混凝土施工参数对轨道充填层灌注质量的影响研究

刘敏杰 刘赞群 李文旭

（1.京滨城际铁路有限公司 天津 300450；2.中南大学 湖南长沙 410075）

1 引言

CRTSⅢ型板是具有我国自主知识产权的无砟轨道结构，采用自密实混凝土（以下简称SCC）作为无砟轨道充填层材料［1－4］。CRTSⅢ型板式轨道充填层为5 600×2 500×90 mm的狭长薄板状封闭空间，流动距离最长约3.066 m。自密实混凝土必须具有较高填充性能和穿越钢筋性能［5－7］，灌注过程中速度需适中，以保证板面质量并控制轨道板上浮量。

自密实混凝土充填层是轨道结构的关键结构部件［8］，因此，深入研究自密实混凝土拌合物性能及灌注时间对自密实混凝土充填层灌注质量的影响规律对控制和优化现场施工技术具有重要意义。鉴于此，本文结合线下工艺性揭板试验钻芯取样，并利用Imagepro-plus图像处理软件，研究自密实混凝土拌合物性能与灌注时间对自密实混凝土充填层匀质性及表面缺陷的影响。

2 试验概况

2.1 试件制备及工况设置

结合某客专线下工艺性揭板试验进行钻芯取样，芯样直径为70 mm。取芯现场及充填层自密实混凝土芯样见图1；设计7种工况见表1。

表1 各板号的试验工况条件

2.2 试验方法

芯样处理按《钻芯法检测混凝土强度技术规程》［9］展开，试验采用HS-SB1W型非金属无损检测超声波测试仪（见图2），测得充填层自密实混凝土芯样的密度及横、纵波声速，并基于声学基础研究所得的无限大固体弹性参数计算公式（1）、公式（2），求得自密实混凝土动弹性模量。考虑充填层的结构特点，将充填层板沿灌注方向分成9个区段（见图3），采用单反相机拍摄各区块充填层表面。拍照时需保证相机镜头垂直于板面上方，使得拍出的照片清晰且表面缺陷不产生变形。然后，将拍摄的照片导入图像分析软件Imagepro-plus，并利用Imagepro-plus对拍摄的充填层表面照片进行处理，统计计算各区段内缺陷面积、平均直径等参数，得到基于气泡面积数量的界面缺陷率。

式中：Ed为动弹模量；vP、vS分别为纵波、横波声速；ρ为试件密度；μ为泊松比。

3 拌合物性能及灌注时间对充填层自密实混凝土匀质性的影响

3.1 拌合物扩展度对充填层自密实混凝土匀质性的影响

由图4可知，充填层自密实混凝土动弹性模量整体呈现从中间灌注口向四个出浆口方向递减的趋势，并且充填层匀质性随自密实混凝土拌合物扩展度增大而降低。板1在出浆口附近动弹模出现明显降低，这是因为拌合物扩展度大小与其稳定性有密切关系，有研究表明当扩展度从730 mm降低到620 mm时，稳定性指数减小近一半，稳定性显著提高［10］。板1的自密实混凝土拌合物扩展度最大，板2、板3的动弹性模量分布较板1更加均匀。由此可知，自密实混凝土拌合物扩展度过大（大于670 mm），会增加发生离析的风险，导致混凝土匀质性降低；扩展度过小（小于620 mm）则影响拌合物的间隙通过性，同样会对充填层自密实混凝土匀质性造成不利影响。因此，结合填充层自密实混凝土动弹性模量分布及其匀质性指数，认为拌合物扩展度范围为620～670 mm时，充填层自密实混凝土匀质性最优。

3.2 T500对充填层自密实混凝土匀质性的影响

不同T500的充填层自密实混凝土动匀质性指标见图5。结合弹性模量分布云图可以看出，充填层匀质性随自密实混凝土拌合物T500的增大而增加。其中，T500最小的板4沿灌注方向动弹性模量呈现较明显的梯度变化，越接近出浆口，动弹性模量值越低，相较于板2、板5匀质性降低约40%，匀质性最差。这是因为自密实混凝土匀质性与其拌合物的塑性黏度紧密相关，塑性黏度增大会增加浆体施加于集料上的总拉应力，使拌合物在流动、运输过程中仍能保持良好的稳定性［11－12］。而 T500通常用来表征拌合物的塑性黏度，T500过小导致混凝土拌合物稳定性降低，加之充填层内密集的钢筋阻隔，加剧了混凝土拌合物离析的发生，进而导致板4出现动弹性模量分布极不均匀的现象。板2、板5匀质性显著提升，板5的匀质性略好于板2。由此可知，当拌合物T500小于3 s时，充填层自密实混凝土稳定性很可能得不到保证，严重影响到充填层混凝土的匀质性；当T500大于6 s后，自密实混凝土灌注时间增长，但对充填层自密实混凝土匀质性影响不大。

3.3 灌注时间对充填层自密实混凝土匀质性的影响

由图6可知，随着灌注时间增长，充填层自密实混凝土匀质性略有提升。灌注时间最短的板6匀质性略差，板2和板7匀质性接近。总体而言，当混凝土拌合物工作性良好时，灌注时间对充填层自密实混凝土匀质性影响不大，这与文献［13－14］的混凝土流速对其动态稳定性影响很小的结论相吻合。

4 拌合物性能及灌注时间对充填层自密实混凝土表面缺陷的影响

4.1 拌合物扩展度对充填层自密实混凝土表面缺陷的影响

充填层自密实混凝土表面状态也是评价灌注质量的重要指标。图7a为不同拌合物扩展度下，9个区段内充填层表面缺陷分布，其中表面缺陷率是基于气泡面积计算得出。由图7a可知板2充填层板面处多数区间缺陷率均最小且分布较均匀，板1及板3区间1～2、8～9内出现较多缺陷。通常将自密实混凝土在充填层中的充填模式分为分层逐步充填和整体推进充填两种。板3由于扩展度过小，在规定的灌注时间内，相对排浆时间较短，气体未能充分排出，造成在靠近出浆口附近区段内出现较多被拉扯变形的大气泡（见图7b），缺陷率增加。由此可知，自密实混凝土拌合物扩展度对充填层表面缺陷影响较大且拌合物扩展度范围为620～670 mm时，充填层表面缺陷分布均匀、缺陷率最低。

4.2 T500对充填层自密实混凝土表面缺陷的影响

不同T500的充填层自密实混凝土板面缺陷率分布见图8a。由图8a可知，随着拌合物T500增长，板面缺陷率越小；板4在区间1、2、8、9处出现较多缺陷，特别在观察口处出现明显发泡层（见图8b）。相较于板4，板2、板5缺陷率更低且各区间界面缺陷率接近，板5略好于板2。由此可知，对于扩展度范围为620～670 mm的拌合物，若T500小于3 s，充填层表面易出现酥松发泡层，影响灌注质量；T500大于6 s后，T500再增加对充填层板面缺陷影响不大。

4.3 灌注时间对充填层自密实混凝土表面缺陷的影响

不同灌注时间下板面缺陷率分布见图9a。由图9a可知，随着灌注时间增长，板面缺陷率越低；板6在区间1～4、8～9处出现大量缺陷且有多个缺陷面积超过50 cm2（见图9b）。根据规范要求，板6灌注质量不满足验收标准。这是因为灌注时间过短即灌注速度过快导致充填层空腔内气体无法顺利排出，并且快速流动的混凝土与轨道板底或钢筋网的摩擦产生了更大的气泡缺陷，导致板6充填层板面缺陷率增大。相较于板6，板2、板7缺陷率更低且各区间板面缺陷率接近，板7略好于板2。由此可知，对于扩展度范围为620～670 mm，T500处于3～6 s的自密实混凝土拌合物，若灌注时间低于6 min，充填层自密实混凝土表面易出现大尺寸工艺性气泡，影响施工质量，过长的灌注时间（大于8 min）对自密实混凝土板匀质性及板面缺陷并没有过多的改善。

综上所述，结合充填层自密实混凝土匀质性指标及表面缺陷率，得到现场条件下最经济、合理的充填层自密实混凝土拌合物状态及灌注时间：拌合物扩展度范围620～670 mm；T500为3～6 s；灌注时间为6～8 min。

5 结论

（1）拌合物扩展度对自密实混凝土匀质性及表面缺陷影响较大，拌合物扩展度过大（大于670 mm）及扩展度过小（小于620 mm）都会对充填层自密实混凝土匀质性及表面缺陷造成不利影响。拌合物扩展度范围为620～670 mm时，充填层自密实混凝土匀质性最佳且表面缺陷分布均匀、缺陷率最低。

（2）拌合物T500对自密实混凝土匀质性及表面缺陷影响最大。当拌合物T500小于3 s时，充填层自密实混凝土的稳定性较差，充填层混凝土的匀质性降低约40%且表面多处出现酥松发泡层缺陷；当T500大于6 s后，自密实混凝土灌注时间增长，但对充填层自密实混凝土匀质性及板面缺陷影响不大。

（3）当混凝土拌合物工作性良好时，灌注时间对充填层自密实混凝土匀质性影响不大，但表面缺陷对灌注时间较为敏感。对于扩展范围为620～670 mm、T500为3～6 s的自密实混凝土拌合物，若灌注时间低于6 min，充填层自密实混凝土表面易出现大尺寸工艺性气泡，影响施工质量，灌注时间大于8 min后对自密实混凝土板匀质性及板面缺陷并没有过多的改善。

（4）最佳混凝土拌合物状态及灌注工艺为：拌合物扩展度范围620～670 mm；T500为3～6 s；灌注时间6～8 min。