謝清泉 于連山 馬昆林 劉婉婉
(1.中鐵二十一局集團(tuán)第六工程有限公司 北京 101111;2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410075)
近年來(lái),我國(guó)高鐵建設(shè)取得了高效快速的發(fā)展,2019年1月已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的高鐵已達(dá)2.9萬(wàn)km。板式無(wú)砟軌道是我國(guó)高鐵特別是時(shí)速300 km干線的主要軌道結(jié)構(gòu)形式。板式軌道中的充填層在軌道結(jié)構(gòu)中起到支承調(diào)整、緩沖協(xié)調(diào)和阻斷裂紋等功能,其性能對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、平順性和耐久性具有重大意義[1-2]。CRTSⅢ型板式軌道是我國(guó)自主研發(fā)的板式軌道結(jié)構(gòu)形式,是今后高鐵建設(shè)首選的軌道結(jié)構(gòu),是我國(guó)高鐵“走出去”戰(zhàn)略的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖1為CRTSⅢ型軌道結(jié)構(gòu)示意圖,從上到下依次由軌道板、自密實(shí)混凝土(self-compacting concrete,SCC)充填層、土工布隔離層、底座板組成[3]。圖2為CRTSⅢ型軌道實(shí)體結(jié)構(gòu)。
圖1 CRTSⅢ型軌道結(jié)構(gòu)
圖2 CRTSⅢ型軌道實(shí)體結(jié)構(gòu)
CRTSⅢ型板式軌道充填層是一個(gè)上下空間封閉、構(gòu)造復(fù)雜、單塊面積大,上層為軌道板、下層為混凝土底座板,厚度為8~10 cm的“三明治”結(jié)構(gòu)。CRTSⅢ型板式軌道結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)是在充填層中灌注的SCC。SCC從中部灌注孔澆筑后由于重力作用在充填層內(nèi)水平流動(dòng),流動(dòng)過(guò)程中受鋼筋網(wǎng)、凹槽和土工布影響,因此,若要SCC能夠高質(zhì)量灌滿充填層結(jié)構(gòu),SCC的工作性需滿足極高的性能要求,如表1所示[4]。首先,SCC必須具有較好的流動(dòng)性、抗離析性能以及在長(zhǎng)距離流動(dòng)過(guò)程中保持整個(gè)體系穩(wěn)定的性能,即混凝土能夠在重力作用下保持長(zhǎng)距離的流動(dòng)且漿體能夠較好地包裹石子,不出現(xiàn)泌水、漿骨分離等離析現(xiàn)象[5];其次,SCC要具備較好的填充性能和穿越鋼筋性能,即混凝土在流動(dòng)過(guò)程中能夠完全穿越充填層內(nèi)部的鋼筋網(wǎng)片,飽滿地填充整個(gè)充填層結(jié)構(gòu)[6]。
表1 充填層自密實(shí)混凝土工作性參數(shù)[4]
自密實(shí)混凝土是CRTSⅢ型軌道結(jié)構(gòu)充填層的主要材料,其性能決定了無(wú)砟軌道施工的質(zhì)量。大量研究及實(shí)踐表明,穩(wěn)定的原材料是SCC施工穩(wěn)定性和質(zhì)量的保證。細(xì)骨料(砂子)是SCC配合比設(shè)計(jì)的重要參數(shù),且在SCC中占有較大的質(zhì)量比。由于高速鐵路施工周期長(zhǎng),通常經(jīng)歷春夏秋冬四季,且鐵路施工屬于線性施工,沿線原材料變化大,因此現(xiàn)場(chǎng)細(xì)骨料很容易出現(xiàn)質(zhì)量波動(dòng),極可能造成施工不穩(wěn)定。本文結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,主要探討細(xì)骨料的細(xì)度、0.15 mm及以下細(xì)顆粒含量和砂率對(duì)CRTSⅢ型板式軌道充填層自密實(shí)混凝土工作性能的影響。
水泥為贛州海螺水泥有限責(zé)任公司P.O42.5水泥;粉煤灰為江西大唐國(guó)際新余發(fā)電廠 F類Ⅰ級(jí);礦粉為新余中冶環(huán)保資源開(kāi)發(fā)有限公司S95級(jí);膨脹劑為江蘇尼高科技有限公司HEA-Ⅱ型膨脹劑;粘度改性材料為四川恒澤建材有限公司ZTVM-1型;減水劑為山西佳維新材料股份有限公司HT-HPC聚羧酸高性能減水劑,減水率大于30%;砂子為贛江產(chǎn)河砂,細(xì)度模數(shù)在2.0~3.0之間;粗骨料為贛州遂川縣巾石鄉(xiāng)石門(mén)嶺碎石場(chǎng)提供粒徑為5~10 mm和10~16 mm的石灰石碎石;拌和用水采用當(dāng)?shù)刈詠?lái)水。
自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)如表2所示。本文主要研究砂子細(xì)度、0.15 mm及以下細(xì)顆粒含量和砂率對(duì)自密實(shí)混凝土工作性的影響。表2配合比采用細(xì)度為2.51、級(jí)配較好的河砂,砂率為52%。按照表2配合比制成的自密實(shí)混凝土的工作性參數(shù)如表3所示。
表2 SCC配合比 kg/m3
表3 SCC主要工作性參數(shù)
表4為不同細(xì)度砂子進(jìn)行配合比試驗(yàn)得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。表4采用表2的SCC配合比,砂率均為52%,僅砂子細(xì)度模數(shù)變化。
表4 砂子細(xì)度及細(xì)顆粒含量對(duì)混凝土性能的影響
圖3為砂子細(xì)度模數(shù)及0.15 mm以下細(xì)顆粒含量與T50時(shí)間關(guān)系曲線,圖4為砂子細(xì)度以及0.15 mm及以下顆粒含量與坍落擴(kuò)展度的關(guān)系曲線。由圖3可知,隨著砂子細(xì)度模數(shù)的增大,砂子中0.15 mm及以下顆粒含量逐漸降低,自密實(shí)混凝土的T50時(shí)間逐漸降低,這說(shuō)明,在砂率不變時(shí),砂子細(xì)度模數(shù)增大,自密實(shí)混凝土的流速隨之增大。由圖4可知,隨著砂子細(xì)度模數(shù)增大,砂子中0.15 mm及其以下顆粒含量減少,當(dāng)砂率不變時(shí),自密實(shí)混凝土的擴(kuò)展度增大。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中混凝土的實(shí)際狀態(tài),砂率不變,砂子細(xì)度模數(shù)增大,混凝土粘度降低,擴(kuò)展度增大。當(dāng)砂子細(xì)度為2.86時(shí),混凝土出現(xiàn)輕微離析現(xiàn)象,當(dāng)砂子細(xì)度為2.97時(shí),混凝土出現(xiàn)離析。
砂子對(duì)自密實(shí)混凝土性能影響非常大,泥粉質(zhì)山砂、石粉含量高的機(jī)制砂、風(fēng)化嚴(yán)重的粉砂以及含泥量大于2%的河砂均不能在自密實(shí)混凝土中使用。通常砂場(chǎng)為了降低砂子的含泥量,會(huì)對(duì)砂子進(jìn)行多次水洗。砂子水洗后,含泥量較低,但是水洗過(guò)程中也會(huì)將砂子中0.15 mm以及以下的顆粒沖洗掉,造成砂子細(xì)顆粒減少,細(xì)度模數(shù)增大。自密實(shí)混凝土采用細(xì)顆粒少、細(xì)度模數(shù)偏大的砂子,將會(huì)造成混凝土粘聚性降低、混凝土粗骨料容易下沉、粗骨料表面不掛漿等情況,從而造成自密實(shí)混凝土在灌注過(guò)程中時(shí)間過(guò)長(zhǎng),很有可能不能將板灌滿,或者即使能灌滿,也會(huì)出現(xiàn)排漿孔只能流出漿體,造成充填層表面出現(xiàn)浮漿疏松層,揭板切開(kāi)后發(fā)現(xiàn),骨料分布不均勻,骨料下沉、漿體上浮。
圖3 砂子細(xì)度模數(shù)、細(xì)顆粒含量與T50時(shí)間關(guān)系曲線
圖4 砂子細(xì)度模數(shù)、細(xì)顆粒含量與擴(kuò)展度關(guān)系曲線
圖5為施工現(xiàn)場(chǎng)采用不同細(xì)度模數(shù)砂子進(jìn)行揭板試驗(yàn),對(duì)充填層自密實(shí)混凝土進(jìn)行切割后橫截面骨料分布情況。由圖5可以清晰看到,采用細(xì)度較大、0.15 mm及以下顆粒含量較少的砂子灌注的充填層SCC出現(xiàn)了粗骨料下沉、漿體上浮的明顯質(zhì)量缺陷。
因此,結(jié)合試驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果,針對(duì)充填層自密實(shí)混凝土使用的砂子,細(xì)度模數(shù)應(yīng)該控制在2.20~2.70范圍內(nèi),且0.15 mm以下顆粒含量宜為15%~30%。
圖5 采用不同細(xì)度砂子揭板試驗(yàn)結(jié)果(砂率均為52%)
表5為砂率調(diào)整對(duì)SCC工作性的影響。表5采用的砂子細(xì)度模數(shù)為2.86,通過(guò)提高砂率改變工作性。
圖6所示為砂率對(duì)坍落擴(kuò)展度的影響,圖7所示為砂率對(duì)T50時(shí)間的影響。由圖6和圖7可知,隨著砂率的增大,SCC的坍落擴(kuò)展度降低,而T50時(shí)間增大。當(dāng)砂率增加至56%時(shí),混凝土比較粘,但是混凝土狀態(tài)較差,已經(jīng)不能滿足施工條件。針對(duì)不同細(xì)度的砂子,施工現(xiàn)場(chǎng)通常通過(guò)調(diào)整砂率確?;炷潦┕し€(wěn)定性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)配合比調(diào)整表明,砂子的細(xì)度模數(shù)在合理范圍內(nèi)變化時(shí),適當(dāng)變化自密實(shí)混凝土的砂率,如砂子細(xì)度模數(shù)小、0.15 mm及以下細(xì)顆粒含量較高時(shí),可以通過(guò)降低砂率的方法來(lái)調(diào)整混凝土工作性,使混凝土滿足施工要求。但是當(dāng)砂子細(xì)度模數(shù)較大,如細(xì)度模數(shù)大于2.7,以及0.15 mm及以下的細(xì)顆粒較少時(shí)(兩者合計(jì)少于15%),通過(guò)增大混凝土砂率的方法已經(jīng)不能有效改善其工作性,如本文中當(dāng)砂子細(xì)度模數(shù)為2.86時(shí),砂率提高到60%,混凝土很粘,已經(jīng)不能滿足施工要求。
表5 砂率對(duì)混凝土性能的影響
圖6 砂率對(duì)坍落擴(kuò)展度的影響(細(xì)度2.86)
圖7 砂率對(duì)T50的影響(細(xì)度2.86)
由于CRTSⅢ型板式軌道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),對(duì)其充填層自密實(shí)混凝土的工作性有較高的要求,因此穩(wěn)定的原材料是SCC施工穩(wěn)定性的重要保證。
(1)當(dāng)細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)過(guò)大時(shí),自密實(shí)混凝土的粘聚性降低,且細(xì)度模數(shù)越大,粘聚性越差,混凝土容易出現(xiàn)離析、漿骨分離等不良狀況。此時(shí)僅通過(guò)提高砂率的方法將導(dǎo)致混凝土施工穩(wěn)定性進(jìn)一步降低,并不能有效改善自密實(shí)混凝土工作性。
(2)結(jié)合試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐針對(duì)充填層自密實(shí)混凝土使用的細(xì)骨料,當(dāng)細(xì)度模數(shù)控制在2.2~2.70范圍內(nèi),且0.15 mm及以下顆粒含量控制在15%~30%之間時(shí),能夠獲得具有較高施工穩(wěn)定性的自密實(shí)混凝土。