藍(lán)波橋 ，于福 ，葉守杰 ，劉磊

（1.中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港 222042；2.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266000；3.青島市西海岸軌道交通有限公司，山東 青島 266000；4.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

自密實(shí)混凝土可簡(jiǎn)稱為SCC混凝土，是一種兼具良好填充性、流動(dòng)性以及間隙流通能力的高性能混凝土。近年來(lái)，我國(guó)“一帶一路”建設(shè)發(fā)展的速度日益加快，高鐵的發(fā)展也與日俱進(jìn)，傳統(tǒng)高鐵軌道所使用的Ⅰ型、Ⅱ型板在傳入我國(guó)后出現(xiàn)易于開(kāi)裂等諸多問(wèn)題，已不能適應(yīng)我國(guó)高鐵的發(fā)展需求。在此背景下，我國(guó)自主研發(fā)了新型的CRTSⅢ型板，CRTSⅢ型板需要自密實(shí)混凝土填充軌道板與底座板之間大面積的狹窄空間。因此，CRTSⅢ型板填充自密實(shí)混凝土對(duì)流動(dòng)性和填充性的要求更高，施工過(guò)程中要求一次性灌注不可中斷，但是現(xiàn)有的自密實(shí)混凝土往往在灌注過(guò)程中出現(xiàn)無(wú)法通過(guò)內(nèi)部的鋼筋網(wǎng)而造成灌注孔堵塞的現(xiàn)象，從而大幅度提高了工程成本并拖延了施工進(jìn)度等問(wèn)題。

自密實(shí)混凝土優(yōu)良的流動(dòng)性能和良好的間隙通過(guò)能力之間的協(xié)調(diào)很難掌握，流動(dòng)度達(dá)標(biāo)但卻可能離析，因而對(duì)石子粒徑選擇、配合比參數(shù)、工作性能、力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性都有更高的要求。因此，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)本文優(yōu)選引氣量較小的聚羧酸減水劑，石子優(yōu)選5～16 mm的碎石，優(yōu)選Ⅰ級(jí)粉煤灰和S95級(jí)礦粉等。在確定了最優(yōu)水膠比及砂率的情況下著重研究了單摻粉煤灰及單摻礦粉對(duì)CRTSⅢ型板填充自密實(shí)混凝土流動(dòng)性、填充性及硬化性能的影響，從而分析粉煤灰和礦粉對(duì)自密實(shí)混凝土性能的影響及作用機(jī)理，以便為自密實(shí)混凝土配制及優(yōu)化提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：上海奉賢海螺水泥廠的P·O42.5水泥；外加劑：河北三楷標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸減水劑；膨脹劑：河北木之君工程有限公司標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ型膨脹劑；石子：5～16 mm碎石；粉煤灰：Ⅰ級(jí)；礦粉：S95級(jí)。水泥、粉煤灰和礦粉的物理性能見(jiàn)表1～表3。

表1 水泥的物理性能

表2 粉煤灰的物理性能

表3 礦粉的物理性能

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 流動(dòng)性試驗(yàn)

采用坍落度、擴(kuò)展度與擴(kuò)展速度（T500，s）來(lái)衡量流動(dòng)性能，測(cè)試方法參照TJ/GW 112—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》附錄C。

1.2.2 抗離析性及間隙通過(guò)性試驗(yàn)

為了使得CRTSⅢ型板填充自密實(shí)混凝土獲得良好的灌注效果和勻質(zhì)性，通常需要確?；炷辆哂辛己昧鲃?dòng)性及抗離析性能，用J環(huán)的BJ值來(lái)評(píng)價(jià)[1]。J環(huán)障礙高差檢測(cè)方法參照TJ/GW 112—2013附錄D。

1.2.3 填充性試驗(yàn)

采用TJ/GW 112—2013附錄E中涉及的方法測(cè)試L型儀阻滯率（blocking ratio）。

1.2.4 試驗(yàn)基準(zhǔn)配合比

填充自密實(shí)混凝土配合比的設(shè)計(jì)方法大致分為2種：一種設(shè)計(jì)方法應(yīng)用了流變學(xué)的原理和最密集堆積原理；另一種方法則是通過(guò)控制骨料離析的方法來(lái)設(shè)計(jì)自密實(shí)混凝土的配合比[2]。通過(guò)初步試驗(yàn)采用的基準(zhǔn)配合比如表4所示，基準(zhǔn)組混凝土的性能見(jiàn)表5。

表4 自密實(shí)混凝土的基準(zhǔn)配合比 kg/m3

表5 基準(zhǔn)組混凝土的性能

2 結(jié)果討論及分析

2.1 單摻粉煤灰對(duì)自密實(shí)混凝土流變性能的影響

Ⅰ級(jí)粉煤灰具有良好的減水作用，在維持水灰比不變的狀況下，可以增強(qiáng)混凝土的流動(dòng)性，使用粉煤灰取代部分水泥，研究單摻粉煤灰對(duì)自密實(shí)混凝土流變性能的影響，結(jié)果如表6所示。

表6 單摻粉煤灰對(duì)自密實(shí)混凝土流變性能的影響

從表6可以看出，隨粉煤灰摻量增加，流動(dòng)性表現(xiàn)為先改善后降低的趨勢(shì)。自密實(shí)混凝土的擴(kuò)展度從660 mm增大到700 mm。由于粉煤灰摻量提高到了40%，擴(kuò)展度因此降低到了665 mm。這是因?yàn)椋海?）粉煤灰的摻入具有減水作用，因此增大了混凝土中自由水量；（2）粉煤灰粒徑比水泥更加細(xì)小，且呈現(xiàn)球型，在水泥顆粒間可以發(fā)揮類似滾珠的作用，降低水泥-水泥、水泥-砂之間的摩擦阻力，因而可以提高自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性[3]。但當(dāng)粉煤灰摻量增加到40%時(shí)流動(dòng)性開(kāi)始下降，主要是因?yàn)榉勖夯覔搅康牟粩嗵岣邥?huì)引起混凝土的粘度逐漸增大。賓漢姆流體方程[5]可用式（1）表示：

式中：τ——混凝土剪切應(yīng)力，Pa；

τ0——屈服應(yīng)力Pa；

η——塑性粘度Pa·s。

根據(jù)流變學(xué)原理，混凝土適宜的粘度能夠使得混凝土獲得更好的勻質(zhì)性，較低的屈服應(yīng)力也可降低T500并改善填充性，從而使混凝土依靠自身重力達(dá)到較好的擴(kuò)展度及流動(dòng)速度，但當(dāng)粘度過(guò)大、屈服應(yīng)力較高時(shí)，就會(huì)造成混凝土流動(dòng)性下降的現(xiàn)象[5-6]。混凝土的粘度及屈服應(yīng)力對(duì)混凝土性能的影響在J環(huán)障礙高差和L型儀充填比試驗(yàn)過(guò)程中的表現(xiàn)更為明顯。當(dāng)粉煤灰摻量從20%提高到30%時(shí)，擴(kuò)展度從670 mm增大到了700 mm，BJ值從16.3 mm降低到15.0 mm，但是充填比從0.90降低到了0.80，這說(shuō)明粉煤灰摻量增加會(huì)增大混凝土的粘度，從而降低充填比，對(duì)自密實(shí)混凝土的擴(kuò)展度和T500的影響力之所以不明顯，主要是因?yàn)榛炷亮鲃?dòng)過(guò)程中遇到的摩擦阻力不同造成的?；炷琳扯热绻^(guò)小會(huì)造成砂漿對(duì)石子的粘結(jié)力不夠，在通過(guò)鋼筋等障礙物時(shí)漿體帶動(dòng)石子流動(dòng)的力不足以克服J環(huán)等帶給石子的阻力，主要表現(xiàn)就是J環(huán)障礙高差過(guò)大，石子與砂漿分離離析等現(xiàn)象，所以在粉煤灰摻量為10%時(shí)，充填比只有0.78；如果粘度過(guò)大會(huì)造成石子之間的粘結(jié)力過(guò)大，砂漿拉動(dòng)石子一起通過(guò)鋼筋等障礙物的力不足以克服石子之間的粘結(jié)力，同時(shí)也增大了漿體與鋼筋之間的相互作用力，同樣造成石子堵塞在鋼筋網(wǎng)的周圍，甚至無(wú)法流動(dòng)，使得J環(huán)障礙高差過(guò)大等現(xiàn)象。因此，當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)20%后，充填比急劇降低，由0.90降低為0.57。混凝土在做擴(kuò)展度、T500試驗(yàn)過(guò)程中遇到的流動(dòng)阻力相對(duì)而言要小于J環(huán)障礙高差試驗(yàn)中的阻力，又相對(duì)低于L型儀充填比試驗(yàn)過(guò)程中的阻力。

從上述過(guò)程可以看出，流動(dòng)阻力更大的充填比試驗(yàn)對(duì)粘度的變化更為敏感，過(guò)大的粘度造成石子之間的粘結(jié)力更強(qiáng)、流動(dòng)阻力更大，使得砂漿無(wú)法帶動(dòng)石子流動(dòng)，表現(xiàn)為L(zhǎng)型儀充填比降低?；炷琳扯冗^(guò)大或是過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致在施工過(guò)程中填充自密實(shí)混凝土無(wú)法流過(guò)鋼筋造成灌注孔堵塞等現(xiàn)象。因此，粉煤灰摻量為20%時(shí)，混凝土各項(xiàng)性能最優(yōu)，基本可以達(dá)到施工要求。

2.2 單摻礦粉對(duì)自密實(shí)混凝土流變性能的影響

使用礦粉取代部分水泥，研究單摻礦粉對(duì)自密實(shí)混凝土流變性能的影響，結(jié)果如表7所示。

表7 單摻礦粉對(duì)自密實(shí)混凝土流變性能的影響

從表7可以看出，礦粉摻量在15%～40%時(shí)，隨著礦粉摻量的增加，混凝土的擴(kuò)展度變大，T500有所下降。礦粉摻量為20%時(shí)，擴(kuò)展度由最初的655 mm增大到了最大值710 mm，而T500從4 s縮短到了3 s，之后T500維持在2～3 s之間，這說(shuō)明礦粉摻量增加降低了混凝土的屈服應(yīng)力，混凝土流動(dòng)需要克服的阻力變小，因而T500縮短，擴(kuò)展度增大。

當(dāng)?shù)V粉摻量在15%～20%時(shí)，BJ值從25.0 mm大幅度減小到了12.5 mm，減小幅度達(dá)50%。結(jié)合填充比試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)能夠得出，礦粉摻量在15%～40%時(shí)，填充比不斷增大。因此可以得出結(jié)論，礦粉摻量的提高會(huì)引起混凝土粘度逐漸增大，在礦粉摻量為15%時(shí)BJ值較大是因?yàn)榛炷琳扯炔粔?，漿體無(wú)法帶動(dòng)石子流過(guò)鋼筋等障礙物[3]。如果混凝土粘度增大，漿體對(duì)石子的粘附力逐漸增大，因而填充性持續(xù)改善。當(dāng)?shù)V粉摻量達(dá)到50%時(shí)，擴(kuò)展度減小至695 mm，這是因?yàn)檫^(guò)高的礦粉摻量使得混凝土粘度過(guò)大，造成石子之間的粘結(jié)力過(guò)大，因而出現(xiàn)充填比降低的現(xiàn)象。就流動(dòng)性而言，礦粉摻量不宜超過(guò)40%，摻量控制在20%左右為最優(yōu)。

2.3 摻合料對(duì)自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的影響

單摻粉煤灰或礦粉對(duì)自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響分別見(jiàn)圖1、圖 2。

圖1 粉煤灰摻量對(duì)自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 礦粉摻量對(duì)自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

加入粉煤灰導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度提高的原因有2個(gè)：（1）Ⅰ級(jí)粉煤灰顆粒更小，可以填充進(jìn)水泥-水泥、水泥-砂之間，發(fā)揮骨架的作用；（2）粉煤灰可以與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)，從而大大提高混凝土強(qiáng)度。

由圖1可以看出，單摻粉煤灰作為礦物摻合料會(huì)導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加表現(xiàn)出先提高后降低的趨勢(shì)；當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高。結(jié)合表5可知，這是因?yàn)殡S著混凝土流動(dòng)性提高及粘度改善，粉煤灰可以更好地填充于顆粒間隙當(dāng)中，從而能夠更好地發(fā)揮骨架左右，增大了混凝土的密實(shí)度，從而提高了混凝土的強(qiáng)度。

由圖2可以看出，隨礦粉摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，在礦粉摻量為20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高。礦粉摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響與混凝土流動(dòng)性及粘度存在關(guān)系。適宜的流動(dòng)性及粘度有利于礦物摻合料的分散，提高混凝土的勻質(zhì)性能夠有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。結(jié)合表7可知，礦粉摻量不宜超過(guò)20%，控制在15%～20%比較合適。

3 結(jié)論

（1）粉煤灰對(duì)CRTSⅢ型板自密實(shí)混凝土屈服應(yīng)力及粘度存在影響，粉煤灰占膠凝材料比例增加有助于改善混凝土的流動(dòng)性，摻量在10%～30%時(shí)混凝土擴(kuò)展度、T500、充填比變化與摻量變化成正相關(guān)，從而使得擴(kuò)展度增大，T500降低。

（2）粉煤灰摻量為20%時(shí)自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性最強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度最高，適當(dāng)?shù)姆勖夯覔搅坎坏軌蚪档陀盟?、增加流?dòng)性，還可以提高抗壓強(qiáng)度。

（3）增加礦粉摻量會(huì)提高自密實(shí)混凝土粘度；礦粉摻量為20%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度最高。

（4）礦粉摻量在10%～40%時(shí)自密實(shí)混凝土充填比與礦粉摻量成正相關(guān)，可以通過(guò)合理調(diào)配自密實(shí)混凝土中粉煤灰和礦粉比例來(lái)改善自密實(shí)混凝土的填充性能。

（5）配制CRTSⅢ型板自密實(shí)混凝土?xí)r，粉煤灰摻量宜控制在20%～30%，礦粉摻量宜控制在15%～20%。