張 潔

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300450)

自密實(shí)混凝土(Self-Compacting Concrete, 簡(jiǎn)稱SCC)是由東京大學(xué)的Okamura教授配制出的一種高流動(dòng)性、不離析、不泌水、不經(jīng)振搗而充滿模板和包裹鋼筋的混凝土[1-2]。其優(yōu)點(diǎn)是具有較大的流動(dòng)性能，僅依靠混凝土自身的重力和變形能力即可穿越密布鋼筋的阻隔，均勻填充于模板的各個(gè)部分，無(wú)須振搗即可完成高質(zhì)量的澆筑[3]。相關(guān)研究學(xué)者對(duì)新拌SCC的穩(wěn)定性展開(kāi)了諸多研究，同時(shí)取得了一定成果，但仍存在相關(guān)問(wèn)題亟待解決。Esmaeikhanian等[4]指出無(wú)論采取何種措施，SCC離析現(xiàn)象依然存在。近年來(lái)自密實(shí)混凝土的研究逐漸趨于成熟，劉清等[5-8]對(duì)SCC的工作性能、力學(xué)性能及抗凍性能做了深入研究，發(fā)現(xiàn)不同礦物摻合料對(duì)SCC工作性能和力學(xué)性能影響規(guī)律、骨料形狀指數(shù)和粒徑級(jí)配對(duì)SCC性能的影響規(guī)律以及SCC經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)前后基本力學(xué)性能和應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律。

目前自密實(shí)混凝土的應(yīng)用研究主要停留在工民建方面，而我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道中自密實(shí)混凝土相關(guān)研究較少。自密實(shí)混凝土本身的性能以及施工水平制約著高速鐵路運(yùn)行過(guò)程中的平順性、安全性，因此開(kāi)展CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道用自密實(shí)混凝土本身性能的相關(guān)研究至關(guān)重要。本文擬采用控制變量的方法，在膠凝材料、集料、外加劑、拌和用水量保持相對(duì)不變的條件下，通過(guò)調(diào)整膠凝材料組分中粘改劑、膨脹劑的摻加量，設(shè)計(jì)出普通自密實(shí)混凝土(C1)和兩種應(yīng)用于商合杭高鐵中的自密實(shí)混凝土(C2、C3)，使其工作性、力學(xué)性、耐久性達(dá)到CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道服役性能要求。

1 試驗(yàn)過(guò)程

混凝土設(shè)計(jì)要求：T2碳化環(huán)境；56 d設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C40，混凝土擴(kuò)展度≤680 mm，含氣量3.0%～6.0%，擴(kuò)展度T500為3～7 s，混凝土堿含量 ≤3.0 kg/m3，56 d彈性模量30.0×103～38.0×103MPa，56 d 電通量小于1 000 C，56 d抗鹽凍性≤1 000 g/m2。

1.1 原材料組成

水泥：淮北礦業(yè)相山水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O 42.5 低堿水泥；礦物摻合料：河南省商丘裕東發(fā)電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的FⅠ類粉煤灰，安鋼集團(tuán)信陽(yáng)鋼鐵有限責(zé)任公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉；集料：六安金寨提供的細(xì)度模數(shù)2.5、含泥量0.3%的中砂，徐州澄清提供的5～16 mm含泥量0.3%、壓碎指標(biāo)5%的碎石；減水劑、引氣劑：河北三楷深發(fā)股份科技有限公司提供；膨脹劑：山西科騰環(huán)?？萍脊煞萦邢薰咎峁?；粘度改性材料：山東三澤硅膠有限公司提供。

1.2 拌合物性能測(cè)試方法

新拌混凝土工作性能測(cè)試坍落擴(kuò)展度、T500、含氣量試驗(yàn)依據(jù)《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》(TJ/GW112-2013)、《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/50081-2016)測(cè)試；混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/50081-2019)測(cè)試；混凝土的氯離子電通量、抗凍融性依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/50082-2009)測(cè)試。

1.3 自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 3種自密實(shí)混凝土配合比 kg/m3

編號(hào)水泥粉煤灰礦粉膨脹劑粘改劑砂 碎石/mm 5～1010～16減水劑引氣劑水C1300100120008643733739.365.20180C22751007247268703703709.365.20180C3300014747268543783789.365.20180

2 結(jié)果與分析

2.1 3種配合比混凝土拌合物性能分析

CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)用自密實(shí)混凝土質(zhì)量要求，混凝土自出機(jī)到現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間不得超過(guò)2 h，因此新拌自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度和2 h后坍落擴(kuò)展度對(duì)混凝土后期質(zhì)量、施工效率至關(guān)重要。3種配合比坍落擴(kuò)展度2 h 內(nèi)發(fā)展情況如表2所示，從表中可以看出2 h損失的發(fā)展規(guī)律為:C1(35 mm) > C2(10 mm) > C3(5 mm)，分別較新拌擴(kuò)展度損失的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.26%、1.49%、0.775%，其中C1的2 h損失最高，C2、C3的2 h損失較低且較為接近。對(duì)比C1和C2、C3配合比原材料的用量得出，與C1配合比不同的是C2、C3中均摻加膠凝性原材料膨脹劑和粘改劑，2種膠凝原材料的摻入大大制約著坍落擴(kuò)展度的損失，保證了混凝土新拌至現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程中可施工性。對(duì)比C2與C3發(fā)現(xiàn)，C2新拌混凝土的坍落擴(kuò)展度高于C3，結(jié)合混凝土配合比可得與C3中不同的是C2中粉煤灰的摻入，粉煤灰微觀形貌呈球形可以改善早期混凝土的流動(dòng)性提高施工效率，因此C2擴(kuò)展度較高。隨著混凝土中各種組分反應(yīng)的進(jìn)行，2 h時(shí)C2的損失質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍大于C3，其主要原因是，水泥在初始早期迅速水化，水化過(guò)程中包裹了一定量的粉煤灰，組分膠凝材料中可移動(dòng)的粉煤灰數(shù)量降低，因此C2的損失率略高于C3。

表2 3種配合比混凝土拌合物性能指標(biāo)

CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)充填層用自密實(shí)混凝土T500的技術(shù)要求是3～7 s，T500的時(shí)間是制約結(jié)構(gòu)是否飽滿的關(guān)鍵性因素。表2為3種配合比T500發(fā)展變化數(shù)據(jù)，2 h時(shí)混凝土拌合物的T500時(shí)間較新拌混凝土均有所延遲，其中2 h損失率發(fā)展趨勢(shì)為C1(2.33 s) > C2(0.58 s) > C3(0.04 s)，分別較新拌混凝土T500時(shí)間延遲為48.3%、10.6%、0.654%，其中C1的延遲時(shí)間最長(zhǎng)，2 h后自密實(shí)混凝土T500的時(shí)間達(dá)到7.15 s，不符合CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)用自密實(shí)混凝土T500的技術(shù)要求。對(duì)比3種混凝土配合比可得，與C2、C3不同的是C1中沒(méi)有摻加具有膠凝性的膨脹劑和粘改劑，膨脹劑和粘改劑的引入一定程度上縮短了T500時(shí)間的延遲。

自密實(shí)混凝土配合比相較于普通混凝土配合比主要特點(diǎn)是：組分中引入較多尺寸較小、分布均勻、密閉的氣泡，進(jìn)一步達(dá)到高流動(dòng)性、間隙通過(guò)性、抗離析性，同時(shí)兼具塑性粘度，使骨料懸浮于水泥漿中，僅靠其自重作用無(wú)須振搗便能均勻充填，形成密實(shí)且均勻的膠凝結(jié)構(gòu)。CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)充填層用自密實(shí)混凝土含氣量的技術(shù)要求是3.0%～6.0%，3種配合比含氣量發(fā)展變化如表2所示，2 h時(shí)含氣量損失的發(fā)展規(guī)律為：C1(1.8%)>C2(0.6%)>C3(0.4%)，分別較新拌混凝土損失的百分?jǐn)?shù)為39.1%、10.09%、7.69%，其中C1含氣量的損失分?jǐn)?shù)均高于C2、C3，2 h后C1的含氣量達(dá)到2.8%，已不滿足于CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土的技術(shù)要求。

綜上所述，C1配合比2 h時(shí)坍落擴(kuò)展度、T500時(shí)間延遲、含氣量損失率均大于C2、C3，尤其是2 h時(shí)T500時(shí)間、含氣量均低于自密實(shí)混凝土技術(shù)要求，因此不滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求；相較于C1配合比，C2、C3均滿足現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)要求。究其主要原因：C2、C3配合比在水泥、粉煤灰、礦粉膠凝材料的基礎(chǔ)上摻加具有膠凝性的膨脹劑和粘改劑，2種組分的摻入一定程度上提高了自密實(shí)混凝土的工作性，保證了自密實(shí)混凝土在運(yùn)輸過(guò)程中的質(zhì)量，大大提高了施工效率，節(jié)約成本。

2.2 力學(xué)性能分析

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下3種配合比(C1、C2、C3)混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)如圖1所示，從圖中可以得出，不同齡期下混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展趨勢(shì)均呈現(xiàn)C1

圖1 3種配合比抗壓強(qiáng)度值

彈性模量是指材料在外力作用下產(chǎn)生單位彈性變形所需要的應(yīng)力，彈性模量可作為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，材料發(fā)生彈性變形的應(yīng)力也越大。56 d 3種配合比硬化漿體彈性模量的發(fā)展趨勢(shì)為C3 (34.2×103MPa)>C2 (33.5×103MPa)>C1 (32.3×103MPa)，即硬化漿體發(fā)生應(yīng)變時(shí)應(yīng)力變化規(guī)律為C3>C2>C1，強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)亦遵循此規(guī)律，與圖1得出的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律相同。

2.3 耐久性分析

CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)混凝土的使用年限為60 a，混凝土耐久性指標(biāo)評(píng)價(jià)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中的質(zhì)量安全至關(guān)重要。CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)用自密實(shí)混凝土電通量的技術(shù)要求56 d電通量小于1 000 C，56 d抗鹽凍性(28次凍融循環(huán)剝落量)不超過(guò)1 000 g/m2。C1、C2、C3三種配合比56 d 電通量值均低于1 000 C，其發(fā)展規(guī)律為C1(687 C)>C2(637 C)>C3(596 C)，即滲透能力C1>C2>C3，其斷面水化產(chǎn)物微觀密實(shí)度C1

3種配合比56 d抗鹽凍性能均未超過(guò)1 000 g/m2，其發(fā)展規(guī)律為C1(208 g/m2)>C2(103 g/m2)>C3(50 g/m2)，即抗剝蝕能力C1

3 工程應(yīng)用

綜合上述C1、C2、C3三種配合比下混凝土工作性能、力學(xué)性能以及耐久性能研究分析，得出C2、C3配合比均滿足CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)用自密實(shí)混凝土技術(shù)要求。現(xiàn)今C2、C3配合比已應(yīng)用于商合杭高鐵CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，C3配比的早期強(qiáng)度優(yōu)于C2，C3更加適用于較低溫度(不低于5℃)下施工。