CRTSⅢ型板填充层自密实混凝土配制技术研究.pdf

收稿日期：2023-01-16作者简介：陈鹿露（1988-），男，湖南邵阳人，工程师，本科，研究方向工程项目材料试验与检测。16第22卷第2期石家庄铁路职业技术学院学报VOL.22 No.12023 年 6 月JOURNAL OF SHIJIAZHUANG INSTITUTE OF RAILWAYTECHNOLOGYJun.2023CRTS 型板填充层自密实混凝土型板填充层自密实混凝土配制技术研究配制技术研究陈鹿露（中铁十八局集团第五工程有限公司天津300450）摘要摘要：结合京滨铁路 CRTS 型板式无砟轨道自密实混凝土的工程应用，研究不同砂率和水胶比对填充层自密实混凝土性能影响，设计了 20 组 C40 自密实混凝土配比进行对比试验，研究不同砂率和水胶比条件下混凝土间隙通过性及抗离析性的变化规律，据此得到自密实混凝土的最优砂率和最佳胶凝材料用量；在最优配合比的基础上研究了投料顺序和搅拌时间对自密实混凝土工作性能和强度的影响。研究结果表明：填充层 C40 自密实混凝土的最佳砂率为 51%，最佳胶凝材料用量为440 kg/m3；自密实混凝土的最佳投料顺序为：先加入砂、石、胶凝材料，然后搅拌 30 s 后将水和外加剂全部加入，搅拌 3 min；搅拌时间越长越有利于拌合物的均匀性，然而快速搅拌也会带来骨料的磨损，增加了粉体体积，消耗用水量，研究证实自密实混凝土适宜搅拌时间为 4 min。关键词：关键词：CRTS 型板；自密实混凝土；砂率；投料顺序；搅拌时间中图分类号中图分类号：TU528.01文献标识码文献标识码：A文章编号文章编号：1673-1816(2023)02-0016-06自密实混凝土(SCC)是指具有高流动性、间隙通过性和抗离析性，浇筑时仅靠其自重作用而无需振捣便能均匀密实成型的高性能混凝土1。随着客运专线、城际铁路的高速发展，采用 SCC 替代 CAM砂浆作为 CRTS III 型无砟轨道的垫层获得了广泛的应用，但在实际工程中其往往存在离析、泌水、收缩及裂缝等问题2。砂率、胶凝材料用量、投料顺序、搅拌时间等因素均会对 SCC 质量产生较大影响。郭晓悦3、韦丽娴4等通过 C40 板式无砟轨道自密实混凝土的研究表明其最佳砂率为 50%，此时填充层自密实混凝土性能达到最优；宗琦5等通过研究砂率及粒径对 SCC 强度的影响，结果表明其强度与砂率呈反比关系，因而在 SCC 配合比设计时，其砂率不适宜太高。二次搅拌能够有效提高混凝土的力学性能和耐久性能6，王卫中等7认为二次搅拌改善了混凝土界面的微观均质性，减少了水泥颗粒的团聚现象，提高水化程度，改善混凝土界面区的水化物分布状态，进而提高了混凝土强度。以上对板式无砟轨道垫层混凝土的研究更多关注其流动性和自密实性，但对其抗离析性能和耐久性能研究较少，且相关的检测方法没有完整的理论支撑8-10。1工程概况工程概况本工程位于京滨铁路中宝坻至滨海新区 JBSG-3 标段，标段主要工程为“两桥一站”，桥梁长度9.544 km，包括北辰特大桥 726 号墩（不含）至 905 号台 6.584 km；东丽特大桥 0#台至 78 号墩（含）第 2 期陈鹿露CRTS 型板填充层自密实混凝土配制技术研究172.840 km；北辰站路基 2.208 km。DK141+251DK147+861.61 段正线铺设 CRTS 型板式无砟轨道，其中 DK147+835.83DK147+861.61 为无砟轨道路桥过渡段，无砟轨道采用 CRTS III 型板式结构，轨道板与基座板之间空隙用自密实混凝土填充。2实验实验2.1 原材料原材料胶凝材料选用天津金隅 P.O42.5 普通硅酸盐水泥和唐山市宏景 S95 级矿粉，其参数见表 1；粗骨料选用堆积密度为 1505 kg/m3、粒径为 516 mm 的碎石，泥块含量为 0.1%；细骨料采用细度模数为 2.7、堆积密度为 1583 kg/m3的河砂；拌和时采用 ART-JR（缓凝型）减水剂，减水率 32%；引气剂为 ART-XY 液体型减水剂，固体含量为 3.83%，总碱量为 4.96%；拌合用水采用自来水。表 1胶凝材料化学成分和比表面积材料化学成分（质量分数）/%比表面积/(m2kg-1)CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOTiO2K2OSO3LOI水泥54.2518.305.032.783.600.250.672.942.60322矿粉41.7634.1113.640.427.360.630.332.590.664062.2 配合比设计方案配合比设计方案自密实混凝土配合比的设计方法参照 JGJ/T 2832012自密实混凝土应用技术规程进行。配制强度等级为 C40 的自密实混凝土，根据试算结果水胶比选用 0.40，通过改变胶凝材料用量、砂率，通过实验室试验、现场工艺试验和揭板试验研究砂率和胶材用量对自密实混凝土工作性能和力学性能的影响，C40 的自密实混凝土配合比设计如表 2 所示。表 2混凝土配合比序号胶凝材料含量/kg砂率混凝土配合比（kg/m3）水泥矿粉砂子石子水减水剂引气剂14200.48294126869.8942.21687.82.620.49294126887.9924.11687.82.630.52941269069061687.82.640.51294126924.1887.91687.82.650.52294126942.2869.81687.82.664300.483011298639351727.52.670.493011298819171727.52.680.53011298998991727.52.690.513011299178811727.52.6100.523011299358631727.52.6114400.48308132856.3927.717672.6120.49308132874.2909.817672.6130.530813289289217672.6140.51308132909.8874.217672.6150.52308132927.7856.317672.6164500.48315135849.6920.41806.72.6170.49315135867.3902.71806.72.6180.53151358858851806.72.6190.51315135902.7863.71806.72.6200.52315135920.4849.61806.72.62.3 试验方法试验方法（1）混凝土工作性能测试。依据自密实混凝土应用技术规程（JGJ/T 283-2012）的坍落扩展度测试方法检测各配方自密实混凝土的流动性，并记录混凝土拌合物扩展至 500 mm 时的时间T500。（2）混凝土抗压强度测试。在试件养护至 28 d 和 56 d 时，每组取其 3 个试件，按照文献14石家庄铁路职业技术学院学报2023 年第 2 期18的方法测试混凝土的抗压强度。（3）混凝土电通量试验。自密实混凝土电通量试验采用混凝土电通量测定仪和真空保水机进行测试。采用文献15-16中描述的方法测得自密实混凝土的电通量值。3试验结果与分析试验结果与分析3.1 砂率和胶凝材料用量对混凝土工作性能的影响砂率和胶凝材料用量对混凝土工作性能的影响不同胶凝材料用量和不同砂率时，各组新拌混凝土的流动性能和 28 d 抗压强度如表 3 所示。表 3不同砂率及胶凝材料用量条件下混凝土各参数序号坍落扩展度/mmT500/s含气量/%28 d 抗压强度/MPa28 d 电通量值/库仑备注15854.25.348.61227.12离析、轻微泌水25905.025.551.21000.56离析、轻微泌水36105.455.752.5895.23离析、轻微泌水46305.5655.7601.50无离析56206.046.254.8752.32无离析66104.055.449.21121.30离析、轻微泌水76304.895.250.91098.65无离析86255.125.853.2789.62无离析96405.46.256.7452.01无离析106305.956.255.2785.32无离析116253.75550.21058.36无离析126353.655.451.5758.23无离析136403.985.557.2498.65无离析146503.35.659.6207.10无离析156503.54657.8395.67无离析166303.55.250.21023.32无离析176403.755.550.9896.24无离析186503.9655.5562.31无离析196603.426.658365.32无离析206503.645.656.5398.78无离析从表 3 可知，当砂率为 48%时，胶凝材料用量为 420430 kg/m3时，混凝土出现离析及轻微泌水现象，这表明在进行自密实混凝土配合比设计时，砂率和胶凝材料用量均不能较低。依据表 3 测试数据，绘制不同砂率条件下各组不同胶凝材用量混凝土坍落扩展度、T500变化曲线，如图 1 和图 2 所示。图 1 不同砂率条件下各组混凝土坍落扩展度图 2 不同砂率条件下各组混凝土的 T500由图 1 可以看出：不同胶凝材用量混凝土拌合物扩展度整体上随着砂率的增大呈现出先增大后降低的趋势，当砂率为 51%时，各组混凝土扩展度达最大值，此时混凝土扩展度较最小值增大约12.8%；当砂率相同时，混凝土扩展度与胶凝材料用量成正比关系；胶凝材料用量为 440 kg/m3和 450kg/m3时，混凝土性能较为稳定，扩展度波动较小。由图 2 可以看出：胶凝材料用量与 T500呈负相关；当胶凝材料用量为 440 kg/m3，砂率为 51%时，混凝土 T500为最小值，仅为最大值的 51.6%；图中胶凝材料用量为 440 kg/m3和 450 kg/m3的混凝土，其 T500要明显小于胶凝材料用量为 420 kg/m3和 430 kg/m3的混凝土，这是由于随着胶凝材料第 2 期陈鹿露CRTS 型板填充层自密实混凝土配制技术研究19用量增加，砂浆流动度提高，混凝土流动速度加快，塑性黏度下降，两者之间呈现出反比关系；适宜范围内砂率的增加也会降低混凝土的黏性，并提高混凝土的流动性。3.2 砂率和胶凝材料用量对混凝土强度的影响砂率和胶凝材料用量对混凝土强度的影响不同砂率条件下各组混凝土含气量、抗压强度分别如图 3图 4 所示。图 3 各组混凝土的含气量图 4 各组混凝土的抗压强度图 5 各组混凝土的电通量值从图 3 和图 4 可以看出：各组混凝土 28 d 强度差别较小，基本呈现出随砂率增大而先增大后降低的趋势，当砂率为 51%时，各组混凝土强度达最大值；随着胶凝材料用量的增加，各组混凝土强度先增大后降低，在降凝材料用量为 440 kg/m3时，混凝土强度达最大值，此时混凝土 28 d 抗压强度是强度最低时的 1.07 倍。3.3 砂率和胶凝材料用量对混凝土密实度的影响砂率和胶凝材料用量对混凝土密实度的影响混凝土的密实度可用电通量表征，不同砂率条件下各组混凝土电通量测试结果如图 5 所示。从图 5 可以看出：各组混凝土密实度略有差异，电通量数据基本呈现出随砂率增大而先降低后增大的趋势；当胶凝材料用量为440450 kg/m3时，混凝土电通量要明显小于胶凝材料用量为420430kg/m3，这表明在砂率为 0.51，胶凝材料用量为 440450 kg/m3时，混凝土的电通量值最低，其密实性最好。综合分析图 1图 5 可知：C40 自密实混凝土的最优砂率为 51%，最佳胶凝材料用量为 440 kg/m3，此时混凝土流动性最优，强度和密实性能也较好。4投料顺序对自密实混凝土性能的影响投料顺序对自密实混凝土性能的影响由前面试验结果求得最优配合比为胶凝材 440 kg，砂率 51%，水胶比 0.40，减水剂 1.6%，黏改剂 30 kg，膨胀剂 45 kg，引气剂 0.59%。根据水泥、石子、砂子三种原材料同时与水接触和粉体与砂同时接触水后添加石子，将投料顺序分为 6 种17，如表 4 所示，控制净搅拌时长为 3 min。表 4 投料顺序序号名称步骤搅拌时长/s123A普通法砂、石、粉体（30s）水、Sp（180s）210B减水剂后掺法砂、石、粉体（30s）4/5 水（30s）1/5 水、Sp（150s）210C水泥砂浆法砂、粉体（30s）4/5 水（30s）石、1/5 水、Sp（150s）210D水泥裹砂法砂、4/5 水（30s）粉体（30s）石、1/5 水、Sp（150s）210E净浆裹石法石、4/5 水（30s）粉体（30s）砂、1/5 水、Sp（150s）210F水泥裹砂石法砂、石、4/5 水（30s）粉体（30s）1/5 水、Sp（150s）210各组不同投料顺序的混凝土扩展度、T500和强度测试结果见表 5 所示。由表 5 测试结果可知：（1）以 A 组为基准组，以其坍落扩展度30 mm 为可波动范围。B、D、F 三组均超出了 A 的波动区间，分别为 A 的 94%、93%和 86%，C、E 两组均位于 A 的波动区间内，上下浮动均不超过 10 mm。A、B、C、D 四组流动性较为接近，E 组流动性能最好，F 组则最差，此时 E 组的 T500石家庄铁路职业技术学院学报2023 年第 2 期20仅为 F 组的 46.6%。B 组流动性低是由于后掺减水剂致使其净搅拌时间变小，其分散效果降低；D、E、F 三组均为骨料先接触水，D 组中砂与水解除后会吸附一部分水分，致使其流动性降低，E 组中是石子先与水接触，其对水的吸附作用较小，故而拌合物流动性无明显降低，F 组中砂石同时先接触水，两者对水有着共同吸附作用，因此拌合物流动性出现较大幅度降低。（2）各组混凝土强度数据波动较大，这表明投料顺序对混凝土强度影响较大；A、B 两组强度相差较小，这表明传统的投料方法更有利于混凝土强度的保证，其他四组强度处于同一水平，表明骨料的吸附作用会使浆体与骨料的粘接作用降低，进而使其强度下降。以 A 组的普通投料法为参照，28 d 时其他投料顺序强度变化为 A 的 84.9%101.5%，56 d 时其他投料顺序强度变化为 A 的87.1%97.8%。当采用减水剂后掺法搅拌时，则需要适当延长搅拌时间，以保证其强度的发展。表 5 各组混凝土测试结果编号扩展度/mmT500/s28 d 强度/MPa56 d 强度/MPaA6504.5759.663.5B6104.1960.562.1C6405.1352.555.5D6054.6953.659.2E6603.0350.655.3F5606.5056.559.45搅拌时间对自密实混凝土性能的影响搅拌时间对自密实混凝土性能的影响采用普通搅拌法制备混凝土，按不同搅拌时间的坍落扩展度和 T500测试结果以及强度测试结果分别如图 6 和图 7 所示。图 6 不同搅拌时间下混凝土坍落扩展度和 T500图 7 不同搅拌时间下各龄期混凝土强度从图6和图7可以看出：混凝土拌合物流动性与搅拌时间呈正相关，随着搅拌时间的延长，混凝土均匀性更好，塑性粘度下降，流动性增强；当搅拌时间为4 min5 min时，拌合物流动性能平稳变化，此时搅拌时间对混凝土28 d和56 d强度影响已经不显著。综合工作性能和力学性能的结果可知，随着搅拌时间的延长，混凝土的均匀性越趋良好，故而拌合物流动性上升，降低了流动时间；然而随着搅拌时间的延长，也会使混凝土中骨料磨损，增加混凝土中粉体含量，加大用水量的消耗，因此，自密实混凝土适宜搅拌时间为 4 min。6结论结论（1）综合考虑自密实混凝土强度、流动性能以及密实度，现场自密实混凝土最佳砂率为51%，最优胶凝材料用量为440 kg/m3；（2）确定最佳投料顺序为普通投料法，即先加入砂、石、胶凝材料，然后搅拌30 s后将水和外加剂全部加入，搅拌3 min；当采用减水剂后掺法搅拌时，则需要适当延长搅拌时间，以保证其强度的发展；（3）搅拌时间越长越有利于拌合物的均匀性；然而快速搅拌也会带来骨料的磨损，增加了粉体体积，消耗用水量，因此，自密实混凝土适宜搅拌时间为4 min。第 2 期陈鹿露CRTS 型板填充层自密实混凝土配制技术研究21参考文献：参考文献：1 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on Preparation Technology of Self Compacting Concrete for CRTS Slab Filling LayerChen Lulu(The Fifth Engineering Co.,Ltd.of China Railway 18th Bureau Group Tianjin 300450,China)Abstract:In combination with the engineering application of CRTS III type slab ballastless track selfcompacting concrete on Beijing Binhai Railway,the influence of different sand ratio and water binder ratioon the performance of self compacting concrete in the filling layer is studied.Twenty groups of C40 selfcompacting concrete are designed for comparative tests to study the variation law of the concrete gaptrafficability and anti segregation under different sand ratio and water binder ratio conditions,according towhich the optimal sand ratio and the optimal amount of cementitious material of self compacting concreteare obtained.Based on the optimum mix proportion,the effects of feeding sequence and mixing time on theworkability and strength of self compacting concrete are studied.The results show that the optimum sandratio of C40 self compacting concrete in filling layer is 51%,and the optimum amount of cementitiousmaterial is 440 kg/m3.The best feeding sequence of self compacting concrete is:first add sand,stone andcementitious materials,mix for 30s,then add all water and additives,and mix for 3min.The longer themixing time is,the better the uniformity of the mixture will be.However,rapid mixing will also bringaggregate wear,increase the powder volume and consume water.Research has confirmed that the propermixing time for self compacting concrete is 4 minutes.Key words:CRTS slab;self compacting concrete;sand ratio;feeding sequence;mixing time