混凝土施工參數(shù)對軌道充填層灌注質(zhì)量的影響研究

劉敏杰 劉贊群 李文旭

（1.京濱城際鐵路有限公司 天津 300450；2.中南大學(xué) 湖南長沙 410075）

1 引言

CRTSⅢ型板是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的無砟軌道結(jié)構(gòu)，采用自密實混凝土（以下簡稱SCC）作為無砟軌道充填層材料［1－4］。CRTSⅢ型板式軌道充填層為5 600×2 500×90 mm的狹長薄板狀封閉空間，流動距離最長約3.066 m。自密實混凝土必須具有較高填充性能和穿越鋼筋性能［5－7］，灌注過程中速度需適中，以保證板面質(zhì)量并控制軌道板上浮量。

自密實混凝土充填層是軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件［8］，因此，深入研究自密實混凝土拌合物性能及灌注時間對自密實混凝土充填層灌注質(zhì)量的影響規(guī)律對控制和優(yōu)化現(xiàn)場施工技術(shù)具有重要意義。鑒于此，本文結(jié)合線下工藝性揭板試驗鉆芯取樣，并利用Imagepro-plus圖像處理軟件，研究自密實混凝土拌合物性能與灌注時間對自密實混凝土充填層勻質(zhì)性及表面缺陷的影響。

2 試驗概況

2.1 試件制備及工況設(shè)置

結(jié)合某客專線下工藝性揭板試驗進行鉆芯取樣，芯樣直徑為70 mm。取芯現(xiàn)場及充填層自密實混凝土芯樣見圖1；設(shè)計7種工況見表1。

表1 各板號的試驗工況條件

2.2 試驗方法

芯樣處理按《鉆芯法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》［9］展開，試驗采用HS-SB1W型非金屬無損檢測超聲波測試儀（見圖2），測得充填層自密實混凝土芯樣的密度及橫、縱波聲速，并基于聲學(xué)基礎(chǔ)研究所得的無限大固體彈性參數(shù)計算公式（1）、公式（2），求得自密實混凝土動彈性模量。考慮充填層的結(jié)構(gòu)特點，將充填層板沿灌注方向分成9個區(qū)段（見圖3），采用單反相機拍攝各區(qū)塊充填層表面。拍照時需保證相機鏡頭垂直于板面上方，使得拍出的照片清晰且表面缺陷不產(chǎn)生變形。然后，將拍攝的照片導(dǎo)入圖像分析軟件Imagepro-plus，并利用Imagepro-plus對拍攝的充填層表面照片進行處理，統(tǒng)計計算各區(qū)段內(nèi)缺陷面積、平均直徑等參數(shù)，得到基于氣泡面積數(shù)量的界面缺陷率。

式中：Ed為動彈模量；vP、vS分別為縱波、橫波聲速；ρ為試件密度；μ為泊松比。

3 拌合物性能及灌注時間對充填層自密實混凝土勻質(zhì)性的影響

3.1 拌合物擴展度對充填層自密實混凝土勻質(zhì)性的影響

由圖4可知，充填層自密實混凝土動彈性模量整體呈現(xiàn)從中間灌注口向四個出漿口方向遞減的趨勢，并且充填層勻質(zhì)性隨自密實混凝土拌合物擴展度增大而降低。板1在出漿口附近動彈模出現(xiàn)明顯降低，這是因為拌合物擴展度大小與其穩(wěn)定性有密切關(guān)系，有研究表明當擴展度從730 mm降低到620 mm時，穩(wěn)定性指數(shù)減小近一半，穩(wěn)定性顯著提高［10］。板1的自密實混凝土拌合物擴展度最大，板2、板3的動彈性模量分布較板1更加均勻。由此可知，自密實混凝土拌合物擴展度過大（大于670 mm），會增加發(fā)生離析的風(fēng)險，導(dǎo)致混凝土勻質(zhì)性降低；擴展度過小（小于620 mm）則影響拌合物的間隙通過性，同樣會對充填層自密實混凝土勻質(zhì)性造成不利影響。因此，結(jié)合填充層自密實混凝土動彈性模量分布及其勻質(zhì)性指數(shù)，認為拌合物擴展度范圍為620～670 mm時，充填層自密實混凝土勻質(zhì)性最優(yōu)。

3.2 T500對充填層自密實混凝土勻質(zhì)性的影響

不同T500的充填層自密實混凝土動勻質(zhì)性指標見圖5。結(jié)合彈性模量分布云圖可以看出，充填層勻質(zhì)性隨自密實混凝土拌合物T500的增大而增加。其中，T500最小的板4沿灌注方向動彈性模量呈現(xiàn)較明顯的梯度變化，越接近出漿口，動彈性模量值越低，相較于板2、板5勻質(zhì)性降低約40%，勻質(zhì)性最差。這是因為自密實混凝土勻質(zhì)性與其拌合物的塑性黏度緊密相關(guān)，塑性黏度增大會增加漿體施加于集料上的總拉應(yīng)力，使拌合物在流動、運輸過程中仍能保持良好的穩(wěn)定性［11－12］。而 T500通常用來表征拌合物的塑性黏度，T500過小導(dǎo)致混凝土拌合物穩(wěn)定性降低，加之充填層內(nèi)密集的鋼筋阻隔，加劇了混凝土拌合物離析的發(fā)生，進而導(dǎo)致板4出現(xiàn)動彈性模量分布極不均勻的現(xiàn)象。板2、板5勻質(zhì)性顯著提升，板5的勻質(zhì)性略好于板2。由此可知，當拌合物T500小于3 s時，充填層自密實混凝土穩(wěn)定性很可能得不到保證，嚴重影響到充填層混凝土的勻質(zhì)性；當T500大于6 s后，自密實混凝土灌注時間增長，但對充填層自密實混凝土勻質(zhì)性影響不大。

3.3 灌注時間對充填層自密實混凝土勻質(zhì)性的影響

由圖6可知，隨著灌注時間增長，充填層自密實混凝土勻質(zhì)性略有提升。灌注時間最短的板6勻質(zhì)性略差，板2和板7勻質(zhì)性接近。總體而言，當混凝土拌合物工作性良好時，灌注時間對充填層自密實混凝土勻質(zhì)性影響不大，這與文獻［13－14］的混凝土流速對其動態(tài)穩(wěn)定性影響很小的結(jié)論相吻合。

4 拌合物性能及灌注時間對充填層自密實混凝土表面缺陷的影響

4.1 拌合物擴展度對充填層自密實混凝土表面缺陷的影響

充填層自密實混凝土表面狀態(tài)也是評價灌注質(zhì)量的重要指標。圖7a為不同拌合物擴展度下，9個區(qū)段內(nèi)充填層表面缺陷分布，其中表面缺陷率是基于氣泡面積計算得出。由圖7a可知板2充填層板面處多數(shù)區(qū)間缺陷率均最小且分布較均勻，板1及板3區(qū)間1～2、8～9內(nèi)出現(xiàn)較多缺陷。通常將自密實混凝土在充填層中的充填模式分為分層逐步充填和整體推進充填兩種。板3由于擴展度過小，在規(guī)定的灌注時間內(nèi)，相對排漿時間較短，氣體未能充分排出，造成在靠近出漿口附近區(qū)段內(nèi)出現(xiàn)較多被拉扯變形的大氣泡（見圖7b），缺陷率增加。由此可知，自密實混凝土拌合物擴展度對充填層表面缺陷影響較大且拌合物擴展度范圍為620～670 mm時，充填層表面缺陷分布均勻、缺陷率最低。

4.2 T500對充填層自密實混凝土表面缺陷的影響

不同T500的充填層自密實混凝土板面缺陷率分布見圖8a。由圖8a可知，隨著拌合物T500增長，板面缺陷率越?。话?在區(qū)間1、2、8、9處出現(xiàn)較多缺陷，特別在觀察口處出現(xiàn)明顯發(fā)泡層（見圖8b）。相較于板4，板2、板5缺陷率更低且各區(qū)間界面缺陷率接近，板5略好于板2。由此可知，對于擴展度范圍為620～670 mm的拌合物，若T500小于3 s，充填層表面易出現(xiàn)酥松發(fā)泡層，影響灌注質(zhì)量；T500大于6 s后，T500再增加對充填層板面缺陷影響不大。

4.3 灌注時間對充填層自密實混凝土表面缺陷的影響

不同灌注時間下板面缺陷率分布見圖9a。由圖9a可知，隨著灌注時間增長，板面缺陷率越低；板6在區(qū)間1～4、8～9處出現(xiàn)大量缺陷且有多個缺陷面積超過50 cm2（見圖9b）。根據(jù)規(guī)范要求，板6灌注質(zhì)量不滿足驗收標準。這是因為灌注時間過短即灌注速度過快導(dǎo)致充填層空腔內(nèi)氣體無法順利排出，并且快速流動的混凝土與軌道板底或鋼筋網(wǎng)的摩擦產(chǎn)生了更大的氣泡缺陷，導(dǎo)致板6充填層板面缺陷率增大。相較于板6，板2、板7缺陷率更低且各區(qū)間板面缺陷率接近，板7略好于板2。由此可知，對于擴展度范圍為620～670 mm，T500處于3～6 s的自密實混凝土拌合物，若灌注時間低于6 min，充填層自密實混凝土表面易出現(xiàn)大尺寸工藝性氣泡，影響施工質(zhì)量，過長的灌注時間（大于8 min）對自密實混凝土板勻質(zhì)性及板面缺陷并沒有過多的改善。

綜上所述，結(jié)合充填層自密實混凝土勻質(zhì)性指標及表面缺陷率，得到現(xiàn)場條件下最經(jīng)濟、合理的充填層自密實混凝土拌合物狀態(tài)及灌注時間：拌合物擴展度范圍620～670 mm；T500為3～6 s；灌注時間為6～8 min。

5 結(jié)論

（1）拌合物擴展度對自密實混凝土勻質(zhì)性及表面缺陷影響較大，拌合物擴展度過大（大于670 mm）及擴展度過?。ㄐ∮?20 mm）都會對充填層自密實混凝土勻質(zhì)性及表面缺陷造成不利影響。拌合物擴展度范圍為620～670 mm時，充填層自密實混凝土勻質(zhì)性最佳且表面缺陷分布均勻、缺陷率最低。

（2）拌合物T500對自密實混凝土勻質(zhì)性及表面缺陷影響最大。當拌合物T500小于3 s時，充填層自密實混凝土的穩(wěn)定性較差，充填層混凝土的勻質(zhì)性降低約40%且表面多處出現(xiàn)酥松發(fā)泡層缺陷；當T500大于6 s后，自密實混凝土灌注時間增長，但對充填層自密實混凝土勻質(zhì)性及板面缺陷影響不大。

（3）當混凝土拌合物工作性良好時，灌注時間對充填層自密實混凝土勻質(zhì)性影響不大，但表面缺陷對灌注時間較為敏感。對于擴展范圍為620～670 mm、T500為3～6 s的自密實混凝土拌合物，若灌注時間低于6 min，充填層自密實混凝土表面易出現(xiàn)大尺寸工藝性氣泡，影響施工質(zhì)量，灌注時間大于8 min后對自密實混凝土板勻質(zhì)性及板面缺陷并沒有過多的改善。

（4）最佳混凝土拌合物狀態(tài)及灌注工藝為：拌合物擴展度范圍620～670 mm；T500為3～6 s；灌注時間6～8 min。