礦渣粉摻量對CRTSⅢ型軌道板填充層自密實混凝土的影響

馮士鵬，位寧寧

（信陽學(xué)院土木工程學(xué)院，信陽 464000）

1 前言

無砟軌道的充填層作為彈性調(diào)整層，起到連接構(gòu)件、傳遞負(fù)荷、維持列車平穩(wěn)運(yùn)行、具有較高結(jié)構(gòu)耐久性等重要作用。CRTSⅢ型高鐵軌道填充層狹長且窄小，因而要求填充材料具有較高且穩(wěn)定的工作性能，以及規(guī)范準(zhǔn)確的的制備方法。CRTSⅢ型板式無砟軌道使用自密實混凝土作為填充層材料，自密實混凝土材料性能的影響因素有很多且相互作用，難以密實、易離析、易產(chǎn)生氣泡、漿體上浮等問題影響自密實混凝土的工作性、強(qiáng)度，本文通過調(diào)整礦渣粉的摻量研究自密實混凝土的性能變化[1]。

2 實驗準(zhǔn)備

2.1 礦渣粉介紹

試驗采用S95 級礦渣粉，比表面積為400 m2/kg，產(chǎn)地為河南鄭州鞏義市。礦渣粉是粒化高爐礦渣粉的簡稱，是一種優(yōu)質(zhì)的混凝土摻合料，也是符合GB/T203 標(biāo)準(zhǔn)的粒化高爐礦渣，經(jīng)干燥、粉磨，達(dá)到相當(dāng)細(xì)度、相當(dāng)活性指數(shù)的粉體S95 級礦渣能改善自密實混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，保持自密實混凝土的工作性，降低水泥的水化熱，有利于提高自密實混凝土的強(qiáng)度以及改善自密實混凝土的耐久性，而且具有成本低、符合綠色環(huán)保、為再利用工業(yè)廢棄物等特點。礦渣粉比表面積越大，其活性越高，而自密實混凝土的收縮開裂程度也會隨之增加。

2.2 試驗方法

自密實混凝土材料配合比設(shè)計采用絕對體積法，進(jìn)行基準(zhǔn)配合比的計算，然后逐步計算不同摻合料的體積及摻量。根據(jù)《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ/T283，自密實混凝土參數(shù)要求如表1，表2，表3 所示。

表1 每立方米自密實混凝土參數(shù)要求

表2 每立方米混凝土粗骨料體積Vg

表3 自密實混凝土主要性能指標(biāo)

3 結(jié)果分析

高鐵填充層自密實混凝土應(yīng)具有較高的流動性能、高擴(kuò)展度、高抗離析能力和包裹鋼筋的性能，同時滿足一定的力學(xué)強(qiáng)度、耐久性以及良好的填充性能。通過使用控制變量的方法保持礦渣粉摻量為5%，粉煤灰為15%，減水劑為2.3%，粗骨料體積為31%，細(xì)骨料體積為45%不變，改變礦渣粉的摻量為5%、10%、15%、20%、25%時進(jìn)行自密實混凝土自動配合比計算，研究礦渣粉摻量對自密實混凝土的影響。

3.1 礦渣粉摻量對高鐵填充層自密實混凝土工作性能研究的影響

不同礦渣粉摻量下自密實混凝土的填充性、流動性、間隙通過性如表4 所示。

表4 不同礦渣粉摻量工作性實測值

由表4 可以得出結(jié)論，礦渣粉摻量從5%，10%到15%變化時，自密實混凝土的流動時間T500逐漸變小，坍落擴(kuò)展度逐漸變大，間隙通過率H2/H1逐漸減小；當(dāng)?shù)V渣粉的摻量大于15%時，自密實混凝土的T500流動時間逐漸增大，坍落擴(kuò)展度逐漸減小，間隙通過率H2/H1逐漸增大，J 環(huán)障礙高差BJ在礦渣粉摻量大于15%時，其值逐漸增大；當(dāng)?shù)V渣粉摻量為15%時，坍落擴(kuò)展度等于672 mm，T500等于3.2 s，BJ等于18 mm，通過率H2/H1等于0.7，T700等于14s，符合填充層自密實混凝土工作性的要求。

3.2 礦渣粉摻量對高鐵填充層自密實混凝土強(qiáng)度的影響

隨著礦渣粉含量的增加，礦渣粉的早期強(qiáng)度較高，自密實混凝土的整體強(qiáng)度也逐漸提高。如圖1 所示，礦渣粉摻量為20%時強(qiáng)度最高，自密實混凝土結(jié)構(gòu)中分布的大孔在礦渣粉的填充下得到減少，小孔數(shù)量增加后可以由粒徑比其小的硅灰顆粒填充，從而降低孔徑的尺寸。礦渣粉中的SiO2與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成硅酸凝膠。一方面，硅酸凝膠的強(qiáng)度比水泥的水化產(chǎn)物更高，另一方面，礦渣粉的二次水化增加了自密實混凝土中水化產(chǎn)物的數(shù)量。所以礦渣粉可以提高自密實混凝土的密實度，提高混凝土的早期強(qiáng)度和整體強(qiáng)度[2]。

圖1 礦渣粉摻量對自密實混凝土強(qiáng)度的影響

3.3 礦渣粉摻量對高鐵填充層自密實混凝土豎向收縮的影響

由圖2 可知，自密實混凝土的收縮值隨著礦渣摻合量的增加呈減小趨勢[3]；礦渣粉活性較高，降低了自密實混凝土內(nèi)部濕度，從而降低化學(xué)收縮；當(dāng)?shù)V渣粉的摻量大于15%時，自密實混凝土的收縮又變大，因為當(dāng)?shù)V渣粉太多時不能夠充分反應(yīng)，對收縮起抑制作用[4]。

圖2 礦渣摻量對自密實混凝土豎向收縮的影響

3.4 微觀結(jié)構(gòu)對比

因為礦渣粉中含有豐富的SiO2，其活性較高，SiO2與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成硅酸凝膠，而硅酸凝膠密實度更高。通過電鏡掃描實驗，礦渣粉的摻入增加了水泥的水化產(chǎn)物，使更多空隙被水化產(chǎn)物填充，微觀結(jié)構(gòu)更為密實；礦渣粉具有密實堆積填充效應(yīng)，使混凝土小孔數(shù)量增加，大孔數(shù)量減少，平均孔徑降低，結(jié)構(gòu)分布更為合理。

4 室內(nèi)灌注模擬試驗

使用室內(nèi)模擬試驗?zāi)MCRTSⅢ型高鐵填充層自密實混凝土的灌注，通過實驗室制備自密實混凝土，為保證自密實混凝土各項參數(shù)能滿足填充層自密實混凝土的要求，對新拌自密實混凝土進(jìn)行了灌注前的J 環(huán)試驗、坍落擴(kuò)展度試驗、L 型填充性試驗和豎向收縮試驗。經(jīng)過自密實混凝土的J 環(huán)測試，得到自密實混凝土擴(kuò)展時間T500為5 s，J 環(huán)障礙高差BJ為13.07 mm，坍落擴(kuò)展度時間為670 mm，L 型儀充填比H2/H1為1.05，均能滿足表4 中的要求。預(yù)留100 mm×100 mm×100 mm 試塊，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。通過對自密混凝土工作性檢測合格后，開始室內(nèi)模擬灌注試驗[5]。

從室內(nèi)模擬器頂板灌注料斗進(jìn)行灌注，灌注時保持60 cm～80 cm 的灌注高度。按照“慢—快—慢”的原則，控制自密實混凝土的灌注速度，灌注過程應(yīng)滿足灌注口密封性較好，以保證灌注口內(nèi)無大量空氣進(jìn)入；灌注料斗內(nèi)的自密實混凝土能夠持續(xù)不間斷地灌入填充層，在自密實混凝土填充材料到達(dá)觀察孔之前快速灌注[6]。當(dāng)蓋板上四角的觀察孔有自密實混凝土溢出且無氣泡時停止灌注；灌注時應(yīng)保證氣體能夠排出，灌注過程中要及時向灌注料斗內(nèi)補(bǔ)充自密實混凝土，從灌注開始至觀察孔內(nèi)有自密實混凝土溢出且無氣泡時，該段時間為自密實混凝土的灌注時間[7]。填充層自密實混凝土灌注的參數(shù)如表5。

表5 高鐵高性能填充材料灌注前工作性測定

5 結(jié)論

適當(dāng)?shù)牡V渣粉可以提高自密實混凝土的工作性。當(dāng)?shù)V渣粉摻量為15%時，坍落擴(kuò)展度等于672 mm、T500等于3.2 s，BJ等于18 mm，通過率H2/H1等于0.7，T700等于14s，符合填充層自密實混凝土工作性的要求；隨著礦渣粉含量的增加，自密實混凝土的整體強(qiáng)度也逐漸提高。當(dāng)?shù)V渣粉含量等于15%時，28 天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的抗壓強(qiáng)度等于47.5 MPa；自密實混凝土的收縮值隨著礦渣摻合量的增加呈減小趨勢，當(dāng)?shù)V渣粉的摻量等于15%時收縮率最小；礦渣粉的摻入使混凝土的大孔數(shù)量減少，小孔數(shù)量增加，平均孔徑降低，微結(jié)構(gòu)更為密實，分布更為合理。