城市交通軌道板自密實混凝土施工質(zhì)量控制

葛 賦

(中鐵二十四局集團有限公司軌道交通分公司，上海 201804)

1 概述

隨著預制拼裝技術在城市軌道交通中的應用，預制軌道板由于其質(zhì)量高、施工速度快、軌道整體性好等特點，已經(jīng)在較多城市軌道交通中推廣[1]。上海作為國內(nèi)率先應用預制軌道板道床技術的城市之一，在15號線中首次大批量使用了STⅠ型預制軌道板道床。STⅠ型預制軌道板為高鐵CRTSⅢ型預制軌道板改良引進而來，如圖1所示，自上而下包括鋼軌、扣件、底部設置“門”型鋼筋的預制軌道板、自密實混凝土層和基底支承層，更能保證城市軌道交通快速、高質(zhì)量建設需求。在城市軌道交通地下段盾構區(qū)間有限的施工空間下，作為軌道板與基底間的填充材料，自密實混凝土就成為了預制軌道板道床施工質(zhì)量的重要保證。現(xiàn)有文獻對高鐵CRTSⅢ型預制軌道板的自密實混凝土施工質(zhì)量有較多研究[2-3]，但在城市軌道交通中首次采用類似高鐵預制軌道板的STⅠ型預制軌道板的自密實混凝土質(zhì)量闡述較少。

本文基于STⅠ型預制軌道板自密實混凝土施工過程中質(zhì)量要點，結合揭板試驗和現(xiàn)場實踐，提出預制軌道板道床施工全程質(zhì)量控制方法，為同類軌道交通預制軌道板道床施工質(zhì)量的保障提供參考。

1.1 自密實混凝土概述

自密實混凝土(Self Compacting Concrete，簡稱SCC)來源于我國高鐵預制軌道板的自密實混凝土材料，其特性是具有較高的流動性、間隙通過性和抗離析性。因此，灌注至軌道板和基底之間的空隙時，僅靠其自重作用而無需振搗便能均勻密實成型，并與板底“門”型鋼筋相結合，形成高耐久性和高體積穩(wěn)定性的自密實混凝土層[4]。在STⅠ型預制軌道板道床中，自密實混凝土為軌道板與基底間的填充材料。

1.2 自密實混凝土特點

STⅠ型預制軌道板道床中，自密實混凝土材料有4個主要特點：1)自密實混凝土與高鐵CRTSⅠ型軌道板的水泥瀝青砂漿填充層(CAM砂漿層)相比較，其制備工藝要求簡單，性能穩(wěn)定、耐久性好、成本低廉；2)作為填充層材料能夠均勻地支承軌道板，完全填充軌道板與基底之間的空隙，在灌注過程中對于軌道板幾何狀態(tài)影響較小，在灌注完成后能確保軌道幾何狀態(tài)達到標準規(guī)范要求，可有效的調(diào)高施工效率；3)承受由列車行駛時對軌道結構產(chǎn)生的豎向作用力和橫向水平力，并把它均勻的傳導至基底道床板及隧道結構上；4)自密實混凝土在灌注完成后會在內(nèi)部形成分布較為均勻的微小氣泡，且自密實混凝土具有一定的彈性模量規(guī)定，對于列車運行過程中振動的減緩有一定的改善效果。

2 自密實混凝土配合比確定和試驗

2.1 配合比

根據(jù)軌道交通建設設計及相關規(guī)范要求，STⅠ型預制軌道板道床使用的自密實混凝土強度等級采用C35混凝土。

自密實混凝土配合比設計的目的是將混凝土的屈服應力減小到足以被因自重產(chǎn)生的剪應力克服，使混凝土流動性增大，同時又具有足夠的塑性黏度，令骨料懸浮于水泥漿中，不出現(xiàn)離析和泌水問題，能自由流淌并充分填充模板內(nèi)的空間，形成密實且均勻的膠凝結構。

參照《上海城市軌道交通自密實充填層技術條件》要求的初始配合比，結合項目現(xiàn)場采用的不同商混站混凝土原材情況以及不同的施工周邊環(huán)境條件，對初始自密實混凝土配合比進行改進。配制自密實混凝土應首先確定混凝土配制強度、水膠比、用水量、砂率、粉煤灰、膨脹劑等主要參數(shù)，再經(jīng)過混凝土性能試驗強度檢驗，反復調(diào)整各原材料參數(shù)來確定混凝土配合比的方法。確定適用于本項目施工條件的自密實混凝土配合比，見表1。

表1 自密實混凝土配合比

表1中的自密實混凝土配合比相比高鐵CRTSⅢ型預制軌道板的自密實混凝土配合比[5-7]來看，同等體積情況下，水的用量略增加0.7%～3.5%，水泥用量增加8.8%～54.1%，砂用量增加1.8%～5.2%，石用量基本保持不變，粉煤灰用量保持較小程度，減水劑用量降低36%～39%，膨脹劑用量降低11%～17%，黏改劑用量降低28.6%～63.4%，可見表1的配合比形成了軌道交通STⅠ型預制軌道板道床的特有的自密實混凝土配合比參數(shù)。

2.2 揭板試驗

預制軌道板道床的揭板實驗主要是在正式施工前在鋪軌基地內(nèi)進行預制軌道板道床現(xiàn)場施工情況的模擬，結合自密實混凝土配合比以及合適的灌注方法，驗證自密實配合比是否滿足灌注要求，并且檢驗配套的自密實模板工裝是否能夠滿足施工需求。通過揭板驗證成型后的自密實填充層混凝土強度、斷面狀態(tài)、表面狀態(tài)等是否能夠滿足設計及規(guī)范要求。揭板試驗場地見圖2，最終配合比情況下的揭板效果見圖3。

通過揭板試驗，如果發(fā)現(xiàn)自密實混凝土有如表2所示問題，可以相應地調(diào)整配合比。

表2 自密實混凝土問題及解決措施

3 自密實混凝土原材料質(zhì)量控制要點

3.1 自密實混凝土原材儲存要求

對于采用的商品自密實混凝土，需要求商混站對自密實混凝土原材料嚴格遵守專倉專存的原則存放。對于每批次進場的自密實混凝土原材，都需進行取樣檢測，需保證每批次原材性能變化較配合比驗證使原材性能指標變化控制在±10%以內(nèi)，儲料做到防水、防潮、防曬、防污染。

3.2 骨料質(zhì)量控制要求

混凝土粗骨料在混凝土的結構中起著骨架作用，其粒徑大小對混凝土的密實度和工作性能有較大的影響，并且預制板填充層的厚度僅有8 cm、鋼筋間距小，所以需要選用少含或不含針片狀顆粒的粗骨料[8]。根據(jù)設計規(guī)范要求，自密實混凝土中所需使用的粗骨料宜采用5 mm～16 mm級配碎石，質(zhì)量控制要求見表3。

表3 粗骨料質(zhì)量控制要求 %

自密實混凝土中采用的細骨料質(zhì)量控制主要為粗細程度的控制，該指標對于自密實混凝土的整體性影響較大，根據(jù)現(xiàn)場實驗過程中發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生自密實混凝土離析或泌水時，混凝土采用的細骨料的細度模數(shù)較大；在混凝土坍落擴展度減小，流動性減弱時，細度模數(shù)較小。設計規(guī)范要求細骨料細度模數(shù)宜控制在2.3～2.7之間，根據(jù)現(xiàn)場實驗總結，建議自密實混凝土細骨料的細度模數(shù)宜采用下限值，質(zhì)量控制要求見表4。

表4 細骨料質(zhì)量控制要求 %

3.3 外加劑質(zhì)量控制要求

外加劑、黏度改性材料與礦物摻合料是影響自密實混凝土性能的主要因素，因此嚴格控制外加劑、礦物摻合料性能才能保證自密實混凝土滿足施工要求，添加優(yōu)質(zhì)的黏度改性材料能增強混凝土塑性黏度，將優(yōu)異氣泡握裹在混凝土中，增加自密實混凝土含氣量的穩(wěn)定性，提高坍落擴展度保持性和抗凍性能[9]。

綜合現(xiàn)場揭板實驗過程中總結的經(jīng)驗，建議使用優(yōu)質(zhì)聚羥酸減水劑，該種材料能夠使混凝土保坍性得到有效提高。該種減水劑反應原理為先消泡再引氣工藝，對于混凝土中劣質(zhì)大泡可有效地消除；含氣量較為適宜，有利于改善工作性能，并且保坍性良好，在90 min內(nèi)不會發(fā)生較大變化，可保證運輸與施工要求。

4 自密實混凝土質(zhì)量控制

4.1 配合比質(zhì)量控制

驗證自密實混凝土的配合比不能僅驗證自密實混凝土坍落擴展度，應當配合其他性能指標的評定來綜合判斷自密實混凝土的性能好壞。由于自密實混凝土泌水率要求為0%，因此不能通過泌水來彌補坍落擴展度的損失，需嚴格控制混凝土中的空氣含量和氣泡質(zhì)量，如圖4所示。

自密實混凝土配合比采用絕對體積法來進行設計，主要要求如下：1)膠凝材料用量：不宜大于580 kg/m3；2)用水量：不宜大于180 kg/m3；3)單位體積漿體總量：不宜大于0.40 m3。

混凝土原材按質(zhì)量進行稱量時誤差控制要求如下：膠凝材料(水泥、礦物摻合料等)±1%；外加劑±1%；骨料±2%；拌合用水±1%。

4.2 自密實混凝土攪拌、運輸

在商混站進行自密實混凝土的生產(chǎn)前，需對原材料中的骨料的含水率進行測定，根據(jù)每次采用的骨料的含水率的不同及時調(diào)整配合比中的水用量。含水率需每班抽測兩次。在混凝土開始攪拌生產(chǎn)時，先向攪拌機內(nèi)加入骨料。水泥及礦物摻和物，攪拌1 min后，再按照配比要求及骨料含水率測定結果加入水及外加劑，原材全部加入后，持續(xù)攪拌2 min。尤其注意在高溫季節(jié)施工時，需控制水泥加入攪拌機前的溫度，不宜大于50 ℃。

根據(jù)施工現(xiàn)場的運輸條件，及時對運輸設備進行調(diào)整，防止自密實混凝土在運輸過程中溫度過高或過低。運輸罐車在運輸途中罐體宜以2 r/min～4 r/min低速轉(zhuǎn)動，自密實混凝土從攪拌完成至運輸至工作面宜在2 h之內(nèi)完成，嚴禁在施工現(xiàn)場向罐車內(nèi)加水。當混凝土罐車運輸材料到達現(xiàn)場后，需要求罐車在高速旋轉(zhuǎn)20 s～30 s方可卸料。

4.3 自密實混凝土性能參數(shù)要求

自密實混凝土在卸料施工前必須對每車的混凝土性能參數(shù)進行檢查，主要檢查參數(shù)及指標如表5,圖5所示。

表5 自密實混凝土檢測參數(shù)要求

4.4 自密實混凝土灌注施工過程質(zhì)量控制

4.4.1 灌注料斗

自密實混凝土灌注小料斗采用推拉式閥門或旋轉(zhuǎn)式閥門，閥門宜設置在下料管底端。下料管高度在直線段板灌注時不小于700 mm，在曲線板灌注時不小于1 000 mm，如圖6所示。

4.4.2 模板

模板安裝控制主要有以下幾個要點：

1)模板的剛度需能夠承受自密實混凝土在灌注過程中產(chǎn)生的中重力沖擊荷載及對側模產(chǎn)生的側壓力的荷載。

2)在側模安裝過程中需保證側模與軌道板平齊，安裝允許誤差為±5 mm，宜在自密實模板角模位置處設置排氣孔。可在自密實側模上貼模板布，使成型的自密實層混凝土外觀質(zhì)量平整無麻面。

3)在模板安裝時，需在側模底部使用海綿或土工布進行縫隙封堵，保證模板與基底連接處封堵密實，需主要縫隙填充材料不可侵入自密實混凝土內(nèi)。

4)目前采用的自密實模板均為分塊拼接式，在模板拼裝時要注意拼接處的平整，保證澆筑完成后不出現(xiàn)錯邊現(xiàn)象。

5)在自密實模板拼裝完成后，需檢查模板安裝密閉性以及固定和支撐情況，不符合要求則應調(diào)整或重新立模。

4.4.3 排氣孔設置

排氣孔宜設置在自密實模板四個角模上，排氣孔開口尺寸不宜小于200 mm×30 mm。在安裝模板前應檢查土工布是否有褶皺，確保土工布平整，不影響自密實混凝土流動。在自密實混凝土灌注前需檢查板下空腔內(nèi)及土工布上濕潤但無明顯積水，防止在灌注過程中產(chǎn)生氣泡。

4.4.4 灌漿管與防溢管

由于自密實混凝土的特殊性能，混凝土的流動性越大，其在板腔內(nèi)的自由流動、自動填充能力越強，越容易灌注完成，但混凝土流動性越大，越容易發(fā)生混凝土離析、骨料漿液分層現(xiàn)象，嚴重影響灌注質(zhì)量。因此混凝土的流動性需嚴格按設計要求控制，不能為灌注密實從而加大混凝土流動性。為確保灌注密實，可加高灌注孔及觀察孔導管的高度，來增加自密實混凝土自身重力勢能，保證自密實混凝土在板腔內(nèi)的流動性，從而達到自填充、自密實的目的，如圖7所示。加高導管的高度，也可有效提升混凝土灌注速度，大大提高施工效率，同時防止混凝土溢出污染軌道板面。

4.4.5 壓緊裝置

為控制自密實混凝土灌注過程中的軌道板上浮，需在軌道板上安裝壓浮裝置，一般采用門型鋼梁扣壓形式的壓浮裝置。首先對壓浮裝置扣壓板后、自密實混凝土灌注過程中因填充板與基底空間而產(chǎn)生的頂板效應進行檢算，如圖8所示。

取單位寬度的壓浮裝置在縱向進行計算，即作用荷載q=9 180 N/m；壓浮裝置約束條件為兩端固結，視為長方體(2.7 m×1 m×0.3 m)。

其中，f為撓度；l為構件跨度。

最大彎矩：

其中，σ為壓浮裝置彎曲應力，MPa；W為截面抵抗矩。

最大剪力：

其中，τ為壓浮裝置剪切應力，MPa；A為剪切截面面積。

可見，壓浮裝置和軌道板在自密實混凝土灌注過程中，強度滿足要求。

壓浮裝置門架上橫梁通過花籃螺絲與地面預埋Φ20 mm螺紋鋼錨固，根據(jù)板長設置不同數(shù)量的壓浮裝置，一般4.7 m板設置4道壓桿，如圖9所示，3.5 m板設置3道壓桿。并且需在軌道板上安裝百分表來監(jiān)測軌道板上浮情況，設置在軌道板四角位置，在曲線板地段設置橫向百分表，監(jiān)測軌道板是否發(fā)生側移。

4.4.6 灌注

灌注自密實混凝土時采用從軌道板中間孔灌注四角排氣方式，灌注時混凝土通過大料斗注入小料斗，小料斗滿以后，打開小料斗閥門，自密實混凝土灌注速度不可過快，控制好大料斗和小料斗放料速度，采取“慢-快-慢”的放料方式，保證下料的連續(xù)性，避免帶入空氣。在灌注過程中，待預制板四個角的排氣孔內(nèi)混凝土面都高于軌道板上平面，封閉排氣孔，關閉閥門，停止灌注，觀察孔內(nèi)混凝土高度控制不小于250 mm。在同一塊軌道板上要連續(xù)灌注完成，中途不得有停頓，避免混凝土不夠的現(xiàn)象產(chǎn)生，不得二次灌注。

5 自密實混凝土施工后質(zhì)量控制

5.1 拆模

軌道板三維精調(diào)支承爪在自密實混凝土初凝后拆除，其他自密實層混凝土模板帶模養(yǎng)護齡期不得少于3 d，根據(jù)同養(yǎng)試塊強度檢測結果達到10.0 MPa后方可拆除全部模板，確保澆筑完成的自密實混凝土表面及棱角不因拆模而受損。

5.2 養(yǎng)護

在自密實混凝土灌注完成后，對灌注孔及觀察孔混凝土粘貼土工布進行養(yǎng)護，防止在凝固過程中缺水收縮。對于板四周自密實混凝土噴灑養(yǎng)護劑進行養(yǎng)護。

6 結論

通過上海軌道交通15號線STⅠ型預制軌道板道床自密實混凝土的揭板實驗和現(xiàn)場施工的改進及應用，對自密實混凝土原材料的選擇和控制、配合比、自密實混凝土施工過程中及施工后的質(zhì)量控制等問題進行了分析，總結了控制要點主要有以下幾方面：

1)原材的選擇需嚴格遵守規(guī)范及現(xiàn)場配比優(yōu)化的要求，對每批次的新進場的原材必須進行原材檢測，保證原材性能的穩(wěn)定性。

2)在施工過程中，需及時根據(jù)外部環(huán)境的變化如環(huán)境溫度變化、運輸距離變化等，及時優(yōu)化配合比。

3)在城市軌道交通地下段盾構區(qū)間內(nèi)進行自密實混凝土灌注可選擇使用自變形輪胎式混凝土罐車，可直接在隧道管壁上行走，由于目前預制板灌注時鋼軌均未恢復，無法使用軌道車直接運輸自密實混凝土至灌注料斗上方，使用輪式罐車直接在管壁上行走運輸自密實混凝土可直接在預制板上方進行灌注，無需再使用大料斗往小料斗倒運，輪式罐車在灌注過程中仍能保證自密實混凝土處于攪拌狀態(tài)，減少自密實混凝土骨料沉底風險，大大提高了混凝土灌注效率。