張志超

(中國土木工程集團有限公司，北京 100038)

0 引 言

CRTS Ⅲ型板式無砟軌道是我國具有自主知識產權的一種新型軌道結構[1-4]。其中，充填層自密實混凝土是CRTS Ⅲ型無砟軌道的重要組成部分。與普通自密實混凝土結構不同，CRTS Ⅲ型板式無砟軌道的特殊結構決定了充填層自密實混凝土需要具備更優(yōu)良的新拌工作性、抗離析性和間隙通過性才能密實填充布滿鋼筋網(wǎng)的狹長空間[5]。但是，由于配合比以及環(huán)境變化的原因，自密實混凝土自身的流動性會受到較大影響，進而發(fā)生骨料離析或者體積不密實等現(xiàn)象。除了膠凝體系外，粗骨料的粒徑分布對自密實混凝土的流動性具有重要影響[6-8]。研究表明[9]，當砂石體系達到合適的級配時，整個自密實混凝土體系顆粒比表面積能夠大大減小，此時體系所需的漿體量最小。骨料堆積的顆粒相互作用如圖1所示，粒徑較小的骨料通常在外力作用下不易發(fā)生沉降，并較為穩(wěn)定地懸浮在混凝土體系內。當混凝土發(fā)生流動行為時，粒徑較大的骨料由于慣性作用會對周圍骨料產生更大的作用力，從而在宏觀上改變混凝土的流動性[10]。綜上，選擇合理參數(shù)范圍的粗骨料對提高自密實混凝土新拌工作性具有重要意義。除了工作性和流變性外，靜態(tài)穩(wěn)定性也是表征骨料在自密實混凝土內部均勻分布的重要指標[11-12]。為了更好地掌握粗骨料粒徑分布對自密實混凝土工作性和靜態(tài)穩(wěn)定性的影響，本文通過工作性參數(shù)試驗、流變參數(shù)測試和柱狀法測試三種手段研究了自密實混凝土坍落擴展度、擴展時間T500、J環(huán)高差、L型儀充填比、屈服應力、塑性黏度和靜態(tài)離析百分數(shù)隨骨料最大粒徑的變化情況，為混凝土施工質量的控制提供了依據(jù)。

圖1 骨料堆積的顆粒相互作用Fig.1 Particle interaction in aggregate accumulation

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

采用的水泥為中國聯(lián)合水泥集團有限公司生產的基準水泥P·Ⅰ 42.5，粉煤灰為F類Ⅰ級，礦粉為S95級。減水劑類型為聚羧酸高效減水劑，由重慶市江津區(qū)減水劑廠生產提供，減水率為25.6%。粗骨料粒徑分別采用5～10 mm、5～16 mm、5～20 mm和5～25 mm四個粒徑區(qū)間，含泥量均小于0.4%。試驗采用纖維素醚作為自密實混凝土的黏度改性材料，膨脹劑為四川達州川優(yōu)建材有限公司提供。具體配合比見表1。

表1 自密實混凝土配合比Table 1 Mixture proportions of self-compacting concrete /(kg/m3)

1.2 試驗方法

1.2.1 自密實混凝土工作性

(1) 坍落擴展度和擴展時間T500

將坍落擴展度板至于水平地面上，坍落度筒放置在擴展度板中心處，用濕布擦拭坍落度筒和擴展度板的表面。將攪拌均勻的混凝土倒入坍落度筒內，倒入全過程中用腳踩緊筒兩邊的踏板防止其滑移，待傾倒完畢后，用抹刀刮去上表面多余的混凝土。隨后垂直平穩(wěn)提起坍落度筒，使混凝土自由流淌，記錄混凝土擴展度達到500 mm所用的時間以及混凝土不再流動時互相垂直方向的平均直徑即為T500和擴展度。

(2) J環(huán)障礙高差

J環(huán)障礙高差試驗和坍落擴展度測試過程相似。在放置坍落度筒至擴展度板中心位置后，將J環(huán)套在筒外。提起坍落度筒使混凝土自然流淌至靜止狀態(tài)，測得J環(huán)中心頂面至混凝土頂面的高度差Δh，以及J環(huán)互相垂直的四個方向頂面與相應混凝土的高度差Δh1、Δh2、Δh3、Δh4。J環(huán)障礙高差h按式(1)來計算。

(1)

(3) L型儀充填比

L型儀由前槽(垂直方向)和后槽(水平方向)兩部分組成，前槽高度為600 mm，后槽高度為150 mm，前后槽間設置有活動門，門前安裝3根長150 mm的φ12 mm光圓鋼筋。將L型儀放在水平堅實的地面上，用濕布潤濕內壁后把拌和均勻的混凝土倒入L型儀前槽，靜置1 min后迅速提起活動門使混凝土自然流淌，待混凝土靜止后記錄前后槽混凝土的高度，后槽高度與前槽的比值即為L型儀充填比。

自密實混凝土的新拌工作性能應當滿足Q/CR 596—2017《CRTSⅢ 型板式無砟軌道自密實混凝土暫行技術條件》，具體參數(shù)范圍如表2所示。

表2 自密實混凝土工作性參數(shù)要求范圍Table 2 Requirements for workability range of self-compacting concrete

1.2.2 自密實混凝土流變性能

自密實混凝土的流變性能采用丹麥Germann公司生產的ICAR混凝土流變儀。流變桶內部直徑為355 mm，高度為380 mm；轉子直徑為125 mm，高度為290 mm。測試前先高速攪拌20 s以便排除混凝土觸變性對流變參數(shù)的影響。隨后剪切速率逐級降低，每個扭矩值恒定5 s，具體測試程序如表3所示。

表3 自密實混凝土流變測試程序Table 3 Rheological test procedure of self-compacting concrete

自密實混凝土流變儀的測試原理是基于Reiner-Riwlin方程的計算過程得出的[13-14]。該方程從傳感器測試得到的扭矩(T)-轉速(N)關系出發(fā)，將混凝土視作標準牛頓流體，通過數(shù)學推導的方式得到自密實混凝土的屈服應力τ0和塑性黏度μ，如式(2)～(3)所示。

(2)

(3)

式中，Ri和R0分別為轉子半徑和圓筒半徑，G和H分別為T-N直線擬合得到的截距和斜率，a為同軸圓筒流變儀轉子浸沒在混凝土中的高度。

1.2.3 自密實混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性

美國的ASTM C1610-14標準采用柱狀法[15]來測量并計算得到靜態(tài)穩(wěn)定性指標。靜態(tài)穩(wěn)定性測試裝置如圖2所示。首先用濕布潤濕圓柱體試模內壁，將兩側閥門打開，在2 min內將混凝土倒入試模內，靜置約15 min。隨后將閥門關閉，在20 min以內取出圓筒上下兩節(jié)的混凝土，在4.75 mm方孔篩中將上下節(jié)的骨料洗出，再對其進行烘干稱量，計算靜態(tài)離析百分數(shù)，如式(4)所示。

圖2 柱狀法實驗裝置Fig.2 Experimental apparatus of column method

(4)

式中，s為混凝土靜態(tài)離析百分數(shù)(%)，m1為下層混凝土骨料質量(kg)，m2為上層混凝土骨料質量(kg)。

2 結果和討論

2.1 骨料粒徑對工作性參數(shù)的影響

圖3所示為各項工作性參數(shù)隨骨料粒徑的變化情況。四組配合比下自密實混凝土均滿足規(guī)范要求，每一組混凝土泌水率均為0%，能夠較好地完成現(xiàn)場CRTS Ⅲ型板式無砟軌道的施工灌注。由圖3可知，隨著粗骨料最大粒徑的逐漸增大，自密實混凝土坍落擴展度和L型儀充填比呈先增大后減小的變化趨勢，但T500和J環(huán)高差則呈現(xiàn)出相反的變化情況。粒徑范圍為5～10 mm時，擴展度值在四個配合比中最小為632 mm。同時該配合比對應的J環(huán)高差為15.4 mm，說明此狀態(tài)下自密實混凝土的流動性和間隙通過性能均呈較低的水平。然而當骨料最大粒徑值增至20 mm時，擴展度增至657 mm，增大較為顯著。隨著骨料最大粒徑繼續(xù)增大，擴展度又有所減小。當骨料粒徑分布范圍為5～20 mm時，混凝土對應的擴展度和L型儀充填比最大，而T500和J環(huán)高差最小。

圖3 粗骨料最大粒徑對工作性參數(shù)的影響Fig.3 Effect of maximum coarse aggregate size on workability parameters

2.2 骨料粒徑對流變參數(shù)的影響

圖4所示為四種骨料最大粒徑下自密實混凝土的扭矩-轉速關系以及基于Bingham模型的擬合結果。由擬合結果可知，自密實混凝土的扭矩-轉速近似符合線性增長關系。有研究表明[16]，當摻入部分礦物摻合料后，自密實混凝土的流變曲線可能會出現(xiàn)剪切增稠或剪切稀化的現(xiàn)象。當扭矩-轉速關系偏離線性關系過大時，屈服應力和塑性黏度的擬合結果可能會出現(xiàn)偏離實際值的情況。本實驗所得出的數(shù)據(jù)中，扭矩-轉速線性關系顯著，故能夠保證流變參數(shù)的準確性。

圖4 自密實混凝土扭矩-轉速關系和擬合直線方程Fig.4 Torque-speed relationship and linear fitting equation of self-compacting concrete

圖5所示為不同粗骨料最大粒徑下自密實混凝土屈服應力和塑性黏度。由圖5(a)可知，當骨料最大粒徑由10 mm增大至16 mm時，混凝土屈服應力值由14.49 Pa增至14.72 Pa，然而當骨料粒徑繼續(xù)增大時，屈服應力出現(xiàn)一定波動，并非繼續(xù)呈線性增長關系。塑性黏度隨粗骨料最大粒徑的變化趨勢和工作性參數(shù)中的T500類似，當粗骨料最大粒徑增至20 mm時，塑性黏度由10 mm的15.35 Pa·s減小至12.50 Pa·s；然而當最大粒徑繼續(xù)增大時，塑性黏度有所增大。粗骨料粒徑的增大會降低骨料體系的總比表面積，使得附著在骨料表面的漿體體積有所減少，可自由流動的漿體體積增多，進而提高了自密實混凝土的流動性。

圖5 粗骨料最大粒徑對流變參數(shù)的影響Fig.5 Effect of maximum coarse aggregate size on rheological parameters

2.3 骨料粒徑對靜態(tài)離析百分數(shù)的影響

圖6為粗骨料最大粒徑對靜態(tài)離析百分數(shù)的影響。由圖6可知，隨著粗骨料最大粒徑的增大，自密實混凝土的靜態(tài)離析百分數(shù)逐漸增大，表示混凝土抗離析性有所下降。此時大于4.75 mm的粗骨料下沉現(xiàn)象有所加劇。骨料最大粒徑為10 mm時，自密實混凝土靜態(tài)離析百分數(shù)為0.83%，出現(xiàn)離析現(xiàn)象的骨料很少，混凝土勻質性良好。但當粗骨料最大粒徑增大至20 mm時，相同黏度的漿體下大顆粒骨料在重力作用更容易發(fā)生下沉現(xiàn)象，從而導致骨料和漿體局部離析。當骨料粒徑繼續(xù)增大，靜態(tài)離析百分數(shù)有所減小。最大粒徑為20 mm時所對應的混凝土靜態(tài)離析百分數(shù)為3.14%。

圖6 粗骨料最大粒徑對靜態(tài)離析百分數(shù)的影響Fig.6 Effect of maximum coarse aggregate size on static segregation percentage

2.4 流變參數(shù)和工作性的關系

圖7所示為塑性黏度和T500的關系。根據(jù)擬合直線方程和相關系數(shù)可知，塑性黏度和T500近似滿足正向線性關系，即隨著混凝土塑性黏度的增大，T500逐漸增大。塑性黏度是評價流體受外力變形速度的重要流變參數(shù)。當塑性黏度越大，需要更大的外部剪切力才能打破混凝土內部絮凝和顆粒間的網(wǎng)狀結構，使混凝土發(fā)生流動。而T500則是自密實混凝土流變性的宏觀體現(xiàn)，故對于本試驗的各配合比，當塑性黏度增大時，T500也會隨之增大。

圖7 塑性黏度和T500的關系Fig.7 Relationship between plastic viscosity and T500

2.5 流變參數(shù)和靜態(tài)離析百分數(shù)的關系

圖8所示為靜態(tài)離析百分數(shù)隨塑性黏度的變化情況。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著塑性黏度的增大，自密實混凝土靜態(tài)離析百分數(shù)有所減小。直線擬合的相關系數(shù)為0.940 7，說明下降近似符合線性關系。對于自密實混凝土來說，塑性黏度值的大小主要取決于混凝土中的膠凝體系。當塑性黏度較大時，漿體抵抗外力作用的能力越大，進而減小了粗骨料離析程度，提高了混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性。因此在骨料級配中，應當控制粗骨料最大粒徑在合理的范圍區(qū)間。當最大粒徑過大時，混凝土流變性較好但靜態(tài)穩(wěn)定性較差；而當粒徑過小時，混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性較好但新拌流變性較差。

圖8 塑性黏度和靜態(tài)離析百分數(shù)的關系Fig.8 Relationship between plastic viscosity and static segregation percentage

3 結 論

(1)隨著骨料最大粒徑的增大，自密實混凝土擴展度和L型儀充填比先增大后減小，而T500和J環(huán)障礙高差則先減小后增大。當骨料最大粒徑為20 mm時，混凝土工作性和間隙通過性較好。

(2)當粗骨料粒徑增大時，自密實混凝土塑性黏度變化情況和工作性相似。粗骨料最大粒徑為20 mm的混凝土塑性黏度顯著低于其他粒徑級配的混凝土，而屈服應力則與最大粒徑無顯著相關性。

(3)隨著粗骨料最大粒徑的增大，自密實混凝土的靜態(tài)離析百分數(shù)呈先增大后減小的變化趨勢，最大粒徑為20 mm的混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性較好。

(4)通過對塑性黏度和T500、靜態(tài)離析百分數(shù)的擬合結果可知，隨著塑性黏度的增大，T500線性增大，而靜態(tài)離析百分數(shù)線性減小。