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CRTSⅢ軌道板施工中自密實混凝土配合比優化及應用
2016-12-22

【摘  要】自密實混凝土具有高流動性、高間隙通過性和高抗離析性,澆筑時無需振搗僅靠自重便能均勻充填密實成型,并具有高耐久性和高體積穩定性,CRTSⅢ型板式無砟軌道的重要組成部分,本文依托鄭徐客專工程詳細介紹自密實混凝土在CRTSⅢ型板式無砟軌道中的應用及優化方法。

【關鍵詞】CRTSⅢ型;無砟軌道;自密實混凝土;配合比;優化

 

近年來,無砟軌道技術憑借其穩定性高、剛度均勻性好、結構耐久性強、維修成本低等優點,已成為當今高速鐵路發展的主要方向。CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國鐵路自主創新的新型無砟軌道結構形式,其結構自下而上依次由鋼筋混凝土底座、隔離層、自密實混凝土充填層、板底預留門型鋼筋的預制軌道板、扣件系統及長鋼軌構成。CRTSⅢ型板式無砟軌道按照“雙塊式受力,Ⅰ型板制造,Ⅱ型板施工”的理念設計和施工,以自密實混凝土替代水泥乳化瀝青材料施工板下充填層是其主要關鍵技術。本文主要以鄭徐客專工程為依托,對CRTSⅢ軌道板施工中自密實混凝土配合比優化技術進行研究并總結一些施工經驗僅供參考。

1 自密實混凝土定義

自密實混凝土屬于高流動性混凝土中的一種,是在較低水膠比條件下,通過添加復合高效外加劑,合理使用粉煤灰、礦粉等摻合料,優化混凝土集料的級配而配置出的比一般高流態混凝土流動性更好,穿越鋼筋能力、抵抗分散能力更強,在澆筑過程中無需額外機械振搗,依靠自重力作用即具有足夠流動和變形能力,能夠在模板空間形成均勻的混凝土,“自密實性”是自密實混凝土的重要特征,也是與其它需要振搗成型的普通混凝土的重要區別。

2自密實混凝土的特點

自密實混凝土與高性能混凝土的差別主要體現在高性能混凝土雖然具有較高的塌落度,但還是需要在外部振搗下才能夠穩定成型;而自密實混凝土不但具有高流動性,還具有較好的間隙通過性和穩定性,這樣就可以在施工中通過自身的重力,均勻的充填模板空間,并形成穩定的結構,主要特點有以下幾個方面:

2.1 自密實混凝土由普通高性能混凝土所用原材料,以通用設備為主進行攪拌、運輸和灌注施工。

2.2 自密實混凝土具有高流動度、不離析、均勻性和穩定性,澆筑時依靠其自重流動,無需振搗而達到板腔密實的混凝土。

2.3 施工工藝簡單、可操作性強、易維修、整體性好,硬化后無收縮,充填效果好。

3 自密實混凝土作為CRTSⅢ無砟軌道板充填物的施工控制要點

我國高速鐵路CRTSⅢ無砟軌道充填層是一個有多重阻礙(門型鋼筋、鋼筋網片、絕緣卡等)的封閉空間,充填層密閉空間阻礙較多,致使混凝土氣泡無法排出,多余的漿體無法排出,同時在密閉空間灌注混凝土,只能采取中間或側面灌注的方式,只能一次灌注成型沒有補救的措施,且充填層混凝土施工一般運距較遠,這些施工難點決定了自密實混凝土必須具有很強的可施工性能,我們通過不斷的試驗初步總結自密實混凝土控制的要素主要有以下幾個方面。

3.1 原材料選擇

3.1.1 水泥

水泥宜選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥,混合料宜為礦渣粉或粉煤灰,不宜使用早強水泥。水泥的技術要求除應滿足GB175-2007和GB175-1999的規定外,還應滿足表1要求。

1 水泥指標控制要求

項目

單位

指標要求

試驗結果

比表面積

m2/kg

≥300且≤350

328

游離氧化鈣含量

%

≤1.0

0.62

堿含量

%

≤0.6

0.45

熟料中的C3A含量

%

≤8.0

6.88

Clˉ含量

%

≤0.06

0.02

SO3含量

%

≤3.5

2.34

標準稠度用水量P

%

/

27.8

凝結時間

初凝(min)

≥45

180

終凝(min)

≤600

225

安定性

mm

≤5.0

合格

膠砂強度(抗折)3d

Mpa

≥3.5

5.0

膠砂強度(抗壓)3d

Mpa

≥17

19.9

3.1.2 礦物摻合料

礦物摻合料應選用品質穩定的產品。礦物摻合料可選用粉煤灰、礦渣粉、硅灰等。粉煤灰的技術要求應滿足GB1596-2005F類I級粉煤灰的規定,還應滿足表2要求。

2 粉煤灰指標控制要求

項目

單位

指標要求

試驗結果

細度

%

≤12

5.5

Cl-含量

%

≤0.02

0.007

需水量比

%

95

94

燒失量

%

≤5.0

1.09

含水量

%

≤1.0

0.1

SO3含量

%

≤3.0

0.41

游離氧化鈣含量

%

≤1.0

0.03

礦渣粉的技術要求應滿足GB/T18046-2008的規定,還應滿足表3要求。

3 礦渣粉指標控制要求

項目

單位

指標要求

試驗結果

密度

g/cm3

≥2.8

2.91

MgO含量

%

≤14

11.54

SO3含量

%

≤4.0

2.53

燒失量

%

≤3.0

0.6

氯離子含量

%

≤0.02

0.019

比表面積

m2/kg

350~500

438

流動度比

%

≥95

100

含水量

%

≤1.0

0.1

28d活性指數

H%

7d ≥75

85

28d ≥95

101

3.1.3 細骨料

細骨料應選用級配合理、質地均勻堅固、吸水率低、孔隙率小的潔凈天然河砂,細度模數宜在2.3~2.5范圍內。細骨料的顆粒級配(累計篩余百分數)應滿足JGJ52-2006的規定,宜優先選用Ⅱ區砂,其他性能指標應滿足表4的規定。

4 細骨料指標控制要求

項目

單位

指標要求

試驗結果

表觀密度ρ

kg/m3

/

2600

緊密密度ρ0

kg/m3

/

1660

緊密空隙率vc

%

/

36

含泥量(天然砂)

%

≤2.0

0.7

泥塊含量

%

≤0.5

0.1

堅固性

%

≤8

3

吸水率

%

≤2

0.9

云母含量

%

≤0.5

0.2

輕物質含量

%

≤0.5

0.02

氯離子含量

%

<0.02

0.002

硫化物及硫酸鹽含量

%

≤0.5

0.07

有機物含量

 

淺于標準色

合格

3.1.4 粗骨料

粗骨料宜選用級配合理、粒形良好、質地均勻堅固、線脹系數小的潔凈碎石,顆粒級配應符合JGJ52-2006的規定,最大公稱粒徑不宜大于10mm,且抗壓強度與混凝土強度等級之比應不小于1.5。,其他性能指標應滿足表5的規定。

5 粗骨料指標控制要求

項目

單位

指標要求

試驗結果

表觀密度ρ

kg/m3

/

2750

緊密密度ρ0

kg/m3

/

1690

緊密空隙率vc

%

<40

39

針片狀顆粒總含量

%

≤5

4

含泥量

%

≤0.5

0.3

泥塊含量

%

≤0.2

0.2

壓碎指標

%

≤12

8.2

吸水率

%

<1

0.7

堅固性

%

≤8

2

硫化物及硫酸鹽含量

%

≤0.5

0.07

氯離子含量

%

<0.02

0.002

顆粒級配

 

5-16mm連續級配

合格

3.1.5 外加劑

外加劑應采用減水率適當、坍落度損失小、適量引氣、能明顯提高混凝土耐久性且質量穩定的產品,宜選用聚羧酸系高性能減水劑,性能要求見表6。

6 聚羧酸系高性能減水劑指標控制要求

項目

單位

指標要求

試驗結果

減水率

%

≥25

29

含氣量

%

≤3.0

2.7

常壓泌水率

%

≤20

0

壓力泌水率比

%

≤90

51

 

抗壓強度比%

 

3d

≥160

/

7d

≥150

166

28d

≥140

144

坍落度保留值,mm

60min

≥150

60

凝結時間差,mm

初凝

-90~+120

130

終凝

/

硫酸鈉含量(按折固含量計)

%

≤5.0

0.49

甲醇含量(按折固含量計)

%

≤0.05

0.012

Clˉ含量(按折固含量計)

%

≤0.2

0.043

堿含量(按折固含量計)

%

≤10

2.74

3.1.6 拌合用水

拌制自密實混凝土可采用飲用水。養護用水除不溶物、可溶物可不作要求外,其他性能要求與拌合用水相同。

3.1.7 膨脹

膨脹劑應選用性能符合GB23439規定的Ⅱ型膨脹劑。

3.1.8 粘度改性劑

7 粘度改性劑控制指標要求

序號

項目

技術要求

試驗結果

1

CL離子含量

≤0.6%

0.042

2

堿含量

≤1.0%

0.3

3

黏度比

≥150%

245

4

用水量敏感度

≥12Kg

12

5

擴展度之差

≤50mm

10

6

常壓泌水率

≤50%

0

7

凝結時間差

初凝

-90~+120min

30

終凝

10

8

抗壓強度比

3d

≥90%

97

9

28d

≥100%

105

10

28d收縮比

≤100%

98

3.2配合比的調整

3.2.1自密實混凝土一般規定

1 自密實混凝土配合比設計的基本要求是拌合物性能必須滿足充填灌注施工的要求,混凝土的性能滿足設計要求。

2 自密實混凝土配合比應根據充填層的結構特點、灌注施工及環境條件所要求的性能進行設計,在綜合工作性能、力學性能、體積穩定性能、耐久性能以及其他必要性能要求的基礎上,提出試驗配合比。

3 自密實混凝土的自密實性能指標應能滿足無砟軌道板結構的灌注要求。

4 在進行自密實混凝土的配合比設計調整時,應考慮水膠比對自密實混凝土設計強度的影響和水灰比對自密實性能的影響。

3.2.2自密實混凝土配合比施工要求

1 自密實混凝土配合比設計宜采用絕對體積法,選定自密實混凝土的配合比參數應符合以下規定:

1)膠凝材料用量不宜大于580kg/m3

2)用水量不宜大于180kg/m3

3)自密實混凝土單位體積漿體不宜大于0.40m3

2 混凝土中宜適量摻加優質的粉煤灰、礦渣粉等礦物摻和料,不同礦物摻和料的摻量應根據混凝土的性能通過試驗確定。

3 有抗凍要求時,應根據抗凍等級和設計要求來確定自密實混凝土的含氣量。

4 混凝土施工過程中,當施工工藝和環境條件未發生明顯變化,原材料的品質在合格的基礎上發生波動時,可對混凝土減水劑和引氣劑摻量、粗骨料分級比例、砂率進行適當調整,調整后的混凝土拌合物性能應與原配比相同。

3.2.3 施工配合比調整

施工過程中,根據自密實混凝土的特點和要求,通過不斷的室內試驗,對其配合比進行不斷的優化調整,以期得到最優配合比。不同配合比與自密實混凝土性能指標的關系見表8。

8 不同配合比與自密實混凝土性能指標的關系

序號

初始配合比(kg∕m3)

塌落擴展度(mm)

T500,s

含氣量(%)

水泥

粉煤灰

礦粉

砂子

石子

膨脹劑

改性劑

減水劑

≤680

3~7

3~6

1

255

51

127

885

785

46

31

6.63

180

650×660

3.56

6

2

255

51

127

885

785

46

31

8.67

180

700×720

4.41

5.5

3

255

71

147

885

785

46

31

7.15

180

660×640

3.84

3.2

4

255

71

147

885

785

46

31

9.35

180

670×670

5.0

4.0

從表中可看出,第4種配合比最符合要求。

通過原材料比對優選和不斷地揭板試驗,我們總結出以下幾點經驗,施工中需加以控制:

⑴減水劑對自密實混凝土有著重要的影響,它是調整所有進場材料最主要的手段;

⑵減水劑與粉體材料的相容性,是自密實混凝土發泡層產生的主要原因;

⑶拌合物的流動性不足,使自密實混凝土產生較多氣泡和孔洞;

⑷拌合物流動性過高,會使模板壓力過大產生變形;

⑸外加劑產量過大,會產生混凝土延遲反應現象,對低氣溫施工極其不利。

3.3 自密實混凝土工作性能評價和控制方法

工作性能是自密實混凝土的重要性能,相對于普通混凝土,自密實混凝土工作性能有很大提高,既能滿足自密實性又能在沒有外力的作用下充填成型。自密實混凝土的自密實性可以通過兩個方面表現出來,一個是流動性,一個是間隙通過性,但是普通的試驗方法已經不能有效地表達這兩種性能,所以我們引入T500、坍落擴展度來表達流動性,用L型儀充填比、J環障礙高差來表達間隙通過性。

3.3.1 流動性

流動性是自密實混凝土在自重作用下流動并充分充填模板空間的能力。一般而言混凝土拌合物流動距離越大,表明其流動性越好。自密實混凝土必須具有足夠的流動性,才能滿足Ⅲ型軌道板填充層的特點要求。評價流動性的指標為T500和塌落擴展度。

T500:自塌落度桶提起開始計時,到擴展度達到500mm時的經歷時間。

塌落擴展度:當砼流動停止的最大擴展度。

T500反映了砼的流動速度,一般我們控制在3-7s之間,大于7s砼有可能造成流動性不足,小于3s有可能造成砼離析失去穩定性,因此3-7s是一個比較合適的范圍。

塌落擴展度規范要求小于680mm,我們通過實際測試一般都控制在620mm-680mm之間,在這個區域內砼即可以保證施工的速度又可以滿足灌注的質量,Ⅲ對于一些配筋密集,形狀不規則的構件,需要通過試驗來確定。

3.3.2 間隙通過性

間隙通過性是指砼通過鋼筋間隙等狹窄限制空間的能力,是保證自密實砼在在自重作用下順利通過Ⅲ型板腔狹窄空間,充填密實成型的重要參數,這個性能對空間狹小、阻礙較多的Ⅲ型板施工來說非常重要。間隙通過性不足,則在澆筑后無法形成密實均勻的混凝土,。自密實混凝土間隙通過性主要通過兩種方法來測試,一種是J環障礙高差試驗法,一種是L型儀充填比試驗法。

J環試驗是一種相對簡單的測試方法,對于一定鋼筋間距的J環而言,J環擴展度越大表明所測混凝土填充能力越好,J環內外拌合物高差越小,說明拌合物間隙通過性越好。因此J環試驗方法可以較簡單明確的得到混凝土拌合物間隙通過能力。結合規范并通過試驗我們認為,J環障礙高差控制在18mm以下,就可以有效滿足混凝土拌合物間隙通過性。

L型儀試驗實際是反映一定間距的鋼筋對混凝土拌合物的阻塞作用,主要與拌合物最大粒徑、漿體含量、等性能有關,粗骨料可以在鋼筋之間形成拱圈,阻止拌合物均勻的通過鋼筋間隙,從而造成不同程度的離析,因此我們可以用觀察粗骨料是否均勻來進行判斷。若水平槽內骨料含量較少,漿體較多,而豎向槽內骨料含量較多,可判斷該拌合物間隙通過性較差,抗離析性較差。通過試驗我們認為L型儀充填比≥0.9時,混凝土拌合物間隙通過性較好,可以滿足型Ⅲ板充填層施工的需要。

3.4 施工過程控制

混凝土施工過程控制中,除去正常的過程檢查,還應注意了以下細節:

3.4.1 水泥、粉煤灰在生產過程中,由于生產工藝或其他原因產生了“氨”,使混凝土在生產過程中產生氨氣,尤其在冬季施工中,由于低氣溫時混凝土初凝時間加長,造成氣體在混凝土內部上升運動時間加長,容易造成混凝土出現發泡層。

3.4.2 減水劑對混凝土工作性能起到了關鍵的作用,通過實踐早已證明減水劑受環境溫度影響變化較大,因次在環境溫度變化較大時,要及時調整減水劑摻量或組份。通過我們項目的實踐,我們認為減水劑應按夏季和冬季來進行摻量或組份的調整。這樣做既可以滿足夏季施工坍損較快的特點,也可以解決冬季混凝土凝結時間過長的現象。

3.4.3 由于砂、石存放原因上、中、下各部位的含水量是不同的,砂、石在上料過程中,鏟車鏟運位置不同,容易造成含水量的變動。公司鄭徐項目自密實混凝土的單方用砂量為885kg,每增加或減少一個含水率,大約每方混凝土增加或減少9kg的水,自密實混凝土對水的敏感性又特強,含水率的變動極易引起混凝土的不穩定,出現擴展度過大或偏小、離析或流動性不足,所以要嚴格控制在上砂的過程中砂的含水量的均質性。鏟運時要在底部留出不小于40cm的料底,以保證料源的潔凈度和含水率基本穩定一致。確保混凝土出機工作性能的穩定。

3.4.4 板腔內積水容易造成混凝土發泡層、離縫等病害。板腔積水大多都是由于天氣下雨的原因造成的,板腔內既有限位凹槽又有一層4mm土工布,土工布積水后,在Ⅲ型板密閉空間內很難將水排除,當自密實混凝土澆筑過程中,由于混凝土的擠壓使積水迅速從土工布中流出與混凝土接觸,很容易使混凝土擴展度增大、產生離析,出現泡沫層或離縫。因此我們在施工時要及時關注當地氣象預報,做到未雨綢繆及時防范。

4 結論

通過以上對自密實混凝土的試驗、優化、控制我們認識到,自密實混凝土的材料必須選用優質的原材,特別對砂、碎石及外加劑要求較高,同時要對生產過程嚴格控制。自密實混凝土施工實際上是一個系統工程,它要求所有環節都要做到真實有效的控制,尤其對細節的發現和控制更是我們順利施工的保障。細節決定成敗,自密實混凝土與普通混凝土的最大不同,就是要對每一個細節的精準把握。

參考文獻:

[1] 馬昆林龍廣成謝友均. CRTSⅢ型板式無砟軌道充填層自密實混凝土碳化及力學性能演變的研究.《鐵道科學與工程學報》,2012.

[2] 陳孟強. CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土施工關鍵技術.《高速鐵路技術》,2013.

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