增黏劑對(duì)城市軌道交通板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土性能的影響

楊魯 譚鹽賓 鄭永杰 付志勇 王夢(mèng) 劉海濤 齊婧

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081

城市軌道交通板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)（圖1）是在高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，將混凝土軌道板、自密實(shí)混凝土層和混凝土底座三層結(jié)構(gòu)中混凝土底座取消，自密實(shí)混凝土層加厚。該軌道結(jié)構(gòu)的自密實(shí)混凝土層具備承受荷載、調(diào)整軌面高程、軌道板限位、調(diào)節(jié)平整度等多項(xiàng)功能。城市軌道交通板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)降低了結(jié)構(gòu)高度，節(jié)省了材料和人工成本，同時(shí)減少了混凝土澆筑工序，顯著提高了施工效率。與城市軌道交通現(xiàn)澆混凝土道床結(jié)構(gòu)相比，板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)提高了可維修性和結(jié)構(gòu)耐久性［1-3］。

圖1 城市軌道交通無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)

城市軌道交通板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土需要承受兩層鋼筋網(wǎng)片的剪切作用，并良好充填在軌道板下部，因此自密實(shí)混凝土在流動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性至關(guān)重要。混凝土在流動(dòng)過(guò)程中不穩(wěn)定主要是由剪切作用和重力引起的骨料遷移所致，且重力引起的骨料沉降占主導(dǎo)地位［4-6］。文獻(xiàn)［7-10］采用流動(dòng)槽法、自密實(shí)混凝土穩(wěn)定性快速測(cè)試法、篩析法、柱狀法等方法研究了配合比和流變性能對(duì)自密實(shí)混凝土穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，適當(dāng)降低混凝土漿體體積、水膠比（從0.40 降至0.33）、減水劑用量、最大骨料粒徑、骨料密度和坍落擴(kuò)展度，優(yōu)化骨料粒徑分布，提高含氣量、混凝土塑性黏度和屈服應(yīng)力均可提高自密實(shí)混凝土穩(wěn)定性。

城市軌道交通板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土層比高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土層厚1 倍以上，且混凝土軌道板灌注孔直徑超過(guò)30 cm，灌注施工難度顯著降低。本文在高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土制備與施工成套技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)分析增黏劑摻量對(duì)自密實(shí)混凝土性能的影響，并通過(guò)無(wú)砟軌道工藝性試驗(yàn)驗(yàn)證增黏劑摻量3%的自密實(shí)混凝土在城市軌道交通工程中的適用性。

1 自密實(shí)混凝土性能試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥采用北京金隅P·O 42.5 水泥，性能指標(biāo)見(jiàn)表1。粉煤灰采用內(nèi)蒙古元寶山電廠(chǎng)Ⅰ級(jí)F 類(lèi)粉煤灰，細(xì)度為10.1%，需水量比為93%，活性指數(shù)為82%，燒失量為3.5%。細(xì)骨料采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，含泥量為0.5%。粗骨料采用5 ～ 16 mm 連續(xù)級(jí)配碎石。外加劑采用河北三楷深發(fā)科技股份有限公司生產(chǎn)的減水劑和引氣劑，減水劑的減水率為26%。增黏劑為中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的TZ-Ⅱ型增黏劑，性能指標(biāo)見(jiàn)表2。自密實(shí)混凝土配合比見(jiàn)表3。增黏劑摻量有0、3.0%、4.5%、6.0%四種。增黏劑摻量是增黏劑質(zhì)量占膠凝材料（水泥 + 粉煤灰 +礦渣粉 + 膨脹劑 + 增黏劑）總質(zhì)量的百分比。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 增黏劑性能指標(biāo)

表3 自密實(shí)混凝土配合比

1.2 試驗(yàn)方法和依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

1）新拌混凝土流變性能測(cè)試

采用丹麥GERMANN 儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的ICAR 流變儀測(cè)試新拌混凝土流變性能。測(cè)試方法：將新拌混凝土樣品快速裝入流變儀筒體中，根據(jù)混凝土坍落擴(kuò)展度對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，自動(dòng)測(cè)量新拌混凝土的屈服應(yīng)力和塑性黏度。

2）新拌混凝土工作性能測(cè)試

新拌混凝土坍落擴(kuò)展度、擴(kuò)展時(shí)間（T500）、含氣量和V 形漏斗流出時(shí)間參照GB/ T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試。

3）新拌混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性測(cè)試

貫入度參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C 1712—2017［11］測(cè)試，靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C 1610—2017［12］測(cè)試。

4）硬化混凝土力學(xué)、耐久和體積穩(wěn)定性能測(cè)試

硬化混凝土的抗壓強(qiáng)度參照GB/ T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試，電通量和干燥收縮率參照GB/ T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.3.1 新拌自密實(shí)混凝土工作性能

1）屈服應(yīng)力和塑性黏度

無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)自密實(shí)混凝土的組成復(fù)雜，傳統(tǒng)坍落擴(kuò)展度已經(jīng)不能充分表征自密實(shí)混凝土的工作性能，可采用流變性能指標(biāo)（塑性黏度τ0和屈服應(yīng)力η）表征。τ0和η隨增黏劑摻量的變化見(jiàn)表4。可知，在坍落擴(kuò)展度和含氣量相近的條件下，增黏劑摻量對(duì)自密實(shí)混凝土流變性能指標(biāo)影響較大。隨增黏劑摻量增大，自密實(shí)混凝土τ0和η顯著增大。增黏劑摻量由6.0%降至4.5%、3.0%、0 時(shí)，τ0分別降低3.9%、14.2%、36.6%，η分別降低13.0%、35.8%、45.0%。

表4 τ0和η隨增黏劑摻量的變化

2）T500和V形漏斗流出時(shí)間

自密實(shí)混凝土T500和V 形漏斗流出時(shí)間（tv）均與自密實(shí)混凝土黏度直接相關(guān)。T500和tv越小，自密實(shí)混凝土黏度越小，流動(dòng)速度越快。T500和tv隨增黏劑摻量的變化見(jiàn)表5?？芍?，隨增黏劑摻量增大，二者均顯著增大。增黏劑摻量由6.0%降至4.5%、3.0%、0時(shí)，T500分別降低16.5%、47.8%、54.3%，tv分別降低6.8%、27.2%、36.7%。這說(shuō)明隨增黏劑摻量減少，自密實(shí)混凝土黏度顯著降低，流動(dòng)速度加快。

表5 T500和tv隨增黏劑摻量的變化

3）貫入度和靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)

貫入度（h）和靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)（γ）均是評(píng)價(jià)自密實(shí)混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，h和γ越小，自密實(shí)混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性越好。自密實(shí)混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性分為良好、一般、較差三個(gè)等級(jí)。等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表6。

表6 自密實(shí)混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

h和γ隨增黏劑摻量的變化見(jiàn)表7?？芍?，隨增黏劑摻量減小，自密實(shí)混凝土h和γ均呈增大趨勢(shì)。增黏劑摻量由6.0%降至4.5%、3.0%、0 時(shí)，h分別增加了1、3、18 mm，γ分別增加了1%、2%、10%，雖然靜態(tài)穩(wěn)定性略變差，但增黏劑摻量為4.5%、3.0%時(shí)，自密實(shí)混凝土h均小于10 mm，γ均未超過(guò)10%，其靜態(tài)穩(wěn)定性仍良好。

表7 h和γ隨增黏劑摻量的變化

1.3.2 硬化自密實(shí)混凝土力學(xué)性能和耐久性能

抗壓強(qiáng)度和電通量分別為表征自密實(shí)混凝土力學(xué)性能及耐久性能的重要指標(biāo)。不同增黏劑摻量下自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。可知，隨增黏劑摻量增大，自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)。56 d 齡期，增黏劑摻量6.0%時(shí)，自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度為47.0 MPa，增黏劑摻量由6.0%降至4.5%、3.0%、0 時(shí)，自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)0.6%、2.3%、20.7%。

圖2 不同增黏劑摻量下自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線(xiàn)

不同增黏劑摻量下自密實(shí)混凝土電通量隨齡期的變化見(jiàn)表8?？芍?，增黏劑的摻入可以降低自密實(shí)混凝土電通量，提高自密實(shí)混凝土抗氯離子滲透能力。增黏劑摻量由6.0%降至4.5%、3.0%時(shí)，自密實(shí)混凝土28 d電通量呈減小趨勢(shì)，56 d電通量相差不大。

表8 不同增黏劑摻量下自密實(shí)混凝土電通量隨齡期的變化

綜上，增黏劑摻量為6.0%、4.5%和3.0%時(shí)56 d齡期自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度和電通量均滿(mǎn)足Q/CR 596—2017 中抗壓強(qiáng)度大于等于40 MPa 和電通量小于等于1 000 C的要求。

1.3.3 硬化自密實(shí)混凝土體積穩(wěn)定性

干燥收縮率是表征體積穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。干燥收縮率越小，體積穩(wěn)定性越好。不同增黏劑摻量下自密實(shí)混凝土干燥收縮率隨齡期變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3 不同增黏劑摻量下自密實(shí)混凝土干燥收縮率隨齡期變化曲線(xiàn)

由圖3 可知，自密實(shí)混凝土干燥收縮率隨增黏劑摻量減少而增大。增黏劑摻量6.0%時(shí)，自密實(shí)混凝土56 d 干燥收縮率為359 × 10-6；增黏劑摻量由6.0%降至4.5%、3.0%、0 時(shí)，自密實(shí)混凝土干燥收縮率分別增大16 × 10-6、38 × 10-6、73 × 10-6。雖然增黏劑摻量減小會(huì)導(dǎo)致自密實(shí)混凝土干燥收縮率增大，但不同增黏劑摻量下自密實(shí)混凝土干燥收縮率均滿(mǎn)足Q/CR 596—2017中干燥收縮率小于等于400 × 10-6的要求。

2 無(wú)砟軌道工藝性試驗(yàn)

混凝土原材料具有地域性特點(diǎn)，實(shí)際服役條件復(fù)雜多變，施工前必須進(jìn)行工藝性試驗(yàn)，驗(yàn)證自密實(shí)混凝土的適用性。

采用增黏劑摻量3.0%的自密實(shí)混凝土進(jìn)行城市軌道交通板式無(wú)砟軌道工藝性試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)試，自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度在620 ～ 660 mm，含氣量為5.8%，滿(mǎn)足Q/CR 596—2017 中規(guī)定的坍落擴(kuò)展度小于等于680 mm，含氣量大于等于3%的要求。灌板時(shí)自密實(shí)混凝土和易性良好，在板腔內(nèi)流動(dòng)順暢，從板腔四角排漿孔向外排出的混凝土漿骨分布均勻，灌板時(shí)間為5'27″。

揭板后增黏劑摻量3.0%硬化自密實(shí)混凝土層表面和斷面見(jiàn)圖4。可知，自密實(shí)混凝土層表面密實(shí)、平整，無(wú)露石露筋、蜂窩麻面等現(xiàn)象，無(wú)泌水、無(wú)松軟發(fā)泡層、無(wú)可見(jiàn)裂紋和無(wú)明顯水紋，無(wú)面積大于50 cm2以上氣泡，面積6 cm2及以上氣泡的面積之和不超過(guò)板面積的2%，斷面上骨料分布均勻，無(wú)骨料堆積、漿骨分離、上下貫通氣孔、蜂窩等現(xiàn)象，滿(mǎn)足Q/CR 596—2017要求。

圖4 增黏劑摻量3.0%硬化自密實(shí)混凝土

3 經(jīng)濟(jì)性分析

高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土和城市軌道交通板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土的每立方米成本對(duì)比見(jiàn)表9。其中：前者增黏劑摻量為6.0%，后者增黏劑摻量為3.0%；成本 = 用量 × 單價(jià)，每立方米總成本為各個(gè)材料成本之和。

表9 高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土和城市軌道交通板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土的每立方米成本對(duì)比

由表9 可知，后者每立方米總成本比前者低139.5 元，每立方米混凝土造價(jià)降低16.8%。結(jié)合城市軌道交通板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算得出：采用后者，單線(xiàn)每公里自密實(shí)混凝土用量為2.4（板腔寬） × 0.17（板腔厚） × 1 000（1公里總板腔長(zhǎng)） =408 m3。根據(jù)既有線(xiàn)施工經(jīng)驗(yàn)，自密實(shí)混凝土正常損耗率在10%左右。計(jì)算可得，采用后者單線(xiàn)每公里可節(jié)省：139.5 × 408 × （1 + 10%） = 62 607.6 元。這說(shuō)明采用增黏劑摻量3.0%的自密實(shí)混凝土經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)論

1）在自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度和含氣量相近的條件下，適當(dāng)降低增黏劑摻量可顯著降低自密實(shí)混凝土的塑性黏度、屈服應(yīng)力和流動(dòng)時(shí)間，增加自密實(shí)混凝土的貫入度、靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)、56 d抗壓強(qiáng)度和干燥收縮率，但是對(duì)自密實(shí)混凝土56 d電通量影響不大。

2）經(jīng)工藝性試驗(yàn)，增黏劑摻量3.0%的自密實(shí)混凝土灌注過(guò)程中和易性良好，揭板后自密實(shí)混凝土層表面和斷面符合Q/CR 596—2017 中自密實(shí)混凝土質(zhì)量要求。

3）與增黏劑摻量6.0%的高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土相比，增黏劑摻量3.0%的自密實(shí)混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性和體積穩(wěn)定性雖略有變差，但其各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足Q/CR 596—2017 中自密實(shí)混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性能的要求，不論是灌板時(shí)還是揭板后自密實(shí)混凝土質(zhì)量均滿(mǎn)足規(guī)范要求，且每立方米成本可降低16.8%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。因此，增黏劑摻量3.0%的自密實(shí)混凝土可用于城市軌道交通板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。