采用單反相機(jī)拍攝各區(qū)塊充填層表面。拍照時(shí)需保證相機(jī)鏡頭垂直于板面上方，使得拍出的照片清晰且表面缺陷不產(chǎn)生變形。然后，將拍攝的照片導(dǎo)入圖像分析軟件Imagepro-plus，并利用Imagepro-plus對(duì)拍攝的充填層表面照片進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)計(jì)算各區(qū)段內(nèi)缺陷面積、平均直徑等參數(shù)，得到基于氣泡面積數(shù)量的界面缺陷率。

式中：Ed為動(dòng)彈模量；vP、vS分別為縱波、橫波聲速；ρ為試件密度；μ為泊松比。

3 拌合物性能及灌注時(shí)間對(duì)充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性的影響

3.1 拌合物擴(kuò)展度對(duì)充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性的影響

由圖4可知，充填層自密實(shí)混凝土動(dòng)彈性模量整體呈現(xiàn)從中間灌注口向四個(gè)出漿口方向遞減的趨勢(shì)，并且充填層勻質(zhì)性隨自密實(shí)混凝土拌合物擴(kuò)展度增大而降低。板1在出漿口附近動(dòng)彈模出現(xiàn)明顯降低，這是因?yàn)榘韬衔飻U(kuò)展度大小與其穩(wěn)定性有密切關(guān)系，有研究表明當(dāng)擴(kuò)展度從730 mm降低到620 mm時(shí)，穩(wěn)定性指數(shù)減小近一半，穩(wěn)定性顯著提高［10］。板1的自密實(shí)混凝土拌合物擴(kuò)展度最大，板2、板3的動(dòng)彈性模量分布較板1更加均勻。由此可知，自密實(shí)混凝土拌合物擴(kuò)展度過大（大于670 mm），會(huì)增加發(fā)生離析的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致混凝土勻質(zhì)性降低；擴(kuò)展度過小（小于620 mm）則影響拌合物的間隙通過性，同樣會(huì)對(duì)充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性造成不利影響。因此，結(jié)合填充層自密實(shí)混凝土動(dòng)彈性模量分布及其勻質(zhì)性指數(shù)，認(rèn)為拌合物擴(kuò)展度范圍為620～670 mm時(shí)，充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性最優(yōu)。

3.2 T500對(duì)充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性的影響

不同T500的充填層自密實(shí)混凝土動(dòng)勻質(zhì)性指標(biāo)見圖5。結(jié)合彈性模量分布云圖可以看出，充填層勻質(zhì)性隨自密實(shí)混凝土拌合物T500的增大而增加。其中，T500最小的板4沿灌注方向動(dòng)彈性模量呈現(xiàn)較明顯的梯度變化，越接近出漿口，動(dòng)彈性模量值越低，相較于板2、板5勻質(zhì)性降低約40%，勻質(zhì)性最差。這是因?yàn)樽悦軐?shí)混凝土勻質(zhì)性與其拌合物的塑性黏度緊密相關(guān)，塑性黏度增大會(huì)增加漿體施加于集料上的總拉應(yīng)力，使拌合物在流動(dòng)、運(yùn)輸過程中仍能保持良好的穩(wěn)定性［11－12］。而 T500通常用來表征拌合物的塑性黏度，T500過小導(dǎo)致混凝土拌合物穩(wěn)定性降低，加之充填層內(nèi)密集的鋼筋阻隔，加劇了混凝土拌合物離析的發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致板4出現(xiàn)動(dòng)彈性模量分布極不均勻的現(xiàn)象。板2、板5勻質(zhì)性顯著提升，板5的勻質(zhì)性略好于板2。由此可知，當(dāng)拌合物T500小于3 s時(shí)，充填層自密實(shí)混凝土穩(wěn)定性很可能得不到保證，嚴(yán)重影響到充填層混凝土的勻質(zhì)性；當(dāng)T500大于6 s后，自密實(shí)混凝土灌注時(shí)間增長，但對(duì)充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性影響不大。

3.3 灌注時(shí)間對(duì)充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性的影響

由圖6可知，隨著灌注時(shí)間增長，充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性略有提升。灌注時(shí)間最短的板6勻質(zhì)性略差，板2和板7勻質(zhì)性接近。總體而言，當(dāng)混凝土拌合物工作性良好時(shí)，灌注時(shí)間對(duì)充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性影響不大，這與文獻(xiàn)［13－14］的混凝土流速對(duì)其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響很小的結(jié)論相吻合。

4 拌合物性能及灌注時(shí)間對(duì)充填層自密實(shí)混凝土表面缺陷的影響

4.1 拌合物擴(kuò)展度對(duì)充填層自密實(shí)混凝土表面缺陷的影響

充填層自密實(shí)混凝土表面狀態(tài)也是評(píng)價(jià)灌注質(zhì)量的重要指標(biāo)。圖7a為不同拌合物擴(kuò)展度下，9個(gè)區(qū)段內(nèi)充填層表面缺陷分布，其中表面缺陷率是基于氣泡面積計(jì)算得出。由圖7a可知板2充填層板面處多數(shù)區(qū)間缺陷率均最小且分布較均勻，板1及板3區(qū)間1～2、8～9內(nèi)出現(xiàn)較多缺陷。通常將自密實(shí)混凝土在充填層中的充填模式分為分層逐步充填和整體推進(jìn)充填兩種。板3由于擴(kuò)展度過小，在規(guī)定的灌注時(shí)間內(nèi)，相對(duì)排漿時(shí)間較短，氣體未能充分排出，造成在靠近出漿口附近區(qū)段內(nèi)出現(xiàn)較多被拉扯變形的大氣泡（見圖7b），缺陷率增加。由此可知，自密實(shí)混凝土拌合物擴(kuò)展度對(duì)充填層表面缺陷影響較大且拌合物擴(kuò)展度范圍為620～670 mm時(shí)，充填層表面缺陷分布均勻、缺陷率最低。

4.2 T500對(duì)充填層自密實(shí)混凝土表面缺陷的影響

不同T500的充填層自密實(shí)混凝土板面缺陷率分布見圖8a。由圖8a可知，隨著拌合物T500增長，板面缺陷率越小；板4在區(qū)間1、2、8、9處出現(xiàn)較多缺陷，特別在觀察口處出現(xiàn)明顯發(fā)泡層（見圖8b）。相較于板4，板2、板5缺陷率更低且各區(qū)間界面缺陷率接近，板5略好于板2。由此可知，對(duì)于擴(kuò)展度范圍為620～670 mm的拌合物，若T500小于3 s，充填層表面易出現(xiàn)酥松發(fā)泡層，影響灌注質(zhì)量；T500大于6 s后，T500再增加對(duì)充填層板面缺陷影響不大。

4.3 灌注時(shí)間對(duì)充填層自密實(shí)混凝土表面缺陷的影響

不同灌注時(shí)間下板面缺陷率分布見圖9a。由圖9a可知，隨著灌注時(shí)間增長，板面缺陷率越低；板6在區(qū)間1～4、8～9處出現(xiàn)大量缺陷且有多個(gè)缺陷面積超過50 cm2（見圖9b）。根據(jù)規(guī)范要求，板6灌注質(zhì)量不滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)楣嘧r(shí)間過短即灌注速度過快導(dǎo)致充填層空腔內(nèi)氣體無法順利排出，并且快速流動(dòng)的混凝土與軌道板底或鋼筋網(wǎng)的摩擦產(chǎn)生了更大的氣泡缺陷，導(dǎo)致板6充填層板面缺陷率增大。相較于板6，板2、板7缺陷率更低且各區(qū)間板面缺陷率接近，板7略好于板2。由此可知，對(duì)于擴(kuò)展度范圍為620～670 mm，T500處于3～6 s的自密實(shí)混凝土拌合物，若灌注時(shí)間低于6 min，充填層自密實(shí)混凝土表面易出現(xiàn)大尺寸工藝性氣泡，影響施工質(zhì)量，過長的灌注時(shí)間（大于8 min）對(duì)自密實(shí)混凝土板勻質(zhì)性及板面缺陷并沒有過多的改善。

綜上所述，結(jié)合充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性指標(biāo)及表面缺陷率，得到現(xiàn)場(chǎng)條件下最經(jīng)濟(jì)、合理的充填層自密實(shí)混凝土拌合物狀態(tài)及灌注時(shí)間：拌合物擴(kuò)展度范圍620～670 mm；T500為3～6 s；灌注時(shí)間為6～8 min。

5 結(jié)論

（1）拌合物擴(kuò)展度對(duì)自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性及表面缺陷影響較大，拌合物擴(kuò)展度過大（大于670 mm）及擴(kuò)展度過小（小于620 mm）都會(huì)對(duì)充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性及表面缺陷造成不利影響。拌合物擴(kuò)展度范圍為620～670 mm時(shí)，充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性最佳且表面缺陷分布均勻、缺陷率最低。

（2）拌合物T500對(duì)自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性及表面缺陷影響最大。當(dāng)拌合物T500小于3 s時(shí)，充填層自密實(shí)混凝土的穩(wěn)定性較差，充填層混凝土的勻質(zhì)性降低約40%且表面多處出現(xiàn)酥松發(fā)泡層缺陷；當(dāng)T500大于6 s后，自密實(shí)混凝土灌注時(shí)間增長，但對(duì)充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性及板面缺陷影響不大。

（3）當(dāng)混凝土拌合物工作性良好時(shí)，灌注時(shí)間對(duì)充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性影響不大，但表面缺陷對(duì)灌注時(shí)間較為敏感。對(duì)于擴(kuò)展范圍為620～670 mm、T500為3～6 s的自密實(shí)混凝土拌合物，若灌注時(shí)間低于6 min，充填層自密實(shí)混凝土表面易出現(xiàn)大尺寸工藝性氣泡，影響施工質(zhì)量，灌注時(shí)間大于8 min后對(duì)自密實(shí)混凝土板勻質(zhì)性及板面缺陷并沒有過多的改善。

（4）最佳混凝土拌合物狀態(tài)及灌注工藝為：拌合物擴(kuò)展度范圍620～670 mm；T500為3～6 s；灌注時(shí)間6～8 min。