劉冠營(yíng)

(中鐵一局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西咸陽(yáng) 712000)

自密實(shí)混凝土(Self Compacting Concrete，SCC)是指具有高流動(dòng)性、間隙通過(guò)性和抗離析性，澆筑時(shí)僅靠其自重作用而無(wú)需振搗便能均勻密實(shí)成型的高性能混凝土。早在20世紀(jì)70年代早期，歐洲就已經(jīng)開(kāi)始使用輕微振動(dòng)的混凝土，到90年代中期才將SCC第一次用于瑞典的交通網(wǎng)絡(luò)民用工程上。2006年我國(guó)開(kāi)始將該類型材料引入鐵路施工建設(shè)，2013年開(kāi)始應(yīng)用于高速鐵路無(wú)砟軌道中，如盤營(yíng)客運(yùn)專線、西寶客運(yùn)專線試驗(yàn)段、武漢城市圈城際鐵路、沈丹客運(yùn)專線等。本文結(jié)合鄭徐客運(yùn)專線、商合杭鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土灌注工作要求，通過(guò)高速鐵路無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土的各項(xiàng)試驗(yàn)[1-6]，得出自密實(shí)混凝土的配合比并研究拌和物的性能，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證自密實(shí)混凝土性能良好。

1 配合比選定

通過(guò)外加劑(減水劑、引氣劑、膨脹劑等)、黏度改性材料和粗細(xì)骨料的合理搭配完善自密實(shí)混凝土拌和物性能與自密實(shí)混凝土硬化體性能，最終確定施工配合比。

自密實(shí)混凝土配合比應(yīng)在綜合其拌和物性能、力學(xué)性能、收縮性能、耐久性能及其他性能要求上進(jìn)行選定。選定配合比時(shí)，根據(jù)實(shí)際工況和環(huán)境條件要求，通過(guò)試驗(yàn)確定合理的拌和物性能實(shí)際控制指標(biāo)和坍落度經(jīng)時(shí)損失值。自密實(shí)混凝土配合比選定后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)調(diào)整并最終確定施工配合比。自密實(shí)混凝土原材料主要性能指標(biāo)、施工環(huán)境溫度等發(fā)生較大變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整配合比或重新設(shè)計(jì)配合比。

1.1 配合比要求

配合比采用絕對(duì)體積法進(jìn)行設(shè)計(jì)或計(jì)算，配制強(qiáng)度等級(jí)為C40的自密實(shí)混凝土。膠凝材料用量不宜大于580 kg/m3；用水量不宜大于180 kg/m3；單位體積漿體總量不宜大于0.4 m3；自密實(shí)混凝土中適量添加粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉、硅灰等礦物摻合料。自密實(shí)混凝土中宜摻加減水劑、引氣劑、膨脹劑等外加劑以及黏度改性材料。

1.2 試驗(yàn)方法

自密實(shí)混凝土的性能包括拌和物性能與硬化性能，應(yīng)滿足Q/CR 596—2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土》相關(guān)要求。

1)自密實(shí)混凝土流動(dòng)性用坍落度和擴(kuò)展時(shí)間(T500)表示，填充性和間隙通過(guò)性用L型儀充填比表示，間隙通過(guò)性和抗離析性用J環(huán)障礙高差表示(見(jiàn)表1)。

表1 自密實(shí)混凝土拌和物性能要求

2)自密實(shí)混凝土硬化性能包括力學(xué)性能、耐久性能以及收縮性能(見(jiàn)表2)。

表2 自密實(shí)混凝土其他性能要求

1.3 設(shè)計(jì)配合比確定

根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》、TB 1005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》及TB/T 3275—2011《鐵路混凝土》，選定配合比。

1)根據(jù)基準(zhǔn)水泥凈漿的規(guī)定稱取水泥、水，減水劑和黏度改性材料的推薦量，開(kāi)展水泥凈漿黏度比試驗(yàn)，取得相關(guān)參數(shù)(見(jiàn)表3)。

2)根據(jù)基準(zhǔn)混凝土配合比(見(jiàn)表4)稱取水泥、水、中砂和碎石。采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌，按要求確定基準(zhǔn)混凝土減水劑用量；再添加黏度改性材料，以3 kg/m3增加用水量直至混凝土出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，確定該黏度改性材料的用水敏感度。

表3 水泥凈漿的配合比

表4 基準(zhǔn)混凝土配合比 kg/m3

3)通過(guò)絕對(duì)體積法計(jì)算得到自密實(shí)混凝土基礎(chǔ)配合比，考慮到膠凝材料偏高會(huì)影響混凝土收縮，同時(shí)為確保經(jīng)濟(jì)合理性，在計(jì)算得到的配合比基礎(chǔ)上，減少膠凝材料，增加同等集料用量，砂率、礦物參量、水膠比保持不變，得到優(yōu)化配合比A，B，C，見(jiàn)表5。

表5 自密實(shí)混凝土配合比 kg/m3

2 原材料及試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)原材料為:①采用天瑞蕭縣P.O42.5普通硅酸鹽水泥，密度3.13 g/m3，3 d和28 d強(qiáng)度分別為26.8，46.9 MPa；②鄒城魯源Ⅰ級(jí)粉煤灰，密度2.46 g/cm3；③晉城市順盛S95級(jí)磨細(xì)礦渣粉，密度2.86 g/cm3；④安徽蕭縣5～16 mm連續(xù)級(jí)配碎石，針片顆粒含量小于3.9%，含泥量小于0.41%；⑤當(dāng)?shù)睾由凹?xì)度模數(shù)2.6，粗細(xì)程度為中砂，級(jí)配區(qū)屬Ⅱ區(qū)，含泥量 1.5%，泥塊含量 0.2%，吸水率 0.9%，堅(jiān)固性4%；⑥HT-HPC聚羧酸系高效減水劑，減水率27%，泌水率比14%，收縮率比78%；⑦KT-2Ⅱ型膨脹劑；⑧湖北木之君TZ-Ⅲ型黏度改性材料；⑨飲用水。

試驗(yàn)主要儀器設(shè)備有坍落度筒、秒表、含氣量測(cè)定儀、J環(huán)、L型儀、豎向測(cè)長(zhǎng)儀、測(cè)長(zhǎng)儀、壓力試驗(yàn)機(jī)、混凝土彈性模量測(cè)定儀、混凝土電通量檢測(cè)儀、混凝土單邊融凍試驗(yàn)機(jī)等。

3 自密實(shí)混凝土拌制工藝確定

3.1 攪拌工藝

選用的攪拌方案為:

方案1。先投粗骨料、細(xì)骨料、粉體等干料，攪拌30 s，再加入拌和水和外加劑，攪拌3 min。

方案2。先投粗骨料、細(xì)骨料、粉體等干料，攪拌30 s，再加入80%拌和水和100%外加劑，攪拌1 min，最后投入剩余20%的水，攪拌2 min。

方案3。先投入細(xì)骨料、粉體等干料，攪拌30 s，再加入80%拌和水和100%外加劑，攪拌1 min，然后加入粗骨料攪拌1 min，最后加入剩余20%的水?dāng)嚢? min。

攪拌工藝對(duì)自密實(shí)混凝土性能參數(shù)的影響見(jiàn)圖1?？芍?采用2次攪拌工藝方案2和方案3，與傳統(tǒng)攪拌工藝方案1相比，自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度變小，擴(kuò)展時(shí)間(T500)變大，說(shuō)明2次攪拌工藝的分散效果不如1次投料攪拌工藝。

經(jīng)試驗(yàn)得出，2次攪拌工藝對(duì)自密實(shí)混凝土鋼筋間隙穿過(guò)能力影響不大，但對(duì)其含氣量、屈服應(yīng)力和塑性黏度影響顯著，會(huì)導(dǎo)致混凝土拌和物含氣量和屈服應(yīng)力增大，不利于自密實(shí)混凝土流動(dòng)性。對(duì)于自密實(shí)混凝土而言，宜采用1次投料攪拌工藝[7]。

圖1 攪拌工藝對(duì)自密實(shí)混凝土性能參數(shù)的影響

3.2 攪拌時(shí)間

自密實(shí)混凝土配合比特點(diǎn)是膠凝材料用量高、砂率大、骨料最大粒徑小，這決定了其攪拌工藝與普通混凝土有明顯不同。對(duì)于同樣的攪拌機(jī)，相同攪拌時(shí)間內(nèi)，自密實(shí)混凝土的攪拌分散效果要差于普通混凝土，即自密實(shí)混凝土的攪拌時(shí)間必須要長(zhǎng)于普通混凝土[8]。

自密實(shí)混凝土配合比試驗(yàn)選用的攪拌時(shí)間分別為1.5，2.0，3.0，4.0 min，攪拌時(shí)間對(duì)自密實(shí)混凝土性能參數(shù)的影響見(jiàn)圖2。

圖2 攪拌時(shí)間對(duì)自密實(shí)混凝土性能參數(shù)的影響

由圖2可知:隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度增加，擴(kuò)展時(shí)間(T500)降低。當(dāng)攪拌時(shí)間為1.5，2.0 min時(shí)，自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度較小，擴(kuò)展時(shí)間(T500)較大；而當(dāng)攪拌時(shí)間為3.0，4.0 min時(shí)，坍落擴(kuò)展度顯著增加，而擴(kuò)展時(shí)間(T500)顯著降低。說(shuō)明攪拌時(shí)間為1.5，2.0 min時(shí)，自密實(shí)混凝土原材料尚未完全攪拌均勻；攪拌時(shí)間為3.0，4.0 min時(shí)，混凝土的攪拌效果較好。攪拌時(shí)間為1.5，2.0 min時(shí)，含氣量較低；而當(dāng)攪拌時(shí)間增加為3.0，4.0 min時(shí)，含氣量較高，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著攪拌時(shí)間的增加，自密實(shí)混凝土的抗間隙通過(guò)性和屈服應(yīng)力提高，而塑性黏度降低。

綜上所述，在考慮自密實(shí)混凝土原材料分散效果及工程成本的基礎(chǔ)上[9-10]，自密實(shí)混凝土最佳投料順序?yàn)榉桨?。自密實(shí)混凝土攪拌時(shí)間宜比其他結(jié)構(gòu)用混凝土延長(zhǎng)60 s，其攪拌時(shí)間宜控制在3 min。

4 自密實(shí)混凝土性能試驗(yàn)

自密實(shí)混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6—表10?？芍?混凝土硬化性能均能滿足要求，但基礎(chǔ)配合比拌和物穿透能力及優(yōu)化C配合比擴(kuò)展時(shí)間(T500)未能滿足要求；優(yōu)化A、優(yōu)化B配合比拌和物各項(xiàng)性能均滿足要求。

表6 混凝土拌和物性能測(cè)試結(jié)果

表7 混凝土硬化性能測(cè)試結(jié)果1 MPa

表8 混凝土硬化性能測(cè)試結(jié)果2

表9 優(yōu)化A配合比拌和物

表10 優(yōu)化B配合比拌和物

對(duì)優(yōu)化A、優(yōu)化B配合比拌和物出機(jī)后3 h內(nèi)的拌和物性能進(jìn)行測(cè)試，可知:當(dāng)膠凝材料用量過(guò)大時(shí)，高效減水劑用量過(guò)大，混凝土黏度下降，可能導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)離析傾向，出現(xiàn)混凝土穩(wěn)定性降低。同樣膠凝材料總量過(guò)高，反而會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度。

從滿足自密實(shí)混凝土的工作性能、混凝土強(qiáng)度和膠凝材料的用量方面考慮，按優(yōu)化配合比B配制的自密實(shí)混凝土能滿足Q/CR 596—2017的要求，其穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性也較好，最終確定優(yōu)化B配合比。

5 結(jié)論

1)通過(guò)絕對(duì)體積法，得到自密實(shí)混凝土最佳原材料配合比為水泥260 kg/m3，粉煤灰50 kg/m3，磨細(xì)礦渣粉130 kg/m3，砂 886 kg/m3，5～10 mm 碎石 377 kg/m3，10～16 mm 碎石 377 kg/m3，膨脹劑 47 kg/m3，減水劑7.15 kg/m3，黏度改性材料 33 kg/m3，水 180 kg/m3。

2)確定最佳投料順序和合理攪拌時(shí)間為:先往攪拌機(jī)內(nèi)投入粗骨料、細(xì)骨料、粉體等干料(攪拌30 s)，再投80%拌和水和100%外加劑(攪拌1 min)，最后投入剩余20%的水(攪拌2 min)至結(jié)束。自密實(shí)混凝土攪拌時(shí)間宜比其他結(jié)構(gòu)用混凝土延長(zhǎng)60 s，其攪拌時(shí)間宜控制在3 min。最終實(shí)現(xiàn)自密實(shí)混凝土性能的動(dòng)態(tài)平衡。

高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土的試驗(yàn)與大規(guī)模應(yīng)用是我國(guó)自密實(shí)混凝土技術(shù)性能在應(yīng)用方面的重大突破，對(duì)工程經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量、環(huán)境等方面有重大意義。