李峰?耿春東
摘 要: 充填層是高速鐵路無砟軌道結構的重要組成部件,起支撐、調整及傳力等作用。本文從配合比優化設計入手,在C50自密實混凝土基礎配合比的基礎上,研究了UEA型膨脹劑摻量對混凝土性能的影響,試驗結果表明:UEA型膨脹劑的摻入可明顯改善混凝土的工作性能、抗凍性能和補償收縮性能;并確定其最佳摻量為10%,此時混凝土擴展度為700mm、T500為7s、28d抗壓強度57.3MPa、抗凍性能F150合格、28d限制膨脹率為-0.80%,滿足設計和施工要求。
關鍵詞:高速鐵路充填層;自密實混凝土;UEA型膨脹劑;補償收縮
1 引言
目前,我國正處于高速鐵路大規模建設與發展時期,各項高速鐵路技術處于國際領先水平。軌道結構作為高速鐵路的基礎,其耐久性、穩定性具有重要作用[1]。高速鐵路主要采用無砟軌道和有砟軌道兩種軌道結構形式[2-3],而無砟軌道是目前軌道結構的首選。無砟軌道是一種以自密實混凝土或CA砂漿取代道砟道床的軌道結構形式。
CA砂漿體系復雜、環境敏感,在工程實際應用中極易出現氣泡、泌水等問題。目前國內自主研發出了新型板式軌道結構,該結構的最大特點是板下100mm×2500mm×5350mm的狹長空間采用自密實混凝土材料,新型板式軌道結構圖如圖2所示。
自密實混凝土是高性能混凝土的一種,具有更高的強度和耐久性能[4]。日本學者Okamum于1986年最早提出自密實混凝土的概念[5],作為全面支承軌道板的充填層結構,其性能優劣直接影響到軌道使用的耐久性和安全性?;谏鲜銮疤?,本文采用微膨脹補償收縮技術抑制自密實混凝土的收縮開裂,研究膨脹劑摻量對其工作性能、力學性能和耐久性能的影響。
2 原材料與試驗方法
2.1 原材料
2.1.1 P.O 42.5水泥,I級粉煤灰、S95級礦粉,見表1。
2.1.2 河砂,表現密度為2640kg/m3,見表2;
石子選用5-10mm:10-20mm=1:1的玄武巖碎石。
計算可得Mx =2.69,中砂。
2.1.3 聚羧酸外加劑,減水率≥25%,保坍時間≥1.0h。
2.1.4 硫鋁酸鹽高效低堿膨脹劑。
2.1.5 水為普通自來水。
2.2 配合比設計
依據自密實混凝土配合比設計方法[6],通過調整膠凝材料組成、砂率、水膠比以及外加劑摻量,進行自密實混凝土的配合比設計。通過試驗研究,得到一組C50最優配合比,基礎配合比見表3。
在基礎配合比的基礎上,采用控制變量法(即單一改變硫鋁酸鹽高效低堿膨脹劑的摻量)進行配合比調整試驗,其配合比見表4。
按照表4中的試驗配合比進行C50自密實混凝土工作性能、力學性能和耐久性能的測試。
2.3 測試方法
2.3.1 自密實混凝土的工作性能和力學性能的測定參照GB/T 50080-2016、GB/T 50081-2019進行。
2.3.2 參照GB/T 50082-2009對抗凍性能和干燥收縮性能進行研究。其中,抗凍性能采用快凍法試驗,采用用100mm*100mm*400mm標準試塊,在標準養護條件下養護到28d齡期;試驗過程對凍融試件進行外觀檢查。
3 試驗結果與討論
3.1 膨脹劑摻量對混凝土工作性能和力學性能的影響
根據表4中的試驗配合比進行C50自密實補償收縮混凝土工作性能和力學性能測試,測試結果見表5。
由表5可知,C50自密實補償收縮混凝土的擴展度≥675mm,工作性能滿足要求要求;UEA型膨脹劑的加入改善了混凝土的和易性,增加粘聚性,擴展度有所增加,T500 時間減少;但UEA型膨脹劑摻加量值達到一定比例后(大于10%),擴展度隨之減少;同時發現膨脹劑的摻入對混凝土的力學性能有不利影響,在配合比2-5中,配比4的28d強度相對較高、擴展度最大、T500所用時間最少,綜合工作性能和力學性能方面,此種膨脹劑摻量在10%左右效果最明顯。
3.2 膨脹劑摻量對混凝土抗凍性能的影響
根據表4中的試驗配合比進行C50自密實補償收縮混凝土抗凍性能測試,測試結果見表6。
由表6和圖3可知,摻加UEA的C50自密實補償收縮混凝土,其凍融循環后質量損失都在5%以內,符合凍融循環要求,且其質量損失率均小于未摻加膨脹劑時的質量損失率,得出UEA膨脹劑的加入改善了自密實混凝土的抗凍性能。另外在一定范圍內,隨著膨脹劑摻量的增多,質量損失率達到最低值(0.43%),效果越好,但當膨脹劑摻量大于10%時,質量損失率又極劇變大,由此可知,摻量在10%左右時,質量損失率最小,對抗凍性能改善效果最明顯。
同時發現,在一定范圍內,隨著UEA膨脹劑摻入,經凍融循環后的混凝土28d強度損失率大幅降低,在膨脹劑摻量10%左右時,凍融循環后的抗壓強度最高,強度損失率最小,對抗凍性能改善效果最明顯。
綜合分析膨脹劑摻量對混凝土強度和質量損失率的影響,得出UEA型膨脹劑摻量為10%時效果最好,此時,膨脹劑能較好改善自密實混凝土的抗凍性能,配制出的C50自密實補償收縮混凝土達到凍融循環150而不破壞,能滿足抗凍要求。
3.3 膨脹劑摻量對混凝土限制膨脹率的影響
根據表4中的試驗配合比進行C50自密實補償收縮混凝土限制膨脹率測試,測試結果見表7。
由表7和圖4可知,配比1(空白組)1d的限制膨脹率為負值,可得出正常情況下,混凝土前期(1d內)體積出現收縮。
由配比2-4可知,添加膨脹劑的各組的限制膨脹率(1d內)都為正值,可得出膨脹劑的摻加明顯改善了混凝土的前期收縮,且使自密實混凝土前期略微膨脹。同時發現,自密實混凝土1d到3d收縮得到明顯改善,在大約3d的時間達到頂峰,此時混凝土收縮最小。五組配比中前期差距較大最后結果相近,得出膨脹劑的摻加能較好改善自密實混凝土前期收縮,對后期收縮影響較小。
對比配比2-5四組實驗易發現,膨脹劑摻加6%時雖改善了前期收縮,但后期收縮仍較大,效果不理想;膨脹劑摻加12%雖然后期收縮量最小,但前期膨脹率較大,考慮膨脹劑摻量過大,對混凝土強度有不利影響;由圖2可以看出,在膨脹劑摻量10%時即可明顯改善前期收縮,28d后收縮又相對較小,幾乎完全補償了自密實混凝土的收縮,綜上所述,10%摻量時效果最佳。
4 結語
4.1 通過配合比優化設計,確定了一組C50自密實混凝土的配合比。
4.2 UEA型膨脹劑的摻入改善了自密實混凝土的和易性,增加了粘聚性,擴展度增大,T500 時間減少;同時提高了自密實混凝土的抗凍性能,起到了補償收縮的作用。
4.3 綜合考慮混凝土的各項測試性能,UEA型膨脹劑的最佳摻量為膠凝材料用量的10%,此時C50自密實補償收縮混凝土的擴展度為700mm、T500為7s、28d抗壓強度57.3MPa、抗凍性能F150合格,28d限制膨脹率為-0.80%,幾乎完全補償了自密實混凝土的收縮,澆筑后的自密實混凝土具有較好的質量。
參考文獻:
[1] 范俊杰. 現代鐵路軌道[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2001.
[2] 何華武. 我國客運專線應大力發展無碴軌道[J]. 中國鐵路, 2005(1): 11-15.
[3] 盧祖文. 解決關鍵技術發展無碴軌道[J]. 中國鐵路, 2005(1): 16-19.
[4] 馮乃謙. 流態混凝土[M].北京: 中國鐵道出版社, 1988.
[5]Juiirg Schlumpf. Self-compacting concrete structures in Switzerland[J].Tunneling and Underground Space Technology[J]. 2004 (19):450.
[6]吳紅娟. 自密實混凝土配合比設計方法研究[D]. 天津: 天津大學碩士學位論文, 2005.
作者簡介:李峰,男,本科,助理工程師;
耿春東,男,碩士,助理工程師。