蔣盛鋼 禹 雷 孫井林 楊 松 田德倉 劉贊群 彭建偉

(1.廣州地鐵集團有限公司，廣州 510330； 2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055；3.中南大學，長沙 410083； 4.安徽中鐵工程材料科技有限公司，合肥 230000)

1 概述

目前，國內(nèi)城市軌道交通裝配式無砟軌道快速發(fā)展，相較于現(xiàn)澆軌道結(jié)構(gòu)，裝配式無砟軌道結(jié)構(gòu)具有自重輕、施工速度快、工廠化預(yù)制、精度高、耐久性好、少維修或維修方便、沉降調(diào)整余量較大、平順性好等優(yōu)點。裝配式軌道通常由鋼軌、扣件、軌道板、混凝土調(diào)整層、隔離層、鋼筋混凝土底座等組成。

預(yù)制軌道板下調(diào)整層材料主要采用自密實砂漿，個別線路采用細石混凝土。自密實砂漿材料具備各項性能指標良好的優(yōu)點，但存在配合比技術(shù)要求較高、施工工藝流程要求嚴格、灌注質(zhì)量不易控制[1-3]、材料價格較高等缺點，影響其大規(guī)模推廣應(yīng)用。

針對上述問題，通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場灌注、揭板試驗，研究出一種新型城軌板下自填充材料。該材料在不低于既有高鐵自密實砂漿材料各項性能指標的情況下(如坍落擴展度≤680 mm、擴展時間3～7 s，含氣量≥3.0%等)，材料價格大幅度降低，有利于其在城市軌道交通中大規(guī)模推廣應(yīng)用。

2 試驗原材料

(1)水泥：采用湖南南方水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5水泥，28 d抗壓強度48.0 MPa，表觀密度3.10 g/cm3，燒失量為2.3%，比表面積342 m2/kg。

(2)粉煤灰：采用湖南湘潭電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，比表面積465 m2/kg，45 μm方孔篩的篩余為3.6%，燒失量為2.48%。

(3)礦粉(SG)：采用江西聯(lián)達高新建材廠生產(chǎn)的?；郀t礦粉粉，密度為2.75 g/cm3，比表面積450 m2/kg。

(4)硅粉：采用上海艾肯公司生產(chǎn)的硅粉，表觀密度2.1 g/cm3，比表面積為17 800 m2/kg。

(5)砂：采用普通河砂，細度模數(shù)為2.62，滿足中砂級配要求，堆積密度1410 kg/m3，表觀密度2.65 g/cm3。

(6)石：采用碎石，最大粒徑15 mm，表觀密度2.67 g/cm3，堆積密度1 430 kg/m3。

(7)外加劑：減水劑為聚羧酸高效減水劑，減水率18%，固含量25%；消泡劑為有機硅消泡劑。

(8)水：采用自來水。

3 試驗方案

自填充混凝土拌合物的流動性評價采用坍落擴展度方法并結(jié)合T500測試，該測試方法方便簡單，而且能較好反映拌合物的流動性能[4-6]，主要實驗方案如下。

(1)在粉煤灰、礦粉摻量為0%、20%、30%和40%情況下，對新型自填充混凝土的工作性能和力學性能影響進行對比研究。

(2)在膠凝材料總量為550 kg/m3、水膠比固定為0.34、粗細骨料體積、膠凝材料總量維持不變的條件下，基于消泡劑摻量分別占膠凝材料總量的0/10 000、1/10 000、2/10 000三種工況，研究消泡劑對新型自填充混凝土工作性能和力學性能的影響[7]。

(3)采用萘系減水劑，摻量為膠凝材料用量的1.0%、1.2%[8-9]，同時采用聚羧酸減水劑，摻量為1.0%進行對比，研究減水劑種類和摻量對新型自填充混凝土工作性能和力學性能的影響。

4 性能影響因素研究

4.1 礦物摻合料對工作性能影響

(1)粉煤灰摻量

選取粉煤灰摻量為0%、20%、30%、40% 4種工況，分別測試新型自填充混凝土坍落擴展度和T500等指標，試驗結(jié)果見圖1。

圖1 粉煤灰摻量對拌和物工作性的影響

由圖1可見，隨著粉煤灰摻入量的增加，混凝土坍落擴展度也隨之增大，這種增大趨勢在粉煤灰摻量為30%以內(nèi)時較明顯；而在摻量大于30%后，混凝土流動性增加趨于緩慢。T500時間以隨粉煤灰摻量的增加而減小，粉煤灰摻量對T500的影響效果與其對坍落擴展度影響效果相對應(yīng)。由此可見，粉煤灰的摻加可改善新型自填充混凝土的流動性[10-12]。另外，當粉煤灰摻量過大(超過40%)時，混凝土出現(xiàn)一定程度的泌水，黏聚性變差。

(2)礦粉摻量

選取礦粉摻量為0%、20%、30%、40%4種工況，分別測試新型自填充混凝土坍落擴展度和T500等指標，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 礦粉摻量對拌和物工作性的影響

由圖2(a)可知，隨礦粉摻量增大，新型自填充混凝土坍落擴展度先緩慢增大后降低，當?shù)V粉摻量為20%時，坍落擴展度達到最大，然后隨著礦粉摻量繼續(xù)增大，混凝土坍落擴展度降低[13]。由圖2(b)可知，隨礦粉摻量的增大，新型自填充混凝土T500有所降低，但不顯著。

4.2 外加劑對工作性能影響

(1)消泡劑摻量

在粉煤灰摻量為30%、水泥摻量為70%、膠凝材料總量為550 kg/m3、水膠比固定為0.34、粗細骨料體積、膠凝材料總量維持不變的條件下，基于消泡劑摻量分別占膠凝材料總量的0/10 000、1/10 000、2/10 000三種工況，研究消泡劑對新型自填充混凝土工作性能的影響，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 消泡劑對拌和物工作性的影響

由圖3可知，消泡劑對新型自填充混凝土的流動性有少許促進作用；同時從T500時間減小可知，消泡劑可小幅降低混凝土的黏聚性。隨著消泡劑的加入，將會形成新的低表面黏度界面，使液膜失去彈性，加速氣泡內(nèi)液體的滲出，使液膜變薄并最終破裂[14-15]。不難看出，消泡劑對新型自填充混凝土的工作性影響有限。

(2)減水劑摻量

在膠凝材料總量為550 kg/m3，水膠比為0.34的條件下，對萘系減水劑(摻量為膠凝材料用量的1.0%、1.2%)和聚羧酸減水劑(摻量為1.0%)進行對比，分別表示為J0、J1和J2，研究減水劑種類和摻量對新型自填充混凝土工作性能的影響。試驗結(jié)果見圖4。

圖4 減水劑對拌和物工作性的影響

由圖4可知，萘系高效減水劑具有較好的減水效果。當兩種減水劑摻量相同時，新型自填充混凝土可以達到相同的坍落擴展度。萘系高效減水劑摻量對新型自填充混凝土流動性影響更顯著，當外加劑摻量從1.0%提高到1.2%時，混凝土的坍落擴展度從630 mm增大到700 mm，T500時間也相應(yīng)減少26%、58%，混凝土的流動性好；但當外加劑摻量為1.2%時，發(fā)現(xiàn)混凝土出現(xiàn)泌水和離析現(xiàn)象。

摻加1.0%聚羧酸減水劑時，混凝土坍落擴展度增大，但T500也顯著增加，這說明聚羧酸減水劑可以降低混凝土的屈服應(yīng)力，但是卻增大混凝土的塑性黏度。

外加劑是新型自填充混凝土不可缺少的組分，且外加劑的使用效果與原材料，(特別是膠凝材料)的組成有較大關(guān)系。建議在配制新型自填充混凝土進行的過程中，應(yīng)首先對所用外加劑與水泥的相容性進行試驗，以確定合適的外加劑用量。同時，建議采用“萘系高效減水劑+增稠劑+消泡劑”組合或者“聚羧酸低泡減水劑+增稠劑+消泡劑”組合[16]。

5 力學性能影響研究

5.1 抗壓強度影響

(1)礦物摻合料

礦物摻合料對新型自填充混凝土56 d抗壓強度測試結(jié)果見圖5。由圖5可知，隨著粉煤灰和礦粉摻量的增大，自填充混凝土56 d的抗壓強度逐漸降低。

圖5 礦物摻合料對56 d抗壓強度的影響(w/c=0.34)

(2)外加劑

外加劑摻入對自填充混凝土工作性能將產(chǎn)生較大影響，同時對強度也會產(chǎn)生一定影響。外加劑對新型自填充混凝土強度的影響見圖6。

圖6 外加劑對56 d抗壓強度的影響

由圖6(a)可知，隨著消泡劑摻量增加，自填充混凝土56 d抗壓強度有所增加，這是因為消泡劑的摻入含降低混凝土中氣泡含量，增強混凝土的密實性，導(dǎo)致強度有所提高。從圖6(b)可知，減水劑摻量變化對新型自填充混凝土的抗壓強度影響不大。

5.2 抗折強度影響

(1)礦物摻合料

礦物摻合料對新型自填充混凝土抗折強度的影響見圖7。

圖7 礦物摻合料對56 d抗折強度的影響(w/c=0.34)

由圖7可知，當?shù)V物摻合料摻入新型自填充混凝土后，對混凝土的抗折強度影響較大。隨著粉煤灰和礦粉摻量增大，混凝土抗折強度降低，這與礦物摻合料對混凝土抗壓強度的影響一致[17-18]。

(2)外加劑

外加劑對新型自填充混凝土抗折強度的影響見圖8。由圖8可知，在保證工作性能的范圍內(nèi)增加外加劑摻量[19]，對新型自填充混凝土的抗折強度影響不顯著。

圖8 外加劑對56 d抗折強度的影響(w/c=0.34)

5.3 彈性模量影響

(1)礦物摻合料

礦物摻合料對新型自填充混凝土彈性模量影響見圖9。

圖9 礦物摻合料對56 d彈性模量的影響(w/c=0.34)

由圖9可知，隨著礦物摻合料的摻入，自填充混凝土靜力彈性模量基本在30～40 GPa之間，這與普通混凝土的彈性模量變化規(guī)律基本相似[20]。

(2)外加劑

外加劑對新型自填充混凝土彈性模量的影響見圖10。

圖10 外加劑對56 d彈性模量的影響(w/c=0.34)

由圖10可知，摻入外加劑對自填充混凝土靜彈性模量有一定影響但不顯著，這與普通混凝土的彈性模量變化規(guī)律基本相似。

6 灌板與揭板試驗

6.1 推薦配合比

在正式灌注和揭板試驗前，在進行3組配合比試拌，分別對自填充混凝土坍落擴展度和T500時間進行現(xiàn)場測試，得到符合高鐵自密實混凝土技術(shù)標準的自填充混凝土配合比。最終確定自填充混凝土擴展度為570 mm，T500時間為6 s。

表1為最終試驗確定的推薦配合比，表2為自填充混凝土基本性能參數(shù)，各項技術(shù)指標符合高鐵自密實混凝土技術(shù)要求。

表1 自填充混凝土現(xiàn)場配合比 kg/m3

6.2 灌注與揭板

2021年6月，在惠州市亞龍軌枕器材有限公司深圳坪地板廠，開展現(xiàn)場灌注及揭板試驗(見圖11)。

圖11 灌注與揭板試驗

從中間小孔灌注自填充混凝土，灌注過程中，采用“慢-快-慢”控制速度。自填充混凝土從灌注孔下料后，迅速向周邊擴散，流動性和間隙通過性良好，無離析和泌水現(xiàn)象。

灌注8 h后揭板，若自填充混凝土表面密實、平整、充盈飽滿，無泌水、無松軟發(fā)泡層、無可見裂紋、無明顯水紋，無露石、露筋以及蜂窩等現(xiàn)象，可認為符合高鐵自密實混凝土技術(shù)要求。

6.3 經(jīng)濟性分析

新型自填充混凝土主要由水泥、礦物摻合料、砂、石子、黏改劑、膨脹劑、外加劑和水組成，與既有自密實混凝土的主要組成材料相同。水泥、黏改劑、外加劑的單價較高，故降低其摻量是降低成本的有效辦法。但自填充混凝土必須具有較高減水劑摻量，因而降低外加劑摻量的辦法不可行。

綜上，降低水泥、黏改劑、膨脹劑的摻量是降低自填充混凝土成本的最有效辦法。在不影響自填充混凝土各項性能指標的情況下，與高鐵自密實砂漿配合比進行對比核算，預(yù)測新型自填充混凝土材料成本可降低20%以上。

7 結(jié)論

(1)摻加粉煤灰可改善新型自填充混凝土流動性，但當粉煤灰摻量大于40%時，會出現(xiàn)一定程度的泌水，黏聚性變差。隨礦粉摻量的增加，新型自填充混凝土坍落擴展度先緩慢增大后降低，當?shù)V粉摻量為20%時，坍落擴展度達到最大，然后隨著礦粉摻量繼續(xù)增大，坍落擴展度降低。

(2)建議采用“萘系高效減水劑+增稠劑+消泡劑”組合或者“聚羧酸低泡減水劑+增稠劑+消泡劑”組合。

(3)對于抗壓強度，隨著粉煤灰和礦粉摻量的增大，56 d抗壓強度逐漸降低；減水劑的摻量變化對抗壓強度影響不大。對于抗折強度，隨著粉煤灰和礦粉摻量增大，自填充混凝土抗折強度均降低；外加劑摻量對新型自填充混凝土的抗折強度影響不顯著。自填充混凝土靜力彈性模量基本在30～40 GPa之間，摻入外加劑對砂漿靜彈性模量有一定影響，但不顯著。

(4)經(jīng)灌注和揭板試驗，最終確定新型自填充混凝土的配合比，自填充混凝土的流動性好，含氣量適宜，表面密實、平整、充盈飽滿，強度合格。

(5)在不影響自填充混凝土各項性能指標的情況下，降低水泥、黏度改性材料、膨脹劑摻量，成本可降低20%以上。