城市軌道交通新型自填充混凝土技術(shù)研究

蔣盛鋼 禹 雷 孫井林 楊 松 田德倉 劉贊群 彭建偉

(1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510330； 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055；3.中南大學(xué)，長沙 410083； 4.安徽中鐵工程材料科技有限公司，合肥 230000)

1 概述

目前，國內(nèi)城市軌道交通裝配式無砟軌道快速發(fā)展，相較于現(xiàn)澆軌道結(jié)構(gòu)，裝配式無砟軌道結(jié)構(gòu)具有自重輕、施工速度快、工廠化預(yù)制、精度高、耐久性好、少維修或維修方便、沉降調(diào)整余量較大、平順性好等優(yōu)點(diǎn)。裝配式軌道通常由鋼軌、扣件、軌道板、混凝土調(diào)整層、隔離層、鋼筋混凝土底座等組成。

預(yù)制軌道板下調(diào)整層材料主要采用自密實(shí)砂漿，個(gè)別線路采用細(xì)石混凝土。自密實(shí)砂漿材料具備各項(xiàng)性能指標(biāo)良好的優(yōu)點(diǎn)，但存在配合比技術(shù)要求較高、施工工藝流程要求嚴(yán)格、灌注質(zhì)量不易控制[1-3]、材料價(jià)格較高等缺點(diǎn)，影響其大規(guī)模推廣應(yīng)用。

針對上述問題，通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場灌注、揭板試驗(yàn)，研究出一種新型城軌板下自填充材料。該材料在不低于既有高鐵自密實(shí)砂漿材料各項(xiàng)性能指標(biāo)的情況下(如坍落擴(kuò)展度≤680 mm、擴(kuò)展時(shí)間3～7 s，含氣量≥3.0%等)，材料價(jià)格大幅度降低，有利于其在城市軌道交通中大規(guī)模推廣應(yīng)用。

2 試驗(yàn)原材料

(1)水泥：采用湖南南方水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5水泥，28 d抗壓強(qiáng)度48.0 MPa，表觀密度3.10 g/cm3，燒失量為2.3%，比表面積342 m2/kg。

(2)粉煤灰：采用湖南湘潭電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，比表面積465 m2/kg，45 μm方孔篩的篩余為3.6%，燒失量為2.48%。

(3)礦粉(SG)：采用江西聯(lián)達(dá)高新建材廠生產(chǎn)的粒化高爐礦粉粉，密度為2.75 g/cm3，比表面積450 m2/kg。

(4)硅粉：采用上海艾肯公司生產(chǎn)的硅粉，表觀密度2.1 g/cm3，比表面積為17 800 m2/kg。

(5)砂：采用普通河砂，細(xì)度模數(shù)為2.62，滿足中砂級配要求，堆積密度1410 kg/m3，表觀密度2.65 g/cm3。

(6)石：采用碎石，最大粒徑15 mm，表觀密度2.67 g/cm3，堆積密度1 430 kg/m3。

(7)外加劑：減水劑為聚羧酸高效減水劑，減水率18%，固含量25%；消泡劑為有機(jī)硅消泡劑。

(8)水：采用自來水。

3 試驗(yàn)方案

自填充混凝土拌合物的流動性評價(jià)采用坍落擴(kuò)展度方法并結(jié)合T500測試，該測試方法方便簡單，而且能較好反映拌合物的流動性能[4-6]，主要實(shí)驗(yàn)方案如下。

(1)在粉煤灰、礦粉摻量為0%、20%、30%和40%情況下，對新型自填充混凝土的工作性能和力學(xué)性能影響進(jìn)行對比研究。

(2)在膠凝材料總量為550 kg/m3、水膠比固定為0.34、粗細(xì)骨料體積、膠凝材料總量維持不變的條件下，基于消泡劑摻量分別占膠凝材料總量的0/10 000、1/10 000、2/10 000三種工況，研究消泡劑對新型自填充混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響[7]。

(3)采用萘系減水劑，摻量為膠凝材料用量的1.0%、1.2%[8-9]，同時(shí)采用聚羧酸減水劑，摻量為1.0%進(jìn)行對比，研究減水劑種類和摻量對新型自填充混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響。

4 性能影響因素研究

4.1 礦物摻合料對工作性能影響

(1)粉煤灰摻量

選取粉煤灰摻量為0%、20%、30%、40% 4種工況，分別測試新型自填充混凝土坍落擴(kuò)展度和T500等指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 粉煤灰摻量對拌和物工作性的影響

由圖1可見，隨著粉煤灰摻入量的增加，混凝土坍落擴(kuò)展度也隨之增大，這種增大趨勢在粉煤灰摻量為30%以內(nèi)時(shí)較明顯；而在摻量大于30%后，混凝土流動性增加趨于緩慢。T500時(shí)間以隨粉煤灰摻量的增加而減小，粉煤灰摻量對T500的影響效果與其對坍落擴(kuò)展度影響效果相對應(yīng)。由此可見，粉煤灰的摻加可改善新型自填充混凝土的流動性[10-12]。另外，當(dāng)粉煤灰摻量過大(超過40%)時(shí)，混凝土出現(xiàn)一定程度的泌水，黏聚性變差。

(2)礦粉摻量

選取礦粉摻量為0%、20%、30%、40%4種工況，分別測試新型自填充混凝土坍落擴(kuò)展度和T500等指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 礦粉摻量對拌和物工作性的影響

由圖2(a)可知，隨礦粉摻量增大，新型自填充混凝土坍落擴(kuò)展度先緩慢增大后降低，當(dāng)?shù)V粉摻量為20%時(shí)，坍落擴(kuò)展度達(dá)到最大，然后隨著礦粉摻量繼續(xù)增大，混凝土坍落擴(kuò)展度降低[13]。由圖2(b)可知，隨礦粉摻量的增大，新型自填充混凝土T500有所降低，但不顯著。

4.2 外加劑對工作性能影響

(1)消泡劑摻量

在粉煤灰摻量為30%、水泥摻量為70%、膠凝材料總量為550 kg/m3、水膠比固定為0.34、粗細(xì)骨料體積、膠凝材料總量維持不變的條件下，基于消泡劑摻量分別占膠凝材料總量的0/10 000、1/10 000、2/10 000三種工況，研究消泡劑對新型自填充混凝土工作性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 消泡劑對拌和物工作性的影響

由圖3可知，消泡劑對新型自填充混凝土的流動性有少許促進(jìn)作用；同時(shí)從T500時(shí)間減小可知，消泡劑可小幅降低混凝土的黏聚性。隨著消泡劑的加入，將會形成新的低表面黏度界面，使液膜失去彈性，加速氣泡內(nèi)液體的滲出，使液膜變薄并最終破裂[14-15]。不難看出，消泡劑對新型自填充混凝土的工作性影響有限。

(2)減水劑摻量

在膠凝材料總量為550 kg/m3，水膠比為0.34的條件下，對萘系減水劑(摻量為膠凝材料用量的1.0%、1.2%)和聚羧酸減水劑(摻量為1.0%)進(jìn)行對比，分別表示為J0、J1和J2，研究減水劑種類和摻量對新型自填充混凝土工作性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 減水劑對拌和物工作性的影響

由圖4可知，萘系高效減水劑具有較好的減水效果。當(dāng)兩種減水劑摻量相同時(shí)，新型自填充混凝土可以達(dá)到相同的坍落擴(kuò)展度。萘系高效減水劑摻量對新型自填充混凝土流動性影響更顯著，當(dāng)外加劑摻量從1.0%提高到1.2%時(shí)，混凝土的坍落擴(kuò)展度從630 mm增大到700 mm，T500時(shí)間也相應(yīng)減少26%、58%，混凝土的流動性好；但當(dāng)外加劑摻量為1.2%時(shí)，發(fā)現(xiàn)混凝土出現(xiàn)泌水和離析現(xiàn)象。

摻加1.0%聚羧酸減水劑時(shí)，混凝土坍落擴(kuò)展度增大，但T500也顯著增加，這說明聚羧酸減水劑可以降低混凝土的屈服應(yīng)力，但是卻增大混凝土的塑性黏度。

外加劑是新型自填充混凝土不可缺少的組分，且外加劑的使用效果與原材料，(特別是膠凝材料)的組成有較大關(guān)系。建議在配制新型自填充混凝土進(jìn)行的過程中，應(yīng)首先對所用外加劑與水泥的相容性進(jìn)行試驗(yàn)，以確定合適的外加劑用量。同時(shí)，建議采用“萘系高效減水劑+增稠劑+消泡劑”組合或者“聚羧酸低泡減水劑+增稠劑+消泡劑”組合[16]。

5 力學(xué)性能影響研究

5.1 抗壓強(qiáng)度影響

(1)礦物摻合料

礦物摻合料對新型自填充混凝土56 d抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果見圖5。由圖5可知，隨著粉煤灰和礦粉摻量的增大，自填充混凝土56 d的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

圖5 礦物摻合料對56 d抗壓強(qiáng)度的影響(w/c=0.34)

(2)外加劑

外加劑摻入對自填充混凝土工作性能將產(chǎn)生較大影響，同時(shí)對強(qiáng)度也會產(chǎn)生一定影響。外加劑對新型自填充混凝土強(qiáng)度的影響見圖6。

圖6 外加劑對56 d抗壓強(qiáng)度的影響

由圖6(a)可知，隨著消泡劑摻量增加，自填充混凝土56 d抗壓強(qiáng)度有所增加，這是因?yàn)橄輨┑膿饺牒档突炷林袣馀莺浚鰪?qiáng)混凝土的密實(shí)性，導(dǎo)致強(qiáng)度有所提高。從圖6(b)可知，減水劑摻量變化對新型自填充混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大。

5.2 抗折強(qiáng)度影響

(1)礦物摻合料

礦物摻合料對新型自填充混凝土抗折強(qiáng)度的影響見圖7。

圖7 礦物摻合料對56 d抗折強(qiáng)度的影響(w/c=0.34)

由圖7可知，當(dāng)?shù)V物摻合料摻入新型自填充混凝土后，對混凝土的抗折強(qiáng)度影響較大。隨著粉煤灰和礦粉摻量增大，混凝土抗折強(qiáng)度降低，這與礦物摻合料對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響一致[17-18]。

(2)外加劑

外加劑對新型自填充混凝土抗折強(qiáng)度的影響見圖8。由圖8可知，在保證工作性能的范圍內(nèi)增加外加劑摻量[19]，對新型自填充混凝土的抗折強(qiáng)度影響不顯著。

圖8 外加劑對56 d抗折強(qiáng)度的影響(w/c=0.34)

5.3 彈性模量影響

(1)礦物摻合料

礦物摻合料對新型自填充混凝土彈性模量影響見圖9。

圖9 礦物摻合料對56 d彈性模量的影響(w/c=0.34)

由圖9可知，隨著礦物摻合料的摻入，自填充混凝土靜力彈性模量基本在30～40 GPa之間，這與普通混凝土的彈性模量變化規(guī)律基本相似[20]。

(2)外加劑

外加劑對新型自填充混凝土彈性模量的影響見圖10。

圖10 外加劑對56 d彈性模量的影響(w/c=0.34)

由圖10可知，摻入外加劑對自填充混凝土靜彈性模量有一定影響但不顯著，這與普通混凝土的彈性模量變化規(guī)律基本相似。

6 灌板與揭板試驗(yàn)

6.1 推薦配合比

在正式灌注和揭板試驗(yàn)前，在進(jìn)行3組配合比試拌，分別對自填充混凝土坍落擴(kuò)展度和T500時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場測試，得到符合高鐵自密實(shí)混凝土技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的自填充混凝土配合比。最終確定自填充混凝土擴(kuò)展度為570 mm，T500時(shí)間為6 s。

表1為最終試驗(yàn)確定的推薦配合比，表2為自填充混凝土基本性能參數(shù)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合高鐵自密實(shí)混凝土技術(shù)要求。

表1 自填充混凝土現(xiàn)場配合比 kg/m3

6.2 灌注與揭板

2021年6月，在惠州市亞龍軌枕器材有限公司深圳坪地板廠，開展現(xiàn)場灌注及揭板試驗(yàn)(見圖11)。

圖11 灌注與揭板試驗(yàn)

從中間小孔灌注自填充混凝土，灌注過程中，采用“慢-快-慢”控制速度。自填充混凝土從灌注孔下料后，迅速向周邊擴(kuò)散，流動性和間隙通過性良好，無離析和泌水現(xiàn)象。

灌注8 h后揭板，若自填充混凝土表面密實(shí)、平整、充盈飽滿，無泌水、無松軟發(fā)泡層、無可見裂紋、無明顯水紋，無露石、露筋以及蜂窩等現(xiàn)象，可認(rèn)為符合高鐵自密實(shí)混凝土技術(shù)要求。

6.3 經(jīng)濟(jì)性分析

新型自填充混凝土主要由水泥、礦物摻合料、砂、石子、黏改劑、膨脹劑、外加劑和水組成，與既有自密實(shí)混凝土的主要組成材料相同。水泥、黏改劑、外加劑的單價(jià)較高，故降低其摻量是降低成本的有效辦法。但自填充混凝土必須具有較高減水劑摻量，因而降低外加劑摻量的辦法不可行。

綜上，降低水泥、黏改劑、膨脹劑的摻量是降低自填充混凝土成本的最有效辦法。在不影響自填充混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)的情況下，與高鐵自密實(shí)砂漿配合比進(jìn)行對比核算，預(yù)測新型自填充混凝土材料成本可降低20%以上。

7 結(jié)論

(1)摻加粉煤灰可改善新型自填充混凝土流動性，但當(dāng)粉煤灰摻量大于40%時(shí)，會出現(xiàn)一定程度的泌水，黏聚性變差。隨礦粉摻量的增加，新型自填充混凝土坍落擴(kuò)展度先緩慢增大后降低，當(dāng)?shù)V粉摻量為20%時(shí)，坍落擴(kuò)展度達(dá)到最大，然后隨著礦粉摻量繼續(xù)增大，坍落擴(kuò)展度降低。

(2)建議采用“萘系高效減水劑+增稠劑+消泡劑”組合或者“聚羧酸低泡減水劑+增稠劑+消泡劑”組合。

(3)對于抗壓強(qiáng)度，隨著粉煤灰和礦粉摻量的增大，56 d抗壓強(qiáng)度逐漸降低；減水劑的摻量變化對抗壓強(qiáng)度影響不大。對于抗折強(qiáng)度，隨著粉煤灰和礦粉摻量增大，自填充混凝土抗折強(qiáng)度均降低；外加劑摻量對新型自填充混凝土的抗折強(qiáng)度影響不顯著。自填充混凝土靜力彈性模量基本在30～40 GPa之間，摻入外加劑對砂漿靜彈性模量有一定影響，但不顯著。

(4)經(jīng)灌注和揭板試驗(yàn)，最終確定新型自填充混凝土的配合比，自填充混凝土的流動性好，含氣量適宜，表面密實(shí)、平整、充盈飽滿，強(qiáng)度合格。

(5)在不影響自填充混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)的情況下，降低水泥、黏度改性材料、膨脹劑摻量，成本可降低20%以上。