自密实混凝土的特点及其在高速铁路中的应用

2012-09-05李化建谭盐宾谢永江易忠来

铁道建筑 2012年8期

李化建，谭盐宾，谢永江，易忠来

(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

自密实混凝土(Self-Compacting Concrete，Self-Consolidating Concrete简称SCC)是指拌合物具有高的流动性、间隙通过性和抗离析性，浇筑时仅靠其自重作用而无需振捣便能均匀密实成型，且硬化体具有和传统振捣混凝土相当力学性能、耐久性能以及体积稳定性的混凝土［1-2］。自密实混凝土是一种具有极高工作性能的混凝土，虽然没有从流动性指标上来定量描述自密实混凝土，但通常将坍落扩展度＞550mm的混凝土称之为自密实混凝土。自密实混凝土开发的原动力是解决由于日本熟练工人的减少造成混凝土结构耐久性不足问题［3］。自密实的概念(即无需振捣，仅依靠自重作用就能使混凝土密实填充模板每个角落)是由Okamura于1986年提出的，自密实混凝土的雏形为日本东京大学冈村甫教授于1988年在东京大学用市售原材料开发的第一号“不振捣的高耐久性混凝土”，并确认了该混凝土自身收缩、干缩、水化热以及硬化后的强度和致密性等综合性能与传统振捣混凝土相当［4］。由于自密实混凝土突出的自填充性能，适用于密集配筋、无法振捣、薄壁异性复杂以及要求无噪音施工等结构。

1 自密实混凝土的性能特点

自密实混凝土高粉体用量、低水胶比、低骨料用量的配合比特征以及自密实混凝土高流动性决定了自密实混凝土的敏感性特点，具体表现为原材料敏感性、温度敏感性、施工敏感性以及时间敏感性。

1)原材料敏感性。原材料敏感性是指与传统振捣混凝土相比，自密实混凝土的性能尤其是拌合物性能受原材料性能波动影响较大。原材料波动包括两个方面:一是不同批次原材料的稳定性，二是同一批次原材料不同部位材料之间的均质性。针对不同批次原材料，应控制不同批次原材料的性质指标的波动在一定范围内，不宜超过±10%。第二种情况多发生在骨料和外加剂中，骨料堆不同部位的细颗粒含量与含水率的变化，外加剂主要是由于沉淀而导致外加剂筒中不同部位减水剂和减水率不同。以细骨料含水率为例，当细骨料含水率变化1%时，混凝土中的单方用水量将变化6～10 kg，当细骨料含水率增加1%时，自密实混凝土会出现离析泌水，当细骨料含水率减少1%时，自密实混凝土就会无法满足自密实的效果。欧洲自密实混凝土指南提出了新拌混凝土的稳健性(Robustness)，一种设计较好的自密实混凝土，当用水量变化范围为5～10 kg/m3时，新拌自密实混凝土的性能不能超出自密实混凝土拌合物规定的目标等级［1］。文献［5］在系统研究砂率、粉煤灰掺量、胶集比、单方用水量及外加剂用量波动对自密实混凝土工作性和强度影响的基础上，确定了其投料精度控制范围，得出了骨料的波动对自密实混凝土质量影响较大的结论，并提出了骨料(砂和石)控制精度应在0.9%以内，这比普通混凝土要求的2%要高。

2)温度敏感性。温度敏感性是指自密实混凝土拌合物性能随温度变化波动幅度大。自密实混凝土的核心是其拌合物的自密实性能，由于自密实混凝土中胶凝材料用量较大、外加剂用量也较大，当环境温度较高或者原材料的温度较高时，会加快水泥的水化以及外加剂减水作用的发挥，自密实混凝土工作性能也将随着温度的提高而损失加快。在自密实混凝土的配制过程中，要确保自密实混凝土拌合物的入模温度为5 ℃ ～30 ℃［6］。

3)施工敏感性。施工敏感性是指自密实混凝土拌合物性能经现场输送(泵送、自卸等)前后变化的显著性。施工对自密实混凝土性能影响主要表现为两个方面:一是泵送对自密实混凝土性能的影响，一般泵送会降低自密实混凝土的流动性，但由于自密实混凝土黏度较大，泵送自密实混凝土所需的压力也较大;二是自密实混凝土对模板的要求，由于自密实混凝土极高的工作性能，近似流体，不仅自密实混凝土对模板的侧压力增加，必须提高模板的支撑刚度，而且自密实混凝土对模板的密封性要求很高，密封不好的模板经常会出现漏浆。当采用泵送施工时，一定要通过模拟试验来验证施工工艺的合理性［7-8］。

4)时间敏感性。时间敏感性是指自密实拌合物性能随时间的非线性变化，某一个时间点自密实混凝土会失去工作性能，无法实现混凝土的自密实。对于自密实混凝土而言，材料性能和施工效果都是靠自密实混凝土自身性能来实现。自密实混凝土时间敏感性要求必须要有良好的施工衔接和施工组织，保证在可施工时间内完成自密实混凝土的施工。自密实混凝土搅拌后到入模前，应控制在120min以内，美国ACI协会编制的自密实混凝土(ACI 237 R)要求控制在90min 以内［9］。

2 自密实混凝土在高速铁路中的应用

2.1 自密实混凝土应用概况

自密实混凝土在我国高速铁路中的应用始于京津城际铁路亦庄车站，亦庄车站2/4#渡线道岔设计为铺设2组18号板式无砟道岔。道岔下的填充层设计采用C40自密实混凝土(原设计文件中为自流平混凝土)，灌注采用重力式灌注方式，按每组道岔分别施工。自密实混凝土设计要求扩展度＞700mm，28 d抗压强度＞40mPa［10］。京沪高速铁路共16个车站道岔区采用了自密实混凝土，并编制了《京沪高速铁路道岔板充填层自密实混凝土暂行技术要求》［2］、《京沪高速铁路道岔板充填层自密实混凝土现场工艺性实验管理实施细则》［11］。另外，石武客专和京石客专也参照京沪高速铁路自密实混凝土技术要求配制自密实混凝土、指导自密实混凝土施工［12-13］;武广高铁花都车站也采用了C40自密实混凝土。

成灌铁路路基地段CRTSⅢ型无砟轨道结构的充填层设计采用强度等级为C40自密实混凝土，自密实混凝土层内配置12 mm的构造钢筋网，钢筋纵横间距均为200mm。在路基地段，自密实混凝土按照轨道板长度采用模筑施工。自密实混凝土模筑长度与对应的轨道板长度相同，模筑宽度2 800mm，自密实混凝土厚度 100mm［14］。

2.2 存在的问题

1)应用空间发生变化引起对自密实混凝土性能要求的改变

表1列举了自密实混凝土在高速铁路和工业与民用建筑使用的差异性以及存在的问题［15］。

表1 高速铁路和工业与民用建筑工程自密实混凝土特性

2)铁路条状结构分布与自密实混凝土原材料敏感性之间的矛盾

不同地域原材料性能差异很大、铁路混凝土用原材料必须就地取材是制约铁路混凝土配制最为关键的因素［16］。另外，与常规振捣混凝土相比，自密实混凝土具有显著的原材料敏感性，这就要求高速铁路自密实混凝土原材料必须相对稳定和固定。

3)搅拌站分布分散与自密实混凝土工作性能经时损失大之间的矛盾

高速铁路混凝土搅拌站多是沿铁路线分布，主要配制C30-C50的现浇混凝土和C15的水硬性支承层材料。在铁路沿线还会专门为轨道板厂、轨枕厂和预制梁厂设置一些专用搅拌站。而自密实混凝土是以高工作性能为特征，并且这些高工作性能是以浇注现场的评价指标为准，并不是在搅拌站内的测试结果，有时自密实混凝土的运输距离会达到2 h，这就对自密实混凝土工作性能的保持提出了很高的要求。

4)自密实混凝土与常规振捣混凝土混用搅拌站

自密实混凝土与常规振捣混凝土混用搅拌站，如果两类混凝土所使用的原材料不同，就有可能出现两种问题:一是使用常规振捣混凝土原材料来配制自密实混凝土，如果所使用的外加剂不同，打过传统振捣混凝土后，不进行清洗，就进行搅拌自密实混凝土，可能会出现外加剂相容性问题;如果使用品质要求比较低的原材料，就可能无法配制出满足工作性能要求的自密实混凝土，这在高速铁路岔区自密实混凝土施工时很可能遇到，因为板式无砟轨道路基上道岔下充填层使用自密实混凝土，而路基支承层采用C15水硬性支承层材料，其原材料要求相对较低(如骨料含泥量、针片状含量，矿物掺合料等级，外加剂的品质等)，使用支承层原材料不可能配制出自密实混凝土;另外一种问题是搅拌参数设置问题，由于自密实混凝土中使用大量粉体材料，浆体黏度较传统振捣混凝土大，需要更长的搅拌时间才能将自密实混凝土拌合物搅拌均匀，如果没有及时修改搅拌机的搅拌参数设置，就有可能出现质量问题。

5)缺少自密实混凝土配制技术以及施工控制经验

工程技术人员在进行自密实混凝土配合比设计时多是在传统振捣混凝土配合比基础上，通过简单提高胶凝材料用量、降低骨料体积含量的方式来配制自密实混凝土(如部分自密实混凝土胶凝材料总用量达到650 kg/m3及以上)，如此高的胶凝材料用量会大大增加自密实混凝土材料的收缩变形，造成充填层与道岔板或轨道板间出现离缝或充填层出现收缩裂缝，危及到轨道结构的稳定性和可靠度，降低其服役寿命。

6)缺少高速铁路自密实混凝土相关标准规范

虽然我国已颁布《自密实混凝土应用技术规程》［17］和《自密实混凝土设计与施工指南》［18］等技术条件，但未考虑铁路无砟轨道结构特征、施工条件等实际问题。