商合杭高铁CRTSⅢ型板式无砟轨道用自密实混凝土性能研究

张 洁

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300450)

自密实混凝土(Self-Compacting Concrete, 简称SCC)是由东京大学的Okamura教授配制出的一种高流动性、不离析、不泌水、不经振捣而充满模板和包裹钢筋的混凝土[1-2]。其优点是具有较大的流动性能，仅依靠混凝土自身的重力和变形能力即可穿越密布钢筋的阻隔，均匀填充于模板的各个部分，无须振捣即可完成高质量的浇筑[3]。相关研究学者对新拌SCC的稳定性展开了诸多研究，同时取得了一定成果，但仍存在相关问题亟待解决。Esmaeikhanian等[4]指出无论采取何种措施，SCC离析现象依然存在。近年来自密实混凝土的研究逐渐趋于成熟，刘清等[5-8]对SCC的工作性能、力学性能及抗冻性能做了深入研究，发现不同矿物掺合料对SCC工作性能和力学性能影响规律、骨料形状指数和粒径级配对SCC性能的影响规律以及SCC经过冻融循环前后基本力学性能和应力应变曲线变化规律。

目前自密实混凝土的应用研究主要停留在工民建方面，而我国自主知识产权的CRTSⅢ型板式无砟轨道中自密实混凝土相关研究较少。自密实混凝土本身的性能以及施工水平制约着高速铁路运行过程中的平顺性、安全性，因此开展CRTSⅢ型板式无砟轨道用自密实混凝土本身性能的相关研究至关重要。本文拟采用控制变量的方法，在胶凝材料、集料、外加剂、拌和用水量保持相对不变的条件下，通过调整胶凝材料组分中粘改剂、膨胀剂的掺加量，设计出普通自密实混凝土(C1)和两种应用于商合杭高铁中的自密实混凝土(C2、C3)，使其工作性、力学性、耐久性达到CRTSⅢ型板式无砟轨道服役性能要求。

1 试验过程

混凝土设计要求：T2碳化环境；56 d设计强度等级C40，混凝土扩展度≤680 mm，含气量3.0%～6.0%，扩展度T500为3～7 s，混凝土碱含量 ≤3.0 kg/m3，56 d弹性模量30.0×103～38.0×103MPa，56 d 电通量小于1 000 C，56 d抗盐冻性≤1 000 g/m2。

1.1 原材料组成

水泥：淮北矿业相山水泥有限责任公司生产的P.O 42.5 低碱水泥；矿物掺合料：河南省商丘裕东发电有限责任公司生产的FⅠ类粉煤灰，安钢集团信阳钢铁有限责任公司生产的S95级矿粉；集料：六安金寨提供的细度模数2.5、含泥量0.3%的中砂，徐州澄清提供的5～16 mm含泥量0.3%、压碎指标5%的碎石；减水剂、引气剂：河北三楷深发股份科技有限公司提供；膨胀剂：山西科腾环保科技股份有限公司提供；粘度改性材料：山东三泽硅胶有限公司提供。

1.2 拌合物性能测试方法

新拌混凝土工作性能测试坍落扩展度、T500、含气量试验依据《高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土暂行技术条件》(TJ/GW112-2013)、《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/50081-2016)测试；混凝土抗压强度、弹性模量依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/50081-2019)测试；混凝土的氯离子电通量、抗冻融性依据《普通混凝土长期性和耐久性试验方法标准》(GB/50082-2009)测试。

1.3 自密实混凝土配合比设计

根据设计指标，自密实混凝土的配合比设计如表1所示。

表1 3种自密实混凝土配合比 kg/m3

编号水泥粉煤灰矿粉膨胀剂粘改剂砂 碎石/mm 5～1010～16减水剂引气剂水C1300100120008643733739.365.20180C22751007247268703703709.365.20180C3300014747268543783789.365.20180

2 结果与分析

2.1 3种配合比混凝土拌合物性能分析

CRTSⅢ型板式无砟轨道结构用自密实混凝土质量要求，混凝土自出机到现场施工时间不得超过2 h，因此新拌自密实混凝土坍落扩展度和2 h后坍落扩展度对混凝土后期质量、施工效率至关重要。3种配合比坍落扩展度2 h 内发展情况如表2所示，从表中可以看出2 h损失的发展规律为:C1(35 mm) > C2(10 mm) > C3(5 mm)，分别较新拌扩展度损失的质量分数为5.26%、1.49%、0.775%，其中C1的2 h损失最高，C2、C3的2 h损失较低且较为接近。对比C1和C2、C3配合比原材料的用量得出，与C1配合比不同的是C2、C3中均掺加胶凝性原材料膨胀剂和粘改剂，2种胶凝原材料的掺入大大制约着坍落扩展度的损失，保证了混凝土新拌至现场过程中可施工性。对比C2与C3发现，C2新拌混凝土的坍落扩展度高于C3，结合混凝土配合比可得与C3中不同的是C2中粉煤灰的掺入，粉煤灰微观形貌呈球形可以改善早期混凝土的流动性提高施工效率，因此C2扩展度较高。随着混凝土中各种组分反应的进行，2 h时C2的损失质量分数稍大于C3，其主要原因是，水泥在初始早期迅速水化，水化过程中包裹了一定量的粉煤灰，组分胶凝材料中可移动的粉煤灰数量降低，因此C2的损失率略高于C3。

表2 3种配合比混凝土拌合物性能指标

CRTSⅢ型板式无砟轨道结构充填层用自密实混凝土T500的技术要求是3～7 s，T500的时间是制约结构是否饱满的关键性因素。表2为3种配合比T500发展变化数据，2 h时混凝土拌合物的T500时间较新拌混凝土均有所延迟，其中2 h损失率发展趋势为C1(2.33 s) > C2(0.58 s) > C3(0.04 s)，分别较新拌混凝土T500时间延迟为48.3%、10.6%、0.654%，其中C1的延迟时间最长，2 h后自密实混凝土T500的时间达到7.15 s，不符合CRTSⅢ型板式无砟轨道结构用自密实混凝土T500的技术要求。对比3种混凝土配合比可得，与C2、C3不同的是C1中没有掺加具有胶凝性的膨胀剂和粘改剂，膨胀剂和粘改剂的引入一定程度上缩短了T500时间的延迟。

自密实混凝土配合比相较于普通混凝土配合比主要特点是：组分中引入较多尺寸较小、分布均匀、密闭的气泡，进一步达到高流动性、间隙通过性、抗离析性，同时兼具塑性粘度，使骨料悬浮于水泥浆中，仅靠其自重作用无须振捣便能均匀充填，形成密实且均匀的胶凝结构。CRTSⅢ型板式无砟轨道结构充填层用自密实混凝土含气量的技术要求是3.0%～6.0%，3种配合比含气量发展变化如表2所示，2 h时含气量损失的发展规律为：C1(1.8%)>C2(0.6%)>C3(0.4%)，分别较新拌混凝土损失的百分数为39.1%、10.09%、7.69%，其中C1含气量的损失分数均高于C2、C3，2 h后C1的含气量达到2.8%，已不满足于CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土的技术要求。

综上所述，C1配合比2 h时坍落扩展度、T500时间延迟、含气量损失率均大于C2、C3，尤其是2 h时T500时间、含气量均低于自密实混凝土技术要求，因此不满足现场施工需求；相较于C1配合比，C2、C3均满足现场施工技术要求。究其主要原因：C2、C3配合比在水泥、粉煤灰、矿粉胶凝材料的基础上掺加具有胶凝性的膨胀剂和粘改剂，2种组分的掺入一定程度上提高了自密实混凝土的工作性，保证了自密实混凝土在运输过程中的质量，大大提高了施工效率，节约成本。

2.2 力学性能分析

标准养护条件下3种配合比(C1、C2、C3)混凝土抗压强度发展趋势如图1所示，从图中可以得出，不同龄期下混凝土抗压强度的发展趋势均呈现C1

图1 3种配合比抗压强度值

弹性模量是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力，弹性模量可作为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，材料发生弹性变形的应力也越大。56 d 3种配合比硬化浆体弹性模量的发展趋势为C3 (34.2×103MPa)>C2 (33.5×103MPa)>C1 (32.3×103MPa)，即硬化浆体发生应变时应力变化规律为C3>C2>C1，强度发展趋势亦遵循此规律，与图1得出的强度发展规律相同。

2.3 耐久性分析

CRTSⅢ型板式无砟轨道结构混凝土的使用年限为60 a，混凝土耐久性指标评价对混凝土结构服役过程中的质量安全至关重要。CRTSⅢ型板式无砟轨道结构用自密实混凝土电通量的技术要求56 d电通量小于1 000 C，56 d抗盐冻性(28次冻融循环剥落量)不超过1 000 g/m2。C1、C2、C3三种配合比56 d 电通量值均低于1 000 C，其发展规律为C1(687 C)>C2(637 C)>C3(596 C)，即渗透能力C1>C2>C3，其断面水化产物微观密实度C1

3种配合比56 d抗盐冻性能均未超过1 000 g/m2，其发展规律为C1(208 g/m2)>C2(103 g/m2)>C3(50 g/m2)，即抗剥蚀能力C1

3 工程应用

综合上述C1、C2、C3三种配合比下混凝土工作性能、力学性能以及耐久性能研究分析，得出C2、C3配合比均满足CRTSⅢ型板式无砟轨道结构用自密实混凝土技术要求。现今C2、C3配合比已应用于商合杭高铁CRTSⅢ型板式无砟轨道结构，C3配比的早期强度优于C2，C3更加适用于较低温度(不低于5℃)下施工。