無砂混凝土在鐵路工程中的應用研究

蔡 珠， 舒樂倩， 李鐵鋒

(中交四航工程研究院有限公司交通運輸部水工構造物耐久性技術交通行業(yè)重點實驗室，廣東廣州510230)

0 引言

云桂鐵路云南段三標段(DK407+070～DK473+300)全長64.571 km，位于云南省廣南縣境內(nèi)，線路經(jīng)過蓮城、舊莫、珠琳三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。鐵路設計等級為雙線Ⅰ級，路段旅客列車最高行車速度200 km/h，標段內(nèi)共有50個區(qū)間路基段，全長15.228 km。路基邊溝上方采用C20強度等級的無砂混凝土，設計文件中明確提出如下四項技術指標:①抗壓強度(28 d)不小于20 MPa;②孔隙率11%～17%;③每m3混凝土中材料的推薦用量為膠凝材料(增強料與水泥)300～450 kg，碎石料1 300～1 500 kg，水膠比0.28～0.32;④施工過程中不宜采用機械振搗。

依據(jù)現(xiàn)有研究并結合設計文件要求分析，無砂混凝土存在較多的宏觀連通空隙，具有良好的透水透氣特性，因此可用于透水路面材料以及公路、鐵路的植被護坡、護堤等，是一種新型的功能型建筑材料［1］。與傳統(tǒng)混凝土相比，無砂混凝土性能的提高不可能依靠提高混凝土內(nèi)部密實性或引入封閉氣泡等手段，由于結構上各膠結點受力面積較小，通過改善界面來提高無砂混凝土的性能效果不是很理想［2］。相比之下，作為類似沙琪瑪?shù)墓羌芙Y構，無砂混凝土與水泥穩(wěn)定碎石基層及瀝青混凝土具有更接近的結構形式，甚至可以直接將無砂混凝土當成上述兩種材料在不同領域應用的一種延伸。無砂混凝土的配合比設計到目前為止仍無成熟的計算方法，因為不需要將粗骨料之間的孔隙填充密實，故根據(jù)其孔隙率和結構特征，可以近似認為無砂混凝土的表觀體積由粗骨料堆積而成。目前配合比設計的依據(jù)大多基于“粗骨料顆粒表面被一層薄水泥漿包裹后通過點接觸的形式互相粘結起來［3］，形成一個整體骨架并具有一定的強度”這樣的常識。每m3無砂混凝土的質量應為粗骨料的緊密堆積密度和單方水泥用量及水用量之和，一般在2 t左右。對于現(xiàn)場而言，粗骨料碎石的來源是固定的，表面的粗糙程度既難于表征也很難改進，但可以方便的通過兩級配碎石比例的調(diào)整來改變孔隙率［4］。一旦碎石的堆積密度(孔隙率)確定后，包裹于粗骨料表面的水泥漿體的體積就決定了無砂混凝土的孔隙率。如果配合比大體圈定了水泥用量及水灰比的范圍，漿體自身的密度就直接決定了無砂混凝土的孔隙率。當引入減水劑后確有因水灰比降低而產(chǎn)生的增強效果，但同時也有因降低漿體稠度而加劇水平上下兩層混凝土不均勻性的趨勢。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 原材料

試驗用原材料水泥為云南興建水泥公司生產(chǎn)的興建牌P.O 42.5水泥，其物理性能如下:比表面積340 m2/kg;初凝148 min;終凝215 min;3 d抗折強度5.5 MPa;28 d抗折強度8.1 MPa;3 d抗壓強度25.4 MPa;28 d抗壓強度46.9 MPa?？紤]到設計文件對孔隙率的要求在15%左右，故采用5～31.5 mm碎石，兩級配，通過改變大小石比例孔隙率可調(diào)范圍為38%～49%;減水劑采用山西凱迪生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，固含量18.0%，減水率25.0%;纖維采用江蘇射陽強力纖維制造有限公司聚丙烯纖維，絲長20 mm，彈性模量4.3 GPa。

1.2 試驗方法

首先根據(jù)設計文件要求，通過兩級配碎石比例調(diào)整，將每立方米混合級配碎石緊堆密度控制在1 450 kg/m3左右，孔隙率45%左右。然后通過若干次試拌，待無砂混凝土固化后觀察混凝土漿體由于重力原因分布不均與漿體稠度之間的關系，這一點與泡沫混凝土的稠化-發(fā)氣類似?？紤]到路基施工點多線長，無砂混凝土的工作性能必須保持在2 h以上，在此期間漿體稠度對于無砂混凝土上下層之間的均勻性起到?jīng)Q定性作用。采用外加劑勻質性試驗中的玻璃板擴展試驗，初步鎖定合理的漿體稠度的擴展半徑在200 mm左右。通過加入減水劑降低水灰比，加入纖維增強等方法，在保持凈漿稠度基本不變的前提下，成型150 mm的標準軸心抗壓強度試件［5］，并測試其各項指標是否滿足設計要求。

2 試驗結果及分析

2.1 級配碎石的比例及漿體合理的稠度確定

試驗中采用兩級碎石，分別為5～16 mm及16～31.5 mm，當大小石比例為7∶3時，緊密堆積密度為1 450 kg/m3左右，孔隙率45%左右，漿體的合理稠度通過試拌觀察確定為擴展半徑在200 mm左右。漿體測試如圖1所示，堆積密度及合理稠度試拌如圖2所示。

圖1 擴展度測試

圖2 通過試拌確定合理的稠度

2.2 試驗用漿體的稠度及密度的實測情況

設計文件中關于水膠比0.28～0.32的要求過于集中，為方便觀察不同的水膠比對無砂混凝土性能的影響趨勢，故本試驗將水灰比變動范圍加大。忽略碎石的吸水率帶來的影響，直接通過水灰比和減水劑的改變，盡可能將漿體的稠度保持在200 mm左右，并考慮現(xiàn)場施工的經(jīng)時損失，不同配比的漿體稠度及比重見表1。

表1 漿體稠度及比重

2.3 無砂混凝土力學性能測試

普通混凝土受壓的應力-應變曲線主要由三個特征階段，如圖3;無砂混凝土抗壓強度測試時所得到的應力-應變曲線在應力達到峰值之前，應變和應力與普通混凝土一樣近似曲線遞增，但是有出現(xiàn)多個峰值相互跳躍波動現(xiàn)象，有時應變增大而應力不增大，出現(xiàn)明顯的平臺區(qū)，類似屈服［1，6］。當應力達到最大值之后，應力隨變形的增大而降低，典型破壞形式如圖4。這可能是因為剛開始加載時，應力較小，隨著應力的增加，粗骨料間水泥石粘結處的微裂紋開始產(chǎn)生，裂紋逐漸擴大延伸，但是此時相鄰粗骨料間的粘結處還沒有完全遭到破壞，隨著微裂紋的繼續(xù)發(fā)展，粗骨料之間產(chǎn)生了細微的位置調(diào)整［7］。當加入1.0～1.8 kg/m3聚丙烯纖維增強后，應力-應變曲線沒有明顯變化，推測是因為復合纖維彈性模量較低，在無砂混凝土超過極限應變后的破壞過程當中尚無法發(fā)揮作用。

圖3 普通混凝土受壓的應力-應變曲線

圖4 無砂混凝土受壓的應力-應變曲線

3 工程應用效果與問題分析

對于硬化后無砂混凝土孔隙率的測試，假定連通孔隙體積在宏觀大孔中占絕對優(yōu)勢，采用常州萬泰天平儀器有限公司生產(chǎn)的WT50001SF型電子靜水天平，孔隙率P計算如下

式中，W1為試件在水中的質量;W2為將試件從水中取出瀝干內(nèi)部灌入的水并擦干表面多余的水分，待質量恒定后稱取試件在空氣中的質量;ρw為水的密度(取1 g/cm3);V0為試件的外觀體積。具體測試結果見表2。

表2 無砂混凝土現(xiàn)場性能測試結果

采用靜水天平測試的孔隙率均明顯低于計算值，破型后觀察內(nèi)部宏觀孔結構，除連通孔外，仍能發(fā)現(xiàn)少部分墨水瓶型甚至封閉孔［8］。無砂混凝土在靜停24 h后需要及時拆模養(yǎng)護，以防止內(nèi)部水分過分散失所導致的強度增長受限甚至粉化。因其早期強度較低，拆模后極易破損，加入聚丙烯復合纖維增強后能夠有效的遏制破損的擴大，并且明顯降低無砂混凝土固化前由于重力原因造成的混凝土漿體分布不均。經(jīng)比選后確定本工程使用的配合比，水泥用量為465 kg/m3，略高于設計推薦;水灰比0.30，與設計要求一致。配比選定后經(jīng)多次試拌，實測孔隙率在12%～14%，復合纖維摻量調(diào)整后對混凝土28 d強度無顯著影響。

4 結論

無砂混凝土與傳統(tǒng)混凝土相比，受宏觀大孔影響強度較低，其28 d強度達到設計要求的C20等級比較困難，當水灰比0.30時漿體體積需要占總體積的30%左右。經(jīng)過充分討論后，考慮到無法機械振搗等現(xiàn)場實際情況，纖維雖然對抗壓強度的提高沒有明顯效果，但仍能有效減少拆模后工程實體的缺棱掉角等質量通病，加入1.5 kg/m3的聚丙烯復合纖維是必要的施工措施。單純通過漿體的稠度及密度來確定無砂混凝土的配合比并通過觀察描述其工作性能的方法還存在很多困難，對于無砂混凝土工作性能的定量表征仍需進一步研究。

［1］Koenders E A B.Simulation of volume changes in hardening cement-based materials［D］.Delft:Delft University Press，1997:97-99.

［2］李榮煒.植被型生態(tài)混凝土的制備及性能研究［D］.廣州:華南理工大學材料科學與工程學院，2009.

［3］龍廣成，謝友均，王新友.礦物摻合料對新拌水泥漿體密實性能的影響［J］.建筑材料學報，2002，5(1):21-25.

［4］Fan L T，YASHIMA M.Analysis of aggregate shape by means of video imaging technology and fractal analysis［C］.Kansas:［S.N.］，1993.

［5］戎君明，陸建雯，姚燕，等.GB/T 50081—2002普通混凝土力學性能試驗方法標準［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［6］吳國雄，王瑞燕，鄭建明.大孔隙透水砼結構特點及其力學性能研究［J］.重慶交通學院學報，2006，25(3):81-90.

［7］馮乃謙.新實用混凝土大全［M］.北京:科學出版社，2005:487-488.

［8］孫道勝，胡普華，段加超，等.無砂大孔綠化混凝土制備的初步研究［J］.安徽建筑工業(yè)學院學報:自然科學版，2004，12(1):35-39.