地鐵CRTSⅢ型板機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的制備與性能研究

趙少鵬，王開楊，陸加越，王鑫，何嘉琦

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，高性能土木工程材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211103；2.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 712000）

0 引言

自密實(shí)混凝土施工技術(shù)在高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道施工中已有成熟的施工工藝及經(jīng)驗(yàn)，該結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土底座、隔離層、自密實(shí)混凝土層、預(yù)應(yīng)力軌道板、扣件、鋼軌等組成，這種結(jié)構(gòu)可提高軌道的可維修性、可更換性，降低后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本[1]。近年來(lái)，隨著城市快速軌道交通的快速發(fā)展，自密實(shí)混凝土逐漸在城市軌道交通中展開應(yīng)用，而目前優(yōu)質(zhì)的河砂資源日益緊缺，尤其是川渝及黔貴地區(qū)，機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的制備顯得尤為關(guān)鍵。

針對(duì)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的配制，眾多學(xué)者進(jìn)行了研究。李北星等[2]通過(guò)聚羧酸鹽減水劑與適量礦粉、膨脹劑三摻技術(shù)，在較低的膠凝材料用量（535 kg/m3）情況下，配制出工作性能及力學(xué)性能俱佳的自密實(shí)微膨脹混凝土。徐全等[3]研究了機(jī)制砂MB值的臨界值對(duì)于混凝土性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)制砂MB值大于0.7 g/kg時(shí)，隨著MB值的增大，新拌混凝土的流動(dòng)性下降較為明顯。適量的石粉可以改善自密實(shí)混凝土的工作性能，但是石粉含量過(guò)多情況下會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)性不良、黏度不足[4-6]。孫海龍[7]研究了納米SiO2對(duì)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土性能的影響，研究表明，納米SiO2可以提高漿體的屈服應(yīng)力和塑性黏度，提升漿體穩(wěn)定性。針對(duì)自密實(shí)混凝土的外觀問(wèn)題，徐海源等[8]從外加劑、脫模材料及配合比等方面分析了各因素對(duì)聚羧酸混凝土表觀氣泡的影響規(guī)律及改性方法，研究表明，聚羧酸減水劑的種類及含氣量控制方式對(duì)混凝土外觀質(zhì)量影響較大。王方剛等[9]采用玻璃平板試驗(yàn)、凈漿流動(dòng)度和自密實(shí)混凝土工作性能等方法配制出了工作性能好且外觀質(zhì)量好的高鐵CRTSⅢ型板自密實(shí)混凝土。

本文針對(duì)城市軌道交通地鐵CRTSⅢ型板自密實(shí)混凝土進(jìn)行了配合比試驗(yàn)，針對(duì)川渝區(qū)域河砂資源匱乏的情況，主要采用機(jī)制砂作為細(xì)骨料。針對(duì)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的工作性能問(wèn)題，首先優(yōu)選降黏穩(wěn)健型減水母液，并通過(guò)消泡劑與引氣劑的復(fù)合使用，結(jié)合實(shí)體揭板試驗(yàn)，制備出了綜合成本低、自密實(shí)性能優(yōu)良且外觀密實(shí)度高的自密實(shí)混凝土，為自密實(shí)混凝土應(yīng)用于軌道交通無(wú)砟軌道提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）膠凝材料：重慶金隅冀東P·O42.5水泥，比表面積345 m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27%，28 d抗壓強(qiáng)度49.0 MPa；珞電Ⅰ級(jí)粉煤灰，細(xì)度（45μm篩篩余）9%，需水量比94%；鐵科院黏度改性劑，粉狀，由無(wú)機(jī)材料、高分子有機(jī)材料和多種助劑復(fù)合而成，能夠提高自密實(shí)混凝土的穩(wěn)定性、黏聚性和保水性，符合Q/CR596-2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式密實(shí)混凝土》的要求；江蘇蘇博特新材料股份有限公司HME-Ⅲ型膨脹劑，水泥膠砂7d限制膨脹率≥3.0×10-4。

（2）混凝土外加劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司的PCA-Ⅰ、PCA-Ⅱ及PCA-W三種聚羧酸減水劑，按GB8076—2008《混凝土外加劑》測(cè)得3種減水劑的主要物理性能如表1所示；GYQ-Ⅲ型陰離子引氣劑及PXP-Ⅲ聚醚復(fù)合型消泡劑，由于混凝土中消泡劑與引氣劑的使用量極少，將引氣劑與消泡劑均稀釋100倍后使用。

表1 3種聚羧酸減水率的物理性能

（3）粗骨料：5～16 mm石灰石碎石，針片狀含量5%，壓碎值6.5%，粗骨料的顆粒級(jí)配如表2所示。

表2 粗骨料的顆粒級(jí)配

（4）細(xì)骨料：石灰石破碎整形機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.9；河砂，細(xì)度模數(shù)2.5，機(jī)制砂與河砂的顆粒級(jí)配如表3所示。

表3 細(xì)集料的顆粒級(jí)配

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 自密實(shí)混凝土的性能測(cè)試方法

按CECS02—2004《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》對(duì)新拌自密實(shí)混凝土進(jìn)行擴(kuò)展度、T500、L型儀填充比等指標(biāo)的測(cè)試。機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的基準(zhǔn)配合比參照高鐵項(xiàng)目CRTS自密實(shí)混凝土，如表4所示，減水劑摻量按占膠凝材料質(zhì)量計(jì)。

表4 C40自密實(shí)混凝土的配合比

1.2.2 自密實(shí)混凝土的指標(biāo)控制

參照TJ/GW112—2013《高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》，配制的機(jī)制砂自密實(shí)混凝土需滿足表5的技術(shù)指標(biāo)才能進(jìn)行實(shí)體灌注揭板試驗(yàn)。

表5 自密實(shí)混凝土的技術(shù)指標(biāo)

1.2.3 城市軌道CRTSⅢ型板自密實(shí)混凝土揭板外觀試驗(yàn)

城市軌道交通最高限速明顯低于高鐵，且軌道寬度存在差異，因此Ⅲ型板的長(zhǎng)、寬、厚及曲面角度與常規(guī)的高鐵存在明顯差異，通常寬度更窄，而曲面高差更大，但是目前城市軌道交通的揭板試驗(yàn)仍然參照TJ/GW112—2013進(jìn)行模板的安裝、攪拌、灌注、養(yǎng)護(hù)及外觀質(zhì)量的評(píng)定，沒(méi)有單獨(dú)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。地鐵CRTSⅢ型板自密實(shí)混凝土采用中間孔單點(diǎn)灌注法灌注，待混凝土終凝之后進(jìn)行灌注揭板試驗(yàn)（見(jiàn)圖1），觀察自密實(shí)混凝土板的上表面外觀情況。揭板試驗(yàn)主要對(duì)比引氣劑以及引氣劑與消泡劑復(fù)配后對(duì)混凝土板硬化后外觀的影響。要求自密實(shí)混凝土板不得出現(xiàn)發(fā)泡層、泌水、填充不密實(shí)、裂縫等問(wèn)題，≥6 cm2氣泡面積占比（按占表面積計(jì)）不得大于2%，不得出現(xiàn)面積大于50 cm2的氣泡。

圖1 城市軌道交通地鐵CRTSⅢ型板灌注揭板試驗(yàn)

2 結(jié)果與分析

2.1 聚羧酸減水劑種類對(duì)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土工作性能的影響

高鐵CRTSⅢ型板自密實(shí)混凝土的施工經(jīng)驗(yàn)表明[9-11]，高穩(wěn)健、低敏感聚羧酸減水劑對(duì)自密實(shí)混凝土的工作性能以及外觀均起到至關(guān)重要的作用，因此在城市軌道交通CRTSⅢ型板機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的配制中，聚羧酸母液的優(yōu)選顯得尤為關(guān)鍵。首先通過(guò)對(duì)現(xiàn)有3種聚羧酸母液的性能評(píng)價(jià)，對(duì)比聚羧酸母液對(duì)混凝土黏度及流速的影響，通過(guò)T500與L型儀填充比同時(shí)進(jìn)行表征，T500表征混凝土的流速，流速越快則混凝土的黏度越低，L型儀填充比表征混凝土的填充性，數(shù)值越大表征混凝土的鋼筋通過(guò)性能越強(qiáng)。另外，考慮到自密實(shí)混凝土在實(shí)際施工中會(huì)存在用水量或減水劑摻量波動(dòng)，導(dǎo)致混凝土性能發(fā)生波動(dòng)，甚至導(dǎo)致發(fā)泡層或填充性不足等問(wèn)題出現(xiàn)，因此聚羧酸減水劑的抗波動(dòng)性也是參考的主要指標(biāo)。

2.1.1 聚羧酸減水劑對(duì)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土工作性能的影響

按表4的配合比，調(diào)整3種聚羧酸減水劑母液PCA-Ⅰ、PCA-Ⅱ及PCA-W的摻量，控制混凝土的擴(kuò)展度在600～680 mm，對(duì)比減水劑母液對(duì)混凝土流速及鋼筋通過(guò)性的影響，結(jié)果如表6所示。

表6 減水劑母液對(duì)混凝土流速及鋼筋通過(guò)性的影響

由表6可見(jiàn)，控制混凝土的擴(kuò)展度為600～680 mm時(shí)，PCA-Ⅰ的摻量最低，為2.0%，但T500為8.0 s，流速慢，且L型儀填充比僅為0.80，說(shuō)明該減水劑的減水率雖高，但是混凝土的黏度最大且填充性差；使用PCA-Ⅱ型減水劑時(shí)，減水劑摻量較PCA-Ⅰ增加了10%，但T500縮短至5.5 s，流速明顯上升，且L型儀填充比達(dá)到0.85，這表明PCA-Ⅱ型母液可以有效提高混凝土流速及鋼筋通過(guò)性；使用PCA-W減水母液的摻量最高，但T500最短，僅為4.5 s，L型儀填充比增大至0.88；將表現(xiàn)良好的PCA-Ⅱ與PCA-W按1∶1的質(zhì)量比復(fù)合使用時(shí)，混凝土的綜合性能最佳，復(fù)合摻量為2.4%時(shí)，T500僅為5.0 s，L型儀填充比增大至0.90，混凝土的流速快且填充性最好，此時(shí)混凝土狀態(tài)如圖2所示。

圖2 4#機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的狀態(tài)

2.1.2 聚羧酸減水劑對(duì)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土抗波動(dòng)性的影響

通過(guò)上述試驗(yàn)，優(yōu)選綜合性能較好的PCA-Ⅱ、PCA-W及2種減水劑母液按1∶1質(zhì)量比的復(fù)配體系進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行混凝土的抗波動(dòng)性試驗(yàn)?；炷恋目共▌?dòng)性試驗(yàn)主要通過(guò)在原有合適的外加劑摻量及用水量下額外添加5 kg/m3或10 kg/m3的水，對(duì)比用水量波動(dòng)對(duì)混凝土工作性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 聚羧酸母液對(duì)混凝土抗波動(dòng)性的影響

由表7可見(jiàn)，使用PCA-Ⅱ減水劑時(shí)，用水量的增加明顯改變了混凝土的工作性能，混凝土的抗用水波動(dòng)性較差，用水量為182kg/m3時(shí)，擴(kuò)展度達(dá)到了700 mm，且混凝土的鋼筋通過(guò)性明顯降低，L型儀填充比僅為0.80，用水量的變化使得混凝土工作性能波動(dòng)明顯。使用PCA-W減水劑時(shí)，隨著用水量的增加，混凝土的流動(dòng)性能變化不明顯，混凝土的L型儀填充比均為0.88，穩(wěn)健性最強(qiáng)，但是混凝土的鋼筋通過(guò)性始終無(wú)法得到進(jìn)一步提升，低于自密實(shí)性能的要求（L型儀填充比≥0.9）。采用PCA-Ⅱ與PCA-W減水母液按1∶1質(zhì)量比復(fù)合使用時(shí)，混凝土的抗用水波動(dòng)性介于2種母液之間，用水量增加10 kg/m3后，混凝土未出現(xiàn)泌水等問(wèn)題，流速快且填充性最好，L型儀填充比達(dá)到了0.92。綜合而言，當(dāng)采用PCA-Ⅱ與PCA-W兩種減水劑按1∶1質(zhì)量比復(fù)合使用時(shí)，可綜合2種母液的性能優(yōu)點(diǎn)，自密實(shí)混凝土的穩(wěn)健性強(qiáng)且工作性能最佳。

2.2 黏度改性劑對(duì)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土性能影響

自密實(shí)混凝土中使用黏度改性劑可明顯改善自密實(shí)混凝土的黏聚性，在提高混凝土包裹性的同時(shí)，可以提高混凝土的穩(wěn)健性[12]，高鐵CRTSⅢ型板自密實(shí)混凝土中通常摻入6%左右以提高混凝土的黏聚性，但是該材料價(jià)格較高，因此在地鐵軌道交通中探討了降低黏度改性劑用量，增加膠凝材料總量及采用河砂取代部分機(jī)制砂的方案對(duì)自密實(shí)混凝土性能的影響，減水劑采用綜合性能最佳的PCA-Ⅱ與PCA-W按1∶1的質(zhì)量比復(fù)合，減水劑摻量為2.4%，控制混凝土的擴(kuò)展度為650 mm左右，試驗(yàn)配合比及性能測(cè)試結(jié)果如表8所示。

表8 膠凝材料總量與黏度改性劑摻量對(duì)混凝土性能影響的試驗(yàn)配合比及性能測(cè)試結(jié)果

由表8可見(jiàn)，當(dāng)黏度改性劑摻量為30 kg/m3時(shí)，膠凝材料總量為525 kg/m3，細(xì)骨料全部為機(jī)制砂時(shí)混凝土的工作性能較好，T500為5.0 s，L型儀填充比為0.90。J2與J3配合比降低黏度改性劑用量為15 kg/m3，J2的T500仍為5.0 s，黏度變化不明顯，但是L型儀填充比降低為0.86，混凝土包裹性下降，因此為了彌補(bǔ)包裹性下降所造成的填充性問(wèn)題，J3配合比增加膠凝材料總量為540 kg/m3，并采用100 kg/m3河砂替代機(jī)制砂，自密實(shí)混凝土的T500為5.0 s，L型儀填充比達(dá)到0.90，工作性能與J1相當(dāng)。J4與J5未摻黏度改性劑，J4的T500延長(zhǎng)至6.5 s，L型儀填充比直接下降為0.80，混凝土的黏度上升明顯且包裹性下降，J5配合比在J4配合比基礎(chǔ)上采用100 kg/m3河砂替代機(jī)制砂，其工作性能與J4相比無(wú)明顯改進(jìn)，因此完全去除黏度改性劑的方案不可取。因此，綜合考慮混凝土的綜合成本和工作性能，可采用摻加15 kg/m3黏度改性劑的J3配合比，通過(guò)增加膠凝材料總量為540 kg/m3，采用河砂取代部分機(jī)制砂，在滿足工作性能的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益最大化。

2.3 引氣劑與消泡劑對(duì)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土Ⅲ型板外觀的影響

采用優(yōu)化配合比（J3）進(jìn)行全尺寸揭板試驗(yàn)，研究引氣劑及消泡劑摻量（按占膠凝材料質(zhì)量計(jì)）對(duì)混凝土表觀質(zhì)量的影響，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 引氣劑及消泡劑對(duì)混凝土工作性能及表觀質(zhì)量的影響

由表9可見(jiàn)：

（1）單摻引氣劑，當(dāng)引氣劑摻量為0.1%時(shí)，相比于未摻引氣劑的Y1組，Y2組混凝土含氣量增大至6.5%，T500縮短至4.5 s，L型儀填充比下降至0.86，混凝土的流速提升但鋼筋通過(guò)性降低，拆模后的混凝土表面出現(xiàn)了1個(gè)超過(guò)50 cm2的大氣泡；當(dāng)引氣劑摻量增加至0.2%時(shí)，混凝土含氣量高達(dá)7.8%，T500延長(zhǎng)至6.0 s，L型儀填充比進(jìn)一步下降為0.84，混凝土的含氣量過(guò)高且鋼筋通過(guò)性下降，揭板后的整體氣泡數(shù)目更多。因此，單獨(dú)摻入引氣劑無(wú)法得到較好的外觀質(zhì)量。

（2）引氣劑與消泡劑復(fù)摻時(shí)，復(fù)摻0.1%引氣劑+0.02%消泡劑組混凝土的含氣量達(dá)到了5.5%，較Y1組的含氣量略有增大，T500縮短至4.5 s，混凝土的流速提升，L型儀填充比達(dá)到了0.95，鋼筋通過(guò)性也進(jìn)一步提高，揭板后的外觀氣泡最少，≥6 cm2的氣泡面積占比僅為1.5%，且無(wú)發(fā)泡層等問(wèn)題，其外觀如圖3所示，綜合性能最佳。復(fù)摻0.2%引氣劑+0.04%消泡劑組混凝土的含氣量為6.5%，L型儀填充比為0.90，自密實(shí)混凝土的工作性能也較好，但含氣量較Y4組略高，且揭板后的≥6 cm2氣泡面積占比達(dá)到了2.5%。

圖3 揭板后自密實(shí)混凝土外觀

綜合而言，當(dāng)采用PCA-Ⅱ和PCA-W按1∶1質(zhì)量比復(fù)配的減水劑，同時(shí)復(fù)摻0.1%引氣劑+0.02%消泡劑時(shí)，混凝土擴(kuò)展度為665 mm，含氣量為5.5%，L型儀填充比為0.95時(shí)，機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的工作性能及外觀質(zhì)量最佳。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）不同種類聚羧酸母液對(duì)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的工作性能具有較大影響，其中采用PCA-Ⅱ與PCA-W母液按1∶1質(zhì)量比復(fù)配使用時(shí)，自密實(shí)混凝土的流速快且填充性能好，工作性能最佳。

（2）將機(jī)制砂自密實(shí)混凝土中的黏度改性劑摻量由30 kg/m3后減少至15 kg/m3后，通過(guò)增加混凝土中膠凝材料總量為540 kg/m3，同時(shí)采用河砂替代部分機(jī)制砂的方案可有效改善自密實(shí)混凝土的工作性能。

（3）CRTSⅢ型板自密實(shí)混凝土對(duì)表觀的質(zhì)量要求嚴(yán)格，通過(guò)對(duì)比單摻引氣劑及復(fù)合使用消泡劑與引氣劑發(fā)現(xiàn)，當(dāng)復(fù)合采用0.1%引氣劑+0.02%消泡劑時(shí)，混凝土的含氣量為5.5%，擴(kuò)展度為665 mm，L型儀填充比為0.95時(shí)，混凝土的表觀質(zhì)量與工作性能均較好，揭板后≥6 cm2氣泡面積占比僅為1.5%。