自密实混凝土原材料及其配合比的选择与优化

彭 红

(中铁十八局集团第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

0 引言

自密实混凝土是一种新型混凝土，在自重的作用下就能完成流动和密实，具有很强的均匀性和稳定性。铁路轨道施工中多采用自密实混凝土施工，主要原因是其在密度比较大的钢筋结构体系中可以形成密实度比较大的结构，而且具有良好的均质性，在浇筑完成之后无需振动，可减少施工工序。影响自密实混凝土施工质量的因素比较多，其中原材料的性能和配合比尤为重要。姜迪[1]在自密实混凝土配合比优化试验研究中指出，科学合理的配合比是保证自密实混凝土质量的关键。但是，依然有很多施工单位在应用自密实混凝土进行施工时，忽略原材料的选择和配合比设计，致使自密实混凝土的强度、质量、性能都无法达到理想的效果。基于此，开展自密实混凝土施工原材料的选择和实验室配合比确定的研究，可更好地保障自密实混凝土的质量，最大限度地发挥自密实混凝土的优势，更好地保障铁路工程质量。

1 工程概述

新建郑州至济南铁路ZPZQ-Ⅱ标段的起讫里程为：(DK230+789.63)～(DK275+695.83)，线路长度44.906 km，包括内黄站站场路基1.550 km、区间路基0.627 km、框架小桥1座、框架中桥1座、框架涵4座、站场旅客通道1座、桥梁2座共42.729 km(濮阳特大桥长15.842 km，滑县特大桥长26.886 km)。正线铺设CRTSⅢ型板式无砟轨道。标准轨道板型号有P5600，P4925，P4856三种，总板数为16 414块，ZPZQ-Ⅱ标段布板明细见表1。

表1 ZPZQ-Ⅱ标段布板明细

2 自密实混凝土的原材料

为保证施工质量，需要科学合理地选择高性能原材料，以保证自密实混凝土的强度(56 d抗压强度≥40.0 MPa，56 d抗折强度≥6.0 MPa，56 d弹性模量在(3.0～3.8)×104MPa之间)、耐久性(56 d电通量≤1 000 C，56 d抗盐冻性能(28次冻融循环剥落量)≤1 000 g/m2，56 d干燥收缩值≤400×10-6)、坍落扩展度(≤680 mm)等各项指标都能符合设计要求。

2.1 水泥

水泥是配制自密实混凝土的主要原料。在选择水泥时，既要考虑强度，也要考虑抗裂性和抗渗性。在本案例工程施工中，选择了强度为42.5 MPa的普通硅酸盐水泥，性能满足如下标准：比表面积控制为300～350 m2/kg；游离氧化钙的含量≤1.0%；碱的含量≤0.6%；熟料中C3A的含量≤8.0%；氯离子的含量≤0.06%；三氧化硫含量≤3.5%；烧失量含量≤5.0%；氧化镁含量≤5.0%；安定性(沸煮法：雷氏夹变化量≤5 mm)及凝结时间(初凝≥45 min，终凝≤600 min)符合《铁路混凝土》(TB/T 3275—2018)要求[2]。

2.2 矿物掺合料

在配制自密实混凝土时，加入适量的矿物质掺合料可有效提升自密实混凝土的性能，而且还能减少水泥用量，降低水化热，有助于控制裂缝。在本案例工程施工中，矿物质掺合料选择了粉煤灰和矿渣粉，其技术标准见表2和表3。

表2 粉煤灰的技术标准

表3 矿渣粉的技术标准

2.3 细骨料和粗骨料

细骨料也是自密实混凝土的主要原材料。为保证总体施工质量，选择级配合理、质地坚硬，且吸水率比较低、空隙率比较小的清洁天然河砂，砂细度模数控制在2.5及以下，并确保细骨料在0.3～1.18 mm范围内颗粒含量满足20%～40%的要求，含泥量不大于2.0%，其他性能满足《铁路混凝土》(TB/T 3275—2018)的规定[3]。

粗骨料则要选择粒型比较好、质地坚硬、线胀系数小的清洁碎石或者卵石，尽量选择二级配骨料相互混合而成，也要保证粗骨料的最大粒径不能超过16 mm,针片状颗粒含量不大于5.0%，含泥量不大于0.5%，其他性能满足《铁路混凝土》(TB/T 3275—2018)的规定。

2.4 减水剂和引气剂

在配制自密实混凝土时，加入适量的减水剂，可提升混凝土的耐久性，更好地控制裂缝，但需要保证所选的减水剂能够与水泥、掺合料等材料之间具有良好的相容性，其性能应满足《铁路混凝土》(TB/T 3275—2018)的规定[4]。

加入适量的引气剂可促使自密实混凝土施工中气泡能够更加顺利地排出，以免形成麻面，影响自密实混凝土的质量。但在具体选择时，需要保证引气剂和减水剂、水泥、掺合料等之间能够相互适应，避免冲突[5]。

2.5 粘度改性材料

在自密实混凝土施工中，为最大限度地保证施工质量，还需要合理选择粘度改性材料，以提升自密实混凝土的粘度，防止泌水，改善混凝土和易性[6]。在改善离析问题的基础上，不降低自密实混凝土施工的力学性能及耐久性。在本案例工程施工中，粘度改性材料的性能见表4。

表4 粘度改性材料的性能

2.6 膨胀剂和拌合水

膨胀剂尽量选择Ⅱ型膨胀剂，以保证水中养护7 d的限制膨胀率不低于0.05%，空气中养护21 d的限制膨胀率不小于-0.010%。

拌合水选择可直接饮用的水，性能符合《铁路混凝土》(TB/T 3275—2018)的要求。与拌合水相比，养护用水除可溶物、不溶物没要求之外，其余应当和拌合水的性能一致[7]。

3 优化自密实混凝土的配合比

3.1 配合比试验

为了优化配合比，保证施工质量，在施工前进行了5次自密实混凝土配合比试验，具体的参数见表5。不同养护时间后样品的工作性能及强度、收缩率分别见表6和表7。

表5 5次自密实混凝土配合比试验的参数 kg

表6 不同养护时间后样品的工作性能及强度

表7 不同养护时间后样品的收缩率

3.2 确定最佳配合比

11号和12号样品的配合比中水泥用量比较大，样品强度大，但同时其早期收缩率和自收缩率也比较大，容易形成裂缝，不利于保证自密实混凝土的施工质量[8]。而21号样品中没有添加粘度改性剂，容易发生泌水问题，气泡也容易上浮，收缩较快，容易形成裂缝，不利于保证自密实混凝土施工的耐久性。而TPB40R1和TPB40R2样品基本上都能满足本案例工程无砟轨道充填层自密实混凝土性能的要求，但从早期强度和收缩率上来看，TPB40R1样品的性能更优。因此，在本案例工程施工中，选择TPB40R1作为主要的配合比，TPB40R2作为备用配合比。

4 施工效果分析

对于无砟轨道P5350Ⅲ板，A板采用 TPB40R1配合比，B板选用 TPB40R2配合比。轨道板底座由C40混凝土浇筑而成，再在上方布设一层厚度为5 mm的土工布，中间铺一层φ 12 mm的钢筋网片，四周用模板密封，中间灌注孔，两边及四角各留一个排气孔，从轨道板中间孔单点连续灌注自密实混凝土。

揭板后，A板和B板均无收缩性裂纹，表面均无松软发泡层，表面密实、平整、无离析、 露石。B板有蜂窝现象，表面无50 cm2以上的气泡，6 cm2及以上气泡的面积之和不超过板面积的2%。A板自密实混凝土与轨道板和底座的四周接触良好，充盈性饱满，B板侧面充盈性略差，自密实混凝土和轨道板座粘结不饱满。A板表面没有明显的流水痕迹，B板有少许流水痕迹，少量气泡没有排除，现总结如下。

1)采用聚羧酸减水剂+粘度改性材料+膨胀剂+外掺料为原材料制备的自密实混凝土的流动性及保塑性良好，构件内浆体包裹石子均匀流淌，顺利穿过钢筋网片，从排气孔里流出，满足自密实要求。

2)良好的工作性能和饱满的充盈性能够使混凝土更好地排除劣质性气泡，增强轨道底座和轨道板粘聚作用，能够有效地预防轨道板上浮。

3)吸水载体使混凝土在水化过程中缓慢释放水分，减少水化反应失水导致的自收缩裂缝，微膨胀成分补偿部分早期自收缩和干燥收缩，实现自养护、微收缩。

4)TPB40R1配合比混凝土具有充盈性饱满、气泡小、密实、粘结力强等特点，克服了C40自密实混凝土在密闭式无砟轨道Ⅲ型板中劣质性气泡难排除、上下混凝土界面粘结力小、混凝土易收缩的问题，能有效控制灌注过程中由混凝土引起的板上浮量。

5 结束语

结合新建郑州至济南铁路ZPZQ-Ⅱ标段实际情况，分析了铁路轨道施工中自密实混凝土原材料和配合比的选择与优化。在自密实混凝土施工中，原材料的选择是否达标直接决定了整个工程的总体质量，只有结合工程特点和现场实际情况，做好对施工原材料的选择，并通过多次试验确定最佳的配合比，才能充分发挥自密实混凝土的优势，保证无砟轨道施工质量。