自密實(shí)混凝土的特點(diǎn)及其在高速鐵路中的應(yīng)用

李化建，譚鹽賓，謝永江，易忠來

(1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

自密實(shí)混凝土(Self-Compacting Concrete，Self-Consolidating Concrete簡稱SCC)是指拌合物具有高的流動(dòng)性、間隙通過性和抗離析性，澆筑時(shí)僅靠其自重作用而無需振搗便能均勻密實(shí)成型，且硬化體具有和傳統(tǒng)振搗混凝土相當(dāng)力學(xué)性能、耐久性能以及體積穩(wěn)定性的混凝土［1-2］。自密實(shí)混凝土是一種具有極高工作性能的混凝土，雖然沒有從流動(dòng)性指標(biāo)上來定量描述自密實(shí)混凝土，但通常將坍落擴(kuò)展度＞550mm的混凝土稱之為自密實(shí)混凝土。自密實(shí)混凝土開發(fā)的原動(dòng)力是解決由于日本熟練工人的減少造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足問題［3］。自密實(shí)的概念(即無需振搗，僅依靠自重作用就能使混凝土密實(shí)填充模板每個(gè)角落)是由Okamura于1986年提出的，自密實(shí)混凝土的雛形為日本東京大學(xué)岡村甫教授于1988年在東京大學(xué)用市售原材料開發(fā)的第一號“不振搗的高耐久性混凝土”，并確認(rèn)了該混凝土自身收縮、干縮、水化熱以及硬化后的強(qiáng)度和致密性等綜合性能與傳統(tǒng)振搗混凝土相當(dāng)［4］。由于自密實(shí)混凝土突出的自填充性能，適用于密集配筋、無法振搗、薄壁異性復(fù)雜以及要求無噪音施工等結(jié)構(gòu)。

1 自密實(shí)混凝土的性能特點(diǎn)

自密實(shí)混凝土高粉體用量、低水膠比、低骨料用量的配合比特征以及自密實(shí)混凝土高流動(dòng)性決定了自密實(shí)混凝土的敏感性特點(diǎn)，具體表現(xiàn)為原材料敏感性、溫度敏感性、施工敏感性以及時(shí)間敏感性。

1)原材料敏感性。原材料敏感性是指與傳統(tǒng)振搗混凝土相比，自密實(shí)混凝土的性能尤其是拌合物性能受原材料性能波動(dòng)影響較大。原材料波動(dòng)包括兩個(gè)方面:一是不同批次原材料的穩(wěn)定性，二是同一批次原材料不同部位材料之間的均質(zhì)性。針對不同批次原材料，應(yīng)控制不同批次原材料的性質(zhì)指標(biāo)的波動(dòng)在一定范圍內(nèi)，不宜超過±10%。第二種情況多發(fā)生在骨料和外加劑中，骨料堆不同部位的細(xì)顆粒含量與含水率的變化，外加劑主要是由于沉淀而導(dǎo)致外加劑筒中不同部位減水劑和減水率不同。以細(xì)骨料含水率為例，當(dāng)細(xì)骨料含水率變化1%時(shí)，混凝土中的單方用水量將變化6～10 kg，當(dāng)細(xì)骨料含水率增加1%時(shí)，自密實(shí)混凝土?xí)霈F(xiàn)離析泌水，當(dāng)細(xì)骨料含水率減少1%時(shí)，自密實(shí)混凝土就會(huì)無法滿足自密實(shí)的效果。歐洲自密實(shí)混凝土指南提出了新拌混凝土的穩(wěn)健性(Robustness)，一種設(shè)計(jì)較好的自密實(shí)混凝土，當(dāng)用水量變化范圍為5～10 kg/m3時(shí)，新拌自密實(shí)混凝土的性能不能超出自密實(shí)混凝土拌合物規(guī)定的目標(biāo)等級［1］。文獻(xiàn)［5］在系統(tǒng)研究砂率、粉煤灰摻量、膠集比、單方用水量及外加劑用量波動(dòng)對自密實(shí)混凝土工作性和強(qiáng)度影響的基礎(chǔ)上，確定了其投料精度控制范圍，得出了骨料的波動(dòng)對自密實(shí)混凝土質(zhì)量影響較大的結(jié)論，并提出了骨料(砂和石)控制精度應(yīng)在0.9%以內(nèi)，這比普通混凝土要求的2%要高。

2)溫度敏感性。溫度敏感性是指自密實(shí)混凝土拌合物性能隨溫度變化波動(dòng)幅度大。自密實(shí)混凝土的核心是其拌合物的自密實(shí)性能，由于自密實(shí)混凝土中膠凝材料用量較大、外加劑用量也較大，當(dāng)環(huán)境溫度較高或者原材料的溫度較高時(shí)，會(huì)加快水泥的水化以及外加劑減水作用的發(fā)揮，自密實(shí)混凝土工作性能也將隨著溫度的提高而損失加快。在自密實(shí)混凝土的配制過程中，要確保自密實(shí)混凝土拌合物的入模溫度為5 ℃ ～30 ℃［6］。

3)施工敏感性。施工敏感性是指自密實(shí)混凝土拌合物性能經(jīng)現(xiàn)場輸送(泵送、自卸等)前后變化的顯著性。施工對自密實(shí)混凝土性能影響主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面:一是泵送對自密實(shí)混凝土性能的影響，一般泵送會(huì)降低自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性，但由于自密實(shí)混凝土黏度較大，泵送自密實(shí)混凝土所需的壓力也較大;二是自密實(shí)混凝土對模板的要求，由于自密實(shí)混凝土極高的工作性能，近似流體，不僅自密實(shí)混凝土對模板的側(cè)壓力增加，必須提高模板的支撐剛度，而且自密實(shí)混凝土對模板的密封性要求很高，密封不好的模板經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漏漿。當(dāng)采用泵送施工時(shí)，一定要通過模擬試驗(yàn)來驗(yàn)證施工工藝的合理性［7-8］。

4)時(shí)間敏感性。時(shí)間敏感性是指自密實(shí)拌合物性能隨時(shí)間的非線性變化，某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)自密實(shí)混凝土?xí)スぷ餍阅?，無法實(shí)現(xiàn)混凝土的自密實(shí)。對于自密實(shí)混凝土而言，材料性能和施工效果都是靠自密實(shí)混凝土自身性能來實(shí)現(xiàn)。自密實(shí)混凝土?xí)r間敏感性要求必須要有良好的施工銜接和施工組織，保證在可施工時(shí)間內(nèi)完成自密實(shí)混凝土的施工。自密實(shí)混凝土攪拌后到入模前，應(yīng)控制在120min以內(nèi)，美國ACI協(xié)會(huì)編制的自密實(shí)混凝土(ACI 237 R)要求控制在90min 以內(nèi)［9］。

2 自密實(shí)混凝土在高速鐵路中的應(yīng)用

2.1 自密實(shí)混凝土應(yīng)用概況

自密實(shí)混凝土在我國高速鐵路中的應(yīng)用始于京津城際鐵路亦莊車站，亦莊車站2/4#渡線道岔設(shè)計(jì)為鋪設(shè)2組18號板式無砟道岔。道岔下的填充層設(shè)計(jì)采用C40自密實(shí)混凝土(原設(shè)計(jì)文件中為自流平混凝土)，灌注采用重力式灌注方式，按每組道岔分別施工。自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)要求擴(kuò)展度＞700mm，28 d抗壓強(qiáng)度＞40mPa［10］。京滬高速鐵路共16個(gè)車站道岔區(qū)采用了自密實(shí)混凝土，并編制了《京滬高速鐵路道岔板充填層自密實(shí)混凝土?xí)盒屑夹g(shù)要求》［2］、《京滬高速鐵路道岔板充填層自密實(shí)混凝土現(xiàn)場工藝性實(shí)驗(yàn)管理實(shí)施細(xì)則》［11］。另外，石武客專和京石客專也參照京滬高速鐵路自密實(shí)混凝土技術(shù)要求配制自密實(shí)混凝土、指導(dǎo)自密實(shí)混凝土施工［12-13］;武廣高鐵花都車站也采用了C40自密實(shí)混凝土。

成灌鐵路路基地段CRTSⅢ型無砟軌道結(jié)構(gòu)的充填層設(shè)計(jì)采用強(qiáng)度等級為C40自密實(shí)混凝土，自密實(shí)混凝土層內(nèi)配置12 mm的構(gòu)造鋼筋網(wǎng)，鋼筋縱橫間距均為200mm。在路基地段，自密實(shí)混凝土按照軌道板長度采用模筑施工。自密實(shí)混凝土模筑長度與對應(yīng)的軌道板長度相同，模筑寬度2 800mm，自密實(shí)混凝土厚度 100mm［14］。

2.2 存在的問題

1)應(yīng)用空間發(fā)生變化引起對自密實(shí)混凝土性能要求的改變

表1列舉了自密實(shí)混凝土在高速鐵路和工業(yè)與民用建筑使用的差異性以及存在的問題［15］。

表1 高速鐵路和工業(yè)與民用建筑工程自密實(shí)混凝土特性

2)鐵路條狀結(jié)構(gòu)分布與自密實(shí)混凝土原材料敏感性之間的矛盾

不同地域原材料性能差異很大、鐵路混凝土用原材料必須就地取材是制約鐵路混凝土配制最為關(guān)鍵的因素［16］。另外，與常規(guī)振搗混凝土相比，自密實(shí)混凝土具有顯著的原材料敏感性，這就要求高速鐵路自密實(shí)混凝土原材料必須相對穩(wěn)定和固定。

3)攪拌站分布分散與自密實(shí)混凝土工作性能經(jīng)時(shí)損失大之間的矛盾

高速鐵路混凝土攪拌站多是沿鐵路線分布，主要配制C30-C50的現(xiàn)澆混凝土和C15的水硬性支承層材料。在鐵路沿線還會(huì)專門為軌道板廠、軌枕廠和預(yù)制梁廠設(shè)置一些專用攪拌站。而自密實(shí)混凝土是以高工作性能為特征，并且這些高工作性能是以澆注現(xiàn)場的評價(jià)指標(biāo)為準(zhǔn)，并不是在攪拌站內(nèi)的測試結(jié)果，有時(shí)自密實(shí)混凝土的運(yùn)輸距離會(huì)達(dá)到2 h，這就對自密實(shí)混凝土工作性能的保持提出了很高的要求。

4)自密實(shí)混凝土與常規(guī)振搗混凝土混用攪拌站

自密實(shí)混凝土與常規(guī)振搗混凝土混用攪拌站，如果兩類混凝土所使用的原材料不同，就有可能出現(xiàn)兩種問題:一是使用常規(guī)振搗混凝土原材料來配制自密實(shí)混凝土，如果所使用的外加劑不同，打過傳統(tǒng)振搗混凝土后，不進(jìn)行清洗，就進(jìn)行攪拌自密實(shí)混凝土，可能會(huì)出現(xiàn)外加劑相容性問題;如果使用品質(zhì)要求比較低的原材料，就可能無法配制出滿足工作性能要求的自密實(shí)混凝土，這在高速鐵路岔區(qū)自密實(shí)混凝土施工時(shí)很可能遇到，因?yàn)榘迨綗o砟軌道路基上道岔下充填層使用自密實(shí)混凝土，而路基支承層采用C15水硬性支承層材料，其原材料要求相對較低(如骨料含泥量、針片狀含量，礦物摻合料等級，外加劑的品質(zhì)等)，使用支承層原材料不可能配制出自密實(shí)混凝土;另外一種問題是攪拌參數(shù)設(shè)置問題，由于自密實(shí)混凝土中使用大量粉體材料，漿體黏度較傳統(tǒng)振搗混凝土大，需要更長的攪拌時(shí)間才能將自密實(shí)混凝土拌合物攪拌均勻，如果沒有及時(shí)修改攪拌機(jī)的攪拌參數(shù)設(shè)置，就有可能出現(xiàn)質(zhì)量問題。

5)缺少自密實(shí)混凝土配制技術(shù)以及施工控制經(jīng)驗(yàn)

工程技術(shù)人員在進(jìn)行自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)多是在傳統(tǒng)振搗混凝土配合比基礎(chǔ)上，通過簡單提高膠凝材料用量、降低骨料體積含量的方式來配制自密實(shí)混凝土(如部分自密實(shí)混凝土膠凝材料總用量達(dá)到650 kg/m3及以上)，如此高的膠凝材料用量會(huì)大大增加自密實(shí)混凝土材料的收縮變形，造成充填層與道岔板或軌道板間出現(xiàn)離縫或充填層出現(xiàn)收縮裂縫，危及到軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠度，降低其服役壽命。

6)缺少高速鐵路自密實(shí)混凝土相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

雖然我國已頒布《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》［17］和《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》［18］等技術(shù)條件，但未考慮鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)特征、施工條件等實(shí)際問題。

3 結(jié)論與建議

1)自密實(shí)混凝土高度敏感性要求自密實(shí)混凝土原材料品質(zhì)穩(wěn)定、配料精度高以及施工組織有序。

2)高速鐵路用自密實(shí)混凝土不同于工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域，配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮高速鐵路對自密實(shí)混凝土的特殊需求。

3)為確保自密實(shí)混凝土工程質(zhì)量，應(yīng)加強(qiáng)對自密實(shí)混凝土試驗(yàn)、生產(chǎn)和施工人員的培訓(xùn)，并盡快有針對性地制定高速鐵路自密實(shí)混凝土相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

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