膨胀剂掺量对无砟轨道充填层用自密实混凝土的影响研究

李峰?耿春东

摘 要： 充填层是高速铁路无砟轨道结构的重要组成部件，起支撑、调整及传力等作用。本文从配合比优化设计入手，在C50自密实混凝土基础配合比的基础上，研究了UEA型膨胀剂掺量对混凝土性能的影响，试验结果表明：UEA型膨胀剂的掺入可明显改善混凝土的工作性能、抗冻性能和补偿收缩性能;并确定其最佳掺量为10%，此时混凝土扩展度为700mm、T500为7s、28d抗压强度57.3MPa、抗冻性能F150合格、28d限制膨胀率为-0.80%，满足设计和施工要求。

关键词：高速铁路充填层;自密实混凝土;UEA型膨胀剂;补偿收缩

1 引言

目前，我国正处于高速铁路大规模建设与发展时期，各项高速铁路技术处于國际领先水平。轨道结构作为高速铁路的基础，其耐久性、稳定性具有重要作用^[1]。高速铁路主要采用无砟轨道和有砟轨道两种轨道结构形式^[2-3]，而无砟轨道是目前轨道结构的首选。无砟轨道是一种以自密实混凝土或CA砂浆取代道砟道床的轨道结构形式。

CA砂浆体系复杂、环境敏感，在工程实际应用中极易出现气泡、泌水等问题。目前国内自主研发出了新型板式轨道结构，该结构的最大特点是板下100mm×2500mm×5350mm的狭长空间采用自密实混凝土材料，新型板式轨道结构图如图2所示。

自密实混凝土是高性能混凝土的一种，具有更高的强度和耐久性能^[4]。日本学者Okamum于1986年最早提出自密实混凝土的概念^[5]，作为全面支承轨道板的充填层结构，其性能优劣直接影响到轨道使用的耐久性和安全性。基于上述前提，本文采用微膨胀补偿收缩技术抑制自密实混凝土的收缩开裂，研究膨胀剂掺量对其工作性能、力学性能和耐久性能的影响。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

2.1.1 P.O 42.5水泥，I级粉煤灰、S95级矿粉，见表1。

2.1.2 河砂，表现密度为2640kg/m³，见表2;

石子选用5-10mm：10-20mm=1：1的玄武岩碎石。

计算可得Mx =2.69，中砂。

2.1.3 聚羧酸外加剂，减水率≥25%，保坍时间≥1.0h。

2.1.4 硫铝酸盐高效低碱膨胀剂。

2.1.5 水为普通自来水。

2.2 配合比设计

依据自密实混凝土配合比设计方法^[6]，通过调整胶凝材料组成、砂率、水胶比以及外加剂掺量，进行自密实混凝土的配合比设计。通过试验研究，得到一组C50最优配合比，基础配合比见表3。

在基础配合比的基础上，采用控制变量法（即单一改变硫铝酸盐高效低碱膨胀剂的掺量）进行配合比调整试验，其配合比见表4。

按照表4中的试验配合比进行C50自密实混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的测试。

2.3 测试方法

2.3.1 自密实混凝土的工作性能和力学性能的测定参照GB/T 50080-2016、GB/T 50081-2019进行。

2.3.2 参照GB/T 50082-2009对抗冻性能和干燥收缩性能进行研究。其中，抗冻性能采用快冻法试验，采用用100mm*100mm*400mm标准试块，在标准养护条件下养护到28d龄期;试验过程对冻融试件进行外观检查。

3 试验结果与讨论

3.1 膨胀剂掺量对混凝土工作性能和力学性能的影响

根据表4中的试验配合比进行C50自密实补偿收缩混凝土工作性能和力学性能测试，测试结果见表5。

由表5可知，C50自密实补偿收缩混凝土的扩展度≥675mm，工作性能满足要求要求;UEA型膨胀剂的加入改善了混凝土的和易性，增加粘聚性，扩展度有所增加，T500 时间减少;但UEA型膨胀剂掺加量值达到一定比例后（大于10%），扩展度随之减少;同时发现膨胀剂的掺入对混凝土的力学性能有不利影响，在配合比2-5中，配比4的28d强度相对较高、扩展度最大、T500所用时间最少，综合工作性能和力学性能方面，此种膨胀剂掺量在10%左右效果最明显。

3.2 膨胀剂掺量对混凝土抗冻性能的影响

根据表4中的试验配合比进行C50自密实补偿收缩混凝土抗冻性能测试，测试结果见表6。

由表6和图3可知，掺加UEA的C50自密实补偿收缩混凝土，其冻融循环后质量损失都在5%以内，符合冻融循环要求，且其质量损失率均小于未掺加膨胀剂时的质量损失率，得出UEA膨胀剂的加入改善了自密实混凝土的抗冻性能。另外在一定范围内，随着膨胀剂掺量的增多，质量损失率达到最低值（0.43%），效果越好，但当膨胀剂掺量大于10%时，质量损失率又极剧变大，由此可知，掺量在10%左右时，质量损失率最小，对抗冻性能改善效果最明显。

同时发现，在一定范围内，随着UEA膨胀剂掺入，经冻融循环后的混凝土28d强度损失率大幅降低，在膨胀剂掺量10%左右时，冻融循环后的抗压强度最高，强度损失率最小，对抗冻性能改善效果最明显。

综合分析膨胀剂掺量对混凝土强度和质量损失率的影响，得出UEA型膨胀剂掺量为10%时效果最好，此时，膨胀剂能较好改善自密实混凝土的抗冻性能，配制出的C50自密实补偿收缩混凝土达到冻融循环150而不破坏，能满足抗冻要求。

3.3 膨胀剂掺量对混凝土限制膨胀率的影响

根据表4中的试验配合比进行C50自密实补偿收缩混凝土限制膨胀率测试，测试结果见表7。

由表7和图4可知，配比1（空白组）1d的限制膨胀率为负值，可得出正常情况下，混凝土前期（1d内）体积出现收缩。

由配比2-4可知，添加膨胀剂的各组的限制膨胀率（1d内）都为正值，可得出膨胀剂的掺加明显改善了混凝土的前期收缩，且使自密实混凝土前期略微膨胀。同时发现，自密实混凝土1d到3d收缩得到明显改善，在大约3d的时间达到顶峰，此时混凝土收缩最小。五组配比中前期差距较大最后结果相近，得出膨胀剂的掺加能较好改善自密实混凝土前期收缩，对后期收缩影响较小。

对比配比2-5四组实验易发现，膨胀剂掺加6%时虽改善了前期收缩，但后期收缩仍较大，效果不理想;膨胀剂掺加12%虽然后期收缩量最小，但前期膨胀率较大，考虑膨胀剂掺量过大，对混凝土强度有不利影响;由图2可以看出，在膨胀剂掺量10%时即可明显改善前期收缩，28d后收缩又相对较小，几乎完全补偿了自密实混凝土的收縮，综上所述，10%掺量时效果最佳。

4 结语

4.1 通过配合比优化设计，确定了一组C50自密实混凝土的配合比。

4.2 UEA型膨胀剂的掺入改善了自密实混凝土的和易性，增加了粘聚性，扩展度增大，T500 时间减少;同时提高了自密实混凝土的抗冻性能，起到了补偿收缩的作用。

4.3 综合考虑混凝土的各项测试性能，UEA型膨胀剂的最佳掺量为胶凝材料用量的10%，此时C50自密实补偿收缩混凝土的扩展度为700mm、T500为7s、28d抗压强度57.3MPa、抗冻性能F150合格，28d限制膨胀率为-0.80%，几乎完全补偿了自密实混凝土的收缩，浇筑后的自密实混凝土具有较好的质量。

参考文献：

[1] 范俊杰. 现代铁路轨道[M]. 北京： 中国铁道出版社， 2001.

[2] 何华武. 我国客运专线应大力发展无碴轨道[J]. 中国铁路， 2005（1）： 11-15.

[3] 卢祖文. 解决关键技术发展无碴轨道[J]. 中国铁路， 2005（1）： 16-19.

[4] 冯乃谦. 流态混凝土[M].北京： 中国铁道出版社， 1988.

[5]Juiirg Schlumpf. Self-compacting concrete structures in Switzerland[J].Tunneling and Underground Space Technology[J]. 2004 （19）：450.

[6]吴红娟. 自密实混凝土配合比设计方法研究[D]. 天津： 天津大学硕士学位论文， 2005.

作者简介：李峰，男，本科，助理工程师;

耿春东，男，硕士，助理工程师。