C40无砟轨道自密实混凝土性能研究

游国贤

（肇庆市恒裕混凝土新型建材有限公司，广东 肇庆 526000）

0 引言

随着我国高速铁路的迅速发展，无砟轨道结构以其良好的稳定性、维修工作量低及使用寿命长等突出特点得以广泛应用。CRTSⅢ 型板式无砟轨道是我国在消化、吸收国外无砟轨道技术基础上，再创新研制的具有我国自主知识产权的无砟轨道技术。它用自密实混凝土替代 CA 砂浆做为板下充填层，起着支撑、承力、传力、填充和调整轨道板高度的作用[1]。用于充填层的自密实混凝土必须具有优异的工程性能，包括良好的工作性能、较高的体积稳定性、适度的弹韧性以及与服役环境相应的耐久性能，从而确保整个结构的服役寿命。

国内外学者在无砟轨道自密实混凝土的制备、施工、性能及检测技术等方面做了大量研究。但是，无砟轨道填充层用自密实混凝土还存在拌合物扩展度损失快、有泌水和离析现象、揭板后混凝土表面浮浆层厚、表面水纹和工艺性气泡超标、局部灌注不饱满、收缩开裂严重、体积稳定性差等问题。针对上述问题，本文采用具有绝湿膨胀的双膨胀源膨胀剂和粘度改性材料研制了一种工作性好、填充无缺陷，开裂敏感性低，耐久性好，并且适用于 CRTSⅢ 型板式无砟轨道板的微膨胀自密实混凝土。

1 试验

1.1 原材料

水泥，P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其化学组成见表1，物理性能见表 2。

粉煤灰，F 类Ⅰ级粉煤灰。矿粉，S95 磨细矿渣粉。粘度改性材料，自制，性能符合 TJ/GW 112—2013《高速铁路 CRTSⅢ 型板式无砟轨道自密实混凝土暂行技术条件》的规定；膨胀剂，硫酸酸钙－氧化钙类双膨胀源混凝土膨胀剂，性能符合 GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》中的Ⅱ型产品要求，物理性能见表 3。

表1 水泥化学组成 %

表2 水泥物理性能

表3 高性能混凝土膨胀剂物理性能

细骨料，河砂，中砂，细度模数 2.6。粗骨料，碎石，5～16mm 连续级配。减水剂，保坍型聚羧酸减水剂。拌合水，自来水。

1.2 混凝土配合比

自密实混凝土胶凝材料 520kg/m3，砂率 0.50，膨胀剂掺量分别为 30kg/m3、40 kg/m3和 50kg/m3，编号及配合比如表 4 所示。

表4 自密实混凝土配合比 kg/m3

1.3 试验方法

1.3.1 新拌混凝土性能测试

参照 TJ/GW 112—2013《高速铁路 CRTSII 型板式无砟轨道自密实混凝土暂行技术条件》，进行坍落扩展度、扩展时间 T500、J 环障碍高差、L 型仪充填比、含气量和竖向膨胀率等测试。

1.3.2 硬化混凝土性能测试

参照 TJ/GW 112—2013《高速铁路 CRTSⅢ 型板式无砟轨道自密实混凝土暂行技术条件》，进行抗压强度、电通量和抗盐冻性等测试。

1.3.3 限制膨胀率测试

参照 GB 23439—2009《混凝土膨胀剂》，进行水中和空气中全程限制膨胀率测试。

2 结果与分析

2.1 新拌自密实混凝土性能

新拌自密实混凝土性能测试结果如表 5 所示。图1～2 是 C3 新拌自密实混凝土的坍落扩展度和 J 环障碍高差试验结果。

表5 新拌自密实混凝土性能

自密实混凝土与普通混凝土相比，其特征在于它是具有高流动性、高黏聚性和优越流变性能的高流态混凝土。 由表 5 和图 1～2 可以看出，自密实混凝土坍落扩展度达到 665～680mm，T500扩展时间仅为 3.5～4.8s，说明所制备的三种新拌混凝土流动性较好。L 型仪充填比在 0.92～0.94，说明新拌混凝土填充性和间隙通过性好。J 环障碍高差在 10～13mm，钢筋附近无石子堆积，说明新拌混凝土具有较好的抗离析性。此外，随着单方混凝土膨胀剂掺量的增加，单方用水量和外加剂相同时，新拌混凝土的黏聚性有所增加，而新拌混凝土的流动性、填充性和抗离析性略有降低。粘度改性材料的引入降低了混凝土对水和外加剂的敏感性，改善混凝土工作性。新拌混凝土内部引入了适当的微小气泡，含气量在 3.7%～4.3%，起到滚珠的作用，降低物料粘性，有助于改善新拌混凝土的和易性[2]。并且，三个混凝土都没有泌水。竖向膨胀率随着膨胀剂掺量的增加而增长，这主要是因为双膨胀源高性能混凝土膨胀剂的膨胀与强度增长相匹配，它可以有效补偿自密实混凝土的自收缩。

图1 混凝土坍落扩展度

图 2 混凝土 J 环障碍高差

综上所述，所制备的三个自密实混凝土均具有良好的流动性、填充性和抗离析性，可以在自重、无外部振捣下浇筑密实无砟轨道板的底面和底座之间的空隙，不会出现蜂窝、孔洞等缺陷。

2.2 自密实混凝土抗压强度

自密实混凝土抗压强度测试结果见表 6 和图 3。

表6 混凝土抗压强度 MPa

由图 3 可以看出，所制备自密实混凝土的抗压强度随着龄期的增长（3d→56d）而持续增长，28d 时抗压强度达到 40.5～41.5MPa，56d 时抗压强度为 49.5～51.1MPa，三个配比的自密实混凝土抗压强度均达到TJ/GW 112—2013 的要求。此外，随着膨胀剂掺量的增加，自密实混凝土抗压强度略有下降，但下降幅度非常小，尤其是早期，后期略有差别。掺量 30kg/m3的 C1自密实混凝土 56d 抗压强度比单方掺量 40g/m3的 C3 混凝土高 1.6MPa。这主要是因为，当混凝土的限制膨胀率与强度增长相匹配时，限制膨胀率随着膨胀剂掺量的增加而增长。强度的差异是由 C3 自密实混凝土的膨胀大于 C1 自密实混凝土所引起的。

图3 自密实混凝土抗压强度

2.3 自密实混凝土耐久性

混凝土的电通量和抗盐冻性测试结果见表7。

表7 自密实混凝土耐久性

当混凝土接触水并且经受反复交替的正负温循环时，混凝土就有可能发生冻融循环破坏。而当水中含有盐类时，由于盐结晶压力的物理破坏作用，混凝土就可能发生严重的盐冻破坏。混凝土从表面开始逐渐向内扩展破坏，砂浆层剥落、骨料暴露。众所周知，混凝土发生破坏的前提是外界的水或其他侵蚀介质进入混凝土内部。因此，低渗透性是保证混凝土耐久性的关键。

由表 7 可知，所制备的自密实混凝土经过 28 次冻融循环后，其剥落量仅为 160～170g/m2，远远低于 TJ/GW 112—2013 给出的低于 1000g/m2限值，说明混凝土具有较好的抗盐冻性。而自密实混凝土 56d 电通量在360～385C，依据 ASTM C1202 标准，混凝土氯离子渗透性为“非常低”，也就是说自密实混凝土具有良好的抗渗性。这正好解释了为什么自密实混凝土抗盐冻性极佳。自密实混凝土所采用的聚羧酸减水剂具有引气组分，在混凝土内部引入大量微小的气泡（见表 5 含气量测试结果），这些微小的气泡封闭混凝土的毛细孔通道，降低混凝土的连通性，优化孔结构，提高混凝土的抗渗性。另一方面，自密实混凝土配制时采用了双膨胀源膨胀剂，其膨胀水化产物可以进一步填充孔隙，从而降低混凝土的渗透性。二者叠加复合，有效保证了自密实混凝土的低渗透性，从而提高混凝土的耐久性。

2.4 自密实混凝土限制膨胀率

由于自密实混凝土胶凝材料用量和砂率都较高，导致其自收缩和干燥收缩非常大。无砟轨道填充层用自密实混凝土如果产生较大收缩，引发体积变形，则会严重影响高铁的行车安全。因此，如何控制自密实混凝土的收缩，解决体积稳定性是技术人员所要面对的一个难题。TJ/GW 112—2013 只要求测试自密实混凝土的56d干缩值，无法评价自密实混凝土的全程变形。

自密实混凝土水中养护 14d 而后转入干空继续养护56d 所测得的全程限制膨胀率结果见表 8 和图 4。

表8 自密实混凝土限制膨胀率 %

图4 自密实混凝土全程限制膨胀率

由表 8 和图 4 可以看出，自密实混凝土的限制膨胀率随着膨胀剂掺量的增加而增加，尤其是膨胀剂掺量 40kg/m3的 C3 自密实混凝土。水中养护 14d时，C1、C2 和 C3 自密实混凝土的限制膨胀率分别达到 0.0236%、0.0263% 和 0.0315%。转入干空 56d后，三者的限制膨胀率仍然达到 -0.011%、0.001% 和0.007%。结果表明，当膨胀剂掺量达到 35kg/m3时，C2自密实混凝土的干燥收缩值几乎为零，但仍大于零，说明混凝土还处于膨胀状态。当膨胀剂掺量达到 40kg/m3时，C3 自密实混凝土则依然储存了较大的预压应力。双膨胀源膨胀剂有效减小自密实混凝土收缩，膨胀剂单方掺量 35kg 时，可有效解决体积不稳定的难题。

综合考虑自密实混凝土拌合物的工作性，硬化混凝土的强度、耐久性和体积稳定性，膨胀剂掺量 40kg/m3的 C3 自密实混凝土性能较佳，体积稳定性的可靠性更有保障一些。

3 结论

研制了一种适用于 CRTSⅢ 型板式无砟轨道板的微膨胀自密实混凝土，它具有工作性好、填充无缺陷，开裂敏感性低，低渗透性和耐久性好的等优点，性能满足 TJ/GW 112—2013 要求。混凝土拌合物坍落扩展度665mm、T500扩展时间仅为 4.8s，L 型仪充填比 0.92、J 环障碍高差 13mm，56d 抗压强度 49.5MPa、电通量365C、抗盐冻性（28 次冻融循环剥落量）160g/m2。双膨胀源膨胀剂单量掺量 40kg 时，可有效解决自密实混凝土收缩问题。

[1] 马昆林，龙广成，谢友均．CRTSⅢ 型板式无砟轨道充填层自密实混凝土碳化及力学性能演变的研究[J]．铁道科学与工程学报，2012,9(6): 42-47．

[2] 王华生，赵慧如．现代混凝土技术禁忌手册[M]．北京：机械工业出版社，2008，369．

[3] 李宁，叶燕华，杜艳静，等．膨胀剂掺量对自密实混凝土收缩性能的影响[J]．建筑技术，2011,2: 1114-1117．