蔡 珠， 舒樂倩， 李鐵鋒

(中交四航工程研究院有限公司交通運(yùn)輸部水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510230)

0 引言

云桂鐵路云南段三標(biāo)段(DK407+070～DK473+300)全長64.571 km，位于云南省廣南縣境內(nèi)，線路經(jīng)過蓮城、舊莫、珠琳三個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。鐵路設(shè)計(jì)等級為雙線Ⅰ級，路段旅客列車最高行車速度200 km/h，標(biāo)段內(nèi)共有50個(gè)區(qū)間路基段，全長15.228 km。路基邊溝上方采用C20強(qiáng)度等級的無砂混凝土，設(shè)計(jì)文件中明確提出如下四項(xiàng)技術(shù)指標(biāo):①抗壓強(qiáng)度(28 d)不小于20 MPa;②孔隙率11%～17%;③每m3混凝土中材料的推薦用量為膠凝材料(增強(qiáng)料與水泥)300～450 kg，碎石料1 300～1 500 kg，水膠比0.28～0.32;④施工過程中不宜采用機(jī)械振搗。

依據(jù)現(xiàn)有研究并結(jié)合設(shè)計(jì)文件要求分析，無砂混凝土存在較多的宏觀連通空隙，具有良好的透水透氣特性，因此可用于透水路面材料以及公路、鐵路的植被護(hù)坡、護(hù)堤等，是一種新型的功能型建筑材料［1］。與傳統(tǒng)混凝土相比，無砂混凝土性能的提高不可能依靠提高混凝土內(nèi)部密實(shí)性或引入封閉氣泡等手段，由于結(jié)構(gòu)上各膠結(jié)點(diǎn)受力面積較小，通過改善界面來提高無砂混凝土的性能效果不是很理想［2］。相比之下，作為類似沙琪瑪?shù)墓羌芙Y(jié)構(gòu)，無砂混凝土與水泥穩(wěn)定碎石基層及瀝青混凝土具有更接近的結(jié)構(gòu)形式，甚至可以直接將無砂混凝土當(dāng)成上述兩種材料在不同領(lǐng)域應(yīng)用的一種延伸。無砂混凝土的配合比設(shè)計(jì)到目前為止仍無成熟的計(jì)算方法，因?yàn)椴恍枰獙⒋止橇现g的孔隙填充密實(shí)，故根據(jù)其孔隙率和結(jié)構(gòu)特征，可以近似認(rèn)為無砂混凝土的表觀體積由粗骨料堆積而成。目前配合比設(shè)計(jì)的依據(jù)大多基于“粗骨料顆粒表面被一層薄水泥漿包裹后通過點(diǎn)接觸的形式互相粘結(jié)起來［3］，形成一個(gè)整體骨架并具有一定的強(qiáng)度”這樣的常識(shí)。每m3無砂混凝土的質(zhì)量應(yīng)為粗骨料的緊密堆積密度和單方水泥用量及水用量之和，一般在2 t左右。對于現(xiàn)場而言，粗骨料碎石的來源是固定的，表面的粗糙程度既難于表征也很難改進(jìn)，但可以方便的通過兩級配碎石比例的調(diào)整來改變孔隙率［4］。一旦碎石的堆積密度(孔隙率)確定后，包裹于粗骨料表面的水泥漿體的體積就決定了無砂混凝土的孔隙率。如果配合比大體圈定了水泥用量及水灰比的范圍，漿體自身的密度就直接決定了無砂混凝土的孔隙率。當(dāng)引入減水劑后確有因水灰比降低而產(chǎn)生的增強(qiáng)效果，但同時(shí)也有因降低漿體稠度而加劇水平上下兩層混凝土不均勻性的趨勢。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)用原材料水泥為云南興建水泥公司生產(chǎn)的興建牌P.O 42.5水泥，其物理性能如下:比表面積340 m2/kg;初凝148 min;終凝215 min;3 d抗折強(qiáng)度5.5 MPa;28 d抗折強(qiáng)度8.1 MPa;3 d抗壓強(qiáng)度25.4 MPa;28 d抗壓強(qiáng)度46.9 MPa?？紤]到設(shè)計(jì)文件對孔隙率的要求在15%左右，故采用5～31.5 mm碎石，兩級配，通過改變大小石比例孔隙率可調(diào)范圍為38%～49%;減水劑采用山西凱迪生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，固含量18.0%，減水率25.0%;纖維采用江蘇射陽強(qiáng)力纖維制造有限公司聚丙烯纖維，絲長20 mm，彈性模量4.3 GPa。

1.2 試驗(yàn)方法

首先根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，通過兩級配碎石比例調(diào)整，將每立方米混合級配碎石緊堆密度控制在1 450 kg/m3左右，孔隙率45%左右。然后通過若干次試拌，待無砂混凝土固化后觀察混凝土漿體由于重力原因分布不均與漿體稠度之間的關(guān)系，這一點(diǎn)與泡沫混凝土的稠化-發(fā)氣類似?？紤]到路基施工點(diǎn)多線長，無砂混凝土的工作性能必須保持在2 h以上，在此期間漿體稠度對于無砂混凝土上下層之間的均勻性起到?jīng)Q定性作用。采用外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)中的玻璃板擴(kuò)展試驗(yàn)，初步鎖定合理的漿體稠度的擴(kuò)展半徑在200 mm左右。通過加入減水劑降低水灰比，加入纖維增強(qiáng)等方法，在保持凈漿稠度基本不變的前提下，成型150 mm的標(biāo)準(zhǔn)軸心抗壓強(qiáng)度試件［5］，并測試其各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 級配碎石的比例及漿體合理的稠度確定

試驗(yàn)中采用兩級碎石，分別為5～16 mm及16～31.5 mm，當(dāng)大小石比例為7∶3時(shí)，緊密堆積密度為1 450 kg/m3左右，孔隙率45%左右，漿體的合理稠度通過試拌觀察確定為擴(kuò)展半徑在200 mm左右。漿體測試如圖1所示，堆積密度及合理稠度試拌如圖2所示。

圖1 擴(kuò)展度測試

圖2 通過試拌確定合理的稠度

2.2 試驗(yàn)用漿體的稠度及密度的實(shí)測情況

設(shè)計(jì)文件中關(guān)于水膠比0.28～0.32的要求過于集中，為方便觀察不同的水膠比對無砂混凝土性能的影響趨勢，故本試驗(yàn)將水灰比變動(dòng)范圍加大。忽略碎石的吸水率帶來的影響，直接通過水灰比和減水劑的改變，盡可能將漿體的稠度保持在200 mm左右，并考慮現(xiàn)場施工的經(jīng)時(shí)損失，不同配比的漿體稠度及比重見表1。

表1 漿體稠度及比重

2.3 無砂混凝土力學(xué)性能測試

普通混凝土受壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要由三個(gè)特征階段，如圖3;無砂混凝土抗壓強(qiáng)度測試時(shí)所得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在應(yīng)力達(dá)到峰值之前，應(yīng)變和應(yīng)力與普通混凝土一樣近似曲線遞增，但是有出現(xiàn)多個(gè)峰值相互跳躍波動(dòng)現(xiàn)象，有時(shí)應(yīng)變增大而應(yīng)力不增大，出現(xiàn)明顯的平臺(tái)區(qū)，類似屈服［1，6］。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值之后，應(yīng)力隨變形的增大而降低，典型破壞形式如圖4。這可能是因?yàn)閯傞_始加載時(shí)，應(yīng)力較小，隨著應(yīng)力的增加，粗骨料間水泥石粘結(jié)處的微裂紋開始產(chǎn)生，裂紋逐漸擴(kuò)大延伸，但是此時(shí)相鄰粗骨料間的粘結(jié)處還沒有完全遭到破壞，隨著微裂紋的繼續(xù)發(fā)展，粗骨料之間產(chǎn)生了細(xì)微的位置調(diào)整［7］。當(dāng)加入1.0～1.8 kg/m3聚丙烯纖維增強(qiáng)后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯變化，推測是因?yàn)閺?fù)合纖維彈性模量較低，在無砂混凝土超過極限應(yīng)變后的破壞過程當(dāng)中尚無法發(fā)揮作用。

圖3 普通混凝土受壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 無砂混凝土受壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 工程應(yīng)用效果與問題分析

對于硬化后無砂混凝土孔隙率的測試，假定連通孔隙體積在宏觀大孔中占絕對優(yōu)勢，采用常州萬泰天平儀器有限公司生產(chǎn)的WT50001SF型電子靜水天平，孔隙率P計(jì)算如下

式中，W1為試件在水中的質(zhì)量;W2為將試件從水中取出瀝干內(nèi)部灌入的水并擦干表面多余的水分，待質(zhì)量恒定后稱取試件在空氣中的質(zhì)量;ρw為水的密度(取1 g/cm3);V0為試件的外觀體積。具體測試結(jié)果見表2。

表2 無砂混凝土現(xiàn)場性能測試結(jié)果

采用靜水天平測試的孔隙率均明顯低于計(jì)算值，破型后觀察內(nèi)部宏觀孔結(jié)構(gòu)，除連通孔外，仍能發(fā)現(xiàn)少部分墨水瓶型甚至封閉孔［8］。無砂混凝土在靜停24 h后需要及時(shí)拆模養(yǎng)護(hù)，以防止內(nèi)部水分過分散失所導(dǎo)致的強(qiáng)度增長受限甚至粉化。因其早期強(qiáng)度較低，拆模后極易破損，加入聚丙烯復(fù)合纖維增強(qiáng)后能夠有效的遏制破損的擴(kuò)大，并且明顯降低無砂混凝土固化前由于重力原因造成的混凝土漿體分布不均。經(jīng)比選后確定本工程使用的配合比，水泥用量為465 kg/m3，略高于設(shè)計(jì)推薦;水灰比0.30，與設(shè)計(jì)要求一致。配比選定后經(jīng)多次試拌，實(shí)測孔隙率在12%～14%，復(fù)合纖維摻量調(diào)整后對混凝土28 d強(qiáng)度無顯著影響。

4 結(jié)論

無砂混凝土與傳統(tǒng)混凝土相比，受宏觀大孔影響強(qiáng)度較低，其28 d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的C20等級比較困難，當(dāng)水灰比0.30時(shí)漿體體積需要占總體積的30%左右。經(jīng)過充分討論后，考慮到無法機(jī)械振搗等現(xiàn)場實(shí)際情況，纖維雖然對抗壓強(qiáng)度的提高沒有明顯效果，但仍能有效減少拆模后工程實(shí)體的缺棱掉角等質(zhì)量通病，加入1.5 kg/m3的聚丙烯復(fù)合纖維是必要的施工措施。單純通過漿體的稠度及密度來確定無砂混凝土的配合比并通過觀察描述其工作性能的方法還存在很多困難，對于無砂混凝土工作性能的定量表征仍需進(jìn)一步研究。

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