自密實混凝土的特點及其在高速鐵路中的應用

李化建，譚鹽賓，謝永江，易忠來

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

自密實混凝土(Self-Compacting Concrete，Self-Consolidating Concrete簡稱SCC)是指拌合物具有高的流動性、間隙通過性和抗離析性，澆筑時僅靠其自重作用而無需振搗便能均勻密實成型，且硬化體具有和傳統振搗混凝土相當力學性能、耐久性能以及體積穩定性的混凝土［1-2］。自密實混凝土是一種具有極高工作性能的混凝土，雖然沒有從流動性指標上來定量描述自密實混凝土，但通常將坍落擴展度＞550mm的混凝土稱之為自密實混凝土。自密實混凝土開發的原動力是解決由于日本熟練工人的減少造成混凝土結構耐久性不足問題［3］。自密實的概念(即無需振搗，僅依靠自重作用就能使混凝土密實填充模板每個角落)是由Okamura于1986年提出的，自密實混凝土的雛形為日本東京大學岡村甫教授于1988年在東京大學用市售原材料開發的第一號“不振搗的高耐久性混凝土”，并確認了該混凝土自身收縮、干縮、水化熱以及硬化后的強度和致密性等綜合性能與傳統振搗混凝土相當［4］。由于自密實混凝土突出的自填充性能，適用于密集配筋、無法振搗、薄壁異性復雜以及要求無噪音施工等結構。

1 自密實混凝土的性能特點

自密實混凝土高粉體用量、低水膠比、低骨料用量的配合比特征以及自密實混凝土高流動性決定了自密實混凝土的敏感性特點，具體表現為原材料敏感性、溫度敏感性、施工敏感性以及時間敏感性。

1)原材料敏感性。原材料敏感性是指與傳統振搗混凝土相比，自密實混凝土的性能尤其是拌合物性能受原材料性能波動影響較大。原材料波動包括兩個方面:一是不同批次原材料的穩定性，二是同一批次原材料不同部位材料之間的均質性。針對不同批次原材料，應控制不同批次原材料的性質指標的波動在一定范圍內，不宜超過±10%。第二種情況多發生在骨料和外加劑中，骨料堆不同部位的細顆粒含量與含水率的變化，外加劑主要是由于沉淀而導致外加劑筒中不同部位減水劑和減水率不同。以細骨料含水率為例，當細骨料含水率變化1%時，混凝土中的單方用水量將變化6～10 kg，當細骨料含水率增加1%時，自密實混凝土會出現離析泌水，當細骨料含水率減少1%時，自密實混凝土就會無法滿足自密實的效果。歐洲自密實混凝土指南提出了新拌混凝土的穩健性(Robustness)，一種設計較好的自密實混凝土，當用水量變化范圍為5～10 kg/m3時，新拌自密實混凝土的性能不能超出自密實混凝土拌合物規定的目標等級［1］。文獻［5］在系統研究砂率、粉煤灰摻量、膠集比、單方用水量及外加劑用量波動對自密實混凝土工作性和強度影響的基礎上，確定了其投料精度控制范圍，得出了骨料的波動對自密實混凝土質量影響較大的結論，并提出了骨料(砂和石)控制精度應在0.9%以內，這比普通混凝土要求的2%要高。

2)溫度敏感性。溫度敏感性是指自密實混凝土拌合物性能隨溫度變化波動幅度大。自密實混凝土的核心是其拌合物的自密實性能，由于自密實混凝土中膠凝材料用量較大、外加劑用量也較大，當環境溫度較高或者原材料的溫度較高時，會加快水泥的水化以及外加劑減水作用的發揮，自密實混凝土工作性能也將隨著溫度的提高而損失加快。在自密實混凝土的配制過程中，要確保自密實混凝土拌合物的入模溫度為5 ℃ ～30 ℃［6］。

3)施工敏感性。施工敏感性是指自密實混凝土拌合物性能經現場輸送(泵送、自卸等)前后變化的顯著性。施工對自密實混凝土性能影響主要表現為兩個方面:一是泵送對自密實混凝土性能的影響，一般泵送會降低自密實混凝土的流動性，但由于自密實混凝土黏度較大，泵送自密實混凝土所需的壓力也較大;二是自密實混凝土對模板的要求，由于自密實混凝土極高的工作性能，近似流體，不僅自密實混凝土對模板的側壓力增加，必須提高模板的支撐剛度，而且自密實混凝土對模板的密封性要求很高，密封不好的模板經常會出現漏漿。當采用泵送施工時，一定要通過模擬試驗來驗證施工工藝的合理性［7-8］。

4)時間敏感性。時間敏感性是指自密實拌合物性能隨時間的非線性變化，某一個時間點自密實混凝土會失去工作性能，無法實現混凝土的自密實。對于自密實混凝土而言，材料性能和施工效果都是靠自密實混凝土自身性能來實現。自密實混凝土時間敏感性要求必須要有良好的施工銜接和施工組織，保證在可施工時間內完成自密實混凝土的施工。自密實混凝土攪拌后到入模前，應控制在120min以內，美國ACI協會編制的自密實混凝土(ACI 237 R)要求控制在90min 以內［9］。

2 自密實混凝土在高速鐵路中的應用

2.1 自密實混凝土應用概況

自密實混凝土在我國高速鐵路中的應用始于京津城際鐵路亦莊車站，亦莊車站2/4#渡線道岔設計為鋪設2組18號板式無砟道岔。道岔下的填充層設計采用C40自密實混凝土(原設計文件中為自流平混凝土)，灌注采用重力式灌注方式，按每組道岔分別施工。自密實混凝土設計要求擴展度＞700mm，28 d抗壓強度＞40mPa［10］。京滬高速鐵路共16個車站道岔區采用了自密實混凝土，并編制了《京滬高速鐵路道岔板充填層自密實混凝土暫行技術要求》［2］、《京滬高速鐵路道岔板充填層自密實混凝土現場工藝性實驗管理實施細則》［11］。另外，石武客專和京石客專也參照京滬高速鐵路自密實混凝土技術要求配制自密實混凝土、指導自密實混凝土施工［12-13］;武廣高鐵花都車站也采用了C40自密實混凝土。

成灌鐵路路基地段CRTSⅢ型無砟軌道結構的充填層設計采用強度等級為C40自密實混凝土，自密實混凝土層內配置12 mm的構造鋼筋網，鋼筋縱橫間距均為200mm。在路基地段，自密實混凝土按照軌道板長度采用模筑施工。自密實混凝土模筑長度與對應的軌道板長度相同，模筑寬度2 800mm，自密實混凝土厚度 100mm［14］。

2.2 存在的問題

1)應用空間發生變化引起對自密實混凝土性能要求的改變

表1列舉了自密實混凝土在高速鐵路和工業與民用建筑使用的差異性以及存在的問題［15］。

表1 高速鐵路和工業與民用建筑工程自密實混凝土特性

2)鐵路條狀結構分布與自密實混凝土原材料敏感性之間的矛盾

不同地域原材料性能差異很大、鐵路混凝土用原材料必須就地取材是制約鐵路混凝土配制最為關鍵的因素［16］。另外，與常規振搗混凝土相比，自密實混凝土具有顯著的原材料敏感性，這就要求高速鐵路自密實混凝土原材料必須相對穩定和固定。

3)攪拌站分布分散與自密實混凝土工作性能經時損失大之間的矛盾

高速鐵路混凝土攪拌站多是沿鐵路線分布，主要配制C30-C50的現澆混凝土和C15的水硬性支承層材料。在鐵路沿線還會專門為軌道板廠、軌枕廠和預制梁廠設置一些專用攪拌站。而自密實混凝土是以高工作性能為特征，并且這些高工作性能是以澆注現場的評價指標為準，并不是在攪拌站內的測試結果，有時自密實混凝土的運輸距離會達到2 h，這就對自密實混凝土工作性能的保持提出了很高的要求。

4)自密實混凝土與常規振搗混凝土混用攪拌站

自密實混凝土與常規振搗混凝土混用攪拌站，如果兩類混凝土所使用的原材料不同，就有可能出現兩種問題:一是使用常規振搗混凝土原材料來配制自密實混凝土，如果所使用的外加劑不同，打過傳統振搗混凝土后，不進行清洗，就進行攪拌自密實混凝土，可能會出現外加劑相容性問題;如果使用品質要求比較低的原材料，就可能無法配制出滿足工作性能要求的自密實混凝土，這在高速鐵路岔區自密實混凝土施工時很可能遇到，因為板式無砟軌道路基上道岔下充填層使用自密實混凝土，而路基支承層采用C15水硬性支承層材料，其原材料要求相對較低(如骨料含泥量、針片狀含量，礦物摻合料等級，外加劑的品質等)，使用支承層原材料不可能配制出自密實混凝土;另外一種問題是攪拌參數設置問題，由于自密實混凝土中使用大量粉體材料，漿體黏度較傳統振搗混凝土大，需要更長的攪拌時間才能將自密實混凝土拌合物攪拌均勻，如果沒有及時修改攪拌機的攪拌參數設置，就有可能出現質量問題。

5)缺少自密實混凝土配制技術以及施工控制經驗

工程技術人員在進行自密實混凝土配合比設計時多是在傳統振搗混凝土配合比基礎上，通過簡單提高膠凝材料用量、降低骨料體積含量的方式來配制自密實混凝土(如部分自密實混凝土膠凝材料總用量達到650 kg/m3及以上)，如此高的膠凝材料用量會大大增加自密實混凝土材料的收縮變形，造成充填層與道岔板或軌道板間出現離縫或充填層出現收縮裂縫，危及到軌道結構的穩定性和可靠度，降低其服役壽命。

6)缺少高速鐵路自密實混凝土相關標準規范

雖然我國已頒布《自密實混凝土應用技術規程》［17］和《自密實混凝土設計與施工指南》［18］等技術條件，但未考慮鐵路無砟軌道結構特征、施工條件等實際問題。

3 結論與建議

1)自密實混凝土高度敏感性要求自密實混凝土原材料品質穩定、配料精度高以及施工組織有序。

2)高速鐵路用自密實混凝土不同于工業與民用建筑領域，配合比設計時應充分考慮高速鐵路對自密實混凝土的特殊需求。

3)為確保自密實混凝土工程質量，應加強對自密實混凝土試驗、生產和施工人員的培訓，并盡快有針對性地制定高速鐵路自密實混凝土相關標準規范。

［1］BIBM，CEMBUREAU，ERMCO，EFCA and EFNARC.The European Guidelines for Self-Compacting Concrete［Z］.2005.

［2］中華人民共和國鐵道部.京滬高速鐵路道岔板充填層自密實混凝土暫行技術條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［3］OKAMURA H，OUCHI M.Self-Compacting Concrete［J］.Journal of Advanced Concrete Technology，2003(1):5-15.

［4］OKAMURA H.Self-Compacting High-Performance Concrete［J］.Concrete International，1997，19(7):50-54.

［5］趙慶新，孫偉，楊正輝，等.自密實混凝土生產投料控制精度研究［J］.建筑技術，2006，37(1):52-54.

［6］盤營客專公司.盤營客專CRTSⅢ型板式無砟軌道自充填混凝土暫行技術要求［S］.盤錦:盤營客專公司，2011.

［7］SKARENDAHL A，Billberg P.RILEM TC 188 Casting of Self Compacting Concrete［R］.France:RILEM Publications S.A.R.L，2006.

［8］中國鐵道科學研究院.西安至銅川高速公路渭河特大橋鋼混結合段C55自密實混凝土研究［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2011.

［9］American Concrete Institute.ACI 237 R-07 Self-Consolidating Concrete［S］.Washington:American Concrete Institute，2007.

［10］京津城際鐵路有限責任公司.京津城際鐵路道岔板技術研究［R］.北京:京津城際鐵路有限責任公司，2008.

［11］中華人民共和國鐵道部.京滬高速鐵路道岔板充填層自密實混凝土現場工藝性實驗管理實施細則［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［12］辛永平.石武客專河南段新鄉東站自密實混凝土配合比設計及施工質量控制［J］.粉煤灰綜合利用，2011(5):45-47.

［13］張慶廣.板式無砟道岔自密實混凝土灌筑施工工藝研究［J］.鐵道建筑技術，2011(3):121-124.

［14］中華人民共和國鐵道部.成都至都江堰鐵路工程新型板式無砟軌道自密實混凝土(暫行)技術條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［15］趙國堂，李化建.高速鐵路高性能混凝土應用管理技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［16］中國鐵道科學研究院.岔區板式無砟軌道自密實混凝土材料試驗研究［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2011.

［17］中華人民共和國建設部.CECS 203自密實混凝土應用技術規程［S］.北京:中國計劃出版社，2006.

［18］中華人民共和國建設部.CCES 02自密實混凝土設計與施工指南［S］.北京:中國建筑工業出版社，2004.