CRTSⅢ型軌道板表面氣泡問題分析與改進措施

桑發偉 田川嶺 中國鐵路上海局集團有限公司工程質量監督站

鹽通高速鐵路建設全線約156.686 km，設計CRTSⅢ型軌道板共計53 794 塊。CRTSⅢ板軌道板作為高鐵板式無砟軌道結構最重要的組成部分，在預制建設的過程中，要高度關注軌道板的外觀質量和表面氣泡問題，這部分施工存在著較為關鍵性作用，通常情況下，要選擇合理的生產措施，減少軌道板表面氣泡，提高軌道板外觀質量，真正保障工程建設能夠得到順利的進行，進一步促進我國高鐵建設持續穩定的發展，因此要給予高度的重視。

1 軌道板表面氣泡問題描述

圖1 、圖2 混凝土表面氣泡問題

表1 混凝土氣泡統計表

鹽通鐵路軌道板場前期生產過程中抽取50 塊軌道板進行外觀質量檢查時，發現部分軌道板側面（圖1）和正面有小氣泡現象（圖2），并經測量統計，氣泡長度大小不一，正面氣泡分部不均，側面氣泡一般分布在中上部且個別氣泡深度超出規范要求，具體分布及大小統計數據詳見表1。

2 軌道板表面氣泡產生原因

軌道板表面氣泡的產生是因為混凝土混合物內部氣體在澆筑時，未完全排出并依附在模板上，而形成氣泡或模板上殘留的水、污漬拆模后形成的孔。氣泡的產生與混凝土內部材料構成(即混凝土自身的含氣量)、混凝土坍落度、混凝土攪拌、振搗施工方法等有重要關系。

3 軌道板表面氣泡危害

當混凝土表面出現的氣泡大于規范要求時，則會對混凝土產生以下影響：

①減少混凝土斷面體積，降低混凝土強度。②減少混凝土鋼筋保護層的有效厚度，加速表面碳化，降低混凝土耐腐蝕性。③影響混凝土軌道板的外觀質量。

4 解決及預防措施

4.1 科學合理設計混凝土配合比

混凝土配合比設計是混凝土工程中很重要的一項工作，混凝土原材料的選取及混凝土的出機狀態，直接影響到混凝土的順利施工和混凝土工程的質量。

4.1.1 混凝土配合比及原材料選擇

根據骨料級配密實原理，在施工過程中，要使用本身級配合理、含泥量合格的材料，碎石中針片狀顆料含量要符合要求，在生產過程中實際使用砂率與試驗室測定的砂率相同，此時細骨料足以填充粗骨料之間的空隙，減少產生氣泡的自由空隙。混凝土中可加入適當的新型摻合料（配合比2）。新型摻合料與普通摻合料相比主要成分由粉煤灰、硅灰、礦渣粉等細度更小的粉末組成，形成的膠凝材料能更好的填塞水泥未補充密實的空隙，減少氣泡的產生，且新型摻合料對凝土流動性、黏聚性、降低坍落度損失的工作性能有顯著提高，并對混凝土早期強度有明顯提高（見表2）。

表2 軌道板混凝土試驗配合比（kg/m3）

從配合比設計上控制減水劑的摻量在滿足施工要求坍落度的情況下，使混凝土中的含氣量控制在2%～4%以內。原材料上控制減水劑的質量和含量對混凝土表面產生的氣泡有著本質的影響。減水劑選擇上，宜選用低敏感且適應性好的高性能減水劑。復配上采用“先消后引”的方案（配合比2），即在減水劑中合理摻加消泡劑和引氣劑，從而有利于混凝土中氣泡的消除與排出。在滿足施工要求前提下，達到混凝土和易性、粘聚性、包裹性的優異性能。原材料中減水劑的產品性能對混凝土表面產生的氣泡有著本質的影響。針對CRTSⅢ型軌道板使用的C60高性能混凝土要選用氣泡小、分布均勻穩定的減水劑。

為考察兩種配合比混凝土的擴展充填性能、力學性能、收縮徐變性能、電通量、氯離子擴散系數和抗凍性能進行了試驗比較，經測試，擴展充填性能配合比2混凝土試件單位面積內的氣孔面積小于配合比1。力學性能混凝土的強度沒有明顯變化。兩個配合比的混凝土徐變系數變化趨勢相近，兩個配合比混凝土的耐久性基本相當，都能滿足CRTS Ⅲ型軌道板混凝土技術條件的相關要求。

4.1.2 控制混凝土拌合物坍落度

軌道板采用C60 混凝土配合比，設計坍落度為60 mm～100 mm，混凝土具有較高粘聚性，在振動過程中本身氣泡不宜排出。在配合比設計和試生產期間分別拌制不同坍落度混凝土進行對比試驗，如表3。

表3 混凝土坍落度對比試驗

經實踐證明，在相同混凝土原材料、相同攪拌方式及振動頻率下，當混凝土入模坍落度在80 mm～100 mm 時，C60混凝土狀態較好，有害氣泡能有效排出，脫模后軌道板小氣泡較少（見圖3、圖4）。

圖3 坍落度60 mm軌道板氣泡較多

圖4 坍落度80 mm軌道板氣泡較少

4.2 混凝土拌和

混凝土中的氣體除了極少量來自材料內部的化學反應，大部分內部氣體主要是通過物理過程混入的，在混凝土的現場拌和過程中，一方面能混入一些氣體，如在下料過程、出料過程及拌和過程；但另一方面，拌和可以使集料的空隙減少，排出一部分氣體。總的說來，排出的氣體遠小于混入的氣體，其二者之差受拌和方式、時間的影響較大。經實踐證明，CRTSⅢ型軌道板混凝土攪拌時，需按下列順序投料：細骨料--→粗骨料--→水泥--→摻合料--→再加入減水劑和所需用水量。夏季施工溫度較高，攪拌時間短則混凝土攪拌不均勻，過長則導致混凝土保坍性能大大降低，從而影響混凝土工作狀態，所以夏季施工攪拌時間約150 s，冬季施工氣溫較低，水泥的水化速率也會降低，所以將攪拌時間延長為180 s，可保證混凝土攪拌均勻，澆筑過程中有利于氣泡排出，滿足現場澆筑施工。

4.3 優化振搗臺結構

混凝土內部氣泡的產生主要與混凝土的內部組成有關，而混凝土氣體的排出主要依靠振搗。振搗可使骨料之間，骨料與漿液之間相互填實，將空氣和游離水擠壓出來，使混凝土密實。振搗效果直接關系到混凝土表面氣泡的多少。

CRTSⅢ型軌道板屬薄壁混凝土結構，設計斷面尺寸較小，截面變化處振搗氣泡不宜逸出，采用板式頂升振搗臺（如圖6）代替箱式頂升振搗臺（如圖5），在采用相同高頻振搗器，且振搗頻率保持在115 Hz不變的情況下，可以縮短振搗器與模具接觸空間，減少振搗力傳遞距離和激振力損失，同時擴大振搗器有效振搗半徑，保證初始振動作用效果。經實踐證明，相同坍落度、相同振搗頻率下板式頂升振搗臺作業時振搗力傳遞效果更好，混凝土隨振搗臺振動更易流動，氣泡排出效果更好，持續跟蹤觀察脫模后軌道板表面氣泡更少。

圖5 箱式振搗臺

圖6 板式振搗臺

4.4 分層布料控制每層布料厚度

施工中，混凝土布料厚度直接影響混凝土氣泡排出效果。混凝土分層布料厚度越厚，排出氣體的行程越長，越不利于混凝土中氣泡的排出，相反混凝土布料越合理軌道板混凝土外觀質量就會越好，軌道板生產前，通過以下布料方案進行對比試驗，如表4。

表4 混凝土分層布料厚度試驗

經實踐證明，按照方案2 軌道板混凝土澆筑過程分3 層布料振搗，首層布料100 mm，第二層80 mm，第三層20 mm 找平。可減小混凝土中氣泡行程距離，快速有效排除氣泡，減少混凝土表面氣泡，既能夠有效排出氣泡又能滿足流水機組法生產線流水節拍，保證施工生產效率和軌道板產品外觀質量（見圖7、圖8）。

圖7 布料軌道板氣泡較多

圖8 軌道板氣泡較少

4.5 分層控制振搗時間

施工中，振搗操作手的操作對混凝土出現氣泡的多少有一定關聯。通常說，一般振搗時間越長，振搗越充分，混凝土內部氣體排出越徹底，但過度長時間振搗會使混土內部粗集料下沉，水泥凈漿上浮，易形成泌水、分層、離析現象，使軌道板背部浮漿過多，甚至造成軌道板強度不足產生開裂；而振搗時間過短，將無法使混凝土內部和吸附在模板上的氣體和游離水徹底地排出。混凝土振搗越充分，其內部結構就會越密實，合理控制振搗時間，則混凝土內部的氣泡就越少。

為了更加科學合理制定每層混凝土振搗時間，可通過以下對比試驗進行對比，如表5。

表5 混凝土分層振搗試驗

經實踐證明，第2 方案外觀良好，個別點有微小氣泡；按照方案2，振搗時間前2 層每層120 s，第3 層為10 s 為最佳振搗時間。通過振搗時間控制，保證各層混凝土得到持續充分的振動，使粗細骨料盡可能相互緊密靠攏，從而將混凝土攪拌過程中無法自逸的氣泡擠壓排除（見圖9、圖10）。

圖9 方案1、3軌道板氣泡較多

圖10 方案2軌道板氣泡少

5 結束語

上述分析得出，軌道板表面氣泡產生并非單一因素導致，解決的方法也不是一成不變的，應該具體問題具體分析。鹽通鐵路軌道板場在高速鐵路CRTSⅢ型軌道板預制施工過程中，通過優化配合比設計和振搗臺結構，明確坍落度（80 mm～100 mm）、拌合時間、布料厚度（第一層100 mm，第二層80 mm，第三層20 mm）和分層振搗時間（前2 層每層120 s，第3 層為10 s），經持續跟蹤觀察統計，有效將軌道板整體小氣泡減少了90%以上，且軌道板承軌部位和其它部位混凝土表面氣泡大小均控制在長度≤10 mm、深度≤2 mm 以內。有效減少了軌道板表面小氣泡，保證了軌道板產品外觀質量的同時，使混凝土具有更好的耐久性和使用壽命。