郭厚勇，張玉山，張春林

(中鐵十一局集團(tuán)第三工程有限公司,湖北 十堰 442012)

對(duì)于高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道而言，自密實(shí)混凝土(Self-compacting Concrete，SCC)充填層質(zhì)量控制是其結(jié)構(gòu)質(zhì)量和施工控制的核心。而自密實(shí)混凝土質(zhì)量控制則是保證充填層質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。與普通混凝土相比，自密實(shí)混凝土具有高流動(dòng)性、抗離析和填充能力強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。然而，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、灌注以及養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，自密實(shí)混凝土比較敏感，容易受到原材料波動(dòng)、自由水和極端天氣的影響[2]。大量研究表明，極端天氣是自密實(shí)混凝土工作性和耐久性主要的破壞因素。

文獻(xiàn)[2]分別模擬高溫和低溫天氣環(huán)境，總結(jié)了隨著溫度變化新拌自密實(shí)混凝土工作性能、流變性能及黏結(jié)性能的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[3]研究了溫度變化對(duì)自密實(shí)混凝土早期凝結(jié)時(shí)間和收縮變形的影響；文獻(xiàn)[4]通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)高溫如何影響自密實(shí)混凝土力學(xué)性能做了系統(tǒng)的研究。但目前大部分研究都集中在天氣條件變化對(duì)自密實(shí)混凝土本身流變性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響，且基本都建立在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，局限性較大，而關(guān)于天氣變化影響自密實(shí)混凝土充填層灌注質(zhì)量的研究相對(duì)較少。

本文基于鄭阜客運(yùn)專線CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土線外工藝性灌揭板試驗(yàn)，分別研究了秋季晴天、秋季小雨和冬季低溫天氣對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能、力學(xué)性能的影響，并在此基礎(chǔ)上對(duì)自密實(shí)混凝土充填層的表面質(zhì)量、斷面均勻度、密度、孔隙率、吸水率等參數(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)和驗(yàn)證。同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)于雨天或低溫天氣下自密實(shí)混凝土灌注施工提出了相應(yīng)的建議。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥為河南省同力水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5 普通硅酸鹽低堿水泥；粉煤灰為河南省興安新型建筑材料有限公司生產(chǎn)的F類(lèi)Ⅰ級(jí)粉煤灰；礦粉為河南省新星礦粉有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦渣粉；膨脹劑為山西省運(yùn)城市泓翔建材有限公司生產(chǎn)的HXUEA-Ⅱ型膨脹劑；黏度改性劑為安徽中鐵工程材料科技有限公司生產(chǎn)的ZTVM-1型黏度改性材料。

細(xì)骨料為河南信陽(yáng)羅山產(chǎn)細(xì)度模數(shù)為2.6的天然河砂(中級(jí))；粗骨料為河南禹州方山產(chǎn)2種連續(xù)級(jí)配碎石，最大粒徑分別為10，19 mm。

減水劑為運(yùn)城市泓翔建材有限公司生產(chǎn)的HXSX-B聚羧酸系高性能減水劑(緩凝型)，減水率為27.2%；引氣劑為運(yùn)城市泓翔建材有限公司生產(chǎn)的HXAE-A型引氣劑。

1.2 配合比

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了強(qiáng)度等級(jí)為C40的自密實(shí)混凝土理論配合比，見(jiàn)表1,水膠比0.33。拌合料施工配合比則是通過(guò)實(shí)測(cè)當(dāng)日粗細(xì)骨料表面含水率并根據(jù)理論配合比換算而來(lái)。試驗(yàn)所用原材料均符合TJ/GW 112—2013《高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》[5]要求。

1.3 試驗(yàn)方法

自密實(shí)混凝土攪拌工藝：首先向攪拌機(jī)中投入稱量好的骨料和粉料，攪拌均勻后，再加入外加劑和拌合水，并繼續(xù)攪拌至均勻。機(jī)械攪拌，總攪拌時(shí)間一般為180 s。

表1 自密實(shí)混凝土理論配合比 kg/m3

拌合物性能測(cè)試：混凝土出料后，攪拌車(chē)運(yùn)輸至試驗(yàn)澆筑現(xiàn)場(chǎng)，靜停并攪拌，總時(shí)間大約為40 min，取樣后測(cè)試拌合物擴(kuò)展時(shí)間T500和坍落擴(kuò)展度。

力學(xué)性能測(cè)試：拌合物性能測(cè)試完畢后，制作尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，土工布覆蓋，24 h后脫模養(yǎng)護(hù)至測(cè)試齡期，養(yǎng)護(hù)溫度20±2 ℃,相對(duì)濕度大于95%。

充填層的表觀密度、孔隙率及吸水性測(cè)試：自密實(shí)混凝土充填層經(jīng)灌注、拆模、揭板、養(yǎng)護(hù)，28 d后切割、取樣與加工，試驗(yàn)方法參照ASTM C642-13《Standard Test Method for Density,Absorption,and Voids in Hardened Concrete 》[6]要求進(jìn)行，計(jì)算得出樣品的吸水率、表觀密度和孔隙率，計(jì)算公式為

式中：A為樣品的吸水率，%；ρa(bǔ)為表觀密度，g/cm3；n為孔隙率，%；m0為樣品烘干后在空氣中的質(zhì)量，g；m1為樣品經(jīng)浸泡、煮沸后在空氣中的質(zhì)量，g；m2為樣品經(jīng)浸泡、煮沸后在水中的質(zhì)量，g；ρ0為水的密度，ρ0=1 g/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 自密實(shí)混凝土工作性能

自密實(shí)混凝土的工作性能通過(guò)擴(kuò)展時(shí)間T500和坍落擴(kuò)展度來(lái)測(cè)定，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯觯?種天氣條件下自密實(shí)混凝土工作性能有所不同。在秋季晴天，環(huán)境溫度21±2 ℃下，SCC-1坍落擴(kuò)展度為650 mm，T500為5.3 s；在秋季小雨天氣，環(huán)境溫度18±2 ℃下(試驗(yàn)過(guò)程中突然下起了小雨)，SCC-2坍落擴(kuò)展度為680 mm，T500為3.9 s，測(cè)試時(shí)明顯能觀察到少量的雨水滲入至混凝土中；當(dāng)冬季環(huán)境溫度為6±1 ℃時(shí)，SCC-3坍落擴(kuò)展度達(dá)到780 mm以上，T500為2.6 s，說(shuō)明其工作性能不滿足設(shè)計(jì)要求。另外，從圖1(a)中可以看出，SCC-1中粗骨料分布均勻，且無(wú)離析、無(wú)泌水現(xiàn)象；冬季低溫下SCC-3中則出現(xiàn)了嚴(yán)重分層、泌水和離析現(xiàn)象，如圖1(b)所示。上述分析表明，天氣變化對(duì)自密實(shí)混凝土流動(dòng)性和黏聚性具有不同程度的影響，特別是冬季低溫環(huán)境影響非常明顯，與文獻(xiàn)[7]得出的低溫使混凝土擴(kuò)展度增大的結(jié)論一致。

表2 不同條件下自密實(shí)混凝土工作性能

圖1 自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度測(cè)試

在冬季低溫條件下，造成自密實(shí)混凝土工作性能降低的主要原因可能是拌合物中減水劑反應(yīng)不充分及水泥水化速率降低所致?；炷翑嚢钑r(shí)間的適當(dāng)延長(zhǎng)有利于自密實(shí)混凝土工作性能的提升[8]。因此，其他試驗(yàn)條件不變,將混凝土攪拌時(shí)間從180 s延長(zhǎng)至240 s，從表2中可以看出，與SCC-3相比，SCC-4的坍落擴(kuò)展度降至650 mm，T500增大為5.0 s，其工作性能得到了明顯的改善。

2.2 自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度

對(duì)3種自密實(shí)混凝土立方體試件進(jìn)行7 d和28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表3。可以看出，3種自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大。與SCC-1抗壓強(qiáng)度相比，小雨和低溫天氣下生產(chǎn)的SCC-2和SCC-4的不同齡期的抗壓強(qiáng)度均下降。導(dǎo)致強(qiáng)度下降的原因包括：在雨天，雨水的滲入使混凝土中水泥漿流失，引起孔洞或者出現(xiàn)麻面；在低溫條件下，水化速率減緩、凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)均會(huì)影響混凝土強(qiáng)度發(fā)展；同樣，延長(zhǎng)攪拌時(shí)間也會(huì)使拌合物氣泡增多。試驗(yàn)表明，晴天生產(chǎn)的自密實(shí)混凝土力學(xué)性能更優(yōu)，而小雨和低溫天氣則會(huì)引起混凝土工作性能和力學(xué)性能降低。

表3 不同條件下自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度

2.3 自密實(shí)混凝土充填層灌注質(zhì)量分析

圖2為不同天氣條件下灌注自密實(shí)混凝土充填層揭板后的照片。

圖2 不同條件下灌注的自密實(shí)混凝土充填層表面及斷面

由圖2(a)可見(jiàn)，晴天施工灌注的充填層表面平整，浮漿層薄，無(wú)漏石及漏筋現(xiàn)象，且氣泡較少(無(wú)大于50 cm2的氣泡，大于6 cm2的氣泡面積之和不超過(guò)板總面積的2%)。將板切開(kāi)后觀察，骨料均勻分布，且與水泥石相互交錯(cuò)，無(wú)明顯氣孔，如圖2(d)所示，說(shuō)明晴天灌注的自密實(shí)混凝土充填層效果較好。

小雨天氣下灌注的充填層表面相對(duì)粗糙，有輕微的浮漿和氣泡層，且粗大氣泡較多，如圖2(b)所示。這是因?yàn)椋河晏旃嘧⒒炷?，雨水的流入使水泥漿流失，引起孔洞或留下麻面；雨水的滯留同樣會(huì)降低拌合物工作性能，導(dǎo)致自密實(shí)混凝土灌注成型過(guò)程中排氣困難。對(duì)充填層進(jìn)行切割，觀察其橫斷面，發(fā)現(xiàn)骨料分布的均勻性稍差，且有輕微的分層現(xiàn)象，如圖2(e)所示。這表明雨天對(duì)自密實(shí)混凝土充填層的灌注質(zhì)量影響明顯。

冬季低溫環(huán)境下，當(dāng)攪拌180 s時(shí)，自密實(shí)混凝土出現(xiàn)離析，工作性能不滿足要求，容易阻塞灌注口，禁止灌注；當(dāng)攪拌時(shí)間延長(zhǎng)至240 s時(shí)，混凝土的流動(dòng)性和黏聚性有較大改善，滿足自密實(shí)混凝土工作性能要求，可以進(jìn)行灌注。圖2(c)為低溫條件下灌注的自密實(shí)混凝土(SCC-4)揭板后照片，從圖中可以看出充填層表面相對(duì)平整，無(wú)浮漿和分層現(xiàn)象，無(wú)較大氣泡，只是板的四周邊緣小氣泡較多。將板切開(kāi)觀察其斷面，發(fā)現(xiàn)雖無(wú)分層現(xiàn)象，但均勻度不是特別令人滿意，如圖2(f) 所示。

通過(guò)對(duì)上述結(jié)果分析可知，雨天和低溫天氣均會(huì)不同程度地影響自密實(shí)混凝土充填層的灌注質(zhì)量。其中，雨天導(dǎo)致充填層表面大氣泡增多，斷面均勻度稍差，呈現(xiàn)浮漿分層現(xiàn)象，影響較大；在低溫環(huán)境下，雖然通過(guò)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間能使自密實(shí)混凝土工作性能滿足灌注要求，但這仍不足以抵消低溫環(huán)境造成充填層表面質(zhì)量及斷面均勻度降低的不利影響。

2.4 自密實(shí)混凝土充填層密度、孔隙率及吸水性

表4顯示了不同天氣條件下灌注28 d后自密實(shí)混凝土充填層的性能。

表4 不同條件下灌注28 d后自密實(shí)混凝土充填層性能

由表4可知，隨著天氣條件的變化，SCC-1，SCC-2，SCC-4這3種自密實(shí)混凝土灌注的充填層表觀密度變化較小，無(wú)明顯規(guī)律。相關(guān)研究表明，自密實(shí)混凝土的表觀密度與多種因素有關(guān)，如骨料的密度與含量、水泥含量、火山灰含量、空氣含量等[9]。

由表4可知,，與SCC-1相比，小雨和低溫天氣條件下灌注的SCC-2，SCC-4充填層孔隙率顯著增加，分別提高了43%和42%。對(duì)于小雨天氣而言，充填層孔隙率增大的原因是雨水的滲入與滯留導(dǎo)致其孔洞增多；而對(duì)于低溫天氣，主要原因是低溫減緩了粉煤灰火山灰效應(yīng)和水泥水化反應(yīng)，其次還與混凝土攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)有關(guān)。

由表4可知，與SCC-1相比，雨天和低溫條件下灌注的SCC-2，SCC-4的充填層吸水率分別提高了36%和34%。自密實(shí)混凝土充填層的吸水率與其孔隙率的變化規(guī)律相類(lèi)似，孔隙率越大，吸水率越大，說(shuō)明自密實(shí)混凝土吸水率的大小與其孔隙率的大小有關(guān)，這與文獻(xiàn)[9]的結(jié)果相一致。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，天氣變化對(duì)自密實(shí)混凝土充填層的表觀密度、孔隙率和吸水率會(huì)造成不同程度的影響，其中對(duì)表觀密度影響不明顯，而對(duì)孔隙率和吸水率影響較為明顯。吸水率和孔隙率影響混凝土的強(qiáng)度、耐久性、抗凍性與導(dǎo)熱性等，因此，吸水率和孔隙率試驗(yàn)進(jìn)一步證明了雨天和低溫環(huán)境會(huì)降低自密實(shí)混凝土充填層的顆粒間黏結(jié)力與密實(shí)性，使結(jié)構(gòu)減弱，從而使強(qiáng)度、耐久性降低。

3 雨天和低溫天氣灌注自密實(shí)混凝土的建議

為避免雨天和低溫天氣造成自密實(shí)混凝土灌注質(zhì)量降低的問(wèn)題，根據(jù)試驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，提出如下建議：①在雨天環(huán)境下不宜進(jìn)行自密實(shí)混凝土灌注，即使少量的雨水都能夠?qū)е禄炷帘砻娉霈F(xiàn)變色和水紋現(xiàn)象，如遇特殊情況，應(yīng)及時(shí)做好防雨措施以防止雨水進(jìn)入到混凝土和板腔中(如及時(shí)覆蓋已封邊的軌道板、料斗、溜槽、灌注孔、觀察孔等)；②在低溫天氣下灌注自密實(shí)混凝土應(yīng)充分做好防范及改進(jìn)措施，如對(duì)原材料及拌合水采取溫控措施，配合比設(shè)計(jì)時(shí)采用適宜于低溫環(huán)境的高效減水劑，改進(jìn)混凝土生產(chǎn)工藝，自密實(shí)混凝土灌注后采取覆蓋保溫養(yǎng)護(hù)等。

4 結(jié)論

1)天氣變化對(duì)自密實(shí)混凝土的工作性能影響顯著，在小雨和低溫天氣下其流變性和黏聚性均會(huì)降低。尤其低溫環(huán)境容易使自密實(shí)混凝土產(chǎn)生骨料下沉、泌水、離析等現(xiàn)象。

2)小雨和低溫天氣對(duì)自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度影響較大，在工作性能滿足要求的條件下，與晴天相比，混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度均會(huì)降低，其中雨天環(huán)境使強(qiáng)度降低程度更大。

3)小雨和低溫環(huán)境下灌注自密實(shí)混凝土均會(huì)導(dǎo)致充填層外觀質(zhì)量和斷面均勻度降低，主要表現(xiàn)為充填層表面氣泡增多或增大，骨料分布不均勻以及浮漿分層現(xiàn)象。

4)自密實(shí)混凝土充填層的孔隙率和吸水率容易受到小雨和低溫天氣的影響，孔隙率和吸水率均較高，說(shuō)明其密實(shí)性較差。