C40無砟軌道自密實混凝土性能研究

游國賢

（肇慶市恒裕混凝土新型建材有限公司，廣東 肇慶 526000）

0 引言

隨著我國高速鐵路的迅速發展，無砟軌道結構以其良好的穩定性、維修工作量低及使用壽命長等突出特點得以廣泛應用。CRTSⅢ 型板式無砟軌道是我國在消化、吸收國外無砟軌道技術基礎上，再創新研制的具有我國自主知識產權的無砟軌道技術。它用自密實混凝土替代 CA 砂漿做為板下充填層，起著支撐、承力、傳力、填充和調整軌道板高度的作用[1]。用于充填層的自密實混凝土必須具有優異的工程性能，包括良好的工作性能、較高的體積穩定性、適度的彈韌性以及與服役環境相應的耐久性能，從而確保整個結構的服役壽命。

國內外學者在無砟軌道自密實混凝土的制備、施工、性能及檢測技術等方面做了大量研究。但是，無砟軌道填充層用自密實混凝土還存在拌合物擴展度損失快、有泌水和離析現象、揭板后混凝土表面浮漿層厚、表面水紋和工藝性氣泡超標、局部灌注不飽滿、收縮開裂嚴重、體積穩定性差等問題。針對上述問題，本文采用具有絕濕膨脹的雙膨脹源膨脹劑和粘度改性材料研制了一種工作性好、填充無缺陷，開裂敏感性低，耐久性好，并且適用于 CRTSⅢ 型板式無砟軌道板的微膨脹自密實混凝土。

1 試驗

1.1 原材料

水泥，P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其化學組成見表1，物理性能見表 2。

粉煤灰，F 類Ⅰ級粉煤灰。礦粉，S95 磨細礦渣粉。粘度改性材料，自制，性能符合 TJ/GW 112—2013《高速鐵路 CRTSⅢ 型板式無砟軌道自密實混凝土暫行技術條件》的規定；膨脹劑，硫酸酸鈣－氧化鈣類雙膨脹源混凝土膨脹劑，性能符合 GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》中的Ⅱ型產品要求，物理性能見表 3。

表1 水泥化學組成 %

表2 水泥物理性能

表3 高性能混凝土膨脹劑物理性能

細骨料，河砂，中砂，細度模數 2.6。粗骨料，碎石，5～16mm 連續級配。減水劑，保坍型聚羧酸減水劑。拌合水，自來水。

1.2 混凝土配合比

自密實混凝土膠凝材料 520kg/m3，砂率 0.50，膨脹劑摻量分別為 30kg/m3、40 kg/m3和 50kg/m3，編號及配合比如表 4 所示。

表4 自密實混凝土配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

1.3.1 新拌混凝土性能測試

參照 TJ/GW 112—2013《高速鐵路 CRTSII 型板式無砟軌道自密實混凝土暫行技術條件》，進行坍落擴展度、擴展時間 T500、J 環障礙高差、L 型儀充填比、含氣量和豎向膨脹率等測試。

1.3.2 硬化混凝土性能測試

參照 TJ/GW 112—2013《高速鐵路 CRTSⅢ 型板式無砟軌道自密實混凝土暫行技術條件》，進行抗壓強度、電通量和抗鹽凍性等測試。

1.3.3 限制膨脹率測試

參照 GB 23439—2009《混凝土膨脹劑》，進行水中和空氣中全程限制膨脹率測試。

2 結果與分析

2.1 新拌自密實混凝土性能

新拌自密實混凝土性能測試結果如表 5 所示。圖1～2 是 C3 新拌自密實混凝土的坍落擴展度和 J 環障礙高差試驗結果。

表5 新拌自密實混凝土性能

自密實混凝土與普通混凝土相比，其特征在于它是具有高流動性、高黏聚性和優越流變性能的高流態混凝土。 由表 5 和圖 1～2 可以看出，自密實混凝土坍落擴展度達到 665～680mm，T500擴展時間僅為 3.5～4.8s，說明所制備的三種新拌混凝土流動性較好。L 型儀充填比在 0.92～0.94，說明新拌混凝土填充性和間隙通過性好。J 環障礙高差在 10～13mm，鋼筋附近無石子堆積，說明新拌混凝土具有較好的抗離析性。此外，隨著單方混凝土膨脹劑摻量的增加，單方用水量和外加劑相同時，新拌混凝土的黏聚性有所增加，而新拌混凝土的流動性、填充性和抗離析性略有降低。粘度改性材料的引入降低了混凝土對水和外加劑的敏感性，改善混凝土工作性。新拌混凝土內部引入了適當的微小氣泡，含氣量在 3.7%～4.3%，起到滾珠的作用，降低物料粘性，有助于改善新拌混凝土的和易性[2]。并且，三個混凝土都沒有泌水。豎向膨脹率隨著膨脹劑摻量的增加而增長，這主要是因為雙膨脹源高性能混凝土膨脹劑的膨脹與強度增長相匹配，它可以有效補償自密實混凝土的自收縮。

圖1 混凝土坍落擴展度

圖 2 混凝土 J 環障礙高差

綜上所述，所制備的三個自密實混凝土均具有良好的流動性、填充性和抗離析性，可以在自重、無外部振搗下澆筑密實無砟軌道板的底面和底座之間的空隙，不會出現蜂窩、孔洞等缺陷。

2.2 自密實混凝土抗壓強度

自密實混凝土抗壓強度測試結果見表 6 和圖 3。

表6 混凝土抗壓強度 MPa

由圖 3 可以看出，所制備自密實混凝土的抗壓強度隨著齡期的增長（3d→56d）而持續增長，28d 時抗壓強度達到 40.5～41.5MPa，56d 時抗壓強度為 49.5～51.1MPa，三個配比的自密實混凝土抗壓強度均達到TJ/GW 112—2013 的要求。此外，隨著膨脹劑摻量的增加，自密實混凝土抗壓強度略有下降，但下降幅度非常小，尤其是早期，后期略有差別。摻量 30kg/m3的 C1自密實混凝土 56d 抗壓強度比單方摻量 40g/m3的 C3 混凝土高 1.6MPa。這主要是因為，當混凝土的限制膨脹率與強度增長相匹配時，限制膨脹率隨著膨脹劑摻量的增加而增長。強度的差異是由 C3 自密實混凝土的膨脹大于 C1 自密實混凝土所引起的。

圖3 自密實混凝土抗壓強度

2.3 自密實混凝土耐久性

混凝土的電通量和抗鹽凍性測試結果見表7。

表7 自密實混凝土耐久性

當混凝土接觸水并且經受反復交替的正負溫循環時，混凝土就有可能發生凍融循環破壞。而當水中含有鹽類時，由于鹽結晶壓力的物理破壞作用，混凝土就可能發生嚴重的鹽凍破壞。混凝土從表面開始逐漸向內擴展破壞，砂漿層剝落、骨料暴露。眾所周知，混凝土發生破壞的前提是外界的水或其他侵蝕介質進入混凝土內部。因此，低滲透性是保證混凝土耐久性的關鍵。

由表 7 可知，所制備的自密實混凝土經過 28 次凍融循環后，其剝落量僅為 160～170g/m2，遠遠低于 TJ/GW 112—2013 給出的低于 1000g/m2限值，說明混凝土具有較好的抗鹽凍性。而自密實混凝土 56d 電通量在360～385C，依據 ASTM C1202 標準，混凝土氯離子滲透性為“非常低”，也就是說自密實混凝土具有良好的抗滲性。這正好解釋了為什么自密實混凝土抗鹽凍性極佳。自密實混凝土所采用的聚羧酸減水劑具有引氣組分，在混凝土內部引入大量微小的氣泡（見表 5 含氣量測試結果），這些微小的氣泡封閉混凝土的毛細孔通道，降低混凝土的連通性，優化孔結構，提高混凝土的抗滲性。另一方面，自密實混凝土配制時采用了雙膨脹源膨脹劑，其膨脹水化產物可以進一步填充孔隙，從而降低混凝土的滲透性。二者疊加復合，有效保證了自密實混凝土的低滲透性，從而提高混凝土的耐久性。

2.4 自密實混凝土限制膨脹率

由于自密實混凝土膠凝材料用量和砂率都較高，導致其自收縮和干燥收縮非常大。無砟軌道填充層用自密實混凝土如果產生較大收縮，引發體積變形，則會嚴重影響高鐵的行車安全。因此，如何控制自密實混凝土的收縮，解決體積穩定性是技術人員所要面對的一個難題。TJ/GW 112—2013 只要求測試自密實混凝土的56d干縮值，無法評價自密實混凝土的全程變形。

自密實混凝土水中養護 14d 而后轉入干空繼續養護56d 所測得的全程限制膨脹率結果見表 8 和圖 4。

表8 自密實混凝土限制膨脹率 %

圖4 自密實混凝土全程限制膨脹率

由表 8 和圖 4 可以看出，自密實混凝土的限制膨脹率隨著膨脹劑摻量的增加而增加，尤其是膨脹劑摻量 40kg/m3的 C3 自密實混凝土。水中養護 14d時，C1、C2 和 C3 自密實混凝土的限制膨脹率分別達到 0.0236%、0.0263% 和 0.0315%。轉入干空 56d后，三者的限制膨脹率仍然達到 -0.011%、0.001% 和0.007%。結果表明，當膨脹劑摻量達到 35kg/m3時，C2自密實混凝土的干燥收縮值幾乎為零，但仍大于零，說明混凝土還處于膨脹狀態。當膨脹劑摻量達到 40kg/m3時，C3 自密實混凝土則依然儲存了較大的預壓應力。雙膨脹源膨脹劑有效減小自密實混凝土收縮，膨脹劑單方摻量 35kg 時，可有效解決體積不穩定的難題。

綜合考慮自密實混凝土拌合物的工作性，硬化混凝土的強度、耐久性和體積穩定性，膨脹劑摻量 40kg/m3的 C3 自密實混凝土性能較佳，體積穩定性的可靠性更有保障一些。

3 結論

研制了一種適用于 CRTSⅢ 型板式無砟軌道板的微膨脹自密實混凝土，它具有工作性好、填充無缺陷，開裂敏感性低，低滲透性和耐久性好的等優點，性能滿足 TJ/GW 112—2013 要求。混凝土拌合物坍落擴展度665mm、T500擴展時間僅為 4.8s，L 型儀充填比 0.92、J 環障礙高差 13mm，56d 抗壓強度 49.5MPa、電通量365C、抗鹽凍性（28 次凍融循環剝落量）160g/m2。雙膨脹源膨脹劑單量摻量 40kg 時，可有效解決自密實混凝土收縮問題。

[1] 馬昆林，龍廣成，謝友均．CRTSⅢ 型板式無砟軌道充填層自密實混凝土碳化及力學性能演變的研究[J]．鐵道科學與工程學報，2012,9(6): 42-47．

[2] 王華生，趙慧如．現代混凝土技術禁忌手冊[M]．北京：機械工業出版社，2008，369．

[3] 李寧，葉燕華，杜艷靜，等．膨脹劑摻量對自密實混凝土收縮性能的影響[J]．建筑技術，2011,2: 1114-1117．