趙少鵬，王開楊，陸加越，王鑫，何嘉琦

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京 211103；2.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 712000）

0 引言

自密實混凝土施工技術(shù)在高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道施工中已有成熟的施工工藝及經(jīng)驗，該結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土底座、隔離層、自密實混凝土層、預(yù)應(yīng)力軌道板、扣件、鋼軌等組成，這種結(jié)構(gòu)可提高軌道的可維修性、可更換性，降低后期運營維護(hù)成本[1]。近年來，隨著城市快速軌道交通的快速發(fā)展，自密實混凝土逐漸在城市軌道交通中展開應(yīng)用，而目前優(yōu)質(zhì)的河砂資源日益緊缺，尤其是川渝及黔貴地區(qū)，機(jī)制砂自密實混凝土的制備顯得尤為關(guān)鍵。

針對機(jī)制砂自密實混凝土的配制，眾多學(xué)者進(jìn)行了研究。李北星等[2]通過聚羧酸鹽減水劑與適量礦粉、膨脹劑三摻技術(shù)，在較低的膠凝材料用量（535 kg/m3）情況下，配制出工作性能及力學(xué)性能俱佳的自密實微膨脹混凝土。徐全等[3]研究了機(jī)制砂MB值的臨界值對于混凝土性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)制砂MB值大于0.7 g/kg時，隨著MB值的增大，新拌混凝土的流動性下降較為明顯。適量的石粉可以改善自密實混凝土的工作性能，但是石粉含量過多情況下會導(dǎo)致流動性不良、黏度不足[4-6]。孫海龍[7]研究了納米SiO2對機(jī)制砂自密實混凝土性能的影響，研究表明，納米SiO2可以提高漿體的屈服應(yīng)力和塑性黏度，提升漿體穩(wěn)定性。針對自密實混凝土的外觀問題，徐海源等[8]從外加劑、脫模材料及配合比等方面分析了各因素對聚羧酸混凝土表觀氣泡的影響規(guī)律及改性方法，研究表明，聚羧酸減水劑的種類及含氣量控制方式對混凝土外觀質(zhì)量影響較大。王方剛等[9]采用玻璃平板試驗、凈漿流動度和自密實混凝土工作性能等方法配制出了工作性能好且外觀質(zhì)量好的高鐵CRTSⅢ型板自密實混凝土。

本文針對城市軌道交通地鐵CRTSⅢ型板自密實混凝土進(jìn)行了配合比試驗，針對川渝區(qū)域河砂資源匱乏的情況，主要采用機(jī)制砂作為細(xì)骨料。針對機(jī)制砂自密實混凝土的工作性能問題，首先優(yōu)選降黏穩(wěn)健型減水母液，并通過消泡劑與引氣劑的復(fù)合使用，結(jié)合實體揭板試驗，制備出了綜合成本低、自密實性能優(yōu)良且外觀密實度高的自密實混凝土，為自密實混凝土應(yīng)用于軌道交通無砟軌道提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

（1）膠凝材料：重慶金隅冀東P·O42.5水泥，比表面積345 m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27%，28 d抗壓強(qiáng)度49.0 MPa；珞電Ⅰ級粉煤灰，細(xì)度（45μm篩篩余）9%，需水量比94%；鐵科院黏度改性劑，粉狀，由無機(jī)材料、高分子有機(jī)材料和多種助劑復(fù)合而成，能夠提高自密實混凝土的穩(wěn)定性、黏聚性和保水性，符合Q/CR596-2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式密實混凝土》的要求；江蘇蘇博特新材料股份有限公司HME-Ⅲ型膨脹劑，水泥膠砂7d限制膨脹率≥3.0×10-4。

（2）混凝土外加劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司的PCA-Ⅰ、PCA-Ⅱ及PCA-W三種聚羧酸減水劑，按GB8076—2008《混凝土外加劑》測得3種減水劑的主要物理性能如表1所示；GYQ-Ⅲ型陰離子引氣劑及PXP-Ⅲ聚醚復(fù)合型消泡劑，由于混凝土中消泡劑與引氣劑的使用量極少，將引氣劑與消泡劑均稀釋100倍后使用。

表1 3種聚羧酸減水率的物理性能

（3）粗骨料：5～16 mm石灰石碎石，針片狀含量5%，壓碎值6.5%，粗骨料的顆粒級配如表2所示。

表2 粗骨料的顆粒級配

（4）細(xì)骨料：石灰石破碎整形機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.9；河砂，細(xì)度模數(shù)2.5，機(jī)制砂與河砂的顆粒級配如表3所示。

表3 細(xì)集料的顆粒級配

1.2 試驗方法

1.2.1 自密實混凝土的性能測試方法

按CECS02—2004《自密實混凝土設(shè)計與施工指南》對新拌自密實混凝土進(jìn)行擴(kuò)展度、T500、L型儀填充比等指標(biāo)的測試。機(jī)制砂自密實混凝土的基準(zhǔn)配合比參照高鐵項目CRTS自密實混凝土，如表4所示，減水劑摻量按占膠凝材料質(zhì)量計。

表4 C40自密實混凝土的配合比

1.2.2 自密實混凝土的指標(biāo)控制

參照TJ/GW112—2013《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》，配制的機(jī)制砂自密實混凝土需滿足表5的技術(shù)指標(biāo)才能進(jìn)行實體灌注揭板試驗。

表5 自密實混凝土的技術(shù)指標(biāo)

1.2.3 城市軌道CRTSⅢ型板自密實混凝土揭板外觀試驗

城市軌道交通最高限速明顯低于高鐵，且軌道寬度存在差異，因此Ⅲ型板的長、寬、厚及曲面角度與常規(guī)的高鐵存在明顯差異，通常寬度更窄，而曲面高差更大，但是目前城市軌道交通的揭板試驗仍然參照TJ/GW112—2013進(jìn)行模板的安裝、攪拌、灌注、養(yǎng)護(hù)及外觀質(zhì)量的評定，沒有單獨的評定標(biāo)準(zhǔn)。地鐵CRTSⅢ型板自密實混凝土采用中間孔單點灌注法灌注，待混凝土終凝之后進(jìn)行灌注揭板試驗（見圖1），觀察自密實混凝土板的上表面外觀情況。揭板試驗主要對比引氣劑以及引氣劑與消泡劑復(fù)配后對混凝土板硬化后外觀的影響。要求自密實混凝土板不得出現(xiàn)發(fā)泡層、泌水、填充不密實、裂縫等問題，≥6 cm2氣泡面積占比（按占表面積計）不得大于2%，不得出現(xiàn)面積大于50 cm2的氣泡。

圖1 城市軌道交通地鐵CRTSⅢ型板灌注揭板試驗

2 結(jié)果與分析

2.1 聚羧酸減水劑種類對機(jī)制砂自密實混凝土工作性能的影響

高鐵CRTSⅢ型板自密實混凝土的施工經(jīng)驗表明[9-11]，高穩(wěn)健、低敏感聚羧酸減水劑對自密實混凝土的工作性能以及外觀均起到至關(guān)重要的作用，因此在城市軌道交通CRTSⅢ型板機(jī)制砂自密實混凝土的配制中，聚羧酸母液的優(yōu)選顯得尤為關(guān)鍵。首先通過對現(xiàn)有3種聚羧酸母液的性能評價，對比聚羧酸母液對混凝土黏度及流速的影響，通過T500與L型儀填充比同時進(jìn)行表征，T500表征混凝土的流速，流速越快則混凝土的黏度越低，L型儀填充比表征混凝土的填充性，數(shù)值越大表征混凝土的鋼筋通過性能越強(qiáng)。另外，考慮到自密實混凝土在實際施工中會存在用水量或減水劑摻量波動，導(dǎo)致混凝土性能發(fā)生波動，甚至導(dǎo)致發(fā)泡層或填充性不足等問題出現(xiàn)，因此聚羧酸減水劑的抗波動性也是參考的主要指標(biāo)。

2.1.1 聚羧酸減水劑對機(jī)制砂自密實混凝土工作性能的影響

按表4的配合比，調(diào)整3種聚羧酸減水劑母液PCA-Ⅰ、PCA-Ⅱ及PCA-W的摻量，控制混凝土的擴(kuò)展度在600～680 mm，對比減水劑母液對混凝土流速及鋼筋通過性的影響，結(jié)果如表6所示。

表6 減水劑母液對混凝土流速及鋼筋通過性的影響

由表6可見，控制混凝土的擴(kuò)展度為600～680 mm時，PCA-Ⅰ的摻量最低，為2.0%，但T500為8.0 s，流速慢，且L型儀填充比僅為0.80，說明該減水劑的減水率雖高，但是混凝土的黏度最大且填充性差；使用PCA-Ⅱ型減水劑時，減水劑摻量較PCA-Ⅰ增加了10%，但T500縮短至5.5 s，流速明顯上升，且L型儀填充比達(dá)到0.85，這表明PCA-Ⅱ型母液可以有效提高混凝土流速及鋼筋通過性；使用PCA-W減水母液的摻量最高，但T500最短，僅為4.5 s，L型儀填充比增大至0.88；將表現(xiàn)良好的PCA-Ⅱ與PCA-W按1∶1的質(zhì)量比復(fù)合使用時，混凝土的綜合性能最佳，復(fù)合摻量為2.4%時，T500僅為5.0 s，L型儀填充比增大至0.90，混凝土的流速快且填充性最好，此時混凝土狀態(tài)如圖2所示。

圖2 4#機(jī)制砂自密實混凝土的狀態(tài)

2.1.2 聚羧酸減水劑對機(jī)制砂自密實混凝土抗波動性的影響

通過上述試驗，優(yōu)選綜合性能較好的PCA-Ⅱ、PCA-W及2種減水劑母液按1∶1質(zhì)量比的復(fù)配體系進(jìn)行對比，并進(jìn)行混凝土的抗波動性試驗?；炷恋目共▌有栽囼炛饕ㄟ^在原有合適的外加劑摻量及用水量下額外添加5 kg/m3或10 kg/m3的水，對比用水量波動對混凝土工作性能的影響，試驗結(jié)果如表7所示。

表7 聚羧酸母液對混凝土抗波動性的影響

由表7可見，使用PCA-Ⅱ減水劑時，用水量的增加明顯改變了混凝土的工作性能，混凝土的抗用水波動性較差，用水量為182kg/m3時，擴(kuò)展度達(dá)到了700 mm，且混凝土的鋼筋通過性明顯降低，L型儀填充比僅為0.80，用水量的變化使得混凝土工作性能波動明顯。使用PCA-W減水劑時，隨著用水量的增加，混凝土的流動性能變化不明顯，混凝土的L型儀填充比均為0.88，穩(wěn)健性最強(qiáng)，但是混凝土的鋼筋通過性始終無法得到進(jìn)一步提升，低于自密實性能的要求（L型儀填充比≥0.9）。采用PCA-Ⅱ與PCA-W減水母液按1∶1質(zhì)量比復(fù)合使用時，混凝土的抗用水波動性介于2種母液之間，用水量增加10 kg/m3后，混凝土未出現(xiàn)泌水等問題，流速快且填充性最好，L型儀填充比達(dá)到了0.92。綜合而言，當(dāng)采用PCA-Ⅱ與PCA-W兩種減水劑按1∶1質(zhì)量比復(fù)合使用時，可綜合2種母液的性能優(yōu)點，自密實混凝土的穩(wěn)健性強(qiáng)且工作性能最佳。

2.2 黏度改性劑對機(jī)制砂自密實混凝土性能影響

自密實混凝土中使用黏度改性劑可明顯改善自密實混凝土的黏聚性，在提高混凝土包裹性的同時，可以提高混凝土的穩(wěn)健性[12]，高鐵CRTSⅢ型板自密實混凝土中通常摻入6%左右以提高混凝土的黏聚性，但是該材料價格較高，因此在地鐵軌道交通中探討了降低黏度改性劑用量，增加膠凝材料總量及采用河砂取代部分機(jī)制砂的方案對自密實混凝土性能的影響，減水劑采用綜合性能最佳的PCA-Ⅱ與PCA-W按1∶1的質(zhì)量比復(fù)合，減水劑摻量為2.4%，控制混凝土的擴(kuò)展度為650 mm左右，試驗配合比及性能測試結(jié)果如表8所示。

表8 膠凝材料總量與黏度改性劑摻量對混凝土性能影響的試驗配合比及性能測試結(jié)果

由表8可見，當(dāng)黏度改性劑摻量為30 kg/m3時，膠凝材料總量為525 kg/m3，細(xì)骨料全部為機(jī)制砂時混凝土的工作性能較好，T500為5.0 s，L型儀填充比為0.90。J2與J3配合比降低黏度改性劑用量為15 kg/m3，J2的T500仍為5.0 s，黏度變化不明顯，但是L型儀填充比降低為0.86，混凝土包裹性下降，因此為了彌補(bǔ)包裹性下降所造成的填充性問題，J3配合比增加膠凝材料總量為540 kg/m3，并采用100 kg/m3河砂替代機(jī)制砂，自密實混凝土的T500為5.0 s，L型儀填充比達(dá)到0.90，工作性能與J1相當(dāng)。J4與J5未摻黏度改性劑，J4的T500延長至6.5 s，L型儀填充比直接下降為0.80，混凝土的黏度上升明顯且包裹性下降，J5配合比在J4配合比基礎(chǔ)上采用100 kg/m3河砂替代機(jī)制砂，其工作性能與J4相比無明顯改進(jìn)，因此完全去除黏度改性劑的方案不可取。因此，綜合考慮混凝土的綜合成本和工作性能，可采用摻加15 kg/m3黏度改性劑的J3配合比，通過增加膠凝材料總量為540 kg/m3，采用河砂取代部分機(jī)制砂，在滿足工作性能的同時，可實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益最大化。

2.3 引氣劑與消泡劑對機(jī)制砂自密實混凝土Ⅲ型板外觀的影響

采用優(yōu)化配合比（J3）進(jìn)行全尺寸揭板試驗，研究引氣劑及消泡劑摻量（按占膠凝材料質(zhì)量計）對混凝土表觀質(zhì)量的影響，結(jié)果見表9。

表9 引氣劑及消泡劑對混凝土工作性能及表觀質(zhì)量的影響

由表9可見：

（1）單摻引氣劑，當(dāng)引氣劑摻量為0.1%時，相比于未摻引氣劑的Y1組，Y2組混凝土含氣量增大至6.5%，T500縮短至4.5 s，L型儀填充比下降至0.86，混凝土的流速提升但鋼筋通過性降低，拆模后的混凝土表面出現(xiàn)了1個超過50 cm2的大氣泡；當(dāng)引氣劑摻量增加至0.2%時，混凝土含氣量高達(dá)7.8%，T500延長至6.0 s，L型儀填充比進(jìn)一步下降為0.84，混凝土的含氣量過高且鋼筋通過性下降，揭板后的整體氣泡數(shù)目更多。因此，單獨摻入引氣劑無法得到較好的外觀質(zhì)量。

（2）引氣劑與消泡劑復(fù)摻時，復(fù)摻0.1%引氣劑+0.02%消泡劑組混凝土的含氣量達(dá)到了5.5%，較Y1組的含氣量略有增大，T500縮短至4.5 s，混凝土的流速提升，L型儀填充比達(dá)到了0.95，鋼筋通過性也進(jìn)一步提高，揭板后的外觀氣泡最少，≥6 cm2的氣泡面積占比僅為1.5%，且無發(fā)泡層等問題，其外觀如圖3所示，綜合性能最佳。復(fù)摻0.2%引氣劑+0.04%消泡劑組混凝土的含氣量為6.5%，L型儀填充比為0.90，自密實混凝土的工作性能也較好，但含氣量較Y4組略高，且揭板后的≥6 cm2氣泡面積占比達(dá)到了2.5%。

圖3 揭板后自密實混凝土外觀

綜合而言，當(dāng)采用PCA-Ⅱ和PCA-W按1∶1質(zhì)量比復(fù)配的減水劑，同時復(fù)摻0.1%引氣劑+0.02%消泡劑時，混凝土擴(kuò)展度為665 mm，含氣量為5.5%，L型儀填充比為0.95時，機(jī)制砂自密實混凝土的工作性能及外觀質(zhì)量最佳。

3 結(jié)語

（1）不同種類聚羧酸母液對機(jī)制砂自密實混凝土的工作性能具有較大影響，其中采用PCA-Ⅱ與PCA-W母液按1∶1質(zhì)量比復(fù)配使用時，自密實混凝土的流速快且填充性能好，工作性能最佳。

（2）將機(jī)制砂自密實混凝土中的黏度改性劑摻量由30 kg/m3后減少至15 kg/m3后，通過增加混凝土中膠凝材料總量為540 kg/m3，同時采用河砂替代部分機(jī)制砂的方案可有效改善自密實混凝土的工作性能。

（3）CRTSⅢ型板自密實混凝土對表觀的質(zhì)量要求嚴(yán)格，通過對比單摻引氣劑及復(fù)合使用消泡劑與引氣劑發(fā)現(xiàn)，當(dāng)復(fù)合采用0.1%引氣劑+0.02%消泡劑時，混凝土的含氣量為5.5%，擴(kuò)展度為665 mm，L型儀填充比為0.95時，混凝土的表觀質(zhì)量與工作性能均較好，揭板后≥6 cm2氣泡面積占比僅為1.5%。