丁偉，賈寶紅，李文旭，劉贊群

基于強(qiáng)度分布的CRTSIII板式軌道充填層灌注質(zhì)量的影響因素研究

丁偉1，賈寶紅2，李文旭3，劉贊群3

(1. 中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京 100176；2. 鄭萬(wàn)鐵路客運(yùn)專(zhuān)線河南有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000；3.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

依托鄭阜客專(zhuān)線下工藝性試驗(yàn)，得到不同拌合物性能、灌注時(shí)間、排漿時(shí)間的充填層強(qiáng)度分布特征，提出基于強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的充填層勻質(zhì)性指標(biāo)，研究結(jié)果表明：充填層勻質(zhì)性隨自密實(shí)混凝土拌合物擴(kuò)展度增大而減小且當(dāng)擴(kuò)展度小于620 mm，充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性降低。隨著出漿口排漿時(shí)間增長(zhǎng)，充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性越好，當(dāng)排漿時(shí)間大于30 s時(shí)，充填層勻質(zhì)性變化不大；隨著灌注時(shí)間增長(zhǎng)，充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性略有提升且灌注時(shí)間超過(guò)8 min后，灌注時(shí)間對(duì)充填層勻質(zhì)性的提升較?。坏玫浆F(xiàn)場(chǎng)最佳混凝土拌合物狀態(tài)及灌注工藝為：拌和物擴(kuò)展度范圍620~670 mm，出漿口排漿時(shí)間為30 s，灌注時(shí)間6~8 min。研究結(jié)果為充填層現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考。

自密實(shí)混凝土；施工工藝；勻質(zhì)性；缺陷率

CRTSIII型板是具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，與源自日本技術(shù)的 CRTSI型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)和源自德國(guó)技術(shù)的CRTSII型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)之一就是采用具有高流動(dòng)性、高穩(wěn)定性和低收縮變形的自密實(shí)混凝土作為無(wú)砟軌道充填層材料[1?4]。CRTSIII板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土作為充填層需澆筑在 5 600 mm× 2 500 mm×90 mm的狹長(zhǎng)薄板狀封閉空間中，其工作性能要求比普通自密實(shí)混凝土更高，灌注技術(shù)和施工工藝更困難[5?8]。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)拌合物基礎(chǔ)工作性能對(duì)自密實(shí)混凝穩(wěn)定性的影響已有大量研究。Nathan等[9]研究發(fā)現(xiàn)增加自密實(shí)混凝土拌合物最終流動(dòng)時(shí)間可提高其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，且更能表征其黏度。 LIN等[10]也得到同樣的結(jié)論。張勇等[11?12]研究發(fā)現(xiàn)自密實(shí)混凝土的流動(dòng)時(shí)間和擴(kuò)展度與其靜態(tài)穩(wěn)定性間存在良好相關(guān)性，流動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)或擴(kuò)展度的降低均有利于靜態(tài)穩(wěn)定性的提高。同時(shí)，認(rèn)為當(dāng)自密實(shí)混凝土的基本工作性能至少滿(mǎn)足5.3 s≤500≤20.0 s，12.1 s≤600≤46.4 s，35.7 s ≤≤63.7 s 和550 mm≤≤715 mm 中的3項(xiàng)時(shí)，可判定其靜態(tài)穩(wěn)定性良好。但在現(xiàn)場(chǎng)施工中，填充層內(nèi)放置有疏密不等的鋼筋網(wǎng)，這使得試驗(yàn)室測(cè)得的結(jié)果與實(shí)際施工要求仍有出入。付鋼等[13]結(jié)合鄭徐客運(yùn)專(zhuān)線CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道充填層工藝性揭板試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)踐，總結(jié)出滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)條件的施工配合比和穩(wěn)定的施工工藝流程。研究表明，自密實(shí)混凝土灌筑速度不宜過(guò)快，否則壓力過(guò)大容易導(dǎo)致軌道板發(fā)生位移或上浮，灌筑時(shí)間一般控制在5~8 min為宜。入模坍落擴(kuò)展度宜控制在650 ~680 mm，500宜控制在3~5 s，若大于7 s，建議不灌筑。王顯進(jìn)[14]同樣總結(jié)出自密實(shí)混凝土塌落擴(kuò)展度為650 mm，中間孔灌注效果最優(yōu)，而王秀芬[15]則認(rèn)為為避免自密實(shí)混凝土硬化過(guò)程中出現(xiàn)較大的干縮，影響灌筑效果，坍落度應(yīng)控制在630 mm，擴(kuò)展時(shí)間500控制在4~5 s為宜。工程人員往往僅根據(jù)《高速鐵路CRTS III型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》[16]要求，定性的評(píng)估灌注質(zhì)量，并未對(duì)材料性能與施工工藝對(duì)自密實(shí)混凝土充填層灌注質(zhì)量的影響規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的、定量分析。自密實(shí)混凝土充填層是軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件且其性能的優(yōu)劣直接影響到軌道系統(tǒng)的耐久性以及使用的舒適性、安全性、經(jīng)濟(jì)性[17?18]。因此，深入研究自密實(shí)混凝土拌合物性能與施工工藝對(duì)自密實(shí)混凝土充填層灌注質(zhì)量的影響規(guī)律對(duì)控制和優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)措施具有重要意義。鑒于此，本文結(jié)合線下工藝性揭板試驗(yàn)，鉆芯取樣，測(cè)試其相關(guān)力學(xué)性能，并提出基于強(qiáng)度分布的CRTSIII型板勻質(zhì)性指標(biāo)，研究自密實(shí)混凝土拌合物性能與施工工藝對(duì)自密實(shí)混凝土充填層灌注質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料、配比及試件制備

充填層自密實(shí)混凝土(SCC)采用的原材料包括水泥、粉煤灰、膨脹劑、粗細(xì)集料、黏度改性材料、高效減水劑等。P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥(C)由許昌天瑞集團(tuán)水泥有限公司生產(chǎn)，Ⅰ級(jí)粉煤灰(FA)和膨脹劑(EA)分別由寶豐縣吉森實(shí)業(yè)有限公司和鄭州艾克思建材有限公司提供，水泥、粉煤灰的物理化學(xué)性能如表1所示。

黏度改性劑、減水劑等由安徽中鐵工程材料科技有限公司，其中羧酸系減水劑(SP)減水率為29%。細(xì)集料采用普通河砂，其細(xì)度模數(shù)為2.6，表觀密度為2 650 kg/m3；粗集料采用石灰石質(zhì)碎石，表觀密度為2 735 kg/m3，試驗(yàn)中選用5~10 mm 和10~16 mm 2種級(jí)配混配而成；拌合水為飲用自來(lái)水。試驗(yàn)各原材料性能均滿(mǎn)足《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》[16](TJ/GW 112—2013)的相關(guān)規(guī)定。

結(jié)合線下工藝性揭板試驗(yàn)，按圖1中布點(diǎn)位置進(jìn)行鉆芯取樣，芯樣直徑為70 mm，每個(gè)取芯位置取3個(gè)芯樣，每種工況共取76個(gè)芯樣，取出后編號(hào)并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至56 d進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，其中，試件測(cè)試前用環(huán)氧樹(shù)脂補(bǔ)平且平行誤差不超過(guò)0.02 mm。取芯現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖2所示。

表1 水泥、粉煤灰、膨脹劑的物理化學(xué)性能

圖1 充填層自密實(shí)混凝土取芯位置示意圖

圖2 取芯現(xiàn)場(chǎng)圖

表2 各板號(hào)的試驗(yàn)工況條件

通過(guò)調(diào)控減水劑、黏度改性劑用量配制所需工作性的自密實(shí)混凝土，并設(shè)計(jì)7種工況，以此研究拌合物擴(kuò)展度、出漿口排漿時(shí)間、灌注時(shí)間對(duì)自密實(shí)混凝土充填層灌注質(zhì)量的影響。設(shè)計(jì)工況見(jiàn)表2。

1.2 試驗(yàn)方法

芯樣處理及抗壓強(qiáng)度計(jì)算均按《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[19]展開(kāi)，試驗(yàn)采用DYE?1000型混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)，如圖3所示，測(cè)得充填層各位置自密實(shí)混凝土芯樣的抗壓強(qiáng)度，繪制充填層自密實(shí)混凝土強(qiáng)度分布云圖，并提出了基于強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的充填層勻質(zhì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，以此對(duì)充填層灌注質(zhì)量進(jìn)行表征，最終得到控制與優(yōu)化自密實(shí)混凝土充填層現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量的技術(shù)措施。勻質(zhì)性指數(shù)σ表達(dá)式見(jiàn)式(1)。

式中：N為芯樣數(shù)量；si為芯樣強(qiáng)度；m為芯樣強(qiáng)度平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 拌合物擴(kuò)展度對(duì)充填層自密實(shí)混凝土灌注質(zhì)量的影響

圖4與圖5顯示了不同拌合物擴(kuò)展度下的充填層自密實(shí)混凝土強(qiáng)度分布及勻質(zhì)性指標(biāo)。由圖4和圖5可知，填充層自密實(shí)混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)沿混凝土灌注方向遞減的趨勢(shì)且在以灌注口為中心的橫向強(qiáng)度較高；自密實(shí)混凝土拌合物擴(kuò)展度對(duì)充填層勻質(zhì)性影響較大；板1由于自密實(shí)混凝土拌合物擴(kuò)展度較大(即擴(kuò)展度大于670 mm)，其拌合物穩(wěn)定性相對(duì)較差，加之充填層內(nèi)鋼筋網(wǎng)阻隔，使得在流動(dòng)的過(guò)程中自密實(shí)混凝土發(fā)生離析。板1排漿口附近區(qū)域混凝土中漿骨比高于板內(nèi)，導(dǎo)致該區(qū)域強(qiáng)度出現(xiàn)明顯較低，勻質(zhì)性較差；板2和板3的強(qiáng)度分布較板1更加均勻，排漿口附近區(qū)域強(qiáng)度沒(méi)有明顯降低。板3由于自密實(shí)混凝土拌合物擴(kuò)展度較小(擴(kuò)展度小于620 mm)，其間隙通過(guò)性能較差，很容易在鋼筋間距小的區(qū)域出現(xiàn)骨料集聚，出現(xiàn)局部強(qiáng)度不勻質(zhì)的情況，使得其勻質(zhì)性略低于板2。結(jié)合充填層自密實(shí)混凝土強(qiáng)度分布及其勻質(zhì)性指數(shù)，得到現(xiàn)場(chǎng)施工最適宜的自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度范圍為620~ 670 mm。

單位：mm

圖5 不同擴(kuò)展度下充填層的勻質(zhì)性變化

2.2 出漿口排漿時(shí)間對(duì)充填層自密實(shí)混凝土灌注質(zhì)量的影響

充填層自密實(shí)混凝土在不同出漿口排漿時(shí)間下的強(qiáng)度分布及勻質(zhì)性指標(biāo)如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可知隨著出漿口排漿時(shí)間增長(zhǎng)，充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性越好；此外，由圖6(a)可知板4因過(guò)早關(guān)閉出漿口，多余的漿體未能排出，使得出漿口附近出現(xiàn)漿骨比高于板內(nèi)其他部位，導(dǎo)致出漿口附近處混凝土強(qiáng)度明顯低于板內(nèi)，勻質(zhì)性較差。板2和板5強(qiáng)度分布較板4更加均勻，總體勻質(zhì)性較好，板5的勻質(zhì)性與板2接近且板5勻質(zhì)性略好于板2。由此可知，出漿口處混凝土狀態(tài)良好時(shí)，再增加排漿時(shí)間對(duì)充填層質(zhì)量影響不大。綜上所述，最經(jīng)濟(jì)、合理的灌注工藝為自密實(shí)混凝土拌合物擴(kuò)展都范圍為620~670 mm，出漿口排漿時(shí)間為30 s。

(a) 板2填充層自密實(shí)混凝土強(qiáng)度分布云圖；(b) 板4填充層自密實(shí)混凝土強(qiáng)度分布云圖；(c) 板5填充層自密實(shí)混凝土強(qiáng)度分布云圖

圖7 不同排漿時(shí)間下充填層勻質(zhì)性變化

2.3 灌注時(shí)間對(duì)充填層自密實(shí)混凝土灌注質(zhì)量的影響

圖8與圖9顯示了不同灌注時(shí)間下的充填層自密實(shí)混凝土強(qiáng)度分布及勻質(zhì)性指標(biāo)。由圖8和圖9可知隨著灌注時(shí)間增長(zhǎng)，充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性越好；板6因灌注時(shí)間過(guò)短在觀察口及排漿口附近，混凝土強(qiáng)度略有降低，勻質(zhì)性稍差。板2和板7充填層自密實(shí)混凝土強(qiáng)度分布板6更加均勻且板2和板7勻質(zhì)性接近?？傮w而已，當(dāng)混凝土拌和物擴(kuò)展度處于620~670 mm范圍且排漿時(shí)間為30 s時(shí)，隨著灌注時(shí)間增長(zhǎng)，充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性越好，但灌注時(shí)間超過(guò)8 min后，對(duì)充填層勻質(zhì)性的提升并不大。這與Mesbah等[20?23]的研究結(jié)果相比：自密實(shí)混凝土流速對(duì)其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響很小，即對(duì)于工作性相同的自密實(shí)混凝土拌合物，灌注速度對(duì)其勻質(zhì)性影響較小相吻合?？紤]到灌注質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益得出，自密實(shí)混凝土最佳灌注時(shí)間為6~8 min。

(a) 板2填充層自密實(shí)混凝土強(qiáng)度分布云圖；(b) 板6填充層自密實(shí)混凝土強(qiáng)度分布云圖；(c) 板7填充層自密實(shí)混凝土強(qiáng)度分布云圖

圖9 不同灌注時(shí)間充填層勻質(zhì)性變化

綜上所述，得到現(xiàn)場(chǎng)條件下最佳混凝土拌合物狀態(tài)及灌注工藝為：拌和物擴(kuò)展度范圍620~670 mm，出漿口排漿時(shí)間為30 s，灌注時(shí)間6~8 min。

3 結(jié)論

1) 填充層自密實(shí)混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)沿混凝土灌注方向遞減的趨勢(shì)且在以灌注口為中心的橫向強(qiáng)度較高。

2) 充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性隨著拌合物擴(kuò)展度增大而降低且當(dāng)擴(kuò)展度小于620 mm，充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性出現(xiàn)降低，拌合物擴(kuò)展度處于620～670 mm時(shí)，勻質(zhì)性最佳。

3) 隨著出漿口排漿時(shí)間增長(zhǎng)，充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性越好，當(dāng)出漿口排漿時(shí)間大于30 s時(shí)，排漿時(shí)間對(duì)充填層勻質(zhì)性影響不大。

4) 當(dāng)自密實(shí)混凝土拌和物擴(kuò)展度處于620~ 670 mm范圍且排漿時(shí)間為30 s時(shí)，隨著灌注時(shí)間增長(zhǎng)，充填層自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性越好，但灌注時(shí)間超過(guò)8 min后，對(duì)充填層勻質(zhì)性的提升不大。

5) 基于充填層自密實(shí)混凝土強(qiáng)度分布及其勻質(zhì)性得到現(xiàn)場(chǎng)條件下最佳混凝土拌合物狀態(tài)及灌注工藝為：拌和物擴(kuò)展度范圍620~670 mm，出漿口排漿時(shí)間為30 s，灌注時(shí)間6~8 min。

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Study on influencing factors of filling quality of crtsIII slab track filling layer based on strength distribution

DING Wei1, JIA Baohong2, LI Wenxu3, LIU Zanqun3

(1.China Railway 19th Bureau Group Co., Ltd, Beijing 100176, China;2. Zheng-Wan Railway Passenger Dedicated Line Henan Co., Ltd, Zhengzhou 450000, China3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

This paper relies on the Off-line process test in the Zhengzhou-Fuyang Railway. By sampling the SCC (self-compacting concrete) core in the filling layer, the strength distribution characteristics of the filling layer with different SCC mixture properties, discharge time and filling time were obtained, and the filling layer homogeneity index based on the strength standard deviation was proposed. The filling quality of filling layer was characterized. The research shows that the homogeneity of the filling layer decreases with increasing the slump flow. when the slump flow is less than 620 mm, the homogeneity of the filling layer is slightly reduced, and the homogeneity is best when the slump flow is in the range of 620~670 mm. The homogeneity of the filling layer is better with increasing discharge time, and when the SCC is in good condition at the four outlets, the increase of the discharge time has a little effect on the filling quality of the filling layer. The filling time a has little effect on the homogeneityof the filling layer, and the homogeneity of the filling layer is slightly improved with the increase of the filling time. The best SCC mixture properties and filling process under the field conditions are that the range of slump flow is 620~670 mm, the discharge time is 30 s, and the filling time is about 6~8 min. The research results provide reference for field construction of the filling layer.

self-compacting concrete; construction technology; homogenization; defect rate

TQ172

A

1672 ? 7029(2019)11? 2651 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.11.002

2019?02?20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51678569，51678568)；中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)課題資助項(xiàng)目(2017G005-B)

劉贊群(1975?)，男，湖南婁底人，教授，從事新型膠凝材料及混凝土耐久性研究；E?mail：zanqun.Liu@csu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)