增黏剂对城市轨道交通板式无砟轨道自密实混凝土性能的影响

杨鲁 谭盐宾 郑永杰 付志勇 王梦 刘海涛 齐婧

1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所， 北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 高速铁路轨道系统全国重点实验室， 北京 100081

城市轨道交通板式无砟轨道结构（图1）是在高速铁路CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构的基础上进行优化，将混凝土轨道板、自密实混凝土层和混凝土底座三层结构中混凝土底座取消，自密实混凝土层加厚。该轨道结构的自密实混凝土层具备承受荷载、调整轨面高程、轨道板限位、调节平整度等多项功能。城市轨道交通板式无砟轨道结构降低了结构高度，节省了材料和人工成本，同时减少了混凝土浇筑工序，显著提高了施工效率。与城市轨道交通现浇混凝土道床结构相比，板式无砟轨道结构提高了可维修性和结构耐久性［1-3］。

图1 城市轨道交通无砟轨道结构

城市轨道交通板式无砟轨道自密实混凝土需要承受两层钢筋网片的剪切作用，并良好充填在轨道板下部，因此自密实混凝土在流动过程中的稳定性至关重要。混凝土在流动过程中不稳定主要是由剪切作用和重力引起的骨料迁移所致，且重力引起的骨料沉降占主导地位［4-6］。文献［7-10］采用流动槽法、自密实混凝土稳定性快速测试法、筛析法、柱状法等方法研究了配合比和流变性能对自密实混凝土稳定性的影响。结果表明，适当降低混凝土浆体体积、水胶比（从0.40 降至0.33）、减水剂用量、最大骨料粒径、骨料密度和坍落扩展度，优化骨料粒径分布，提高含气量、混凝土塑性黏度和屈服应力均可提高自密实混凝土稳定性。

城市轨道交通板式无砟轨道自密实混凝土层比高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土层厚1 倍以上，且混凝土轨道板灌注孔直径超过30 cm，灌注施工难度显著降低。本文在高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土制备与施工成套技术的基础上，通过试验分析增黏剂掺量对自密实混凝土性能的影响，并通过无砟轨道工艺性试验验证增黏剂掺量3%的自密实混凝土在城市轨道交通工程中的适用性。

1 自密实混凝土性能试验

1.1 原材料

水泥采用北京金隅P·O 42.5 水泥，性能指标见表1。粉煤灰采用内蒙古元宝山电厂Ⅰ级F 类粉煤灰，细度为10.1%，需水量比为93%，活性指数为82%，烧失量为3.5%。细骨料采用天然河砂，细度模数为2.6，含泥量为0.5%。粗骨料采用5 ～ 16 mm 连续级配碎石。外加剂采用河北三楷深发科技股份有限公司生产的减水剂和引气剂，减水剂的减水率为26%。增黏剂为中国铁道科学研究院集团有限公司生产的TZ-Ⅱ型增黏剂，性能指标见表2。自密实混凝土配合比见表3。增黏剂掺量有0、3.0%、4.5%、6.0%四种。增黏剂掺量是增黏剂质量占胶凝材料（水泥 + 粉煤灰 +矿渣粉 + 膨胀剂 + 增黏剂）总质量的百分比。

表1 水泥性能指标

表2 增黏剂性能指标

表3 自密实混凝土配合比

1.2 试验方法和依据标准

1）新拌混凝土流变性能测试

采用丹麦GERMANN 仪器厂生产的ICAR 流变仪测试新拌混凝土流变性能。测试方法：将新拌混凝土样品快速装入流变仪筒体中，根据混凝土坍落扩展度对设备参数进行设定，自动测量新拌混凝土的屈服应力和塑性黏度。

2）新拌混凝土工作性能测试

新拌混凝土坍落扩展度、扩展时间（T500）、含气量和V 形漏斗流出时间参照GB/ T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试。

3）新拌混凝土静态稳定性测试

贯入度参照美国标准ASTM C 1712—2017［11］测试，静态离析百分数参照美国标准ASTM C 1610—2017［12］测试。

4）硬化混凝土力学、耐久和体积稳定性能测试

硬化混凝土的抗压强度参照GB/ T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试，电通量和干燥收缩率参照GB/ T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试。

1.3 试验结果与分析

1.3.1 新拌自密实混凝土工作性能

1）屈服应力和塑性黏度

无砟轨道结构自密实混凝土的组成复杂，传统坍落扩展度已经不能充分表征自密实混凝土的工作性能，可采用流变性能指标（塑性黏度τ0和屈服应力η）表征。τ0和η随增黏剂掺量的变化见表4。可知，在坍落扩展度和含气量相近的条件下，增黏剂掺量对自密实混凝土流变性能指标影响较大。随增黏剂掺量增大，自密实混凝土τ0和η显著增大。增黏剂掺量由6.0%降至4.5%、3.0%、0 时，τ0分别降低3.9%、14.2%、36.6%，η分别降低13.0%、35.8%、45.0%。

表4 τ0和η随增黏剂掺量的变化

2）T500和V形漏斗流出时间

自密实混凝土T500和V 形漏斗流出时间（tv）均与自密实混凝土黏度直接相关。T500和tv越小，自密实混凝土黏度越小，流动速度越快。T500和tv随增黏剂掺量的变化见表5。可知，随增黏剂掺量增大，二者均显著增大。增黏剂掺量由6.0%降至4.5%、3.0%、0时，T500分别降低16.5%、47.8%、54.3%，tv分别降低6.8%、27.2%、36.7%。这说明随增黏剂掺量减少，自密实混凝土黏度显著降低，流动速度加快。

表5 T500和tv随增黏剂掺量的变化

3）贯入度和静态离析百分数

贯入度（h）和静态离析百分数（γ）均是评价自密实混凝土静态稳定性的重要指标，h和γ越小，自密实混凝土静态稳定性越好。自密实混凝土静态稳定性分为良好、一般、较差三个等级。等级划分标准见表6。

表6 自密实混凝土静态稳定性等级划分标准

h和γ随增黏剂掺量的变化见表7。可知，随增黏剂掺量减小，自密实混凝土h和γ均呈增大趋势。增黏剂掺量由6.0%降至4.5%、3.0%、0 时，h分别增加了1、3、18 mm，γ分别增加了1%、2%、10%，虽然静态稳定性略变差，但增黏剂掺量为4.5%、3.0%时，自密实混凝土h均小于10 mm，γ均未超过10%，其静态稳定性仍良好。

表7 h和γ随增黏剂掺量的变化

1.3.2 硬化自密实混凝土力学性能和耐久性能

抗压强度和电通量分别为表征自密实混凝土力学性能及耐久性能的重要指标。不同增黏剂掺量下自密实混凝土抗压强度随龄期变化曲线见图2。可知，随增黏剂掺量增大，自密实混凝土抗压强度呈减小趋势。56 d 龄期，增黏剂掺量6.0%时，自密实混凝土抗压强度为47.0 MPa，增黏剂掺量由6.0%降至4.5%、3.0%、0 时，自密实混凝土抗压强度分别增长0.6%、2.3%、20.7%。

图2 不同增黏剂掺量下自密实混凝土抗压强度随龄期变化曲线

不同增黏剂掺量下自密实混凝土电通量随龄期的变化见表8。可知，增黏剂的掺入可以降低自密实混凝土电通量，提高自密实混凝土抗氯离子渗透能力。增黏剂掺量由6.0%降至4.5%、3.0%时，自密实混凝土28 d电通量呈减小趋势，56 d电通量相差不大。

表8 不同增黏剂掺量下自密实混凝土电通量随龄期的变化

综上，增黏剂掺量为6.0%、4.5%和3.0%时56 d龄期自密实混凝土的抗压强度和电通量均满足Q/CR 596—2017 中抗压强度大于等于40 MPa 和电通量小于等于1 000 C的要求。

1.3.3 硬化自密实混凝土体积稳定性

干燥收缩率是表征体积稳定性的重要指标。干燥收缩率越小，体积稳定性越好。不同增黏剂掺量下自密实混凝土干燥收缩率随龄期变化曲线见图3。

图3 不同增黏剂掺量下自密实混凝土干燥收缩率随龄期变化曲线

由图3 可知，自密实混凝土干燥收缩率随增黏剂掺量减少而增大。增黏剂掺量6.0%时，自密实混凝土56 d 干燥收缩率为359 × 10-6；增黏剂掺量由6.0%降至4.5%、3.0%、0 时，自密实混凝土干燥收缩率分别增大16 × 10-6、38 × 10-6、73 × 10-6。虽然增黏剂掺量减小会导致自密实混凝土干燥收缩率增大，但不同增黏剂掺量下自密实混凝土干燥收缩率均满足Q/CR 596—2017中干燥收缩率小于等于400 × 10-6的要求。

2 无砟轨道工艺性试验

混凝土原材料具有地域性特点，实际服役条件复杂多变，施工前必须进行工艺性试验，验证自密实混凝土的适用性。

采用增黏剂掺量3.0%的自密实混凝土进行城市轨道交通板式无砟轨道工艺性试验。经测试，自密实混凝土坍落扩展度在620 ～ 660 mm，含气量为5.8%，满足Q/CR 596—2017 中规定的坍落扩展度小于等于680 mm，含气量大于等于3%的要求。灌板时自密实混凝土和易性良好，在板腔内流动顺畅，从板腔四角排浆孔向外排出的混凝土浆骨分布均匀，灌板时间为5'27″。

揭板后增黏剂掺量3.0%硬化自密实混凝土层表面和断面见图4。可知，自密实混凝土层表面密实、平整，无露石露筋、蜂窝麻面等现象，无泌水、无松软发泡层、无可见裂纹和无明显水纹，无面积大于50 cm2以上气泡，面积6 cm2及以上气泡的面积之和不超过板面积的2%，断面上骨料分布均匀，无骨料堆积、浆骨分离、上下贯通气孔、蜂窝等现象，满足Q/CR 596—2017要求。

图4 增黏剂掺量3.0%硬化自密实混凝土

3 经济性分析

高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土和城市轨道交通板式无砟轨道自密实混凝土的每立方米成本对比见表9。其中：前者增黏剂掺量为6.0%，后者增黏剂掺量为3.0%；成本 = 用量 × 单价，每立方米总成本为各个材料成本之和。

表9 高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土和城市轨道交通板式无砟轨道自密实混凝土的每立方米成本对比

由表9 可知，后者每立方米总成本比前者低139.5 元，每立方米混凝土造价降低16.8%。结合城市轨道交通板式无砟轨道结构相关设计参数计算得出：采用后者，单线每公里自密实混凝土用量为2.4（板腔宽） × 0.17（板腔厚） × 1 000（1公里总板腔长） =408 m3。根据既有线施工经验，自密实混凝土正常损耗率在10%左右。计算可得，采用后者单线每公里可节省：139.5 × 408 × （1 + 10%） = 62 607.6 元。这说明采用增黏剂掺量3.0%的自密实混凝土经济效益显著。

4 结论

1）在自密实混凝土坍落扩展度和含气量相近的条件下，适当降低增黏剂掺量可显著降低自密实混凝土的塑性黏度、屈服应力和流动时间，增加自密实混凝土的贯入度、静态离析百分数、56 d抗压强度和干燥收缩率，但是对自密实混凝土56 d电通量影响不大。

2）经工艺性试验，增黏剂掺量3.0%的自密实混凝土灌注过程中和易性良好，揭板后自密实混凝土层表面和断面符合Q/CR 596—2017 中自密实混凝土质量要求。

3）与增黏剂掺量6.0%的高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土相比，增黏剂掺量3.0%的自密实混凝土静态稳定性和体积稳定性虽略有变差，但其各项性能指标均满足Q/CR 596—2017 中自密实混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的要求，不论是灌板时还是揭板后自密实混凝土质量均满足规范要求，且每立方米成本可降低16.8%，经济效益显著。因此，增黏剂掺量3.0%的自密实混凝土可用于城市轨道交通板式无砟轨道结构。