城市交通軌道板自密實(shí)混凝土施工質(zhì)量控制

葛 賦

(中鐵二十四局集團(tuán)有限公司軌道交通分公司，上海 201804)

1 概述

隨著預(yù)制拼裝技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用，預(yù)制軌道板由于其質(zhì)量高、施工速度快、軌道整體性好等特點(diǎn)，已經(jīng)在較多城市軌道交通中推廣[1]。上海作為國(guó)內(nèi)率先應(yīng)用預(yù)制軌道板道床技術(shù)的城市之一，在15號(hào)線中首次大批量使用了STⅠ型預(yù)制軌道板道床。STⅠ型預(yù)制軌道板為高鐵CRTSⅢ型預(yù)制軌道板改良引進(jìn)而來，如圖1所示，自上而下包括鋼軌、扣件、底部設(shè)置“門”型鋼筋的預(yù)制軌道板、自密實(shí)混凝土層和基底支承層，更能保證城市軌道交通快速、高質(zhì)量建設(shè)需求。在城市軌道交通地下段盾構(gòu)區(qū)間有限的施工空間下，作為軌道板與基底間的填充材料，自密實(shí)混凝土就成為了預(yù)制軌道板道床施工質(zhì)量的重要保證?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)高鐵CRTSⅢ型預(yù)制軌道板的自密實(shí)混凝土施工質(zhì)量有較多研究[2-3]，但在城市軌道交通中首次采用類似高鐵預(yù)制軌道板的STⅠ型預(yù)制軌道板的自密實(shí)混凝土質(zhì)量闡述較少。

本文基于STⅠ型預(yù)制軌道板自密實(shí)混凝土施工過程中質(zhì)量要點(diǎn)，結(jié)合揭板試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，提出預(yù)制軌道板道床施工全程質(zhì)量控制方法，為同類軌道交通預(yù)制軌道板道床施工質(zhì)量的保障提供參考。

1.1 自密實(shí)混凝土概述

自密實(shí)混凝土(Self Compacting Concrete，簡(jiǎn)稱SCC)來源于我國(guó)高鐵預(yù)制軌道板的自密實(shí)混凝土材料，其特性是具有較高的流動(dòng)性、間隙通過性和抗離析性。因此，灌注至軌道板和基底之間的空隙時(shí)，僅靠其自重作用而無需振搗便能均勻密實(shí)成型，并與板底“門”型鋼筋相結(jié)合，形成高耐久性和高體積穩(wěn)定性的自密實(shí)混凝土層[4]。在STⅠ型預(yù)制軌道板道床中，自密實(shí)混凝土為軌道板與基底間的填充材料。

1.2 自密實(shí)混凝土特點(diǎn)

STⅠ型預(yù)制軌道板道床中，自密實(shí)混凝土材料有4個(gè)主要特點(diǎn)：1)自密實(shí)混凝土與高鐵CRTSⅠ型軌道板的水泥瀝青砂漿填充層(CAM砂漿層)相比較，其制備工藝要求簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定、耐久性好、成本低廉；2)作為填充層材料能夠均勻地支承軌道板，完全填充軌道板與基底之間的空隙，在灌注過程中對(duì)于軌道板幾何狀態(tài)影響較小，在灌注完成后能確保軌道幾何狀態(tài)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，可有效的調(diào)高施工效率；3)承受由列車行駛時(shí)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向作用力和橫向水平力，并把它均勻的傳導(dǎo)至基底道床板及隧道結(jié)構(gòu)上；4)自密實(shí)混凝土在灌注完成后會(huì)在內(nèi)部形成分布較為均勻的微小氣泡，且自密實(shí)混凝土具有一定的彈性模量規(guī)定，對(duì)于列車運(yùn)行過程中振動(dòng)的減緩有一定的改善效果。

2 自密實(shí)混凝土配合比確定和試驗(yàn)

2.1 配合比

根據(jù)軌道交通建設(shè)設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求，STⅠ型預(yù)制軌道板道床使用的自密實(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C35混凝土。

自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)的目的是將混凝土的屈服應(yīng)力減小到足以被因自重產(chǎn)生的剪應(yīng)力克服，使混凝土流動(dòng)性增大，同時(shí)又具有足夠的塑性黏度，令骨料懸浮于水泥漿中，不出現(xiàn)離析和泌水問題，能自由流淌并充分填充模板內(nèi)的空間，形成密實(shí)且均勻的膠凝結(jié)構(gòu)。

參照《上海城市軌道交通自密實(shí)充填層技術(shù)條件》要求的初始配合比，結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)采用的不同商混站混凝土原材情況以及不同的施工周邊環(huán)境條件，對(duì)初始自密實(shí)混凝土配合比進(jìn)行改進(jìn)。配制自密實(shí)混凝土應(yīng)首先確定混凝土配制強(qiáng)度、水膠比、用水量、砂率、粉煤灰、膨脹劑等主要參數(shù)，再經(jīng)過混凝土性能試驗(yàn)強(qiáng)度檢驗(yàn)，反復(fù)調(diào)整各原材料參數(shù)來確定混凝土配合比的方法。確定適用于本項(xiàng)目施工條件的自密實(shí)混凝土配合比，見表1。

表1 自密實(shí)混凝土配合比

表1中的自密實(shí)混凝土配合比相比高鐵CRTSⅢ型預(yù)制軌道板的自密實(shí)混凝土配合比[5-7]來看，同等體積情況下，水的用量略增加0.7%～3.5%，水泥用量增加8.8%～54.1%，砂用量增加1.8%～5.2%，石用量基本保持不變，粉煤灰用量保持較小程度，減水劑用量降低36%～39%，膨脹劑用量降低11%～17%，黏改劑用量降低28.6%～63.4%，可見表1的配合比形成了軌道交通STⅠ型預(yù)制軌道板道床的特有的自密實(shí)混凝土配合比參數(shù)。

2.2 揭板試驗(yàn)

預(yù)制軌道板道床的揭板實(shí)驗(yàn)主要是在正式施工前在鋪軌基地內(nèi)進(jìn)行預(yù)制軌道板道床現(xiàn)場(chǎng)施工情況的模擬，結(jié)合自密實(shí)混凝土配合比以及合適的灌注方法，驗(yàn)證自密實(shí)配合比是否滿足灌注要求，并且檢驗(yàn)配套的自密實(shí)模板工裝是否能夠滿足施工需求。通過揭板驗(yàn)證成型后的自密實(shí)填充層混凝土強(qiáng)度、斷面狀態(tài)、表面狀態(tài)等是否能夠滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。揭板試驗(yàn)場(chǎng)地見圖2，最終配合比情況下的揭板效果見圖3。

通過揭板試驗(yàn)，如果發(fā)現(xiàn)自密實(shí)混凝土有如表2所示問題，可以相應(yīng)地調(diào)整配合比。

表2 自密實(shí)混凝土問題及解決措施

3 自密實(shí)混凝土原材料質(zhì)量控制要點(diǎn)

3.1 自密實(shí)混凝土原材儲(chǔ)存要求

對(duì)于采用的商品自密實(shí)混凝土，需要求商混站對(duì)自密實(shí)混凝土原材料嚴(yán)格遵守專倉專存的原則存放。對(duì)于每批次進(jìn)場(chǎng)的自密實(shí)混凝土原材，都需進(jìn)行取樣檢測(cè)，需保證每批次原材性能變化較配合比驗(yàn)證使原材性能指標(biāo)變化控制在±10%以內(nèi)，儲(chǔ)料做到防水、防潮、防曬、防污染。

3.2 骨料質(zhì)量控制要求

混凝土粗骨料在混凝土的結(jié)構(gòu)中起著骨架作用，其粒徑大小對(duì)混凝土的密實(shí)度和工作性能有較大的影響，并且預(yù)制板填充層的厚度僅有8 cm、鋼筋間距小，所以需要選用少含或不含針片狀顆粒的粗骨料[8]。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，自密實(shí)混凝土中所需使用的粗骨料宜采用5 mm～16 mm級(jí)配碎石，質(zhì)量控制要求見表3。

表3 粗骨料質(zhì)量控制要求 %

自密實(shí)混凝土中采用的細(xì)骨料質(zhì)量控制主要為粗細(xì)程度的控制，該指標(biāo)對(duì)于自密實(shí)混凝土的整體性影響較大，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生自密實(shí)混凝土離析或泌水時(shí)，混凝土采用的細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)較大；在混凝土坍落擴(kuò)展度減小，流動(dòng)性減弱時(shí)，細(xì)度模數(shù)較小。設(shè)計(jì)規(guī)范要求細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)宜控制在2.3～2.7之間，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)總結(jié)，建議自密實(shí)混凝土細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)宜采用下限值，質(zhì)量控制要求見表4。

表4 細(xì)骨料質(zhì)量控制要求 %

3.3 外加劑質(zhì)量控制要求

外加劑、黏度改性材料與礦物摻合料是影響自密實(shí)混凝土性能的主要因素，因此嚴(yán)格控制外加劑、礦物摻合料性能才能保證自密實(shí)混凝土滿足施工要求，添加優(yōu)質(zhì)的黏度改性材料能增強(qiáng)混凝土塑性黏度，將優(yōu)異氣泡握裹在混凝土中，增加自密實(shí)混凝土含氣量的穩(wěn)定性，提高坍落擴(kuò)展度保持性和抗凍性能[9]。

綜合現(xiàn)場(chǎng)揭板實(shí)驗(yàn)過程中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，建議使用優(yōu)質(zhì)聚羥酸減水劑，該種材料能夠使混凝土保坍性得到有效提高。該種減水劑反應(yīng)原理為先消泡再引氣工藝，對(duì)于混凝土中劣質(zhì)大泡可有效地消除；含氣量較為適宜，有利于改善工作性能，并且保坍性良好，在90 min內(nèi)不會(huì)發(fā)生較大變化，可保證運(yùn)輸與施工要求。

4 自密實(shí)混凝土質(zhì)量控制

4.1 配合比質(zhì)量控制

驗(yàn)證自密實(shí)混凝土的配合比不能僅驗(yàn)證自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度，應(yīng)當(dāng)配合其他性能指標(biāo)的評(píng)定來綜合判斷自密實(shí)混凝土的性能好壞。由于自密實(shí)混凝土泌水率要求為0%，因此不能通過泌水來彌補(bǔ)坍落擴(kuò)展度的損失，需嚴(yán)格控制混凝土中的空氣含量和氣泡質(zhì)量，如圖4所示。

自密實(shí)混凝土配合比采用絕對(duì)體積法來進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要要求如下：1)膠凝材料用量：不宜大于580 kg/m3；2)用水量：不宜大于180 kg/m3；3)單位體積漿體總量：不宜大于0.40 m3。

混凝土原材按質(zhì)量進(jìn)行稱量時(shí)誤差控制要求如下：膠凝材料(水泥、礦物摻合料等)±1%；外加劑±1%；骨料±2%；拌合用水±1%。

4.2 自密實(shí)混凝土攪拌、運(yùn)輸

在商混站進(jìn)行自密實(shí)混凝土的生產(chǎn)前，需對(duì)原材料中的骨料的含水率進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)每次采用的骨料的含水率的不同及時(shí)調(diào)整配合比中的水用量。含水率需每班抽測(cè)兩次。在混凝土開始攪拌生產(chǎn)時(shí)，先向攪拌機(jī)內(nèi)加入骨料。水泥及礦物摻和物，攪拌1 min后，再按照配比要求及骨料含水率測(cè)定結(jié)果加入水及外加劑，原材全部加入后，持續(xù)攪拌2 min。尤其注意在高溫季節(jié)施工時(shí)，需控制水泥加入攪拌機(jī)前的溫度，不宜大于50 ℃。

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸條件，及時(shí)對(duì)運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，防止自密實(shí)混凝土在運(yùn)輸過程中溫度過高或過低。運(yùn)輸罐車在運(yùn)輸途中罐體宜以2 r/min～4 r/min低速轉(zhuǎn)動(dòng)，自密實(shí)混凝土從攪拌完成至運(yùn)輸至工作面宜在2 h之內(nèi)完成，嚴(yán)禁在施工現(xiàn)場(chǎng)向罐車內(nèi)加水。當(dāng)混凝土罐車運(yùn)輸材料到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，需要求罐車在高速旋轉(zhuǎn)20 s～30 s方可卸料。

4.3 自密實(shí)混凝土性能參數(shù)要求

自密實(shí)混凝土在卸料施工前必須對(duì)每車的混凝土性能參數(shù)進(jìn)行檢查，主要檢查參數(shù)及指標(biāo)如表5,圖5所示。

表5 自密實(shí)混凝土檢測(cè)參數(shù)要求

4.4 自密實(shí)混凝土灌注施工過程質(zhì)量控制

4.4.1 灌注料斗

自密實(shí)混凝土灌注小料斗采用推拉式閥門或旋轉(zhuǎn)式閥門，閥門宜設(shè)置在下料管底端。下料管高度在直線段板灌注時(shí)不小于700 mm，在曲線板灌注時(shí)不小于1 000 mm，如圖6所示。

4.4.2 模板

模板安裝控制主要有以下幾個(gè)要點(diǎn)：

1)模板的剛度需能夠承受自密實(shí)混凝土在灌注過程中產(chǎn)生的中重力沖擊荷載及對(duì)側(cè)模產(chǎn)生的側(cè)壓力的荷載。

2)在側(cè)模安裝過程中需保證側(cè)模與軌道板平齊，安裝允許誤差為±5 mm，宜在自密實(shí)模板角模位置處設(shè)置排氣孔。可在自密實(shí)側(cè)模上貼模板布，使成型的自密實(shí)層混凝土外觀質(zhì)量平整無麻面。

3)在模板安裝時(shí)，需在側(cè)模底部使用海綿或土工布進(jìn)行縫隙封堵，保證模板與基底連接處封堵密實(shí)，需主要縫隙填充材料不可侵入自密實(shí)混凝土內(nèi)。

4)目前采用的自密實(shí)模板均為分塊拼接式，在模板拼裝時(shí)要注意拼接處的平整，保證澆筑完成后不出現(xiàn)錯(cuò)邊現(xiàn)象。

5)在自密實(shí)模板拼裝完成后，需檢查模板安裝密閉性以及固定和支撐情況，不符合要求則應(yīng)調(diào)整或重新立模。

4.4.3 排氣孔設(shè)置

排氣孔宜設(shè)置在自密實(shí)模板四個(gè)角模上，排氣孔開口尺寸不宜小于200 mm×30 mm。在安裝模板前應(yīng)檢查土工布是否有褶皺，確保土工布平整，不影響自密實(shí)混凝土流動(dòng)。在自密實(shí)混凝土灌注前需檢查板下空腔內(nèi)及土工布上濕潤(rùn)但無明顯積水，防止在灌注過程中產(chǎn)生氣泡。

4.4.4 灌漿管與防溢管

由于自密實(shí)混凝土的特殊性能，混凝土的流動(dòng)性越大，其在板腔內(nèi)的自由流動(dòng)、自動(dòng)填充能力越強(qiáng)，越容易灌注完成，但混凝土流動(dòng)性越大，越容易發(fā)生混凝土離析、骨料漿液分層現(xiàn)象，嚴(yán)重影響灌注質(zhì)量。因此混凝土的流動(dòng)性需嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求控制，不能為灌注密實(shí)從而加大混凝土流動(dòng)性。為確保灌注密實(shí)，可加高灌注孔及觀察孔導(dǎo)管的高度，來增加自密實(shí)混凝土自身重力勢(shì)能，保證自密實(shí)混凝土在板腔內(nèi)的流動(dòng)性，從而達(dá)到自填充、自密實(shí)的目的，如圖7所示。加高導(dǎo)管的高度，也可有效提升混凝土灌注速度，大大提高施工效率，同時(shí)防止混凝土溢出污染軌道板面。

4.4.5 壓緊裝置

為控制自密實(shí)混凝土灌注過程中的軌道板上浮，需在軌道板上安裝壓浮裝置，一般采用門型鋼梁扣壓形式的壓浮裝置。首先對(duì)壓浮裝置扣壓板后、自密實(shí)混凝土灌注過程中因填充板與基底空間而產(chǎn)生的頂板效應(yīng)進(jìn)行檢算，如圖8所示。

取單位寬度的壓浮裝置在縱向進(jìn)行計(jì)算，即作用荷載q=9 180 N/m；壓浮裝置約束條件為兩端固結(jié)，視為長(zhǎng)方體(2.7 m×1 m×0.3 m)。

其中，f為撓度；l為構(gòu)件跨度。

最大彎矩：

其中，σ為壓浮裝置彎曲應(yīng)力，MPa；W為截面抵抗矩。

最大剪力：

其中，τ為壓浮裝置剪切應(yīng)力，MPa；A為剪切截面面積。

可見，壓浮裝置和軌道板在自密實(shí)混凝土灌注過程中，強(qiáng)度滿足要求。

壓浮裝置門架上橫梁通過花籃螺絲與地面預(yù)埋Φ20 mm螺紋鋼錨固，根據(jù)板長(zhǎng)設(shè)置不同數(shù)量的壓浮裝置，一般4.7 m板設(shè)置4道壓桿，如圖9所示，3.5 m板設(shè)置3道壓桿。并且需在軌道板上安裝百分表來監(jiān)測(cè)軌道板上浮情況，設(shè)置在軌道板四角位置，在曲線板地段設(shè)置橫向百分表，監(jiān)測(cè)軌道板是否發(fā)生側(cè)移。

4.4.6 灌注

灌注自密實(shí)混凝土?xí)r采用從軌道板中間孔灌注四角排氣方式，灌注時(shí)混凝土通過大料斗注入小料斗，小料斗滿以后，打開小料斗閥門，自密實(shí)混凝土灌注速度不可過快，控制好大料斗和小料斗放料速度，采取“慢-快-慢”的放料方式，保證下料的連續(xù)性，避免帶入空氣。在灌注過程中，待預(yù)制板四個(gè)角的排氣孔內(nèi)混凝土面都高于軌道板上平面，封閉排氣孔，關(guān)閉閥門，停止灌注，觀察孔內(nèi)混凝土高度控制不小于250 mm。在同一塊軌道板上要連續(xù)灌注完成，中途不得有停頓，避免混凝土不夠的現(xiàn)象產(chǎn)生，不得二次灌注。

5 自密實(shí)混凝土施工后質(zhì)量控制

5.1 拆模

軌道板三維精調(diào)支承爪在自密實(shí)混凝土初凝后拆除，其他自密實(shí)層混凝土模板帶模養(yǎng)護(hù)齡期不得少于3 d，根據(jù)同養(yǎng)試塊強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果達(dá)到10.0 MPa后方可拆除全部模板，確保澆筑完成的自密實(shí)混凝土表面及棱角不因拆模而受損。

5.2 養(yǎng)護(hù)

在自密實(shí)混凝土灌注完成后，對(duì)灌注孔及觀察孔混凝土粘貼土工布進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，防止在凝固過程中缺水收縮。對(duì)于板四周自密實(shí)混凝土噴灑養(yǎng)護(hù)劑進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

6 結(jié)論

通過上海軌道交通15號(hào)線STⅠ型預(yù)制軌道板道床自密實(shí)混凝土的揭板實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工的改進(jìn)及應(yīng)用，對(duì)自密實(shí)混凝土原材料的選擇和控制、配合比、自密實(shí)混凝土施工過程中及施工后的質(zhì)量控制等問題進(jìn)行了分析，總結(jié)了控制要點(diǎn)主要有以下幾方面：

1)原材的選擇需嚴(yán)格遵守規(guī)范及現(xiàn)場(chǎng)配比優(yōu)化的要求，對(duì)每批次的新進(jìn)場(chǎng)的原材必須進(jìn)行原材檢測(cè)，保證原材性能的穩(wěn)定性。

2)在施工過程中，需及時(shí)根據(jù)外部環(huán)境的變化如環(huán)境溫度變化、運(yùn)輸距離變化等，及時(shí)優(yōu)化配合比。

3)在城市軌道交通地下段盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)進(jìn)行自密實(shí)混凝土灌注可選擇使用自變形輪胎式混凝土罐車，可直接在隧道管壁上行走，由于目前預(yù)制板灌注時(shí)鋼軌均未恢復(fù)，無法使用軌道車直接運(yùn)輸自密實(shí)混凝土至灌注料斗上方，使用輪式罐車直接在管壁上行走運(yùn)輸自密實(shí)混凝土可直接在預(yù)制板上方進(jìn)行灌注，無需再使用大料斗往小料斗倒運(yùn)，輪式罐車在灌注過程中仍能保證自密實(shí)混凝土處于攪拌狀態(tài)，減少自密實(shí)混凝土骨料沉底風(fēng)險(xiǎn)，大大提高了混凝土灌注效率。