CRTS III 型軌道填充層自密實(shí)混凝土砂率的研究

顧海朋 李固華 曾曉輝 程健強(qiáng)（西南交通大學(xué)，四川 成都610031）

1 前言

CRTS III 型板式無砟軌道是由我國自主研發(fā)的一種新式無砟軌道，它不同于CRTS I 型和CRTS II 型無砟軌道，不需要采用水泥乳化瀝青作為填充層[1]，而是采用具有良好和易性，對環(huán)境溫度不敏感以及優(yōu)良的力學(xué)與耐久性的自密實(shí)混凝土，將軌道板、自密實(shí)混凝土以及其下部的支承層澆筑成為一個整體，確保了其長期整體性[2,3,4]。新型板式無砟軌道如圖1 所示，自密實(shí)混凝土需澆筑在100mm×2700mm×5350mm 的狹小空間，其性能要求高，制備技術(shù)和施工工藝都比較困難，是新型軌道結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)之一。然而我國對自密實(shí)混凝土的研究還不成熟，在實(shí)際工程中的應(yīng)用還不能達(dá)到預(yù)期的效果。因此研究出符合性能要求的自密實(shí)混凝土對CRTS III 型板式無砟軌道的發(fā)展與應(yīng)用具有重要的意義。

砂率是混凝土配合比設(shè)計中的一個重要參數(shù)，其大小對新拌混凝土的工作性能有非常大的影響[5]。黃健對自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計做了許多研究，但是他沒有考慮砂率對新拌自密實(shí)混凝土工作性能的影響[6]。李進(jìn)銳則提出當(dāng)砂率為0.50 至0.52 之間時[4]，自密實(shí)混凝土的工作性能最佳，但是鐵科院提出的最佳砂率范圍為0.50 至0.55之間[7]。因此本文對自密實(shí)混凝土的最佳砂率做了進(jìn)一步的研究。

圖1 CRTS III 型軌道示意圖

2 新拌自密實(shí)混凝土的技術(shù)要求

CRTS III 型無砟軌道板下填充層空間狹小，且板下布有鋼筋網(wǎng)，使用普通自密實(shí)混凝土澆筑很難充填密實(shí)。因此填充層自密實(shí)混凝土必須要有非常好的工作性能，物理力學(xué)性能，耐久性能等，其工作性能及檢測方法如表1。

表1 拌合物的性能指標(biāo)及檢測方法[7]

表2 水泥的主要性能

3 配合比試驗(yàn)

3.1 原材料

1)水泥

本試驗(yàn)中采用的是拉法基P.O42.5 水泥，水泥的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合GB175-1999 標(biāo)準(zhǔn),見表2。

2)粉煤灰

試驗(yàn)用的礦物摻合料為遂寧熱電廠生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)粉煤灰。主要性能指標(biāo)見表3。

3)砂

本實(shí)驗(yàn)采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8。其堆積密度1590kg/m3,表觀密度2600 kg/m3，各項(xiàng)性能要求均符合《建筑用砂》（GB/T 14684-2011）。

4)碎石

采 用5 ～10mm 和10 ～16mm 兩 種粒級摻配使用。符合《建筑用卵石、碎石》（GB14685-2001）規(guī)定的Ⅱ類骨料。

5)減水劑

本實(shí)驗(yàn)選用柯帥減水劑，減少率為30%，符合《混凝土外加劑》（GB8076-2008）和《聚羧酸系高性能減水劑》（JG/T223-2007）的要求。

6)膨脹劑

本實(shí)驗(yàn)采用UEA 型膨脹劑，其使用符合《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB50119-2003）的要求。

7)水

來自潔凈的自來水,符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ63-2006)。

表3 粉煤灰的主要性能

3.2 配合比設(shè)計

自密實(shí)混凝土的自密實(shí)原理如圖2 所示，粗骨料懸浮在具有足夠粘度和變形能力的砂漿中，在自身重力作用下，砂漿包裹粗骨料一起向前流動，通過鋼筋間隙，形成均勻密實(shí)結(jié)構(gòu)。所以要獲得良好流動性和填充性的自密實(shí)混凝土，最重要的是選用合適的砂率和骨料級配。

圖2 自密實(shí)混凝土拌合物的自密實(shí)過程

表4 自密實(shí)混凝土配合比（kg）

根據(jù)計算以及參考其他研究[1,7,9]，初步確定最佳膠凝材料用量為550-600kg/m3，其中粉煤灰摻量為20%-35%，膨脹劑摻量為8%-15%，水膠比為0.31-0.36，減水劑摻量宜為2.8%，砂石總摻量為1700-1800 kg/m3，其中直徑5-10mm 石子與10-16mm 石子的最佳摻配比例為7:3.。為了能夠確定出理想的砂率，根據(jù)已確定的材料用量，設(shè)計如表4 的幾組配合比。

3.3 試驗(yàn)方法

塌落筒試驗(yàn)：參照CCES 02-2004《自密實(shí)混凝土設(shè)計與施工指南》中的測試方法，測試時將混凝土裝入塌落度筒中，慢慢提起塌落度筒，測量混凝土流動至50cm 的時間T50 和最終擴(kuò)展度D，主要檢測混凝土的流動性。

J 環(huán)試驗(yàn)：試驗(yàn)主要由塌落筒和J 環(huán)試驗(yàn)組成，J 環(huán)由16 根直徑為18mm 的鋼筋組成，J 環(huán)直徑為300mm。試驗(yàn)主要通過測試J 環(huán)內(nèi)外四個方向的混凝土的平均高度差來檢測混凝土的抗離析性和間隙通過性。

L 型儀試驗(yàn)：試驗(yàn)參照CCES 02-2004《自密實(shí)混凝土設(shè)計與施工指南》，測量混凝土流到端頭的時間T700L 和水平槽內(nèi)混凝土的坡度H2/H1。此試驗(yàn)主要檢驗(yàn)混凝土的間隙通過性和填充性。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 砂率對流動性的影響

從圖3 可以看出，砂率在0.52-0.60 之間時，擴(kuò)展度都能夠滿足要求，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且在0.56 左右擴(kuò)展度達(dá)到最大值。T50 則隨著砂率的增大先減小后增大，但是只有當(dāng)砂率在0.58 左右才能基本滿足要求。

圖3 流動性試驗(yàn)及結(jié)果

砂子是細(xì)骨料，其形狀接近圓形，具有滾動減水效應(yīng)。當(dāng)用水量一定時，如果砂率較小，則起滾動作用的粒子減少，同時石子之間的空隙變大，只能由漿體填充，從而起潤滑作用的漿體減少了，拌合物的內(nèi)摩擦力增加，混凝土的流動性變差。砂率過大時，總表面積增大，所需漿體增多，但在用水量和膠凝材料一定的情況下，混凝土?xí)兊谜吵?，從而流動性降低。從此試?yàn)可看出砂率在0.54-0.59 之間最為適中。

4.2 砂率對抗離析性和間隙通過性的影響

從圖4 所示的J 環(huán)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，砂率在0.55 以下時，J 環(huán)中間堆積了大量碎石，間隙通過性較差，且泌水比較嚴(yán)重，四周析出大量漿體，混凝土的抗離析性較差。隨著砂率的增加，J環(huán)中間碎石逐漸減少，并在砂率為0.58 時BJ 達(dá)到最小值13mm。但是隨著砂率的繼續(xù)增加，BJ由于混凝土流動性的降低會增大，但是沒有再次發(fā)生離析現(xiàn)象。當(dāng)砂率過小時，混凝土拌合物中沒有足夠的砂漿來包裹粗骨料，因此一部分粗骨料無法流動而產(chǎn)生離析。當(dāng)砂率過高時，混凝土太過粘稠，內(nèi)摩擦力增加，間隙通過能力大大減弱。從此試驗(yàn)可以看出砂率的最佳范圍為0.56-0.59。

圖4 抗離析性試驗(yàn)及結(jié)果

4.3 砂率對填充性的影響

填充性試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示，其圖形與流動性試驗(yàn)結(jié)果相似，T700L 隨著砂率增大先減小后增大，H1/H2 隨著砂率增大先增大后減小，當(dāng)砂率達(dá)到0.58 附近時，兩者均達(dá)到極值。砂率比較低時，混凝土的流動性不高，流動比較緩慢，流動時間長。同時低砂率導(dǎo)致的混凝土離析和低間隙通過性，使得混凝土難以均勻通過鋼筋流動到L 型儀器的端頭。相反當(dāng)砂率超過一定值時，混凝土?xí)兊梅浅Ｕ吵?，?nèi)摩擦力增大，L 型儀器水平槽內(nèi)混凝土達(dá)到一定坡度時，混凝土自身的重力不足以抵抗其內(nèi)摩擦力，混凝土就停止流動。從圖中可以看出，兩者都是在砂率為0.58 附近達(dá)到最理想的值。

圖5 填充性試驗(yàn)及結(jié)果

6 結(jié)論

由于CRTS III 型軌道填充層非常狹長，因此這種自密實(shí)混凝土必須有非常好的流動性。通過試驗(yàn)可以得出結(jié)論，在其他材料用量一定時，如果砂率低于0.56，混凝土不僅流動性差，而且會產(chǎn)生分層離析；如果砂率高于0.58，混凝土?xí)兊梅浅Ｕ吵?，不會產(chǎn)生離析，但是流動性也很差。研究表明砂率為0.56-0.58 之間時，混凝土的工作性能最好。

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