高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土配制試驗研究

劉冠營

(中鐵一局集團第四工程有限公司，陜西咸陽 712000)

自密實混凝土(Self Compacting Concrete，SCC)是指具有高流動性、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的高性能混凝土。早在20世紀70年代早期，歐洲就已經開始使用輕微振動的混凝土，到90年代中期才將SCC第一次用于瑞典的交通網絡民用工程上。2006年我國開始將該類型材料引入鐵路施工建設，2013年開始應用于高速鐵路無砟軌道中，如盤營客運專線、西寶客運專線試驗段、武漢城市圈城際鐵路、沈丹客運專線等。本文結合鄭徐客運專線、商合杭鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土灌注工作要求，通過高速鐵路無砟軌道自密實混凝土的各項試驗[1-6]，得出自密實混凝土的配合比并研究拌和物的性能，通過現場驗證自密實混凝土性能良好。

1 配合比選定

通過外加劑(減水劑、引氣劑、膨脹劑等)、黏度改性材料和粗細骨料的合理搭配完善自密實混凝土拌和物性能與自密實混凝土硬化體性能，最終確定施工配合比。

自密實混凝土配合比應在綜合其拌和物性能、力學性能、收縮性能、耐久性能及其他性能要求上進行選定。選定配合比時，根據實際工況和環境條件要求，通過試驗確定合理的拌和物性能實際控制指標和坍落度經時損失值。自密實混凝土配合比選定后，通過現場工藝性試驗調整并最終確定施工配合比。自密實混凝土原材料主要性能指標、施工環境溫度等發生較大變化時，應及時調整配合比或重新設計配合比。

1.1 配合比要求

配合比采用絕對體積法進行設計或計算，配制強度等級為C40的自密實混凝土。膠凝材料用量不宜大于580 kg/m3；用水量不宜大于180 kg/m3；單位體積漿體總量不宜大于0.4 m3；自密實混凝土中適量添加粉煤灰、磨細礦渣粉、硅灰等礦物摻合料。自密實混凝土中宜摻加減水劑、引氣劑、膨脹劑等外加劑以及黏度改性材料。

1.2 試驗方法

自密實混凝土的性能包括拌和物性能與硬化性能，應滿足Q/CR 596—2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土》相關要求。

1)自密實混凝土流動性用坍落度和擴展時間(T500)表示，填充性和間隙通過性用L型儀充填比表示，間隙通過性和抗離析性用J環障礙高差表示(見表1)。

表1 自密實混凝土拌和物性能要求

2)自密實混凝土硬化性能包括力學性能、耐久性能以及收縮性能(見表2)。

表2 自密實混凝土其他性能要求

1.3 設計配合比確定

根據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》、TB 1005—2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》及TB/T 3275—2011《鐵路混凝土》，選定配合比。

1)根據基準水泥凈漿的規定稱取水泥、水，減水劑和黏度改性材料的推薦量，開展水泥凈漿黏度比試驗，取得相關參數(見表3)。

2)根據基準混凝土配合比(見表4)稱取水泥、水、中砂和碎石。采用強制式攪拌機攪拌，按要求確定基準混凝土減水劑用量；再添加黏度改性材料，以3 kg/m3增加用水量直至混凝土出現泌水現象，確定該黏度改性材料的用水敏感度。

表3 水泥凈漿的配合比

表4 基準混凝土配合比 kg/m3

3)通過絕對體積法計算得到自密實混凝土基礎配合比，考慮到膠凝材料偏高會影響混凝土收縮，同時為確保經濟合理性，在計算得到的配合比基礎上，減少膠凝材料，增加同等集料用量，砂率、礦物參量、水膠比保持不變，得到優化配合比A，B，C，見表5。

表5 自密實混凝土配合比 kg/m3

2 原材料及試驗設備

試驗原材料為:①采用天瑞蕭縣P.O42.5普通硅酸鹽水泥，密度3.13 g/m3，3 d和28 d強度分別為26.8，46.9 MPa；②鄒城魯源Ⅰ級粉煤灰，密度2.46 g/cm3；③晉城市順盛S95級磨細礦渣粉，密度2.86 g/cm3；④安徽蕭縣5～16 mm連續級配碎石，針片顆粒含量小于3.9%，含泥量小于0.41%；⑤當地河砂細度模數2.6，粗細程度為中砂，級配區屬Ⅱ區，含泥量 1.5%，泥塊含量 0.2%，吸水率 0.9%，堅固性4%；⑥HT-HPC聚羧酸系高效減水劑，減水率27%，泌水率比14%，收縮率比78%；⑦KT-2Ⅱ型膨脹劑；⑧湖北木之君TZ-Ⅲ型黏度改性材料；⑨飲用水。

試驗主要儀器設備有坍落度筒、秒表、含氣量測定儀、J環、L型儀、豎向測長儀、測長儀、壓力試驗機、混凝土彈性模量測定儀、混凝土電通量檢測儀、混凝土單邊融凍試驗機等。

3 自密實混凝土拌制工藝確定

3.1 攪拌工藝

選用的攪拌方案為:

方案1。先投粗骨料、細骨料、粉體等干料，攪拌30 s，再加入拌和水和外加劑，攪拌3 min。

方案2。先投粗骨料、細骨料、粉體等干料，攪拌30 s，再加入80%拌和水和100%外加劑，攪拌1 min，最后投入剩余20%的水，攪拌2 min。

方案3。先投入細骨料、粉體等干料，攪拌30 s，再加入80%拌和水和100%外加劑，攪拌1 min，然后加入粗骨料攪拌1 min，最后加入剩余20%的水攪拌1 min。

攪拌工藝對自密實混凝土性能參數的影響見圖1。可知:采用2次攪拌工藝方案2和方案3，與傳統攪拌工藝方案1相比，自密實混凝土的坍落擴展度變小，擴展時間(T500)變大，說明2次攪拌工藝的分散效果不如1次投料攪拌工藝。

經試驗得出，2次攪拌工藝對自密實混凝土鋼筋間隙穿過能力影響不大，但對其含氣量、屈服應力和塑性黏度影響顯著，會導致混凝土拌和物含氣量和屈服應力增大，不利于自密實混凝土流動性。對于自密實混凝土而言，宜采用1次投料攪拌工藝[7]。

圖1 攪拌工藝對自密實混凝土性能參數的影響

3.2 攪拌時間

自密實混凝土配合比特點是膠凝材料用量高、砂率大、骨料最大粒徑小，這決定了其攪拌工藝與普通混凝土有明顯不同。對于同樣的攪拌機，相同攪拌時間內，自密實混凝土的攪拌分散效果要差于普通混凝土，即自密實混凝土的攪拌時間必須要長于普通混凝土[8]。

自密實混凝土配合比試驗選用的攪拌時間分別為1.5，2.0，3.0，4.0 min，攪拌時間對自密實混凝土性能參數的影響見圖2。

圖2 攪拌時間對自密實混凝土性能參數的影響

由圖2可知:隨著攪拌時間的延長，自密實混凝土坍落擴展度增加，擴展時間(T500)降低。當攪拌時間為1.5，2.0 min時，自密實混凝土的坍落擴展度較小，擴展時間(T500)較大；而當攪拌時間為3.0，4.0 min時，坍落擴展度顯著增加，而擴展時間(T500)顯著降低。說明攪拌時間為1.5，2.0 min時，自密實混凝土原材料尚未完全攪拌均勻；攪拌時間為3.0，4.0 min時，混凝土的攪拌效果較好。攪拌時間為1.5，2.0 min時，含氣量較低；而當攪拌時間增加為3.0，4.0 min時，含氣量較高，滿足標準要求。隨著攪拌時間的增加，自密實混凝土的抗間隙通過性和屈服應力提高，而塑性黏度降低。

綜上所述，在考慮自密實混凝土原材料分散效果及工程成本的基礎上[9-10]，自密實混凝土最佳投料順序為方案2。自密實混凝土攪拌時間宜比其他結構用混凝土延長60 s，其攪拌時間宜控制在3 min。

4 自密實混凝土性能試驗

自密實混凝土性能試驗結果見表6—表10。可知:混凝土硬化性能均能滿足要求，但基礎配合比拌和物穿透能力及優化C配合比擴展時間(T500)未能滿足要求；優化A、優化B配合比拌和物各項性能均滿足要求。

表6 混凝土拌和物性能測試結果

表7 混凝土硬化性能測試結果1 MPa

表8 混凝土硬化性能測試結果2

表9 優化A配合比拌和物

表10 優化B配合比拌和物

對優化A、優化B配合比拌和物出機后3 h內的拌和物性能進行測試，可知:當膠凝材料用量過大時，高效減水劑用量過大，混凝土黏度下降，可能導致混凝土出現離析傾向，出現混凝土穩定性降低。同樣膠凝材料總量過高，反而會降低混凝土的強度。

從滿足自密實混凝土的工作性能、混凝土強度和膠凝材料的用量方面考慮，按優化配合比B配制的自密實混凝土能滿足Q/CR 596—2017的要求，其穩定性和經濟性也較好，最終確定優化B配合比。

5 結論

1)通過絕對體積法，得到自密實混凝土最佳原材料配合比為水泥260 kg/m3，粉煤灰50 kg/m3，磨細礦渣粉130 kg/m3，砂 886 kg/m3，5～10 mm 碎石 377 kg/m3，10～16 mm 碎石 377 kg/m3，膨脹劑 47 kg/m3，減水劑7.15 kg/m3，黏度改性材料 33 kg/m3，水 180 kg/m3。

2)確定最佳投料順序和合理攪拌時間為:先往攪拌機內投入粗骨料、細骨料、粉體等干料(攪拌30 s)，再投80%拌和水和100%外加劑(攪拌1 min)，最后投入剩余20%的水(攪拌2 min)至結束。自密實混凝土攪拌時間宜比其他結構用混凝土延長60 s，其攪拌時間宜控制在3 min。最終實現自密實混凝土性能的動態平衡。

高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土的試驗與大規模應用是我國自密實混凝土技術性能在應用方面的重大突破，對工程經濟、質量、環境等方面有重大意義。