高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土高稳健性减水剂研发与应用.pdf

2 0 1 6年 第 1期 (总 第 3 1 5 期 ) N u mb e r 1 i n 2 0 1 6( T o t a l N o 3 1 5) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 PRACTI CAL T ECHNOLOGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 6 0 1 0 3 7 高速铁路 C R T S I I I 型板式无砟轨道 自密实混凝土 高稳健性减水剂研发与应用 徐文 ， 杨勇 ， 刘金枝 ，蒋金洋 ( 1 东南大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 2 1 1 1 8 9 ； 2 江苏苏博特新材料股份有限公司， 江苏 南京 2 1 1 1 0 3 ) 摘要： 基于高分子聚合物结构设计与调控原理， 研发了一种高稳健性聚羧酸减水组分 P e A W。 采用水泥净浆流动度 、 砂浆抗 离析指数、 自密实混凝土工作性等方法测试了 P C AW 相关性能。 试验结果表明 ： 相比于常规 聚羧酸减水剂 ， 掺加 P C A W 制 备的新拌水泥基材料对用水量 、 含泥量波动 ， 以及外界机械扰动等具有最高的稳健性 ， 尤其适用于敏感性强的高速铁路 C R T S I I 型板式无砟轨道 自密实混凝土 ， 并在郑徐客运专线得到了成功应用。 关键词 ： 高速铁路 ；自密实混凝土 ； 减水剂； 稳健性 ； 抗离析指数 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 2 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 1 5 3 0 3 Re s e a r c h a n d a p p l i c a t ion o f a h i gh r o b u s t wa t e r r e d u c e r i n h i g h s p e e d r a i lwa y s l a b b a l l a s t l e s s t r a c k o f CR T SI I I XU W e n 一， YANG Yo n g ， L J i n z h i ， J I ANG J i n ya n g ( 1 S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 1 1 8 9 ， C h i n a 2 J i ang s u S u b o m Ne w Ma t e ri a l s Co ， L t d ， Na n j i n g 2 1 1 1 0 3， Ch i n a ) Abs t r ac t ： Ba s e d o n the the o r y o f hi g hmol e c u l a r p o l y me r s t r u c t ur e d e s i g n a n d r e gu l a t i o n， a n e w t y p e o f wa t e r r e d u c e r wi th h i g h r o b u s t n e s s wa s d e v e l o p e d T h e fl u i d i ty o f c e me n t p a s t e ， s i e v e s e g r e g a t i o n i n d e x o f mo r t a r and wo r k a b i l i ty o f s e l f c o n s o fi d a ti n g c o n c r e m we r e u s e d t o e v a l u a t e the p e rfo r man c e s o f P CA W Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s i n d i c a t e tha t c o mp are d wi t h c o n v e n ti o na l wa t e r r e du c e r s ， the f r e s h c e me n t - b a s e d ma t e ria l s i s p r o d u c e d wi th PCA - W p o s s e s s e d the h i g h es t r o b u s t n e s s to wa t e r a n d c l a y q u a n t i t y flu c t u a t i o n a n d e x t e r n a l me c h an i c a l dis t u r b anc e s Th e r e f o r e ， i t i s e s p e c i a l l y s u i tab l e f o r the s e l f c o n s o l i d a t i n g c o n c r e t e wi th h i g h s e n s i b i l i ty u s e d i n h i g h s p e e d r a i l wa y s l a b b a l l a s t l e s s t r a c k o f CRTSI I I an d h a s b e e n s uc c e s s f u l l y a p p l i e d i n Zh e n g Xu p a s s e n g e r s r a i l wa y l i n e K e y wo r d s： h i g h s p e e d r ail wa y ； s e l f c o n s o d a fi n g c o n c r e t e ； wa t e r r e d u c e r ； r o b u s t n e s s ； s i e v e s e gre g a ti o n i n d e x 0 引言 具有我国 自主知识产 权 的 C R T S I I I 型板 式无砟 轨道 是 由钢轨扣件、 有挡肩预制混凝 土轨道板 、 自密实混凝 土 层 、 铺有土工布的混凝土底座或水硬性支承层等构成的轨 道结构 。 作为智能动力混凝 土( 以混凝土材料 自身智能 动力实现结构的 自充填和 自密实功能 ) 的典型代表 自 密实混凝土应用其中， 起到连接构件、 传递载荷、 保障列车 平稳运行的重要作用 ， 如东北沈丹 客专 、 四川成绵乐客专 、 武汉城际圈等 。 C R T S I I I 型板式无砟轨道充 填层的封 闭空 间、 多重阻 碍 ( 钢筋网片、 轨道板底 的门型钢筋 、 底座 的限位 凹槽等 ) 以及柔性基础 ( 土工布 ) 三大特征决定 了灌 注其 中的 自密 实混凝土工作性的高要求 ， 即通过减水组分强分散性实现 体系大流动性和保坍性的同时， 亦要抑制离析倾向加剧， 兼顾拌合物 良好的稳健性 ， 避免浆骨分离 、 泌水 、 泡沫性浮 收稿 日期 ： 2 0 1 5 -0 3 - 0 1 基金 项 目 ： 中国铁路总公司科技研究开发计划重大课题 ( 2 0 1 4 G 0 0 1 一C) 浆等不利情况 。 同时 ， 高速铁路条带状分 布 ， 具有跨度大 、 施工战线长等特点 ， 带来了原材料匀质性( 如砂石含泥量 、 含水率等) 、 规模化生产质 量以及施工质量控制难 度较大 等问题。 因此 ， 适 用于 C R T S I I I 型板式无 砟轨道充填层 自 密实混凝土 的减水剂更应强 调其 对于复杂情况 的适应 性 以及所制备混凝 土的稳健性 ， 当原材料品质 ( 如 骨料含 水 率 、 含泥量 ) 等在一定范围内发生波动时 ， 混凝土拌合物品 质不致发生大幅变化 ， 能够继续保持其 良好 的 自密实工作 性 一 。 但是 ， 目前已经完成和正在施工 的 C R T S I I I 型板式 无 砟轨道充填层 自密实混凝土对于工作性 的调控 ， 通常是在 常规振捣混凝土聚羧酸减水剂基础上进行复配调整 ， 或一 味增加胶凝材料用量 ， 往往事倍功半 ， 经济效 益和工期受 到严重影响 ， 且实际应用情况往往并不理想。 因此 ， 本研究 针对适用于高速铁路 C R T S I I I 型板式无砟轨道 自密实混 凝土 的高稳健性减水剂进行 了一系列研究 开发 ， 并在郑徐 1 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 客运专线实现 了成功应用 。 1 高稳健性 自密实混凝土减水组分分子构建 原 理 通过对羧酸类接枝共 聚物作用机理 以及两性聚 电解 质溶液特征的深入分析和试验 ， 在拟合成的聚合物 中引入 较大比例对水具有 良好亲合性的长聚醚侧链 ， 不会发生水 解反应， 可以长期提供强烈的位阻作用， 延缓水泥颗粒的 物理凝聚 ， 从而提供其 良好 的分散性能 。 聚醚侧链 以醚键 ( 一O 一) 和主链相连， 降低对水胶比和搅拌速度的敏感 性。 在主链 中引入较高比例阴、 阳离子基团 ， 提供大量 吸附 点 ， 同时可以有利于保持聚合物 的伸展溶液 构象 ， 提高共 聚物在 水 泥 不 同矿 物组 分 中的 吸 附量 ， 显 著增 大减 水 率 在此基础上 ， 引入酯型长侧链 ， 桥接基 团为一c 0 0 一 ， 能够提供一定 的空间位阻 ， 同时还 能调整共聚物的主链序 列结构 ， 调节聚合物在水溶液 中构象 ， 另外酯 基在水泥碱 性环境 中水解 出大分子侧链 ， 显著降低外加剂对泥含量 和 用水量等 因素波动的敏感性 ， 如图 1 所示 。 图1 高稳健性聚羧酸分子结构示意图 2 高稳健性 自密实混凝土减水组分性 能试验 2 1 水泥净浆流动度 依据 G B 8 0 7 6 -2 0 0 8 混凝 土外加剂 对 相 同减水剂 掺量( 固体掺量 0 1 5 ) 、 不 同用水量下 的水泥净浆 流动度 进行试验研究。 水泥采用符合标 准 G B 8 0 7 6 -2 0 0 8 混凝 土外加剂 要求的基准水泥； 混凝土减水剂为常规聚羧酸 减水剂 P C A I V和 P C AV I I I ， 以及高稳 健性 自密实混 凝土专用减水剂 P C AW； 拌合水采用饮用水。 试验结果 如图 2所示。 随着用水量的增加 ， 常规 减水剂 P C A I V 和 P C A V I I 1 分散性能基本呈线性增 加 ， 变化 幅度相对 较大 ， 直至 出现离析 ； 而高稳 健性 自密实混凝 土减水组分 P C A W 的净浆流动度增长较为缓慢 ， 用水量较低时表现出最 大的 减水率 ， 用水量逐步增加对流 动度 的影响则 相对较小 ， 表 现出其对用水量变化敏感性相对较低的特点。 宕 吕 需 避 舟 水 g 图 2 P C AIV、 P GAVI I I 和 P C AW 不 同用 水量下的净浆流动度 2 2水泥砂浆抗 离析指数 为完善减水组分性 能评 价体系 ， 增加稳健性 指标 ， 试 验借鉴欧洲 自密 实混凝 土指南和 B S I E N 1 2 3 5 0 i l l中混 凝土抗离析性能评 价方法 ， 引入抗离析 指数 S S I 。 具体试 验过程 如下 ： 取近 似 2 0 0 m L砂浆 从 3 0 0 m m 高 处 倒人 1 1 8 m m筛中， 部分浆体将通过筛孔坠下， 2 m i n后收集坠 落的浆体 。 砂浆稳健性( 抗离析性能) 越 好 ， 坠落 的浆体量 就越少 ， 采用坠落的浆体 比例来评价砂浆抗离析性能。 抗离析指数 ( S S I ) 采用式 ( 1 ) 计算 ： s s I ： x1 0 0 ( 1 ) k ) 式 中： 底部接受盘中砂浆质量 ； MM 倒入筛 中砂浆质量 。 S S I 值越低表明砂浆抗离析性能越好， 即稳定性越好。 采用 S S I试 验 方 法 ， 对 P C A I V、 P C A V I I I和 P C A W 的稳健性进行评价 。 调整减水剂用量 ， 控制砂浆 扩展度( z 8 o 1 0 ) m m， 掺入适量消泡剂控制砂浆含气量约 为 3 5 ， 试验结果如表 1所示。 3种减水剂抗 离析稳健 性从高到低依次为 ： P C A W P C AI V P C AV I I I 。 可见 P C A w 具有最佳的稳健性 ， 受外界机械扰动 的影 响最小 ， 尤其适用于高敏感性 的自密实混凝土。 表 1 P C A W 砂浆抗离析指数 注 ： 砂浆配合比为基准水泥： 标准砂 ： 水 =1 ： 2 ： 0 3 5 ， 试验温度 2 0 。 2 3 自密实混凝 土工作性 在水泥净浆 、 砂浆试验基础上 ， 研究 了用水量波 动和 黏土含量对使用 P C A I V、 P C AV I I I 和 P C AW 配制 的C 4 0自密实混凝土工作性的影响， 其原材料与配合比如 表 2 所示 。 表 2 自密实混凝土原材料与配合比 1 5 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 关于用水量 波动对 自密实混凝土工作性影 响的试验 结果如表 3 所示。 当用水量增加不超过 8 k g m 3 时， 使用 P C A W 配制的大流动 陛 混凝土状态在可控范围内， 未 出现 明显 离析现象 ， 而使用 P C A I V 和 P C AV I H配制 的混凝土 则离析倾 向不断加剧 ， 很快无法满足 自密实性要求。 关于黏土含量对 自密实混凝 土工作 性影响的试验结 表 3 用水量波动对使用 P C AW 制备 自密实混凝土工作性的影响 注： 坍落扩展度参考指标 46 8 0 mm； V漏斗通过时间参考指标 2 5 S ； J 环高度差参考指标 l 8 m m。 果如图 3 所示 。 图 3 ( a ) 为不 同黏土 含量对 掺有 P C A I V 和 P C A W 的自密实混凝土初 始流动度 的影响 ， 图 3 ( b ) 为在黏土含 量达 到胶 材用 量 6 的情 况下 ， P C A I V 和 P C A W 与同一种保坍组分复合后 ， 制备的 自密实混凝土 流动度经时保持能力 。 由图中数据可见 ， 无论是初始流动度 还是流动度保挣陛能， 高稳健性混凝土外加剂 P C A W 受黏 土含量影响均较小， 明显优于常规聚羧酸减水剂 P C A I V和 P C A V I I ， 说明其具有 良好 的材料适应性， 适用于含泥量较 高的砂石集料。 对于年降雨量较少的我国北方地 区以及人工 砂用量较高的川贵地区， P C A W取得了良好的应用效果。 3 高稳健性 自密实混凝 土减 水组 分工程应 用 在前期试验研究基础上， 于2 0 1 4年 5月至 l 1 月间， 将 试验室制备的适用 于 C R T S I I I 型板式无砟轨道 自密实混凝 土的高稳健性减水组分应用于郑徐客运专线 4 标 、 7 标 、 8标 部分分部， 各分部 自 密实混凝土配合比如表4 所示。 g 目 越 犍 密 吕 鑫 篓 ( b ) 针对各标段分部 自密实混凝土原材料与配合 比的差 图3 黏土含量对使用 P C A W制备自 密实混凝土工作性的影响 表 4 郑徐客专 CR T S I I I 型板式无砟轨道 自密实混凝土配合比 k g m 异性 ， 采用高稳健性 自密实 混凝土减水组分 P C A W ， 并 适量引入保坍 、 缓凝、 引气等其他助剂， 制备的自密实混凝 土拌合物典型工作性能如表5所示 ， 初始与 2 h后坍落扩 展度 、 T 。 。 时间、 含气量等指标完全满 足 C R T S I I I 型板式无 砟轨道 自密实混凝土要求。 这几个标段分处郑徐客专沿线不同地 区， 白密实混凝 表 5 自密实混凝土拌合物工作性能 土原材料来源广泛 ， 存在一定波动性 ， 且施工时 间横跨夏 、 秋、 冬三个季节， 气温变化大， 给自密实混凝土的制备与灌 注施工带来 了很大挑 战， 要求使用 的混凝土外加剂应具有 很高的稳健性 ， 才能保证复杂条件下 的 自密实混凝土状态 可调可控。 在铁科 院、 各施工单位等 全力支持与密切 配合 下 ， 项 目组经 过大量试 验室试 验研究 和工程 现场试配 调 整 ， 针对不同标段原材料特点 ， 成功制备出各项性 能指标满 足要求 的 C R T S m 型板式无砟轨道 自密实混凝 土 ， 有力保 障了郑徐客专相应标段 的顺利线下验收与线上浇筑施工 。 下转第 1 6 0页 1 5 5 o 湖枷姗瑚 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m