天气变化对自密实混凝土灌注质量及性能的影响

郭厚勇，张玉山，张春林

(中铁十一局集团第三工程有限公司,湖北 十堰 442012)

对于高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道而言，自密实混凝土(Self-compacting Concrete，SCC)充填层质量控制是其结构质量和施工控制的核心。而自密实混凝土质量控制则是保证充填层质量的重要基础。与普通混凝土相比，自密实混凝土具有高流动性、抗离析和填充能力强等特点[1]。然而，在生产、运输、灌注以及养护过程中，自密实混凝土比较敏感，容易受到原材料波动、自由水和极端天气的影响[2]。大量研究表明，极端天气是自密实混凝土工作性和耐久性主要的破坏因素。

文献[2]分别模拟高温和低温天气环境，总结了随着温度变化新拌自密实混凝土工作性能、流变性能及黏结性能的变化规律；文献[3]研究了温度变化对自密实混凝土早期凝结时间和收缩变形的影响；文献[4]通过大量试验数据对高温如何影响自密实混凝土力学性能做了系统的研究。但目前大部分研究都集中在天气条件变化对自密实混凝土本身流变性能、力学性能和耐久性能的影响，且基本都建立在实验室研究的基础上，局限性较大，而关于天气变化影响自密实混凝土充填层灌注质量的研究相对较少。

本文基于郑阜客运专线CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土线外工艺性灌揭板试验，分别研究了秋季晴天、秋季小雨和冬季低温天气对自密实混凝土工作性能、力学性能的影响，并在此基础上对自密实混凝土充填层的表面质量、断面均匀度、密度、孔隙率、吸水率等参数进行了评价和验证。同时，根据试验中发现的问题，对于雨天或低温天气下自密实混凝土灌注施工提出了相应的建议。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥为河南省同力水泥有限公司生产的P.O 42.5 普通硅酸盐低碱水泥；粉煤灰为河南省兴安新型建筑材料有限公司生产的F类Ⅰ级粉煤灰；矿粉为河南省新星矿粉有限公司生产的S95级矿渣粉；膨胀剂为山西省运城市泓翔建材有限公司生产的HXUEA-Ⅱ型膨胀剂；黏度改性剂为安徽中铁工程材料科技有限公司生产的ZTVM-1型黏度改性材料。

细骨料为河南信阳罗山产细度模数为2.6的天然河砂(中级)；粗骨料为河南禹州方山产2种连续级配碎石，最大粒径分别为10，19 mm。

减水剂为运城市泓翔建材有限公司生产的HXSX-B聚羧酸系高性能减水剂(缓凝型)，减水率为27.2%；引气剂为运城市泓翔建材有限公司生产的HXAE-A型引气剂。

1.2 配合比

试验设计了强度等级为C40的自密实混凝土理论配合比，见表1,水胶比0.33。拌合料施工配合比则是通过实测当日粗细骨料表面含水率并根据理论配合比换算而来。试验所用原材料均符合TJ/GW 112—2013《高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土暂行技术条件》[5]要求。

1.3 试验方法

自密实混凝土搅拌工艺：首先向搅拌机中投入称量好的骨料和粉料，搅拌均匀后，再加入外加剂和拌合水，并继续搅拌至均匀。机械搅拌，总搅拌时间一般为180 s。

表1 自密实混凝土理论配合比 kg/m3

拌合物性能测试：混凝土出料后，搅拌车运输至试验浇筑现场，静停并搅拌，总时间大约为40 min，取样后测试拌合物扩展时间T500和坍落扩展度。

力学性能测试：拌合物性能测试完毕后，制作尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件，土工布覆盖，24 h后脱模养护至测试龄期，养护温度20±2 ℃,相对湿度大于95%。

充填层的表观密度、孔隙率及吸水性测试：自密实混凝土充填层经灌注、拆模、揭板、养护，28 d后切割、取样与加工，试验方法参照ASTM C642-13《Standard Test Method for Density,Absorption,and Voids in Hardened Concrete 》[6]要求进行，计算得出样品的吸水率、表观密度和孔隙率，计算公式为

式中：A为样品的吸水率，%；ρa为表观密度，g/cm3；n为孔隙率，%；m0为样品烘干后在空气中的质量，g；m1为样品经浸泡、煮沸后在空气中的质量，g；m2为样品经浸泡、煮沸后在水中的质量，g；ρ0为水的密度，ρ0=1 g/cm3。

2 结果与讨论

2.1 自密实混凝土工作性能

自密实混凝土的工作性能通过扩展时间T500和坍落扩展度来测定，测试结果见表2。可以看出，3种天气条件下自密实混凝土工作性能有所不同。在秋季晴天，环境温度21±2 ℃下，SCC-1坍落扩展度为650 mm，T500为5.3 s；在秋季小雨天气，环境温度18±2 ℃下(试验过程中突然下起了小雨)，SCC-2坍落扩展度为680 mm，T500为3.9 s，测试时明显能观察到少量的雨水渗入至混凝土中；当冬季环境温度为6±1 ℃时，SCC-3坍落扩展度达到780 mm以上，T500为2.6 s，说明其工作性能不满足设计要求。另外，从图1(a)中可以看出，SCC-1中粗骨料分布均匀，且无离析、无泌水现象；冬季低温下SCC-3中则出现了严重分层、泌水和离析现象，如图1(b)所示。上述分析表明，天气变化对自密实混凝土流动性和黏聚性具有不同程度的影响，特别是冬季低温环境影响非常明显，与文献[7]得出的低温使混凝土扩展度增大的结论一致。

表2 不同条件下自密实混凝土工作性能

图1 自密实混凝土坍落扩展度测试

在冬季低温条件下，造成自密实混凝土工作性能降低的主要原因可能是拌合物中减水剂反应不充分及水泥水化速率降低所致。混凝土搅拌时间的适当延长有利于自密实混凝土工作性能的提升[8]。因此，其他试验条件不变,将混凝土搅拌时间从180 s延长至240 s，从表2中可以看出，与SCC-3相比，SCC-4的坍落扩展度降至650 mm，T500增大为5.0 s，其工作性能得到了明显的改善。

2.2 自密实混凝土抗压强度

对3种自密实混凝土立方体试件进行7 d和28 d抗压强度试验，其结果见表3。可以看出，3种自密实混凝土的抗压强度随着养护龄期的增长而增大。与SCC-1抗压强度相比，小雨和低温天气下生产的SCC-2和SCC-4的不同龄期的抗压强度均下降。导致强度下降的原因包括：在雨天，雨水的渗入使混凝土中水泥浆流失，引起孔洞或者出现麻面；在低温条件下，水化速率减缓、凝结时间延长均会影响混凝土强度发展；同样，延长搅拌时间也会使拌合物气泡增多。试验表明，晴天生产的自密实混凝土力学性能更优，而小雨和低温天气则会引起混凝土工作性能和力学性能降低。

表3 不同条件下自密实混凝土抗压强度

2.3 自密实混凝土充填层灌注质量分析

图2为不同天气条件下灌注自密实混凝土充填层揭板后的照片。

图2 不同条件下灌注的自密实混凝土充填层表面及断面

由图2(a)可见，晴天施工灌注的充填层表面平整，浮浆层薄，无漏石及漏筋现象，且气泡较少(无大于50 cm2的气泡，大于6 cm2的气泡面积之和不超过板总面积的2%)。将板切开后观察，骨料均匀分布，且与水泥石相互交错，无明显气孔，如图2(d)所示，说明晴天灌注的自密实混凝土充填层效果较好。

小雨天气下灌注的充填层表面相对粗糙，有轻微的浮浆和气泡层，且粗大气泡较多，如图2(b)所示。这是因为：雨天灌注混凝土，雨水的流入使水泥浆流失，引起孔洞或留下麻面；雨水的滞留同样会降低拌合物工作性能，导致自密实混凝土灌注成型过程中排气困难。对充填层进行切割，观察其横断面，发现骨料分布的均匀性稍差，且有轻微的分层现象，如图2(e)所示。这表明雨天对自密实混凝土充填层的灌注质量影响明显。

冬季低温环境下，当搅拌180 s时，自密实混凝土出现离析，工作性能不满足要求，容易阻塞灌注口，禁止灌注；当搅拌时间延长至240 s时，混凝土的流动性和黏聚性有较大改善，满足自密实混凝土工作性能要求，可以进行灌注。图2(c)为低温条件下灌注的自密实混凝土(SCC-4)揭板后照片，从图中可以看出充填层表面相对平整，无浮浆和分层现象，无较大气泡，只是板的四周边缘小气泡较多。将板切开观察其断面，发现虽无分层现象，但均匀度不是特别令人满意，如图2(f) 所示。

通过对上述结果分析可知，雨天和低温天气均会不同程度地影响自密实混凝土充填层的灌注质量。其中，雨天导致充填层表面大气泡增多，断面均匀度稍差，呈现浮浆分层现象，影响较大；在低温环境下，虽然通过延长搅拌时间能使自密实混凝土工作性能满足灌注要求，但这仍不足以抵消低温环境造成充填层表面质量及断面均匀度降低的不利影响。

2.4 自密实混凝土充填层密度、孔隙率及吸水性

表4显示了不同天气条件下灌注28 d后自密实混凝土充填层的性能。

表4 不同条件下灌注28 d后自密实混凝土充填层性能

由表4可知，随着天气条件的变化，SCC-1，SCC-2，SCC-4这3种自密实混凝土灌注的充填层表观密度变化较小，无明显规律。相关研究表明，自密实混凝土的表观密度与多种因素有关，如骨料的密度与含量、水泥含量、火山灰含量、空气含量等[9]。

由表4可知,，与SCC-1相比，小雨和低温天气条件下灌注的SCC-2，SCC-4充填层孔隙率显著增加，分别提高了43%和42%。对于小雨天气而言，充填层孔隙率增大的原因是雨水的渗入与滞留导致其孔洞增多；而对于低温天气，主要原因是低温减缓了粉煤灰火山灰效应和水泥水化反应，其次还与混凝土搅拌时间的延长有关。

由表4可知，与SCC-1相比，雨天和低温条件下灌注的SCC-2，SCC-4的充填层吸水率分别提高了36%和34%。自密实混凝土充填层的吸水率与其孔隙率的变化规律相类似，孔隙率越大，吸水率越大，说明自密实混凝土吸水率的大小与其孔隙率的大小有关，这与文献[9]的结果相一致。

以上试验结果表明，天气变化对自密实混凝土充填层的表观密度、孔隙率和吸水率会造成不同程度的影响，其中对表观密度影响不明显，而对孔隙率和吸水率影响较为明显。吸水率和孔隙率影响混凝土的强度、耐久性、抗冻性与导热性等，因此，吸水率和孔隙率试验进一步证明了雨天和低温环境会降低自密实混凝土充填层的颗粒间黏结力与密实性，使结构减弱，从而使强度、耐久性降低。

3 雨天和低温天气灌注自密实混凝土的建议

为避免雨天和低温天气造成自密实混凝土灌注质量降低的问题，根据试验中所发现的问题，提出如下建议：①在雨天环境下不宜进行自密实混凝土灌注，即使少量的雨水都能够导致混凝土表面出现变色和水纹现象，如遇特殊情况，应及时做好防雨措施以防止雨水进入到混凝土和板腔中(如及时覆盖已封边的轨道板、料斗、溜槽、灌注孔、观察孔等)；②在低温天气下灌注自密实混凝土应充分做好防范及改进措施，如对原材料及拌合水采取温控措施，配合比设计时采用适宜于低温环境的高效减水剂，改进混凝土生产工艺，自密实混凝土灌注后采取覆盖保温养护等。

4 结论

1)天气变化对自密实混凝土的工作性能影响显著，在小雨和低温天气下其流变性和黏聚性均会降低。尤其低温环境容易使自密实混凝土产生骨料下沉、泌水、离析等现象。

2)小雨和低温天气对自密实混凝土的强度影响较大，在工作性能满足要求的条件下，与晴天相比，混凝土7 d和28 d抗压强度均会降低，其中雨天环境使强度降低程度更大。

3)小雨和低温环境下灌注自密实混凝土均会导致充填层外观质量和断面均匀度降低，主要表现为充填层表面气泡增多或增大，骨料分布不均匀以及浮浆分层现象。

4)自密实混凝土充填层的孔隙率和吸水率容易受到小雨和低温天气的影响，孔隙率和吸水率均较高，说明其密实性较差。