礦渣粉摻量對CRTSⅢ型軌道板填充層自密實混凝土的影響

馮士鵬，位寧寧

（信陽學院土木工程學院，信陽 464000）

1 前言

無砟軌道的充填層作為彈性調整層，起到連接構件、傳遞負荷、維持列車平穩運行、具有較高結構耐久性等重要作用。CRTSⅢ型高鐵軌道填充層狹長且窄小，因而要求填充材料具有較高且穩定的工作性能，以及規范準確的的制備方法。CRTSⅢ型板式無砟軌道使用自密實混凝土作為填充層材料，自密實混凝土材料性能的影響因素有很多且相互作用，難以密實、易離析、易產生氣泡、漿體上浮等問題影響自密實混凝土的工作性、強度，本文通過調整礦渣粉的摻量研究自密實混凝土的性能變化[1]。

2 實驗準備

2.1 礦渣粉介紹

試驗采用S95 級礦渣粉，比表面積為400 m2/kg，產地為河南鄭州鞏義市。礦渣粉是粒化高爐礦渣粉的簡稱，是一種優質的混凝土摻合料，也是符合GB/T203 標準的粒化高爐礦渣，經干燥、粉磨，達到相當細度、相當活性指數的粉體S95 級礦渣能改善自密實混凝土的微觀結構，保持自密實混凝土的工作性，降低水泥的水化熱，有利于提高自密實混凝土的強度以及改善自密實混凝土的耐久性，而且具有成本低、符合綠色環保、為再利用工業廢棄物等特點。礦渣粉比表面積越大，其活性越高，而自密實混凝土的收縮開裂程度也會隨之增加。

2.2 試驗方法

自密實混凝土材料配合比設計采用絕對體積法，進行基準配合比的計算，然后逐步計算不同摻合料的體積及摻量。根據《自密實混凝土應用技術規程》JGJ/T283，自密實混凝土參數要求如表1，表2，表3 所示。

表1 每立方米自密實混凝土參數要求

表2 每立方米混凝土粗骨料體積Vg

表3 自密實混凝土主要性能指標

3 結果分析

高鐵填充層自密實混凝土應具有較高的流動性能、高擴展度、高抗離析能力和包裹鋼筋的性能，同時滿足一定的力學強度、耐久性以及良好的填充性能。通過使用控制變量的方法保持礦渣粉摻量為5%，粉煤灰為15%，減水劑為2.3%，粗骨料體積為31%，細骨料體積為45%不變，改變礦渣粉的摻量為5%、10%、15%、20%、25%時進行自密實混凝土自動配合比計算，研究礦渣粉摻量對自密實混凝土的影響。

3.1 礦渣粉摻量對高鐵填充層自密實混凝土工作性能研究的影響

不同礦渣粉摻量下自密實混凝土的填充性、流動性、間隙通過性如表4 所示。

表4 不同礦渣粉摻量工作性實測值

由表4 可以得出結論，礦渣粉摻量從5%，10%到15%變化時，自密實混凝土的流動時間T500逐漸變小，坍落擴展度逐漸變大，間隙通過率H2/H1逐漸減小；當礦渣粉的摻量大于15%時，自密實混凝土的T500流動時間逐漸增大，坍落擴展度逐漸減小，間隙通過率H2/H1逐漸增大，J 環障礙高差BJ在礦渣粉摻量大于15%時，其值逐漸增大；當礦渣粉摻量為15%時，坍落擴展度等于672 mm，T500等于3.2 s，BJ等于18 mm，通過率H2/H1等于0.7，T700等于14s，符合填充層自密實混凝土工作性的要求。

3.2 礦渣粉摻量對高鐵填充層自密實混凝土強度的影響

隨著礦渣粉含量的增加，礦渣粉的早期強度較高，自密實混凝土的整體強度也逐漸提高。如圖1 所示，礦渣粉摻量為20%時強度最高，自密實混凝土結構中分布的大孔在礦渣粉的填充下得到減少，小孔數量增加后可以由粒徑比其小的硅灰顆粒填充，從而降低孔徑的尺寸。礦渣粉中的SiO2與水泥的水化產物Ca(OH)2反應生成硅酸凝膠。一方面，硅酸凝膠的強度比水泥的水化產物更高，另一方面，礦渣粉的二次水化增加了自密實混凝土中水化產物的數量。所以礦渣粉可以提高自密實混凝土的密實度，提高混凝土的早期強度和整體強度[2]。

圖1 礦渣粉摻量對自密實混凝土強度的影響

3.3 礦渣粉摻量對高鐵填充層自密實混凝土豎向收縮的影響

由圖2 可知，自密實混凝土的收縮值隨著礦渣摻合量的增加呈減小趨勢[3]；礦渣粉活性較高，降低了自密實混凝土內部濕度，從而降低化學收縮；當礦渣粉的摻量大于15%時，自密實混凝土的收縮又變大，因為當礦渣粉太多時不能夠充分反應，對收縮起抑制作用[4]。

圖2 礦渣摻量對自密實混凝土豎向收縮的影響

3.4 微觀結構對比

因為礦渣粉中含有豐富的SiO2，其活性較高，SiO2與水泥的水化產物Ca(OH)2反應生成硅酸凝膠，而硅酸凝膠密實度更高。通過電鏡掃描實驗，礦渣粉的摻入增加了水泥的水化產物，使更多空隙被水化產物填充，微觀結構更為密實；礦渣粉具有密實堆積填充效應，使混凝土小孔數量增加，大孔數量減少，平均孔徑降低，結構分布更為合理。

4 室內灌注模擬試驗

使用室內模擬試驗模擬CRTSⅢ型高鐵填充層自密實混凝土的灌注，通過實驗室制備自密實混凝土，為保證自密實混凝土各項參數能滿足填充層自密實混凝土的要求，對新拌自密實混凝土進行了灌注前的J 環試驗、坍落擴展度試驗、L 型填充性試驗和豎向收縮試驗。經過自密實混凝土的J 環測試，得到自密實混凝土擴展時間T500為5 s，J 環障礙高差BJ為13.07 mm，坍落擴展度時間為670 mm，L 型儀充填比H2/H1為1.05，均能滿足表4 中的要求。預留100 mm×100 mm×100 mm 試塊，進行抗壓強度測試。通過對自密混凝土工作性檢測合格后，開始室內模擬灌注試驗[5]。

從室內模擬器頂板灌注料斗進行灌注，灌注時保持60 cm～80 cm 的灌注高度。按照“慢—快—慢”的原則，控制自密實混凝土的灌注速度，灌注過程應滿足灌注口密封性較好，以保證灌注口內無大量空氣進入；灌注料斗內的自密實混凝土能夠持續不間斷地灌入填充層，在自密實混凝土填充材料到達觀察孔之前快速灌注[6]。當蓋板上四角的觀察孔有自密實混凝土溢出且無氣泡時停止灌注；灌注時應保證氣體能夠排出，灌注過程中要及時向灌注料斗內補充自密實混凝土，從灌注開始至觀察孔內有自密實混凝土溢出且無氣泡時，該段時間為自密實混凝土的灌注時間[7]。填充層自密實混凝土灌注的參數如表5。

表5 高鐵高性能填充材料灌注前工作性測定

5 結論

適當的礦渣粉可以提高自密實混凝土的工作性。當礦渣粉摻量為15%時，坍落擴展度等于672 mm、T500等于3.2 s，BJ等于18 mm，通過率H2/H1等于0.7，T700等于14s，符合填充層自密實混凝土工作性的要求；隨著礦渣粉含量的增加，自密實混凝土的整體強度也逐漸提高。當礦渣粉含量等于15%時，28 天標準養護的抗壓強度等于47.5 MPa；自密實混凝土的收縮值隨著礦渣摻合量的增加呈減小趨勢，當礦渣粉的摻量等于15%時收縮率最小；礦渣粉的摻入使混凝土的大孔數量減少，小孔數量增加，平均孔徑降低，微結構更為密實，分布更為合理。