自密實混凝土原材料及其配合比的選擇與優(yōu)化

彭 紅

(中鐵十八局集團第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

0 引言

自密實混凝土是一種新型混凝土，在自重的作用下就能完成流動和密實，具有很強的均勻性和穩(wěn)定性。鐵路軌道施工中多采用自密實混凝土施工，主要原因是其在密度比較大的鋼筋結構體系中可以形成密實度比較大的結構，而且具有良好的均質(zhì)性，在澆筑完成之后無需振動，可減少施工工序。影響自密實混凝土施工質(zhì)量的因素比較多，其中原材料的性能和配合比尤為重要。姜迪[1]在自密實混凝土配合比優(yōu)化試驗研究中指出，科學合理的配合比是保證自密實混凝土質(zhì)量的關鍵。但是，依然有很多施工單位在應用自密實混凝土進行施工時，忽略原材料的選擇和配合比設計，致使自密實混凝土的強度、質(zhì)量、性能都無法達到理想的效果?；诖耍_展自密實混凝土施工原材料的選擇和實驗室配合比確定的研究，可更好地保障自密實混凝土的質(zhì)量，最大限度地發(fā)揮自密實混凝土的優(yōu)勢，更好地保障鐵路工程質(zhì)量。

1 工程概述

新建鄭州至濟南鐵路ZPZQ-Ⅱ標段的起訖里程為：(DK230+789.63)～(DK275+695.83)，線路長度44.906 km，包括內(nèi)黃站站場路基1.550 km、區(qū)間路基0.627 km、框架小橋1座、框架中橋1座、框架涵4座、站場旅客通道1座、橋梁2座共42.729 km(濮陽特大橋長15.842 km，滑縣特大橋長26.886 km)。正線鋪設CRTSⅢ型板式無砟軌道。標準軌道板型號有P5600，P4925，P4856三種，總板數(shù)為16 414塊，ZPZQ-Ⅱ標段布板明細見表1。

表1 ZPZQ-Ⅱ標段布板明細

2 自密實混凝土的原材料

為保證施工質(zhì)量，需要科學合理地選擇高性能原材料，以保證自密實混凝土的強度(56 d抗壓強度≥40.0 MPa，56 d抗折強度≥6.0 MPa，56 d彈性模量在(3.0～3.8)×104MPa之間)、耐久性(56 d電通量≤1 000 C，56 d抗鹽凍性能(28次凍融循環(huán)剝落量)≤1 000 g/m2，56 d干燥收縮值≤400×10-6)、坍落擴展度(≤680 mm)等各項指標都能符合設計要求。

2.1 水泥

水泥是配制自密實混凝土的主要原料。在選擇水泥時，既要考慮強度，也要考慮抗裂性和抗?jié)B性。在本案例工程施工中，選擇了強度為42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥，性能滿足如下標準：比表面積控制為300～350 m2/kg；游離氧化鈣的含量≤1.0%；堿的含量≤0.6%；熟料中C3A的含量≤8.0%；氯離子的含量≤0.06%；三氧化硫含量≤3.5%；燒失量含量≤5.0%；氧化鎂含量≤5.0%；安定性(沸煮法：雷氏夾變化量≤5 mm)及凝結時間(初凝≥45 min，終凝≤600 min)符合《鐵路混凝土》(TB/T 3275—2018)要求[2]。

2.2 礦物摻合料

在配制自密實混凝土時，加入適量的礦物質(zhì)摻合料可有效提升自密實混凝土的性能，而且還能減少水泥用量，降低水化熱，有助于控制裂縫。在本案例工程施工中，礦物質(zhì)摻合料選擇了粉煤灰和礦渣粉，其技術標準見表2和表3。

表2 粉煤灰的技術標準

表3 礦渣粉的技術標準

2.3 細骨料和粗骨料

細骨料也是自密實混凝土的主要原材料。為保證總體施工質(zhì)量，選擇級配合理、質(zhì)地堅硬，且吸水率比較低、空隙率比較小的清潔天然河砂，砂細度模數(shù)控制在2.5及以下，并確保細骨料在0.3～1.18 mm范圍內(nèi)顆粒含量滿足20%～40%的要求，含泥量不大于2.0%，其他性能滿足《鐵路混凝土》(TB/T 3275—2018)的規(guī)定[3]。

粗骨料則要選擇粒型比較好、質(zhì)地堅硬、線脹系數(shù)小的清潔碎石或者卵石，盡量選擇二級配骨料相互混合而成，也要保證粗骨料的最大粒徑不能超過16 mm,針片狀顆粒含量不大于5.0%，含泥量不大于0.5%，其他性能滿足《鐵路混凝土》(TB/T 3275—2018)的規(guī)定。

2.4 減水劑和引氣劑

在配制自密實混凝土時，加入適量的減水劑，可提升混凝土的耐久性，更好地控制裂縫，但需要保證所選的減水劑能夠與水泥、摻合料等材料之間具有良好的相容性，其性能應滿足《鐵路混凝土》(TB/T 3275—2018)的規(guī)定[4]。

加入適量的引氣劑可促使自密實混凝土施工中氣泡能夠更加順利地排出，以免形成麻面，影響自密實混凝土的質(zhì)量。但在具體選擇時，需要保證引氣劑和減水劑、水泥、摻合料等之間能夠相互適應，避免沖突[5]。

2.5 粘度改性材料

在自密實混凝土施工中，為最大限度地保證施工質(zhì)量，還需要合理選擇粘度改性材料，以提升自密實混凝土的粘度，防止泌水，改善混凝土和易性[6]。在改善離析問題的基礎上，不降低自密實混凝土施工的力學性能及耐久性。在本案例工程施工中，粘度改性材料的性能見表4。

表4 粘度改性材料的性能

2.6 膨脹劑和拌合水

膨脹劑盡量選擇Ⅱ型膨脹劑，以保證水中養(yǎng)護7 d的限制膨脹率不低于0.05%，空氣中養(yǎng)護21 d的限制膨脹率不小于-0.010%。

拌合水選擇可直接飲用的水，性能符合《鐵路混凝土》(TB/T 3275—2018)的要求。與拌合水相比，養(yǎng)護用水除可溶物、不溶物沒要求之外，其余應當和拌合水的性能一致[7]。

3 優(yōu)化自密實混凝土的配合比

3.1 配合比試驗

為了優(yōu)化配合比，保證施工質(zhì)量，在施工前進行了5次自密實混凝土配合比試驗，具體的參數(shù)見表5。不同養(yǎng)護時間后樣品的工作性能及強度、收縮率分別見表6和表7。

表5 5次自密實混凝土配合比試驗的參數(shù) kg

表6 不同養(yǎng)護時間后樣品的工作性能及強度

表7 不同養(yǎng)護時間后樣品的收縮率

3.2 確定最佳配合比

11號和12號樣品的配合比中水泥用量比較大，樣品強度大，但同時其早期收縮率和自收縮率也比較大，容易形成裂縫，不利于保證自密實混凝土的施工質(zhì)量[8]。而21號樣品中沒有添加粘度改性劑，容易發(fā)生泌水問題，氣泡也容易上浮，收縮較快，容易形成裂縫，不利于保證自密實混凝土施工的耐久性。而TPB40R1和TPB40R2樣品基本上都能滿足本案例工程無砟軌道充填層自密實混凝土性能的要求，但從早期強度和收縮率上來看，TPB40R1樣品的性能更優(yōu)。因此，在本案例工程施工中，選擇TPB40R1作為主要的配合比，TPB40R2作為備用配合比。

4 施工效果分析

對于無砟軌道P5350Ⅲ板，A板采用 TPB40R1配合比，B板選用 TPB40R2配合比。軌道板底座由C40混凝土澆筑而成，再在上方布設一層厚度為5 mm的土工布，中間鋪一層φ 12 mm的鋼筋網(wǎng)片，四周用模板密封，中間灌注孔，兩邊及四角各留一個排氣孔，從軌道板中間孔單點連續(xù)灌注自密實混凝土。

揭板后，A板和B板均無收縮性裂紋，表面均無松軟發(fā)泡層，表面密實、平整、無離析、 露石。B板有蜂窩現(xiàn)象，表面無50 cm2以上的氣泡，6 cm2及以上氣泡的面積之和不超過板面積的2%。A板自密實混凝土與軌道板和底座的四周接觸良好，充盈性飽滿，B板側面充盈性略差，自密實混凝土和軌道板座粘結不飽滿。A板表面沒有明顯的流水痕跡，B板有少許流水痕跡，少量氣泡沒有排除，現(xiàn)總結如下。

1)采用聚羧酸減水劑+粘度改性材料+膨脹劑+外摻料為原材料制備的自密實混凝土的流動性及保塑性良好，構件內(nèi)漿體包裹石子均勻流淌，順利穿過鋼筋網(wǎng)片，從排氣孔里流出，滿足自密實要求。

2)良好的工作性能和飽滿的充盈性能夠使混凝土更好地排除劣質(zhì)性氣泡，增強軌道底座和軌道板粘聚作用，能夠有效地預防軌道板上浮。

3)吸水載體使混凝土在水化過程中緩慢釋放水分，減少水化反應失水導致的自收縮裂縫，微膨脹成分補償部分早期自收縮和干燥收縮，實現(xiàn)自養(yǎng)護、微收縮。

4)TPB40R1配合比混凝土具有充盈性飽滿、氣泡小、密實、粘結力強等特點，克服了C40自密實混凝土在密閉式無砟軌道Ⅲ型板中劣質(zhì)性氣泡難排除、上下混凝土界面粘結力小、混凝土易收縮的問題，能有效控制灌注過程中由混凝土引起的板上浮量。

5 結束語

結合新建鄭州至濟南鐵路ZPZQ-Ⅱ標段實際情況，分析了鐵路軌道施工中自密實混凝土原材料和配合比的選擇與優(yōu)化。在自密實混凝土施工中，原材料的選擇是否達標直接決定了整個工程的總體質(zhì)量，只有結合工程特點和現(xiàn)場實際情況，做好對施工原材料的選擇，并通過多次試驗確定最佳的配合比，才能充分發(fā)揮自密實混凝土的優(yōu)勢，保證無砟軌道施工質(zhì)量。