礦物摻合料對CRTSⅢ型板填充自密實混凝土性能影響研究

藍波橋 ，于福 ，葉守杰 ，劉磊

（1.中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港 222042；2.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266000；3.青島市西海岸軌道交通有限公司，山東 青島 266000；4.中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

自密實混凝土可簡稱為SCC混凝土，是一種兼具良好填充性、流動性以及間隙流通能力的高性能混凝土。近年來，我國“一帶一路”建設發(fā)展的速度日益加快，高鐵的發(fā)展也與日俱進，傳統(tǒng)高鐵軌道所使用的Ⅰ型、Ⅱ型板在傳入我國后出現(xiàn)易于開裂等諸多問題，已不能適應我國高鐵的發(fā)展需求。在此背景下，我國自主研發(fā)了新型的CRTSⅢ型板，CRTSⅢ型板需要自密實混凝土填充軌道板與底座板之間大面積的狹窄空間。因此，CRTSⅢ型板填充自密實混凝土對流動性和填充性的要求更高，施工過程中要求一次性灌注不可中斷，但是現(xiàn)有的自密實混凝土往往在灌注過程中出現(xiàn)無法通過內部的鋼筋網而造成灌注孔堵塞的現(xiàn)象，從而大幅度提高了工程成本并拖延了施工進度等問題。

自密實混凝土優(yōu)良的流動性能和良好的間隙通過能力之間的協(xié)調很難掌握，流動度達標但卻可能離析，因而對石子粒徑選擇、配合比參數(shù)、工作性能、力學性能和體積穩(wěn)定性都有更高的要求。因此，在配合比設計時本文優(yōu)選引氣量較小的聚羧酸減水劑，石子優(yōu)選5～16 mm的碎石，優(yōu)選Ⅰ級粉煤灰和S95級礦粉等。在確定了最優(yōu)水膠比及砂率的情況下著重研究了單摻粉煤灰及單摻礦粉對CRTSⅢ型板填充自密實混凝土流動性、填充性及硬化性能的影響，從而分析粉煤灰和礦粉對自密實混凝土性能的影響及作用機理，以便為自密實混凝土配制及優(yōu)化提供一定的理論基礎。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：上海奉賢海螺水泥廠的P·O42.5水泥；外加劑：河北三楷標準型聚羧酸減水劑；膨脹劑：河北木之君工程有限公司標準Ⅱ型膨脹劑；石子：5～16 mm碎石；粉煤灰：Ⅰ級；礦粉：S95級。水泥、粉煤灰和礦粉的物理性能見表1～表3。

表1 水泥的物理性能

表2 粉煤灰的物理性能

表3 礦粉的物理性能

1.2 試驗方法

1.2.1 流動性試驗

采用坍落度、擴展度與擴展速度（T500，s）來衡量流動性能，測試方法參照TJ/GW 112—2013《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土暫行技術條件》附錄C。

1.2.2 抗離析性及間隙通過性試驗

為了使得CRTSⅢ型板填充自密實混凝土獲得良好的灌注效果和勻質性，通常需要確?；炷辆哂辛己昧鲃有约翱闺x析性能，用J環(huán)的BJ值來評價[1]。J環(huán)障礙高差檢測方法參照TJ/GW 112—2013附錄D。

1.2.3 填充性試驗

采用TJ/GW 112—2013附錄E中涉及的方法測試L型儀阻滯率（blocking ratio）。

1.2.4 試驗基準配合比

填充自密實混凝土配合比的設計方法大致分為2種：一種設計方法應用了流變學的原理和最密集堆積原理；另一種方法則是通過控制骨料離析的方法來設計自密實混凝土的配合比[2]。通過初步試驗采用的基準配合比如表4所示，基準組混凝土的性能見表5。

表4 自密實混凝土的基準配合比 kg/m3

表5 基準組混凝土的性能

2 結果討論及分析

2.1 單摻粉煤灰對自密實混凝土流變性能的影響

Ⅰ級粉煤灰具有良好的減水作用，在維持水灰比不變的狀況下，可以增強混凝土的流動性，使用粉煤灰取代部分水泥，研究單摻粉煤灰對自密實混凝土流變性能的影響，結果如表6所示。

表6 單摻粉煤灰對自密實混凝土流變性能的影響

從表6可以看出，隨粉煤灰摻量增加，流動性表現(xiàn)為先改善后降低的趨勢。自密實混凝土的擴展度從660 mm增大到700 mm。由于粉煤灰摻量提高到了40%，擴展度因此降低到了665 mm。這是因為：（1）粉煤灰的摻入具有減水作用，因此增大了混凝土中自由水量；（2）粉煤灰粒徑比水泥更加細小，且呈現(xiàn)球型，在水泥顆粒間可以發(fā)揮類似滾珠的作用，降低水泥-水泥、水泥-砂之間的摩擦阻力，因而可以提高自密實混凝土的流動性[3]。但當粉煤灰摻量增加到40%時流動性開始下降，主要是因為粉煤灰摻量的不斷提高會引起混凝土的粘度逐漸增大。賓漢姆流體方程[5]可用式（1）表示：

式中：τ——混凝土剪切應力，Pa；

τ0——屈服應力Pa；

η——塑性粘度Pa·s。

根據(jù)流變學原理，混凝土適宜的粘度能夠使得混凝土獲得更好的勻質性，較低的屈服應力也可降低T500并改善填充性，從而使混凝土依靠自身重力達到較好的擴展度及流動速度，但當粘度過大、屈服應力較高時，就會造成混凝土流動性下降的現(xiàn)象[5-6]。混凝土的粘度及屈服應力對混凝土性能的影響在J環(huán)障礙高差和L型儀充填比試驗過程中的表現(xiàn)更為明顯。當粉煤灰摻量從20%提高到30%時，擴展度從670 mm增大到了700 mm，BJ值從16.3 mm降低到15.0 mm，但是充填比從0.90降低到了0.80，這說明粉煤灰摻量增加會增大混凝土的粘度，從而降低充填比，對自密實混凝土的擴展度和T500的影響力之所以不明顯，主要是因為混凝土流動過程中遇到的摩擦阻力不同造成的?；炷琳扯热绻^小會造成砂漿對石子的粘結力不夠，在通過鋼筋等障礙物時漿體帶動石子流動的力不足以克服J環(huán)等帶給石子的阻力，主要表現(xiàn)就是J環(huán)障礙高差過大，石子與砂漿分離離析等現(xiàn)象，所以在粉煤灰摻量為10%時，充填比只有0.78；如果粘度過大會造成石子之間的粘結力過大，砂漿拉動石子一起通過鋼筋等障礙物的力不足以克服石子之間的粘結力，同時也增大了漿體與鋼筋之間的相互作用力，同樣造成石子堵塞在鋼筋網的周圍，甚至無法流動，使得J環(huán)障礙高差過大等現(xiàn)象。因此，當粉煤灰摻量超過20%后，充填比急劇降低，由0.90降低為0.57。混凝土在做擴展度、T500試驗過程中遇到的流動阻力相對而言要小于J環(huán)障礙高差試驗中的阻力，又相對低于L型儀充填比試驗過程中的阻力。

從上述過程可以看出，流動阻力更大的充填比試驗對粘度的變化更為敏感，過大的粘度造成石子之間的粘結力更強、流動阻力更大，使得砂漿無法帶動石子流動，表現(xiàn)為L型儀充填比降低?；炷琳扯冗^大或是過小都會導致在施工過程中填充自密實混凝土無法流過鋼筋造成灌注孔堵塞等現(xiàn)象。因此，粉煤灰摻量為20%時，混凝土各項性能最優(yōu)，基本可以達到施工要求。

2.2 單摻礦粉對自密實混凝土流變性能的影響

使用礦粉取代部分水泥，研究單摻礦粉對自密實混凝土流變性能的影響，結果如表7所示。

表7 單摻礦粉對自密實混凝土流變性能的影響

從表7可以看出，礦粉摻量在15%～40%時，隨著礦粉摻量的增加，混凝土的擴展度變大，T500有所下降。礦粉摻量為20%時，擴展度由最初的655 mm增大到了最大值710 mm，而T500從4 s縮短到了3 s，之后T500維持在2～3 s之間，這說明礦粉摻量增加降低了混凝土的屈服應力，混凝土流動需要克服的阻力變小，因而T500縮短，擴展度增大。

當?shù)V粉摻量在15%～20%時，BJ值從25.0 mm大幅度減小到了12.5 mm，減小幅度達50%。結合填充比試驗的相關數(shù)據(jù)能夠得出，礦粉摻量在15%～40%時，填充比不斷增大。因此可以得出結論，礦粉摻量的提高會引起混凝土粘度逐漸增大，在礦粉摻量為15%時BJ值較大是因為混凝土粘度不夠，漿體無法帶動石子流過鋼筋等障礙物[3]。如果混凝土粘度增大，漿體對石子的粘附力逐漸增大，因而填充性持續(xù)改善。當?shù)V粉摻量達到50%時，擴展度減小至695 mm，這是因為過高的礦粉摻量使得混凝土粘度過大，造成石子之間的粘結力過大，因而出現(xiàn)充填比降低的現(xiàn)象。就流動性而言，礦粉摻量不宜超過40%，摻量控制在20%左右為最優(yōu)。

2.3 摻合料對自密實混凝土力學性能的影響

單摻粉煤灰或礦粉對自密實混凝土抗壓強度的影響分別見圖1、圖 2。

圖1 粉煤灰摻量對自密實混凝土抗壓強度的影響

圖2 礦粉摻量對自密實混凝土抗壓強度的影響

加入粉煤灰導致混凝土強度提高的原因有2個：（1）Ⅰ級粉煤灰顆粒更小，可以填充進水泥-水泥、水泥-砂之間，發(fā)揮骨架的作用；（2）粉煤灰可以與水泥的水化產物發(fā)生二次水化反應，從而大大提高混凝土強度。

由圖1可以看出，單摻粉煤灰作為礦物摻合料會導致混凝土的強度隨著粉煤灰摻量的增加表現(xiàn)出先提高后降低的趨勢；當粉煤灰摻量為20%時，抗壓強度最高。結合表5可知，這是因為隨著混凝土流動性提高及粘度改善，粉煤灰可以更好地填充于顆粒間隙當中，從而能夠更好地發(fā)揮骨架左右，增大了混凝土的密實度，從而提高了混凝土的強度。

由圖2可以看出，隨礦粉摻量的增加，混凝土的抗壓強度先提高后降低，在礦粉摻量為20%時，抗壓強度最高。礦粉摻量對混凝土抗壓強度的影響與混凝土流動性及粘度存在關系。適宜的流動性及粘度有利于礦物摻合料的分散，提高混凝土的勻質性能夠有效提高混凝土的抗壓強度。結合表7可知，礦粉摻量不宜超過20%，控制在15%～20%比較合適。

3 結論

（1）粉煤灰對CRTSⅢ型板自密實混凝土屈服應力及粘度存在影響，粉煤灰占膠凝材料比例增加有助于改善混凝土的流動性，摻量在10%～30%時混凝土擴展度、T500、充填比變化與摻量變化成正相關，從而使得擴展度增大，T500降低。

（2）粉煤灰摻量為20%時自密實混凝土的流動性最強，抗壓強度最高，適當?shù)姆勖夯覔搅坎坏軌蚪档陀盟俊⒃黾恿鲃有?，還可以提高抗壓強度。

（3）增加礦粉摻量會提高自密實混凝土粘度；礦粉摻量為20%時，混凝土抗壓強度最高。

（4）礦粉摻量在10%～40%時自密實混凝土充填比與礦粉摻量成正相關，可以通過合理調配自密實混凝土中粉煤灰和礦粉比例來改善自密實混凝土的填充性能。

（5）配制CRTSⅢ型板自密實混凝土時，粉煤灰摻量宜控制在20%～30%，礦粉摻量宜控制在15%～20%。