細(xì)骨料對充填層自密實(shí)混凝土施工穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究

謝清泉 于連山 馬昆林 劉婉婉

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

1 前言

近年來，我國高鐵建設(shè)取得了高效快速的發(fā)展，2019年1月已開通運(yùn)營的高鐵已達(dá)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(jié)構(gòu)形式。板式軌道中的充填層在軌道結(jié)構(gòu)中起到支承調(diào)整、緩沖協(xié)調(diào)和阻斷裂紋等功能，其性能對軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(fā)的板式軌道結(jié)構(gòu)形式，是今后高鐵建設(shè)首選的軌道結(jié)構(gòu)，是我國高鐵“走出去”戰(zhàn)略的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖1為CRTSⅢ型軌道結(jié)構(gòu)示意圖，從上到下依次由軌道板、自密實(shí)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(shí)體結(jié)構(gòu)。

圖1 CRTSⅢ型軌道結(jié)構(gòu)

圖2 CRTSⅢ型軌道實(shí)體結(jié)構(gòu)

CRTSⅢ型板式軌道充填層是一個上下空間封閉、構(gòu)造復(fù)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(jié)構(gòu)。CRTSⅢ型板式軌道結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)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(nèi)水平流動，流動過程中受鋼筋網(wǎng)、凹槽和土工布影響，因此，若要SCC能夠高質(zhì)量灌滿充填層結(jié)構(gòu)，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(wěn)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(xiàn)泌水、漿骨分離等離析現(xiàn)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(nèi)部的鋼筋網(wǎng)片，飽滿地填充整個充填層結(jié)構(gòu)[6]。

表1 充填層自密實(shí)混凝土工作性參數(shù)[4]

自密實(shí)混凝土是CRTSⅢ型軌道結(jié)構(gòu)充填層的主要材料，其性能決定了無砟軌道施工的質(zhì)量。大量研究及實(shí)踐表明，穩(wěn)定的原材料是SCC施工穩(wěn)定性和質(zhì)量的保證。細(xì)骨料(砂子)是SCC配合比設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，且在SCC中占有較大的質(zhì)量比。由于高速鐵路施工周期長，通常經(jīng)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(xiàn)場細(xì)骨料很容易出現(xiàn)質(zhì)量波動，極可能造成施工不穩(wěn)定。本文結(jié)合工程現(xiàn)場實(shí)踐，主要探討細(xì)骨料的細(xì)度、0.15 mm及以下細(xì)顆粒含量和砂率對CRTSⅢ型板式軌道充填層自密實(shí)混凝土工作性能的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)原材料

水泥為贛州海螺水泥有限責(zé)任公司P.O42.5水泥；粉煤灰為江西大唐國際新余發(fā)電廠 F類Ⅰ級；礦粉為新余中冶環(huán)保資源開發(fā)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(chǎn)河砂，細(xì)度模數(shù)在2.0～3.0之間；粗骨料為贛州遂川縣巾石鄉(xiāng)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(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

(2)配合比設(shè)計(jì)

自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)如表2所示。本文主要研究砂子細(xì)度、0.15 mm及以下細(xì)顆粒含量和砂率對自密實(shí)混凝土工作性的影響。表2配合比采用細(xì)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(shí)混凝土的工作性參數(shù)如表3所示。

表2 SCC配合比 kg/m3

表3 SCC主要工作性參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 砂子細(xì)度及細(xì)顆粒含量的影響

表4為不同細(xì)度砂子進(jìn)行配合比試驗(yàn)得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。表4采用表2的SCC配合比，砂率均為52%，僅砂子細(xì)度模數(shù)變化。

表4 砂子細(xì)度及細(xì)顆粒含量對混凝土性能的影響

圖3為砂子細(xì)度模數(shù)及0.15 mm以下細(xì)顆粒含量與T50時間關(guān)系曲線，圖4為砂子細(xì)度以及0.15 mm及以下顆粒含量與坍落擴(kuò)展度的關(guān)系曲線。由圖3可知，隨著砂子細(xì)度模數(shù)的增大，砂子中0.15 mm及以下顆粒含量逐漸降低，自密實(shí)混凝土的T50時間逐漸降低，這說明，在砂率不變時，砂子細(xì)度模數(shù)增大，自密實(shí)混凝土的流速隨之增大。由圖4可知，隨著砂子細(xì)度模數(shù)增大，砂子中0.15 mm及其以下顆粒含量減少，當(dāng)砂率不變時，自密實(shí)混凝土的擴(kuò)展度增大。結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)中混凝土的實(shí)際狀態(tài)，砂率不變，砂子細(xì)度模數(shù)增大，混凝土粘度降低，擴(kuò)展度增大。當(dāng)砂子細(xì)度為2.86時，混凝土出現(xiàn)輕微離析現(xiàn)象，當(dāng)砂子細(xì)度為2.97時，混凝土出現(xiàn)離析。

砂子對自密實(shí)混凝土性能影響非常大，泥粉質(zhì)山砂、石粉含量高的機(jī)制砂、風(fēng)化嚴(yán)重的粉砂以及含泥量大于2%的河砂均不能在自密實(shí)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(jìn)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(xì)顆粒減少，細(xì)度模數(shù)增大。自密實(shí)混凝土采用細(xì)顆粒少、細(xì)度模數(shù)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(shí)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(xiàn)排漿孔只能流出漿體，造成充填層表面出現(xiàn)浮漿疏松層，揭板切開后發(fā)現(xiàn)，骨料分布不均勻，骨料下沉、漿體上浮。

圖3 砂子細(xì)度模數(shù)、細(xì)顆粒含量與T50時間關(guān)系曲線

圖4 砂子細(xì)度模數(shù)、細(xì)顆粒含量與擴(kuò)展度關(guān)系曲線

圖5為施工現(xiàn)場采用不同細(xì)度模數(shù)砂子進(jìn)行揭板試驗(yàn)，對充填層自密實(shí)混凝土進(jìn)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(xì)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(xiàn)了粗骨料下沉、漿體上浮的明顯質(zhì)量缺陷。

因此，結(jié)合試驗(yàn)研究和現(xiàn)場測試結(jié)果，針對充填層自密實(shí)混凝土使用的砂子，細(xì)度模數(shù)應(yīng)該控制在2.20～2.70范圍內(nèi)，且0.15 mm以下顆粒含量宜為15%～30%。

圖5 采用不同細(xì)度砂子揭板試驗(yàn)結(jié)果(砂率均為52%)

3.2 砂率的影響

表5為砂率調(diào)整對SCC工作性的影響。表5采用的砂子細(xì)度模數(shù)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(kuò)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(kuò)展度降低，而T50時間增大。當(dāng)砂率增加至56%時，混凝土比較粘，但是混凝土狀態(tài)較差，已經(jīng)不能滿足施工條件。針對不同細(xì)度的砂子，施工現(xiàn)場通常通過調(diào)整砂率確?；炷潦┕し€(wěn)定性。通過現(xiàn)場配合比調(diào)整表明，砂子的細(xì)度模數(shù)在合理范圍內(nèi)變化時，適當(dāng)變化自密實(shí)混凝土的砂率，如砂子細(xì)度模數(shù)小、0.15 mm及以下細(xì)顆粒含量較高時，可以通過降低砂率的方法來調(diào)整混凝土工作性，使混凝土滿足施工要求。但是當(dāng)砂子細(xì)度模數(shù)較大，如細(xì)度模數(shù)大于2.7，以及0.15 mm及以下的細(xì)顆粒較少時(兩者合計(jì)少于15%)，通過增大混凝土砂率的方法已經(jīng)不能有效改善其工作性，如本文中當(dāng)砂子細(xì)度模數(shù)為2.86時，砂率提高到60%，混凝土很粘，已經(jīng)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(kuò)展度的影響(細(xì)度2.86)

圖7 砂率對T50的影響(細(xì)度2.86)

4 結(jié)論

由于CRTSⅢ型板式軌道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對其充填層自密實(shí)混凝土的工作性有較高的要求，因此穩(wěn)定的原材料是SCC施工穩(wěn)定性的重要保證。

(1)當(dāng)細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)過大時，自密實(shí)混凝土的粘聚性降低，且細(xì)度模數(shù)越大，粘聚性越差，混凝土容易出現(xiàn)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(dǎo)致混凝土施工穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，并不能有效改善自密實(shí)混凝土工作性。

(2)結(jié)合試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐針對充填層自密實(shí)混凝土使用的細(xì)骨料，當(dāng)細(xì)度模數(shù)控制在2.2～2.70范圍內(nèi)，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(wěn)定性的自密實(shí)混凝土。