增黏劑對城市軌道交通板式無砟軌道自密實混凝土性能的影響

楊魯 譚鹽賓 鄭永杰 付志勇 王夢 劉海濤 齊婧

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 高速鐵路軌道系統全國重點實驗室， 北京 100081

城市軌道交通板式無砟軌道結構（圖1）是在高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結構的基礎上進行優化，將混凝土軌道板、自密實混凝土層和混凝土底座三層結構中混凝土底座取消，自密實混凝土層加厚。該軌道結構的自密實混凝土層具備承受荷載、調整軌面高程、軌道板限位、調節平整度等多項功能。城市軌道交通板式無砟軌道結構降低了結構高度，節省了材料和人工成本，同時減少了混凝土澆筑工序，顯著提高了施工效率。與城市軌道交通現澆混凝土道床結構相比，板式無砟軌道結構提高了可維修性和結構耐久性［1-3］。

圖1 城市軌道交通無砟軌道結構

城市軌道交通板式無砟軌道自密實混凝土需要承受兩層鋼筋網片的剪切作用，并良好充填在軌道板下部，因此自密實混凝土在流動過程中的穩定性至關重要。混凝土在流動過程中不穩定主要是由剪切作用和重力引起的骨料遷移所致，且重力引起的骨料沉降占主導地位［4-6］。文獻［7-10］采用流動槽法、自密實混凝土穩定性快速測試法、篩析法、柱狀法等方法研究了配合比和流變性能對自密實混凝土穩定性的影響。結果表明，適當降低混凝土漿體體積、水膠比（從0.40 降至0.33）、減水劑用量、最大骨料粒徑、骨料密度和坍落擴展度，優化骨料粒徑分布，提高含氣量、混凝土塑性黏度和屈服應力均可提高自密實混凝土穩定性。

城市軌道交通板式無砟軌道自密實混凝土層比高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土層厚1 倍以上，且混凝土軌道板灌注孔直徑超過30 cm，灌注施工難度顯著降低。本文在高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土制備與施工成套技術的基礎上，通過試驗分析增黏劑摻量對自密實混凝土性能的影響，并通過無砟軌道工藝性試驗驗證增黏劑摻量3%的自密實混凝土在城市軌道交通工程中的適用性。

1 自密實混凝土性能試驗

1.1 原材料

水泥采用北京金隅P·O 42.5 水泥，性能指標見表1。粉煤灰采用內蒙古元寶山電廠Ⅰ級F 類粉煤灰，細度為10.1%，需水量比為93%，活性指數為82%，燒失量為3.5%。細骨料采用天然河砂，細度模數為2.6，含泥量為0.5%。粗骨料采用5 ～ 16 mm 連續級配碎石。外加劑采用河北三楷深發科技股份有限公司生產的減水劑和引氣劑，減水劑的減水率為26%。增黏劑為中國鐵道科學研究院集團有限公司生產的TZ-Ⅱ型增黏劑，性能指標見表2。自密實混凝土配合比見表3。增黏劑摻量有0、3.0%、4.5%、6.0%四種。增黏劑摻量是增黏劑質量占膠凝材料（水泥 + 粉煤灰 +礦渣粉 + 膨脹劑 + 增黏劑）總質量的百分比。

表1 水泥性能指標

表2 增黏劑性能指標

表3 自密實混凝土配合比

1.2 試驗方法和依據標準

1）新拌混凝土流變性能測試

采用丹麥GERMANN 儀器廠生產的ICAR 流變儀測試新拌混凝土流變性能。測試方法：將新拌混凝土樣品快速裝入流變儀筒體中，根據混凝土坍落擴展度對設備參數進行設定，自動測量新拌混凝土的屈服應力和塑性黏度。

2）新拌混凝土工作性能測試

新拌混凝土坍落擴展度、擴展時間（T500）、含氣量和V 形漏斗流出時間參照GB/ T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測試。

3）新拌混凝土靜態穩定性測試

貫入度參照美國標準ASTM C 1712—2017［11］測試，靜態離析百分數參照美國標準ASTM C 1610—2017［12］測試。

4）硬化混凝土力學、耐久和體積穩定性能測試

硬化混凝土的抗壓強度參照GB/ T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測試，電通量和干燥收縮率參照GB/ T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測試。

1.3 試驗結果與分析

1.3.1 新拌自密實混凝土工作性能

1）屈服應力和塑性黏度

無砟軌道結構自密實混凝土的組成復雜，傳統坍落擴展度已經不能充分表征自密實混凝土的工作性能，可采用流變性能指標（塑性黏度τ0和屈服應力η）表征。τ0和η隨增黏劑摻量的變化見表4。可知，在坍落擴展度和含氣量相近的條件下，增黏劑摻量對自密實混凝土流變性能指標影響較大。隨增黏劑摻量增大，自密實混凝土τ0和η顯著增大。增黏劑摻量由6.0%降至4.5%、3.0%、0 時，τ0分別降低3.9%、14.2%、36.6%，η分別降低13.0%、35.8%、45.0%。

表4 τ0和η隨增黏劑摻量的變化

2）T500和V形漏斗流出時間

自密實混凝土T500和V 形漏斗流出時間（tv）均與自密實混凝土黏度直接相關。T500和tv越小，自密實混凝土黏度越小，流動速度越快。T500和tv隨增黏劑摻量的變化見表5。可知，隨增黏劑摻量增大，二者均顯著增大。增黏劑摻量由6.0%降至4.5%、3.0%、0時，T500分別降低16.5%、47.8%、54.3%，tv分別降低6.8%、27.2%、36.7%。這說明隨增黏劑摻量減少，自密實混凝土黏度顯著降低，流動速度加快。

表5 T500和tv隨增黏劑摻量的變化

3）貫入度和靜態離析百分數

貫入度（h）和靜態離析百分數（γ）均是評價自密實混凝土靜態穩定性的重要指標，h和γ越小，自密實混凝土靜態穩定性越好。自密實混凝土靜態穩定性分為良好、一般、較差三個等級。等級劃分標準見表6。

表6 自密實混凝土靜態穩定性等級劃分標準

h和γ隨增黏劑摻量的變化見表7。可知，隨增黏劑摻量減小，自密實混凝土h和γ均呈增大趨勢。增黏劑摻量由6.0%降至4.5%、3.0%、0 時，h分別增加了1、3、18 mm，γ分別增加了1%、2%、10%，雖然靜態穩定性略變差，但增黏劑摻量為4.5%、3.0%時，自密實混凝土h均小于10 mm，γ均未超過10%，其靜態穩定性仍良好。

表7 h和γ隨增黏劑摻量的變化

1.3.2 硬化自密實混凝土力學性能和耐久性能

抗壓強度和電通量分別為表征自密實混凝土力學性能及耐久性能的重要指標。不同增黏劑摻量下自密實混凝土抗壓強度隨齡期變化曲線見圖2。可知，隨增黏劑摻量增大，自密實混凝土抗壓強度呈減小趨勢。56 d 齡期，增黏劑摻量6.0%時，自密實混凝土抗壓強度為47.0 MPa，增黏劑摻量由6.0%降至4.5%、3.0%、0 時，自密實混凝土抗壓強度分別增長0.6%、2.3%、20.7%。

圖2 不同增黏劑摻量下自密實混凝土抗壓強度隨齡期變化曲線

不同增黏劑摻量下自密實混凝土電通量隨齡期的變化見表8。可知，增黏劑的摻入可以降低自密實混凝土電通量，提高自密實混凝土抗氯離子滲透能力。增黏劑摻量由6.0%降至4.5%、3.0%時，自密實混凝土28 d電通量呈減小趨勢，56 d電通量相差不大。

表8 不同增黏劑摻量下自密實混凝土電通量隨齡期的變化

綜上，增黏劑摻量為6.0%、4.5%和3.0%時56 d齡期自密實混凝土的抗壓強度和電通量均滿足Q/CR 596—2017 中抗壓強度大于等于40 MPa 和電通量小于等于1 000 C的要求。

1.3.3 硬化自密實混凝土體積穩定性

干燥收縮率是表征體積穩定性的重要指標。干燥收縮率越小，體積穩定性越好。不同增黏劑摻量下自密實混凝土干燥收縮率隨齡期變化曲線見圖3。

圖3 不同增黏劑摻量下自密實混凝土干燥收縮率隨齡期變化曲線

由圖3 可知，自密實混凝土干燥收縮率隨增黏劑摻量減少而增大。增黏劑摻量6.0%時，自密實混凝土56 d 干燥收縮率為359 × 10-6；增黏劑摻量由6.0%降至4.5%、3.0%、0 時，自密實混凝土干燥收縮率分別增大16 × 10-6、38 × 10-6、73 × 10-6。雖然增黏劑摻量減小會導致自密實混凝土干燥收縮率增大，但不同增黏劑摻量下自密實混凝土干燥收縮率均滿足Q/CR 596—2017中干燥收縮率小于等于400 × 10-6的要求。

2 無砟軌道工藝性試驗

混凝土原材料具有地域性特點，實際服役條件復雜多變，施工前必須進行工藝性試驗，驗證自密實混凝土的適用性。

采用增黏劑摻量3.0%的自密實混凝土進行城市軌道交通板式無砟軌道工藝性試驗。經測試，自密實混凝土坍落擴展度在620 ～ 660 mm，含氣量為5.8%，滿足Q/CR 596—2017 中規定的坍落擴展度小于等于680 mm，含氣量大于等于3%的要求。灌板時自密實混凝土和易性良好，在板腔內流動順暢，從板腔四角排漿孔向外排出的混凝土漿骨分布均勻，灌板時間為5'27″。

揭板后增黏劑摻量3.0%硬化自密實混凝土層表面和斷面見圖4。可知，自密實混凝土層表面密實、平整，無露石露筋、蜂窩麻面等現象，無泌水、無松軟發泡層、無可見裂紋和無明顯水紋，無面積大于50 cm2以上氣泡，面積6 cm2及以上氣泡的面積之和不超過板面積的2%，斷面上骨料分布均勻，無骨料堆積、漿骨分離、上下貫通氣孔、蜂窩等現象，滿足Q/CR 596—2017要求。

圖4 增黏劑摻量3.0%硬化自密實混凝土

3 經濟性分析

高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土和城市軌道交通板式無砟軌道自密實混凝土的每立方米成本對比見表9。其中：前者增黏劑摻量為6.0%，后者增黏劑摻量為3.0%；成本 = 用量 × 單價，每立方米總成本為各個材料成本之和。

表9 高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土和城市軌道交通板式無砟軌道自密實混凝土的每立方米成本對比

由表9 可知，后者每立方米總成本比前者低139.5 元，每立方米混凝土造價降低16.8%。結合城市軌道交通板式無砟軌道結構相關設計參數計算得出：采用后者，單線每公里自密實混凝土用量為2.4（板腔寬） × 0.17（板腔厚） × 1 000（1公里總板腔長） =408 m3。根據既有線施工經驗，自密實混凝土正常損耗率在10%左右。計算可得，采用后者單線每公里可節省：139.5 × 408 × （1 + 10%） = 62 607.6 元。這說明采用增黏劑摻量3.0%的自密實混凝土經濟效益顯著。

4 結論

1）在自密實混凝土坍落擴展度和含氣量相近的條件下，適當降低增黏劑摻量可顯著降低自密實混凝土的塑性黏度、屈服應力和流動時間，增加自密實混凝土的貫入度、靜態離析百分數、56 d抗壓強度和干燥收縮率，但是對自密實混凝土56 d電通量影響不大。

2）經工藝性試驗，增黏劑摻量3.0%的自密實混凝土灌注過程中和易性良好，揭板后自密實混凝土層表面和斷面符合Q/CR 596—2017 中自密實混凝土質量要求。

3）與增黏劑摻量6.0%的高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土相比，增黏劑摻量3.0%的自密實混凝土靜態穩定性和體積穩定性雖略有變差，但其各項性能指標均滿足Q/CR 596—2017 中自密實混凝土工作性能、力學性能和耐久性能的要求，不論是灌板時還是揭板后自密實混凝土質量均滿足規范要求，且每立方米成本可降低16.8%，經濟效益顯著。因此，增黏劑摻量3.0%的自密實混凝土可用于城市軌道交通板式無砟軌道結構。