地铁CRTSⅢ型板机制砂自密实混凝土的制备与性能研究

赵少鹏，王开杨，陆加越，王鑫，何嘉琦

（1.江苏苏博特新材料股份有限公司，高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京 211103；2.中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 712000）

0 引言

自密实混凝土施工技术在高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道施工中已有成熟的施工工艺及经验，该结构由钢筋混凝土底座、隔离层、自密实混凝土层、预应力轨道板、扣件、钢轨等组成，这种结构可提高轨道的可维修性、可更换性，降低后期运营维护成本[1]。近年来，随着城市快速轨道交通的快速发展，自密实混凝土逐渐在城市轨道交通中展开应用，而目前优质的河砂资源日益紧缺，尤其是川渝及黔贵地区，机制砂自密实混凝土的制备显得尤为关键。

针对机制砂自密实混凝土的配制，众多学者进行了研究。李北星等[2]通过聚羧酸盐减水剂与适量矿粉、膨胀剂三掺技术，在较低的胶凝材料用量（535 kg/m3）情况下，配制出工作性能及力学性能俱佳的自密实微膨胀混凝土。徐全等[3]研究了机制砂MB值的临界值对于混凝土性能的影响，结果表明，当机制砂MB值大于0.7 g/kg时，随着MB值的增大，新拌混凝土的流动性下降较为明显。适量的石粉可以改善自密实混凝土的工作性能，但是石粉含量过多情况下会导致流动性不良、黏度不足[4-6]。孙海龙[7]研究了纳米SiO2对机制砂自密实混凝土性能的影响，研究表明，纳米SiO2可以提高浆体的屈服应力和塑性黏度，提升浆体稳定性。针对自密实混凝土的外观问题，徐海源等[8]从外加剂、脱模材料及配合比等方面分析了各因素对聚羧酸混凝土表观气泡的影响规律及改性方法，研究表明，聚羧酸减水剂的种类及含气量控制方式对混凝土外观质量影响较大。王方刚等[9]采用玻璃平板试验、净浆流动度和自密实混凝土工作性能等方法配制出了工作性能好且外观质量好的高铁CRTSⅢ型板自密实混凝土。

本文针对城市轨道交通地铁CRTSⅢ型板自密实混凝土进行了配合比试验，针对川渝区域河砂资源匮乏的情况，主要采用机制砂作为细骨料。针对机制砂自密实混凝土的工作性能问题，首先优选降黏稳健型减水母液，并通过消泡剂与引气剂的复合使用，结合实体揭板试验，制备出了综合成本低、自密实性能优良且外观密实度高的自密实混凝土，为自密实混凝土应用于轨道交通无砟轨道提供参考。

1 试验

1.1 原材料

（1）胶凝材料：重庆金隅冀东P·O42.5水泥，比表面积345 m2/kg，标准稠度用水量27%，28 d抗压强度49.0 MPa；珞电Ⅰ级粉煤灰，细度（45μm筛筛余）9%，需水量比94%；铁科院黏度改性剂，粉状，由无机材料、高分子有机材料和多种助剂复合而成，能够提高自密实混凝土的稳定性、黏聚性和保水性，符合Q/CR596-2017《高速铁路CRTSⅢ型板式密实混凝土》的要求；江苏苏博特新材料股份有限公司HME-Ⅲ型膨胀剂，水泥胶砂7d限制膨胀率≥3.0×10-4。

（2）混凝土外加剂：江苏苏博特新材料股份有限公司的PCA-Ⅰ、PCA-Ⅱ及PCA-W三种聚羧酸减水剂，按GB8076—2008《混凝土外加剂》测得3种减水剂的主要物理性能如表1所示；GYQ-Ⅲ型阴离子引气剂及PXP-Ⅲ聚醚复合型消泡剂，由于混凝土中消泡剂与引气剂的使用量极少，将引气剂与消泡剂均稀释100倍后使用。

表1 3种聚羧酸减水率的物理性能

（3）粗骨料：5～16 mm石灰石碎石，针片状含量5%，压碎值6.5%，粗骨料的颗粒级配如表2所示。

表2 粗骨料的颗粒级配

（4）细骨料：石灰石破碎整形机制砂，细度模数2.9；河砂，细度模数2.5，机制砂与河砂的颗粒级配如表3所示。

表3 细集料的颗粒级配

1.2 试验方法

1.2.1 自密实混凝土的性能测试方法

按CECS02—2004《自密实混凝土设计与施工指南》对新拌自密实混凝土进行扩展度、T500、L型仪填充比等指标的测试。机制砂自密实混凝土的基准配合比参照高铁项目CRTS自密实混凝土，如表4所示，减水剂掺量按占胶凝材料质量计。

表4 C40自密实混凝土的配合比

1.2.2 自密实混凝土的指标控制

参照TJ/GW112—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》，配制的机制砂自密实混凝土需满足表5的技术指标才能进行实体灌注揭板试验。

表5 自密实混凝土的技术指标

1.2.3 城市轨道CRTSⅢ型板自密实混凝土揭板外观试验

城市轨道交通最高限速明显低于高铁，且轨道宽度存在差异，因此Ⅲ型板的长、宽、厚及曲面角度与常规的高铁存在明显差异，通常宽度更窄，而曲面高差更大，但是目前城市轨道交通的揭板试验仍然参照TJ/GW112—2013进行模板的安装、搅拌、灌注、养护及外观质量的评定，没有单独的评定标准。地铁CRTSⅢ型板自密实混凝土采用中间孔单点灌注法灌注，待混凝土终凝之后进行灌注揭板试验（见图1），观察自密实混凝土板的上表面外观情况。揭板试验主要对比引气剂以及引气剂与消泡剂复配后对混凝土板硬化后外观的影响。要求自密实混凝土板不得出现发泡层、泌水、填充不密实、裂缝等问题，≥6 cm2气泡面积占比（按占表面积计）不得大于2%，不得出现面积大于50 cm2的气泡。

图1 城市轨道交通地铁CRTSⅢ型板灌注揭板试验

2 结果与分析

2.1 聚羧酸减水剂种类对机制砂自密实混凝土工作性能的影响

高铁CRTSⅢ型板自密实混凝土的施工经验表明[9-11]，高稳健、低敏感聚羧酸减水剂对自密实混凝土的工作性能以及外观均起到至关重要的作用，因此在城市轨道交通CRTSⅢ型板机制砂自密实混凝土的配制中，聚羧酸母液的优选显得尤为关键。首先通过对现有3种聚羧酸母液的性能评价，对比聚羧酸母液对混凝土黏度及流速的影响，通过T500与L型仪填充比同时进行表征，T500表征混凝土的流速，流速越快则混凝土的黏度越低，L型仪填充比表征混凝土的填充性，数值越大表征混凝土的钢筋通过性能越强。另外，考虑到自密实混凝土在实际施工中会存在用水量或减水剂掺量波动，导致混凝土性能发生波动，甚至导致发泡层或填充性不足等问题出现，因此聚羧酸减水剂的抗波动性也是参考的主要指标。

2.1.1 聚羧酸减水剂对机制砂自密实混凝土工作性能的影响

按表4的配合比，调整3种聚羧酸减水剂母液PCA-Ⅰ、PCA-Ⅱ及PCA-W的掺量，控制混凝土的扩展度在600～680 mm，对比减水剂母液对混凝土流速及钢筋通过性的影响，结果如表6所示。

表6 减水剂母液对混凝土流速及钢筋通过性的影响

由表6可见，控制混凝土的扩展度为600～680 mm时，PCA-Ⅰ的掺量最低，为2.0%，但T500为8.0 s，流速慢，且L型仪填充比仅为0.80，说明该减水剂的减水率虽高，但是混凝土的黏度最大且填充性差；使用PCA-Ⅱ型减水剂时，减水剂掺量较PCA-Ⅰ增加了10%，但T500缩短至5.5 s，流速明显上升，且L型仪填充比达到0.85，这表明PCA-Ⅱ型母液可以有效提高混凝土流速及钢筋通过性；使用PCA-W减水母液的掺量最高，但T500最短，仅为4.5 s，L型仪填充比增大至0.88；将表现良好的PCA-Ⅱ与PCA-W按1∶1的质量比复合使用时，混凝土的综合性能最佳，复合掺量为2.4%时，T500仅为5.0 s，L型仪填充比增大至0.90，混凝土的流速快且填充性最好，此时混凝土状态如图2所示。

图2 4#机制砂自密实混凝土的状态

2.1.2 聚羧酸减水剂对机制砂自密实混凝土抗波动性的影响

通过上述试验，优选综合性能较好的PCA-Ⅱ、PCA-W及2种减水剂母液按1∶1质量比的复配体系进行对比，并进行混凝土的抗波动性试验。混凝土的抗波动性试验主要通过在原有合适的外加剂掺量及用水量下额外添加5 kg/m3或10 kg/m3的水，对比用水量波动对混凝土工作性能的影响，试验结果如表7所示。

表7 聚羧酸母液对混凝土抗波动性的影响

由表7可见，使用PCA-Ⅱ减水剂时，用水量的增加明显改变了混凝土的工作性能，混凝土的抗用水波动性较差，用水量为182kg/m3时，扩展度达到了700 mm，且混凝土的钢筋通过性明显降低，L型仪填充比仅为0.80，用水量的变化使得混凝土工作性能波动明显。使用PCA-W减水剂时，随着用水量的增加，混凝土的流动性能变化不明显，混凝土的L型仪填充比均为0.88，稳健性最强，但是混凝土的钢筋通过性始终无法得到进一步提升，低于自密实性能的要求（L型仪填充比≥0.9）。采用PCA-Ⅱ与PCA-W减水母液按1∶1质量比复合使用时，混凝土的抗用水波动性介于2种母液之间，用水量增加10 kg/m3后，混凝土未出现泌水等问题，流速快且填充性最好，L型仪填充比达到了0.92。综合而言，当采用PCA-Ⅱ与PCA-W两种减水剂按1∶1质量比复合使用时，可综合2种母液的性能优点，自密实混凝土的稳健性强且工作性能最佳。

2.2 黏度改性剂对机制砂自密实混凝土性能影响

自密实混凝土中使用黏度改性剂可明显改善自密实混凝土的黏聚性，在提高混凝土包裹性的同时，可以提高混凝土的稳健性[12]，高铁CRTSⅢ型板自密实混凝土中通常掺入6%左右以提高混凝土的黏聚性，但是该材料价格较高，因此在地铁轨道交通中探讨了降低黏度改性剂用量，增加胶凝材料总量及采用河砂取代部分机制砂的方案对自密实混凝土性能的影响，减水剂采用综合性能最佳的PCA-Ⅱ与PCA-W按1∶1的质量比复合，减水剂掺量为2.4%，控制混凝土的扩展度为650 mm左右，试验配合比及性能测试结果如表8所示。

表8 胶凝材料总量与黏度改性剂掺量对混凝土性能影响的试验配合比及性能测试结果

由表8可见，当黏度改性剂掺量为30 kg/m3时，胶凝材料总量为525 kg/m3，细骨料全部为机制砂时混凝土的工作性能较好，T500为5.0 s，L型仪填充比为0.90。J2与J3配合比降低黏度改性剂用量为15 kg/m3，J2的T500仍为5.0 s，黏度变化不明显，但是L型仪填充比降低为0.86，混凝土包裹性下降，因此为了弥补包裹性下降所造成的填充性问题，J3配合比增加胶凝材料总量为540 kg/m3，并采用100 kg/m3河砂替代机制砂，自密实混凝土的T500为5.0 s，L型仪填充比达到0.90，工作性能与J1相当。J4与J5未掺黏度改性剂，J4的T500延长至6.5 s，L型仪填充比直接下降为0.80，混凝土的黏度上升明显且包裹性下降，J5配合比在J4配合比基础上采用100 kg/m3河砂替代机制砂，其工作性能与J4相比无明显改进，因此完全去除黏度改性剂的方案不可取。因此，综合考虑混凝土的综合成本和工作性能，可采用掺加15 kg/m3黏度改性剂的J3配合比，通过增加胶凝材料总量为540 kg/m3，采用河砂取代部分机制砂，在满足工作性能的同时，可实现经济利益最大化。

2.3 引气剂与消泡剂对机制砂自密实混凝土Ⅲ型板外观的影响

采用优化配合比（J3）进行全尺寸揭板试验，研究引气剂及消泡剂掺量（按占胶凝材料质量计）对混凝土表观质量的影响，结果见表9。

表9 引气剂及消泡剂对混凝土工作性能及表观质量的影响

由表9可见：

（1）单掺引气剂，当引气剂掺量为0.1%时，相比于未掺引气剂的Y1组，Y2组混凝土含气量增大至6.5%，T500缩短至4.5 s，L型仪填充比下降至0.86，混凝土的流速提升但钢筋通过性降低，拆模后的混凝土表面出现了1个超过50 cm2的大气泡；当引气剂掺量增加至0.2%时，混凝土含气量高达7.8%，T500延长至6.0 s，L型仪填充比进一步下降为0.84，混凝土的含气量过高且钢筋通过性下降，揭板后的整体气泡数目更多。因此，单独掺入引气剂无法得到较好的外观质量。

（2）引气剂与消泡剂复掺时，复掺0.1%引气剂+0.02%消泡剂组混凝土的含气量达到了5.5%，较Y1组的含气量略有增大，T500缩短至4.5 s，混凝土的流速提升，L型仪填充比达到了0.95，钢筋通过性也进一步提高，揭板后的外观气泡最少，≥6 cm2的气泡面积占比仅为1.5%，且无发泡层等问题，其外观如图3所示，综合性能最佳。复掺0.2%引气剂+0.04%消泡剂组混凝土的含气量为6.5%，L型仪填充比为0.90，自密实混凝土的工作性能也较好，但含气量较Y4组略高，且揭板后的≥6 cm2气泡面积占比达到了2.5%。

图3 揭板后自密实混凝土外观

综合而言，当采用PCA-Ⅱ和PCA-W按1∶1质量比复配的减水剂，同时复掺0.1%引气剂+0.02%消泡剂时，混凝土扩展度为665 mm，含气量为5.5%，L型仪填充比为0.95时，机制砂自密实混凝土的工作性能及外观质量最佳。

3 结语

（1）不同种类聚羧酸母液对机制砂自密实混凝土的工作性能具有较大影响，其中采用PCA-Ⅱ与PCA-W母液按1∶1质量比复配使用时，自密实混凝土的流速快且填充性能好，工作性能最佳。

（2）将机制砂自密实混凝土中的黏度改性剂掺量由30 kg/m3后减少至15 kg/m3后，通过增加混凝土中胶凝材料总量为540 kg/m3，同时采用河砂替代部分机制砂的方案可有效改善自密实混凝土的工作性能。

（3）CRTSⅢ型板自密实混凝土对表观的质量要求严格，通过对比单掺引气剂及复合使用消泡剂与引气剂发现，当复合采用0.1%引气剂+0.02%消泡剂时，混凝土的含气量为5.5%，扩展度为665 mm，L型仪填充比为0.95时，混凝土的表观质量与工作性能均较好，揭板后≥6 cm2气泡面积占比仅为1.5%。