細(xì)骨料對(duì)充填層自密實(shí)混凝土施工穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究

謝清泉 于連山 馬昆林 劉婉婉

(1.中鐵二十一局集團(tuán)第六工程有限公司 北京 101111；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410075)

1 前言

近年來(lái)，我國(guó)高鐵建設(shè)取得了高效快速的發(fā)展，2019年1月已開通運(yùn)營(yíng)的高鐵已達(dá)2.9萬(wàn)km。板式無(wú)砟軌道是我國(guó)高鐵特別是時(shí)速300 km干線的主要軌道結(jié)構(gòu)形式。板式軌道中的充填層在軌道結(jié)構(gòu)中起到支承調(diào)整、緩沖協(xié)調(diào)和阻斷裂紋等功能，其性能對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、平順性和耐久性具有重大意義[1-2]。CRTSⅢ型板式軌道是我國(guó)自主研發(fā)的板式軌道結(jié)構(gòu)形式，是今后高鐵建設(shè)首選的軌道結(jié)構(gòu)，是我國(guó)高鐵“走出去”戰(zhàn)略的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖1為CRTSⅢ型軌道結(jié)構(gòu)示意圖，從上到下依次由軌道板、自密實(shí)混凝土(self-compacting concrete，SCC)充填層、土工布隔離層、底座板組成[3]。圖2為CRTSⅢ型軌道實(shí)體結(jié)構(gòu)。

圖1 CRTSⅢ型軌道結(jié)構(gòu)

圖2 CRTSⅢ型軌道實(shí)體結(jié)構(gòu)

CRTSⅢ型板式軌道充填層是一個(gè)上下空間封閉、構(gòu)造復(fù)雜、單塊面積大，上層為軌道板、下層為混凝土底座板，厚度為8～10 cm的“三明治”結(jié)構(gòu)。CRTSⅢ型板式軌道結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)是在充填層中灌注的SCC。SCC從中部灌注孔澆筑后由于重力作用在充填層內(nèi)水平流動(dòng)，流動(dòng)過(guò)程中受鋼筋網(wǎng)、凹槽和土工布影響，因此，若要SCC能夠高質(zhì)量灌滿充填層結(jié)構(gòu)，SCC的工作性需滿足極高的性能要求，如表1所示[4]。首先，SCC必須具有較好的流動(dòng)性、抗離析性能以及在長(zhǎng)距離流動(dòng)過(guò)程中保持整個(gè)體系穩(wěn)定的性能，即混凝土能夠在重力作用下保持長(zhǎng)距離的流動(dòng)且漿體能夠較好地包裹石子，不出現(xiàn)泌水、漿骨分離等離析現(xiàn)象[5]；其次，SCC要具備較好的填充性能和穿越鋼筋性能，即混凝土在流動(dòng)過(guò)程中能夠完全穿越充填層內(nèi)部的鋼筋網(wǎng)片，飽滿地填充整個(gè)充填層結(jié)構(gòu)[6]。

表1 充填層自密實(shí)混凝土工作性參數(shù)[4]

自密實(shí)混凝土是CRTSⅢ型軌道結(jié)構(gòu)充填層的主要材料，其性能決定了無(wú)砟軌道施工的質(zhì)量。大量研究及實(shí)踐表明，穩(wěn)定的原材料是SCC施工穩(wěn)定性和質(zhì)量的保證。細(xì)骨料(砂子)是SCC配合比設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，且在SCC中占有較大的質(zhì)量比。由于高速鐵路施工周期長(zhǎng)，通常經(jīng)歷春夏秋冬四季，且鐵路施工屬于線性施工，沿線原材料變化大，因此現(xiàn)場(chǎng)細(xì)骨料很容易出現(xiàn)質(zhì)量波動(dòng)，極可能造成施工不穩(wěn)定。本文結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，主要探討細(xì)骨料的細(xì)度、0.15 mm及以下細(xì)顆粒含量和砂率對(duì)CRTSⅢ型板式軌道充填層自密實(shí)混凝土工作性能的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)原材料

水泥為贛州海螺水泥有限責(zé)任公司P.O42.5水泥；粉煤灰為江西大唐國(guó)際新余發(fā)電廠 F類Ⅰ級(jí)；礦粉為新余中冶環(huán)保資源開發(fā)有限公司S95級(jí)；膨脹劑為江蘇尼高科技有限公司HEA-Ⅱ型膨脹劑；粘度改性材料為四川恒澤建材有限公司ZTVM-1型；減水劑為山西佳維新材料股份有限公司HT-HPC聚羧酸高性能減水劑，減水率大于30%；砂子為贛江產(chǎn)河砂，細(xì)度模數(shù)在2.0～3.0之間；粗骨料為贛州遂川縣巾石鄉(xiāng)石門嶺碎石場(chǎng)提供粒徑為5～10 mm和10～16 mm的石灰石碎石；拌和用水采用當(dāng)?shù)刈詠?lái)水。

(2)配合比設(shè)計(jì)

自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)如表2所示。本文主要研究砂子細(xì)度、0.15 mm及以下細(xì)顆粒含量和砂率對(duì)自密實(shí)混凝土工作性的影響。表2配合比采用細(xì)度為2.51、級(jí)配較好的河砂，砂率為52%。按照表2配合比制成的自密實(shí)混凝土的工作性參數(shù)如表3所示。

表2 SCC配合比 kg/m3

表3 SCC主要工作性參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 砂子細(xì)度及細(xì)顆粒含量的影響

表4為不同細(xì)度砂子進(jìn)行配合比試驗(yàn)得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。表4采用表2的SCC配合比，砂率均為52%，僅砂子細(xì)度模數(shù)變化。

表4 砂子細(xì)度及細(xì)顆粒含量對(duì)混凝土性能的影響

圖3為砂子細(xì)度模數(shù)及0.15 mm以下細(xì)顆粒含量與T50時(shí)間關(guān)系曲線，圖4為砂子細(xì)度以及0.15 mm及以下顆粒含量與坍落擴(kuò)展度的關(guān)系曲線。由圖3可知，隨著砂子細(xì)度模數(shù)的增大，砂子中0.15 mm及以下顆粒含量逐漸降低，自密實(shí)混凝土的T50時(shí)間逐漸降低，這說(shuō)明，在砂率不變時(shí)，砂子細(xì)度模數(shù)增大，自密實(shí)混凝土的流速隨之增大。由圖4可知，隨著砂子細(xì)度模數(shù)增大，砂子中0.15 mm及其以下顆粒含量減少，當(dāng)砂率不變時(shí)，自密實(shí)混凝土的擴(kuò)展度增大。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中混凝土的實(shí)際狀態(tài)，砂率不變，砂子細(xì)度模數(shù)增大，混凝土粘度降低，擴(kuò)展度增大。當(dāng)砂子細(xì)度為2.86時(shí)，混凝土出現(xiàn)輕微離析現(xiàn)象，當(dāng)砂子細(xì)度為2.97時(shí)，混凝土出現(xiàn)離析。

砂子對(duì)自密實(shí)混凝土性能影響非常大，泥粉質(zhì)山砂、石粉含量高的機(jī)制砂、風(fēng)化嚴(yán)重的粉砂以及含泥量大于2%的河砂均不能在自密實(shí)混凝土中使用。通常砂場(chǎng)為了降低砂子的含泥量，會(huì)對(duì)砂子進(jìn)行多次水洗。砂子水洗后，含泥量較低，但是水洗過(guò)程中也會(huì)將砂子中0.15 mm以及以下的顆粒沖洗掉，造成砂子細(xì)顆粒減少，細(xì)度模數(shù)增大。自密實(shí)混凝土采用細(xì)顆粒少、細(xì)度模數(shù)偏大的砂子，將會(huì)造成混凝土粘聚性降低、混凝土粗骨料容易下沉、粗骨料表面不掛漿等情況，從而造成自密實(shí)混凝土在灌注過(guò)程中時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，很有可能不能將板灌滿，或者即使能灌滿，也會(huì)出現(xiàn)排漿孔只能流出漿體，造成充填層表面出現(xiàn)浮漿疏松層，揭板切開后發(fā)現(xiàn)，骨料分布不均勻，骨料下沉、漿體上浮。

圖3 砂子細(xì)度模數(shù)、細(xì)顆粒含量與T50時(shí)間關(guān)系曲線

圖4 砂子細(xì)度模數(shù)、細(xì)顆粒含量與擴(kuò)展度關(guān)系曲線

圖5為施工現(xiàn)場(chǎng)采用不同細(xì)度模數(shù)砂子進(jìn)行揭板試驗(yàn)，對(duì)充填層自密實(shí)混凝土進(jìn)行切割后橫截面骨料分布情況。由圖5可以清晰看到，采用細(xì)度較大、0.15 mm及以下顆粒含量較少的砂子灌注的充填層SCC出現(xiàn)了粗骨料下沉、漿體上浮的明顯質(zhì)量缺陷。

因此，結(jié)合試驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，針對(duì)充填層自密實(shí)混凝土使用的砂子，細(xì)度模數(shù)應(yīng)該控制在2.20～2.70范圍內(nèi)，且0.15 mm以下顆粒含量宜為15%～30%。

圖5 采用不同細(xì)度砂子揭板試驗(yàn)結(jié)果(砂率均為52%)

3.2 砂率的影響

表5為砂率調(diào)整對(duì)SCC工作性的影響。表5采用的砂子細(xì)度模數(shù)為2.86，通過(guò)提高砂率改變工作性。

圖6所示為砂率對(duì)坍落擴(kuò)展度的影響，圖7所示為砂率對(duì)T50時(shí)間的影響。由圖6和圖7可知，隨著砂率的增大，SCC的坍落擴(kuò)展度降低，而T50時(shí)間增大。當(dāng)砂率增加至56%時(shí)，混凝土比較粘，但是混凝土狀態(tài)較差，已經(jīng)不能滿足施工條件。針對(duì)不同細(xì)度的砂子，施工現(xiàn)場(chǎng)通常通過(guò)調(diào)整砂率確?；炷潦┕し€(wěn)定性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)配合比調(diào)整表明，砂子的細(xì)度模數(shù)在合理范圍內(nèi)變化時(shí)，適當(dāng)變化自密實(shí)混凝土的砂率，如砂子細(xì)度模數(shù)小、0.15 mm及以下細(xì)顆粒含量較高時(shí)，可以通過(guò)降低砂率的方法來(lái)調(diào)整混凝土工作性，使混凝土滿足施工要求。但是當(dāng)砂子細(xì)度模數(shù)較大，如細(xì)度模數(shù)大于2.7，以及0.15 mm及以下的細(xì)顆粒較少時(shí)(兩者合計(jì)少于15%)，通過(guò)增大混凝土砂率的方法已經(jīng)不能有效改善其工作性，如本文中當(dāng)砂子細(xì)度模數(shù)為2.86時(shí)，砂率提高到60%，混凝土很粘，已經(jīng)不能滿足施工要求。

表5 砂率對(duì)混凝土性能的影響

圖6 砂率對(duì)坍落擴(kuò)展度的影響(細(xì)度2.86)

圖7 砂率對(duì)T50的影響(細(xì)度2.86)

4 結(jié)論

由于CRTSⅢ型板式軌道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)其充填層自密實(shí)混凝土的工作性有較高的要求，因此穩(wěn)定的原材料是SCC施工穩(wěn)定性的重要保證。

(1)當(dāng)細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)過(guò)大時(shí)，自密實(shí)混凝土的粘聚性降低，且細(xì)度模數(shù)越大，粘聚性越差，混凝土容易出現(xiàn)離析、漿骨分離等不良狀況。此時(shí)僅通過(guò)提高砂率的方法將導(dǎo)致混凝土施工穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，并不能有效改善自密實(shí)混凝土工作性。

(2)結(jié)合試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐針對(duì)充填層自密實(shí)混凝土使用的細(xì)骨料，當(dāng)細(xì)度模數(shù)控制在2.2～2.70范圍內(nèi)，且0.15 mm及以下顆粒含量控制在15%～30%之間時(shí)，能夠獲得具有較高施工穩(wěn)定性的自密實(shí)混凝土。