細骨料對充填層自密實混凝土施工穩定性的試驗研究

謝清泉 于連山 馬昆林 劉婉婉

(1.中鐵二十一局集團第六工程有限公司 北京 101111；2.中南大學土木工程學院 湖南長沙 410075)

1 前言

近年來，我國高鐵建設取得了高效快速的發展，2019年1月已開通運營的高鐵已達2.9萬km。板式無砟軌道是我國高鐵特別是時速300 km干線的主要軌道結構形式。板式軌道中的充填層在軌道結構中起到支承調整、緩沖協調和阻斷裂紋等功能，其性能對軌道結構的穩定性、平順性和耐久性具有重大意義[1-2]。CRTSⅢ型板式軌道是我國自主研發的板式軌道結構形式，是今后高鐵建設首選的軌道結構，是我國高鐵“走出去”戰略的關鍵技術之一。圖1為CRTSⅢ型軌道結構示意圖，從上到下依次由軌道板、自密實混凝土(self-compacting concrete，SCC)充填層、土工布隔離層、底座板組成[3]。圖2為CRTSⅢ型軌道實體結構。

圖1 CRTSⅢ型軌道結構

圖2 CRTSⅢ型軌道實體結構

CRTSⅢ型板式軌道充填層是一個上下空間封閉、構造復雜、單塊面積大，上層為軌道板、下層為混凝土底座板，厚度為8～10 cm的“三明治”結構。CRTSⅢ型板式軌道結構的核心技術是在充填層中灌注的SCC。SCC從中部灌注孔澆筑后由于重力作用在充填層內水平流動，流動過程中受鋼筋網、凹槽和土工布影響，因此，若要SCC能夠高質量灌滿充填層結構，SCC的工作性需滿足極高的性能要求，如表1所示[4]。首先，SCC必須具有較好的流動性、抗離析性能以及在長距離流動過程中保持整個體系穩定的性能，即混凝土能夠在重力作用下保持長距離的流動且漿體能夠較好地包裹石子，不出現泌水、漿骨分離等離析現象[5]；其次，SCC要具備較好的填充性能和穿越鋼筋性能，即混凝土在流動過程中能夠完全穿越充填層內部的鋼筋網片，飽滿地填充整個充填層結構[6]。

表1 充填層自密實混凝土工作性參數[4]

自密實混凝土是CRTSⅢ型軌道結構充填層的主要材料，其性能決定了無砟軌道施工的質量。大量研究及實踐表明，穩定的原材料是SCC施工穩定性和質量的保證。細骨料(砂子)是SCC配合比設計的重要參數，且在SCC中占有較大的質量比。由于高速鐵路施工周期長，通常經歷春夏秋冬四季，且鐵路施工屬于線性施工，沿線原材料變化大，因此現場細骨料很容易出現質量波動，極可能造成施工不穩定。本文結合工程現場實踐，主要探討細骨料的細度、0.15 mm及以下細顆粒含量和砂率對CRTSⅢ型板式軌道充填層自密實混凝土工作性能的影響。

2 試驗設計

(1)原材料

水泥為贛州海螺水泥有限責任公司P.O42.5水泥；粉煤灰為江西大唐國際新余發電廠 F類Ⅰ級；礦粉為新余中冶環保資源開發有限公司S95級；膨脹劑為江蘇尼高科技有限公司HEA-Ⅱ型膨脹劑；粘度改性材料為四川恒澤建材有限公司ZTVM-1型；減水劑為山西佳維新材料股份有限公司HT-HPC聚羧酸高性能減水劑，減水率大于30%；砂子為贛江產河砂，細度模數在2.0～3.0之間；粗骨料為贛州遂川縣巾石鄉石門嶺碎石場提供粒徑為5～10 mm和10～16 mm的石灰石碎石；拌和用水采用當地自來水。

(2)配合比設計

自密實混凝土配合比設計如表2所示。本文主要研究砂子細度、0.15 mm及以下細顆粒含量和砂率對自密實混凝土工作性的影響。表2配合比采用細度為2.51、級配較好的河砂，砂率為52%。按照表2配合比制成的自密實混凝土的工作性參數如表3所示。

表2 SCC配合比 kg/m3

表3 SCC主要工作性參數

3 試驗結果與討論

3.1 砂子細度及細顆粒含量的影響

表4為不同細度砂子進行配合比試驗得到的統計數據。表4采用表2的SCC配合比，砂率均為52%，僅砂子細度模數變化。

表4 砂子細度及細顆粒含量對混凝土性能的影響

圖3為砂子細度模數及0.15 mm以下細顆粒含量與T50時間關系曲線，圖4為砂子細度以及0.15 mm及以下顆粒含量與坍落擴展度的關系曲線。由圖3可知，隨著砂子細度模數的增大，砂子中0.15 mm及以下顆粒含量逐漸降低，自密實混凝土的T50時間逐漸降低，這說明，在砂率不變時，砂子細度模數增大，自密實混凝土的流速隨之增大。由圖4可知，隨著砂子細度模數增大，砂子中0.15 mm及其以下顆粒含量減少，當砂率不變時，自密實混凝土的擴展度增大。結合現場試驗中混凝土的實際狀態，砂率不變，砂子細度模數增大，混凝土粘度降低，擴展度增大。當砂子細度為2.86時，混凝土出現輕微離析現象，當砂子細度為2.97時，混凝土出現離析。

砂子對自密實混凝土性能影響非常大，泥粉質山砂、石粉含量高的機制砂、風化嚴重的粉砂以及含泥量大于2%的河砂均不能在自密實混凝土中使用。通常砂場為了降低砂子的含泥量，會對砂子進行多次水洗。砂子水洗后，含泥量較低，但是水洗過程中也會將砂子中0.15 mm以及以下的顆粒沖洗掉，造成砂子細顆粒減少，細度模數增大。自密實混凝土采用細顆粒少、細度模數偏大的砂子，將會造成混凝土粘聚性降低、混凝土粗骨料容易下沉、粗骨料表面不掛漿等情況，從而造成自密實混凝土在灌注過程中時間過長，很有可能不能將板灌滿，或者即使能灌滿，也會出現排漿孔只能流出漿體，造成充填層表面出現浮漿疏松層，揭板切開后發現，骨料分布不均勻，骨料下沉、漿體上浮。

圖3 砂子細度模數、細顆粒含量與T50時間關系曲線

圖4 砂子細度模數、細顆粒含量與擴展度關系曲線

圖5為施工現場采用不同細度模數砂子進行揭板試驗，對充填層自密實混凝土進行切割后橫截面骨料分布情況。由圖5可以清晰看到，采用細度較大、0.15 mm及以下顆粒含量較少的砂子灌注的充填層SCC出現了粗骨料下沉、漿體上浮的明顯質量缺陷。

因此，結合試驗研究和現場測試結果，針對充填層自密實混凝土使用的砂子，細度模數應該控制在2.20～2.70范圍內，且0.15 mm以下顆粒含量宜為15%～30%。

圖5 采用不同細度砂子揭板試驗結果(砂率均為52%)

3.2 砂率的影響

表5為砂率調整對SCC工作性的影響。表5采用的砂子細度模數為2.86，通過提高砂率改變工作性。

圖6所示為砂率對坍落擴展度的影響，圖7所示為砂率對T50時間的影響。由圖6和圖7可知，隨著砂率的增大，SCC的坍落擴展度降低，而T50時間增大。當砂率增加至56%時，混凝土比較粘，但是混凝土狀態較差，已經不能滿足施工條件。針對不同細度的砂子，施工現場通常通過調整砂率確保混凝土施工穩定性。通過現場配合比調整表明，砂子的細度模數在合理范圍內變化時，適當變化自密實混凝土的砂率，如砂子細度模數小、0.15 mm及以下細顆粒含量較高時，可以通過降低砂率的方法來調整混凝土工作性，使混凝土滿足施工要求。但是當砂子細度模數較大，如細度模數大于2.7，以及0.15 mm及以下的細顆粒較少時(兩者合計少于15%)，通過增大混凝土砂率的方法已經不能有效改善其工作性，如本文中當砂子細度模數為2.86時，砂率提高到60%，混凝土很粘，已經不能滿足施工要求。

表5 砂率對混凝土性能的影響

圖6 砂率對坍落擴展度的影響(細度2.86)

圖7 砂率對T50的影響(細度2.86)

4 結論

由于CRTSⅢ型板式軌道結構的特點，對其充填層自密實混凝土的工作性有較高的要求，因此穩定的原材料是SCC施工穩定性的重要保證。

(1)當細骨料的細度模數過大時，自密實混凝土的粘聚性降低，且細度模數越大，粘聚性越差，混凝土容易出現離析、漿骨分離等不良狀況。此時僅通過提高砂率的方法將導致混凝土施工穩定性進一步降低，并不能有效改善自密實混凝土工作性。

(2)結合試驗研究和工程實踐針對充填層自密實混凝土使用的細骨料，當細度模數控制在2.2～2.70范圍內，且0.15 mm及以下顆粒含量控制在15%～30%之間時，能夠獲得具有較高施工穩定性的自密實混凝土。