作者：李化建 编著
出版社：化学工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
高速铁路自密实混凝土技术试读：
前言
自密实混凝土因其高流动性、高填充性以及高间隙通过性等突出特点，被应用于钢筋比较密集以及振捣较为困难的混凝土结构中。自密实混凝土在高速铁路中的应用始于京津城际铁路无砟轨道的道岔区，并在CRTSⅢ型板式无砟轨道中得以推广应用。高速铁路自密实混凝土层封闭结构空间与柔性隔离层基础的特殊使用场合以及自密实混凝土性能自身的高敏感性，决定了高速铁路高性能混凝土的复杂性以及规模施工的不可控性。基于现场施工人员对自密实混凝土知识的匮乏以及现浇结构自密实混凝土质量控制的难度大，因此萌生了写作《高速铁路自密实混凝土技术》一书的念头。
本书围绕着自密实混凝土在高速铁路无砟轨道结构应用中存在的问题，从板式无砟轨道自密实混凝土评价指标与标准（新拌混凝土、硬化混凝土以及实体结构）、原材料要求、配制与性能、施工技术、质量控制以及常见问题与对策等方面，系统阐述了高速铁路的自密实混凝土关键技术。第1章阐述了自密实混凝土的内涵与起源，分析了自密实混凝土敏感性内涵，重点讨论高速铁路与其他领域用自密实混凝土的异同，提出高速铁路自密实混凝土技术的关键难点。第2章根据高速铁路自密实混凝土层服役环境、结构特征以及施工方式等，分析自密实混凝土在模腔中的运动状态，提出了高速铁路新拌混凝土评价指标；从结构承载力、服役耐久性等方面，提出了自密实混凝土硬化体的评价指标；基于实体结构的客观真实模拟提出了自密实混凝土工艺性试验；阐述了国内外自密实混凝土性能指标的表征技术，并提出了自密实混凝土稳定性评定的新方法。第3章研究了原材料对自密实混凝土性能的影响规律，尤其是流变性能、稳定性能以及剪切变形性能等，根据技术可行、经济合理的原则，并结合我国高速铁路混凝土原材料生产控制水平，给出了高速铁路自密实混凝土用原材料的技术指标。第4章分析了国内外自密实混凝土配合比设计方法，综合考虑可操作性、可实施性，提出了基于性能的高速铁路自密实混凝土制备技术；阐述了配合比参数对自密实混凝土拌合物性能影响规律，揭示了自密实混凝土力学性能、收缩行为的时变规律，研究了自密实混凝土硬化体的抗氯离子渗透性及其抗冻性。第5章介绍了自密实混凝土生产质量控制技术，探讨了原材料波动对自密实混凝土性能的影响，提出了自密实混凝土用原材料均质性控制要求；研究了自密实混凝土生产过程的关键参数，提出了自密实混凝土生产过程投料顺序、搅拌时间以及搅拌功率等建议指标。第6章介绍了自密实混凝土施工过程关键环节，包括施工设备、施工工艺以及施工控制参数等，分析了施工工艺对自密实混凝土性能的影响，分施工前、施工过程以及施工后三个阶段，介绍自密实混凝土质量控制，重点强调容易造成自密实混凝土性能敏感性因素的质量控制要点。第7章针对自密实混凝土原材料敏感性、温度敏感性、施工敏感性以及时间敏感性特征，结合高速铁路条状结构分布、自密实混凝土层结构隐蔽性特征、自密实混凝土需求分散等现实问题，以高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土层这一特殊结构，提出了高速铁路自密实混凝土“四固二强”的管理理念，即固定原材料、固化配合比、固化施工工艺、固化施工装备，强化工艺性试验和强化过程管理。第8章在分析自密实混凝土常见问题出现原因的基础上，结合实际工程案例，给出了自密实混凝土常见问题的解决途径。本书从理论的角度来阐述自密实混凝土中复杂的应用技术问题，其主要特点为以高速铁路为工程背景，力求做到理论联系实践，以科研成果为基础，实现技术与管理的有机结合。
本书在写作的过程中得到了中国铁路总公司赵国堂主任、中国铁道科学研究院谢永江研究员的鼓励与支持。感谢赵国堂老师对本书的写作风格、写作提纲提出的建设性意见以及为本书作序。感谢中国铁道科学研究院铁道建筑研究所领导的大力支持和帮助。特别感谢我的同事谭盐宾、易忠来、朱长华、杨鲁、李林香、仲新华等对自密实混凝土试验工作的辛勤付出，感谢我的学生黄法礼、王振、张勇、李亚龙、陶建强、孙德易等所做的大量试验研究工作和文字整理工作。自密实混凝土主要应用于京沪高速铁路、盘营客专铁路、武汉城际铁路、沈丹客专铁路以及郑徐高速铁路等工程，在此向所有建设单位与施工单位的辛勤劳动表示感谢。最后，感谢我的爱妻王聪慧与我的孩子，是他们给予我信念与力量。
本书是在国家自然科学基金项目 “无砟轨道充填层自密实混凝土流动过程能量耗散机制研究” （51378499）、 “混凝土施工过程流变行为及其微结构形成机制” （51578545）和铁道部科技开发计划项目“岔区板式无砟轨道自密实混凝土材料试验研究”（2009G022-A）等科研课题资助下取得的，特此致谢。本书的出版得到了化学工业出版社的支持，特此致谢！
本书参考了国内外相关文献资料，在此谨向这些文献作者们以及致力于自密实混凝土研究的学者们表示衷心的感谢！碍于自密实混凝土在高速铁路工程中应用较少、涉及专业较多，再加上作者学识水平有限，书中疏漏之处在所难免，敬请批评指正！李化建2018年4月1 绪论
自密实混凝土是指拌合物具有高流动性、高间隙通过性和高抗离析性，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的力学性能、耐久性能以及体积稳定性［1，2］的混凝土。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大于550mm的混凝土称为自密实混凝土，如图1.1所示。图1.1 自密实混凝土
本章将主要介绍自密实混凝土的定义、历史沿革及其分类，阐述自密实混凝土敏感性的内涵，基于自密实混凝土的性能特点分析自密实混凝土的优势和潜在的劣势；介绍自密实混凝土在高速铁路工程中的应用现状，重点讨论自密实混凝土在高速铁路工程应用中存在的问题。并针对板式无砟轨道自密实混凝土层的封闭空间，探讨板式无砟轨道用自密实混凝土的新要求，在分析国内外自密实混凝土共性问题的基础上，总结出高速铁路自密实混凝土技术的关键难点。1.1 自密实混凝土的起源与分类
20世纪80年代初，混凝土结构的耐久性问题在日本引起了广泛的关注，究其原因是日本施工企业熟练技术工人减少而导致混凝土施工质量下降。1986年，日本东京大学冈村甫教授提出研制无需振捣、仅靠混凝土自重作用便能密实充填到模板每一个角落的混凝土，［3，4］这便是自密实混凝土思想的起源。1988年，冈村甫教授在东京大学采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。1996年，冈村甫教授在美国［3］德克萨斯大学讲学时，将该混凝土称为自密实高性能混凝土。
自密实混凝土得到一致认可的分类方法是按照配制技术进行分类，按照配制技术的不同可将自密实混凝土分为三类，即粉体系自密实混凝土、黏度改性系自密实混凝土以及粉体-黏度改性复合系自密实混凝土。标准中按扩展度将自密实混凝土分为三类，即SF1（550～650mm）、SF2（660～750mm）和SF3（760～850mm），对于扩展度为SF3级别的自密实混凝土，石子最大粒径不大于16mm。1.2 自密实混凝土的特点1.2.1 自密实混凝土性能敏感性
自密实混凝土高粉体用量、高外加剂用量、低水胶比、低骨料用量的配合比特征以及高流动性决定了自密实混凝土的主要性能特点为高敏感性，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）受原材料质量波动影响较大。原材料质量波动包括两个方面，一是不同批次原材料之间的稳定性；二是同一批次原材料不同部位之间的均质性。针对不同批次原材料，应控制不同批次原材料性能指标的波动在一定范围内。第二种情况多发生于骨料和外加剂，对于骨料而言，骨料堆不同部位的细颗粒含量与含水率会存在一定差异；对于外加剂而言，主要是由于沉淀而导致不同部位外加剂的浓度不同。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6～10kg；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，自密实混凝土流动性变小，就会无法满足自密实的效果。《欧洲自密实混凝土指南》提出了新拌混凝土稳健性（robustness）的概念，一种设计较3好的自密实混凝土，当用水量变化范围为5～10kg/m时，新拌自密［1］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。有学者在系统研究砂率、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［5］凝土要求的2%要高得多。（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而产生大幅度的变化。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，自密实混凝土的工作性能也将随着温度的提高而加快损失，无法满足自密实的流动性需求。当环境温度较低时，由于外加剂在低温下发挥减水作用所需时间较长，自密实混凝土的工作性能可能出现“返大”现象，在冬季施工或者气温骤降时，一定要注意自密实混凝土工作性能的低温敏感性。因此，在自密实混凝土温度敏感性控制过［6］程中，要确保自密实混凝土拌合物的入模温度为5～30℃。（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）前后发生显著变化的特性。施工对自密实混凝土性能的影响主要表现为两个方面。一是泵送对自密实混凝土流动性能的影响，通常而言，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较高，由于自密实混凝土极高的工作性能，近似流体，一方面自密实混凝土对模板支撑刚度的要求很高，自密实混凝土对模板的侧压力增加，所以必须提高模板的支撑刚度；另一方面，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现象。当采用泵送施工时，一定要通过模拟试验来验证施工工艺，主要验证泵送后自密实混凝土的流动性能否满足施工要求，泵送后的含气量能否满足耐久性要求。通常而言，泵送会降低自密实混凝土的流动性，［7，8］但对含气量的影响还没有定论。（4）时间敏感性
时间敏感性是指自密实混凝土搅拌完成后，拌合物工作性能随时间非线性变化，导致一段时间后工作性能显著降低，无法实现自密实功能。这也是由混凝土的半成品特性所决定的，混凝土不是我们的最终目标，而满足设计要求的结构才是我们所追求的最终目标。好的结构需要材料与施工的密切配合，对于传统振捣混凝土而言，当材料满足要求时主要是由人为因素影响较大的施工所决定的，而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，一旦自密实混凝土的工作性能损失，就无法浇筑出满足设计要求的结构。自密实混凝土的时间敏感性决定了在施工过程中必须要有良好的施工衔接和施工组织，保障在可施工时间内完成自密实混凝土的施工。自密实混凝土搅拌到入模的时间应控制在120min以内，美国ACI协会编制的《自密实混凝土（Self-Consolidating Concrete）》［9］（ACI 237R—07）要求控制在90min以内。1.2.2 自密实混凝土的性能特点（1）新拌混凝土性能
自密实或自充填是自密实混凝土的显著特征，即不需要人工振捣，仅依靠其自重便能充填和密实。自重是自密实混凝土流动的源动力，因此自密实混凝土又被称为智能动力混凝土（smart dynamic ［10］concrete）。这就要求自密实混凝土具备足够的工作性能，但由此可能会带来由于用水量过大导致的收缩开裂、胶凝材料用量过大导致的温度应力以及骨料下沉而导致离析泌水等问题。（2）早龄期性能
早龄期性能关注的主要是避免自密实混凝土产生原始缺陷。自密实混凝土的使用，避免了人工漏振、过振等施工缺陷而引起的耐久性不足，对于有抗冻要求的引气混凝土而言，还会减少由于振捣而造成的混凝土含气量损失过大导致抗冻性不足的问题。但自密实混凝土与传统振捣混凝土一样，具有塑性收缩和塑性开裂的风险。对比自密实混凝土与传统振捣混凝土（强度等级为30～50MPa）塑性收缩开裂
［11］可知：当蒸发速率适中（环境温度为20℃，相对湿度为50%），塑性开裂发生在凝固前及凝固过程中；当蒸发速率高（有风的条件），塑性开裂发生在塑性阶段，即在凝固之前；有风的条件下，自密实混凝土与传统振捣混凝土具有相似的塑性收缩和限制收缩，自密实混凝土开裂的宽度比传统振捣混凝土的要小；在蒸发速率较小的情况下，自密实混凝土具有比传统振捣混凝土高的塑性收缩，其原因是自密实混凝土泌水较少。（3）硬化体性能
硬化体性能是指混凝土要具有足够抵抗外部荷载、环境侵蚀以及抗裂的能力。混凝土的所有性能都是为了其硬化体结构能够满足设计要求，在设计使用年限内安全服役，因此自密实混凝土硬化体的性能必须具有足够的抵抗外部荷载和侵蚀的能力，这样才能确保自密实混凝土结构满足设计要求。所以，在自密实混凝土定义中特意强调自密实混凝土应具备与传统振捣混凝土相当的力学性能、耐久性能与体积稳定性。1.2.3 自密实混凝土的优势
经过合理配合比设计与规范施工的自密实混凝土，由于独特的自密实特点，与传统振捣混凝土相比，具有无可比拟的技术与经济优势［1，9，10］。（1）节约人力与设备
自密实混凝土依靠自重充填成型，免去了混凝土振捣工序。自密实混凝土具有自流平功能，减少了对混凝土表面的抹面收光等工作，可以节省部分施工人员。另外，自密实混凝土施工不需要购买和维护振捣、抹面等施工设备，节约了设备的投入。（2）缩短施工工期
自密实混凝土施工受人为因素影响小，更为方便快捷。自密实混凝土的大流动特性减少了频繁移动泵管和混凝土搅拌车，节省施工时间。工程实践证明，采用自密实混凝土施工，可以提高混凝土浇筑速度，缩短工程总施工工期；另外，还可以避免由于施工设备故障所耽误的施工工期。（3）提高结构耐久性
自密实混凝土的应用减少了由于施工工人误操作或漏操作所引起的施工质量问题，特别是一些无法或难以进行浇筑和振捣的部位。这不仅能解决传统振捣混凝土施工过程中的漏振、过振以及钢筋密集部位难以振捣的问题，还避免了由于振捣不足而引起的空洞、蜂窝、狗洞、麻面等质量缺陷，可保证钢筋、预埋件、预应力孔道的位置不因振捣而移位，显著提高了结构的耐久性。（4）设计灵活度大
自密实混凝土可用于传统振捣混凝土难以浇筑甚至无法浇筑的结构部位，可以浇筑成型形状复杂、薄壁和密集配筋的结构，因此提高了设计人员的设计空间，大大增加了结构设计的自由度和灵活度。（5）减少污染
自密实混凝土不需要振捣，大大减少了施工噪声，尤其对于一些需要强力振捣的结构部位，如纤维钢筋混凝土结构、预制结构等，在减轻噪声对施工工人危害的基础上，更有利于文明施工；另外，避免了振捣施工噪声对周围居民居住环境的影响，改善了施工工人的工作环境，确保了施工工地周围居民免受噪声的干扰。（6）社会和环境效益显著
与传统振捣混凝土相比，自密实混凝土配制需要粉体量更多，可以掺加大量的工矿业固体废弃物——如粉煤灰、矿渣粉、石粉等，具有显著的社会和环境效益。1.2.4 自密实混凝土可能存在的劣势
自密实混凝土的配合比与传统振捣混凝土最大的区别是自密实混凝土中粉体含量较多，而骨料含量相对较少，如图1.2所示。由于过分追求工作性能，或采取的制备技术途径不当，致使自密实混凝土可能存在以下劣势。图1.2 不同类型混凝土各组分体积含量相对比较
①水化热高：自密实混凝土设计技术路线之一是依靠增加胶凝材料或粉体用量来提高混凝土的工作性能，从而实现混凝土的自密实和自充填特性。这种制备方法往往由于胶凝材料的使用量过大，造成自密实混凝土水化热增加，从而引起大体积自密实混凝土结构内部温升过高、内外温差过大，容易产生温度裂缝。3
②收缩大：自密实混凝土浆体含量通常为0.32～0.42m，高于普3通混凝土浆体含量（小于0.32m），如图1.2所示。过多的浆体会增加自密实混凝土的干燥收缩和化学减缩，致使自密实混凝土发生收缩开裂的风险增大。
③成本高：在混凝土组分中胶凝材料成本最高，由于自密实混凝土使用较多的胶凝材料，其原材料成本会有所增加；另外，要使自密实混凝土具有高的流动性，需要添加高效减水剂，为确保自密实混凝土的高抗离析性，还需要根据具体情况，添加黏度改性剂（viscosity modifying admixture，VMA），这样势必会增加自密实混凝土的成本。
自密实混凝土潜在水化热高、收缩大等问题，可以通过配合比设计来解决。通过精心设计的自密实混凝土的温度应力和收缩应力基本与传统振捣混凝土相当。自密实混凝土的原材料成本比同强度等级的传统混凝土高50%～80%，但采用自密实混凝土节约了施工人员的费用、减少了固定设备的投资、节省了施工时间，其综合成本有可能降低。在国外预应力混凝土梁、大桥桥墩、桩基、箱式管道四种形式的结构中，达到与常规混凝土相当性能时，采用自密实混凝土施工可以［7］节约总工程造价3%左右。因此，自密实混凝土的劣势是可以通过技术途径来避免的，综合考虑材料、设备、施工、人员以及施工工期等因素，采用自密实混凝土结构的综合成本与传统振捣混凝土相当。1.3 自密实混凝土规范性文件
日本土木学会于2001年颁布了《高性能自密实混凝土结构的设计和施工规范（Design and Construction Recommendations for Self-Compacting，High-Strength and High-Durability Concrete Structures）》，随后欧洲各国、美国和中国也相继颁布了关于自密实混凝土的规范性文件。1.3.1 日本
日本土木学会编制了《高性能自密实混凝土结构的设计和施工规
［12］范》，第一部分为自密实混凝土的介绍，第二部分为自密实混凝土配合比指南，第三部分为自密实混凝土制造与施工指南，第四部分为自密实混凝土标准检测方法。1.3.2 欧洲
五个欧洲联盟组织（欧洲预制混凝土组织BIBM、欧洲水泥协会CEMBUREAU、欧洲预拌混凝土组织ERMCO、欧洲混凝土外加剂协会联盟EFCA、化学建材和混凝土体系欧洲联盟EFNARC）于2005年［1］颁布《自密实混凝土指南》。该指南包括引言、范围、参考标准、术语与定义、工程特性（抗压强度、抗折强度、弹性模量、徐变、收缩、热膨胀系数、与钢筋和预应力钢丝的黏结强度、剪切能力、耐火性、耐久性等）、预拌合现场拌合自密实混凝土要求、组成材料、混合料、预拌合现场拌合混凝土生产、现场要求、现场浇筑与处理、预制混凝土生产、外观与表面处理等，共有13章内容。1.3.3 美国
美国混凝土协会于2007年编制了《自密实混凝土》（ACI 237R—［9］07）报告，主要包括引言、新拌混凝土性能、硬化混凝土性能、自密实混凝土配合比选择指南、生产、运输浇筑和抹面、自密实混凝土指南和测试方法八个部分。另外，美国材料与试验协会（ASTM）编制了自密实混凝土工作性能的检测方法。1.3.4 英国和德国
欧洲标准委员会（CEN）于2010年编制了《自密实混凝土补充规则》（Concrete Part 9：Additional Rules for Self-Compacting ［13］Concrete，BS EN 206-9：2010），给出了自密实混凝土的定义、组成材料、新拌混凝土与硬化混凝土性能、自密实混凝土组成物限值、自密实混凝土规格、工程生产控制程序以及一致性要求等。该标准中根据自密实混凝土工作性能对其进行分类，如表1.1所示。另外，欧盟标准《Testing Fresh Concrete Consists》（EN 12350）编制了系列新拌自密实混凝土性能测试方法。表1.1 自密实混凝土规格1.3.5 中国
中国土木工程学会于2004年颁布了《自密实混凝土设计与施工［14］指南》（CCES 02—2004），规定了自密实混凝土性能与配制、自密实混凝土结构设计、自密实混凝土设计与施工以及自密实混凝土质量检验与验收等。中国工程建设标准化协会于2006年颁布了［15］《自密实混凝土应用技术规程》（CECS 203：2006），规定了自密实混凝土用原材料、自密实混凝土性能（自密实性能等级、硬化自密实混凝土性能）、自密实混凝土配合比设计、生产与运输、施工以及质量检验与验收等。随着自密实混凝土的推广应用，我国铁路、建工、水工、核电等不同行业陆续制定了自密实混凝土相关标准，如表1.2所示。在新颁布的《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080—2016）中将测试自密实混凝土工作性能的间隙通过性试验（J环试验）、漏斗试验、扩展时间试验、抗离析等纳入其中。表1.2 不同行业自密实混凝土相关标准1.4 自密实混凝土在高速铁路工程中的应用1.4.1 CRTSⅡ型板式无砟轨道岔区
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渡线道岔设计铺设2组18号板式无砟道岔。道岔下的充填层设计采用C40自密实混凝土（原设计文件中称为自流平混凝土），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为：扩展度大于700mm，28d抗压强度大于［16］40MPa。高速铁路板式无砟轨道岔区大规模使用自密实混凝土始于京沪高速铁路，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［2］术要求》、《京沪高速铁路道岔板充填层自密实混凝土现场工艺［17］性实验管理实施细则》等，有效地指导了道岔区自密实混凝土的施工。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［18，土技术要求，来配制自密实混凝土和指导自密实混凝土施工19］；武广高铁花都车站道岔区也采用了C40自密实混凝土进行施工。1.4.2 CRTSⅢ型板式无砟轨道
成灌铁路路基地段CRTSⅢ型无砟轨道结构的充填层最早设计采用强度等级为C40的自密实混凝土，自密实混凝土层内配置12mm的［20］构造钢筋网，钢筋纵横间距均为200mm。随后武汉城市圈铁路、盘营客专铁路、沈丹客专铁路、郑徐客专铁路等都设计采用CRTSⅢ型板式无砟轨道，自密实混凝土层成为CRTSⅢ型无砟轨道复合板中重要的结构部位，突破了自密实混凝土在现浇结构中规模应用的技术瓶颈。1.5 自密实混凝土在高速铁路中应用存在的问题
高速铁路条状结构分布、无砟轨道自密实混凝土层封闭空间特征、自密实混凝土高敏感性以及自密实混凝土大规模施工技术储备少，决定了高速铁路用自密实混凝土的特殊性，有可能由此而产生工程质量［21］缺陷，影响高速铁路无砟轨道工程结构耐久性及其服役寿命。（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
应用空间的变化对自密实混凝土提出了特殊的要求，用于工业与民用建筑工程开放体系的自密实混凝土，应用于高速铁路自密实混凝土层，可能无法满足要求，其原因是高速铁路无砟轨道结构特征、施工方式以及辅助振捣方式便捷性等。与工业及民建结构不同，表1.3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。表1.3 用于高速铁路和工业与民用建筑工程自密实混凝土特征及问题（2）铁路条状结构分布与自密实混凝土对原材料敏感性之间的矛盾
高速铁路是一种条形结构，客观上必须穿越不同的环境区域，具［15］有跨距大、作用环境复杂等特点。不同地域原材料性能差异大与铁路混凝土用原材料必须就地取材之间的矛盾，是制约铁路混凝土配制最为关键的因素。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，尤其对砂、石含水率，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）搅拌站分散分布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，每几十千米设置一个混凝土搅拌站，这些常规搅拌站多为现浇结构混凝土服务，主要配制C30～C50的现浇混凝土和C15的水硬性支承层材料。自密实混凝土是以高工作性能为特征，并且这些高工作性是以浇筑现场为评价指标，并不是在搅拌站内的测试结果，有时自密实混凝土的运输时间会达到2h，这就对自密实混凝土的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，生产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的道岔下充填层使用自密实混凝土，而路基支承层采用28d强度为12～18MPa的水硬性支承层材料，水硬性支承层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
自密实混凝土技术在高速铁路工程中的应用时间较短，大部分技术人员尚未掌握自密实混凝土制备和施工的关键技术，无法很好地解决自密实混凝土高流动性与高体积稳定性（少离析、少泌水）之间的矛盾。工程技术人员在进行自密实混凝土配合比设计时多以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3量达到650kg/m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，造成自密实混凝土层与道岔板或轨道板间出现离缝或充填层出现收缩裂缝，危及轨道结构的稳定性和可靠度，降低其服役寿命。
基于此，本书从全过程控制理念出发，从性能指标（目标值）的确定、原材料选择、配合比设计、施工控制、质量检验以及问题解决措施等方面阐述高速铁路自密实混凝土的基础理论与应用技术问题。1.6 自密实混凝土相关术语
为方便理解，本节将介绍书中涉及的自密实混凝土的相关术语。（1）自密实混凝土（self-compacting concrete）
拌合物具有高流动性、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充填密实成型，并具有高耐久性和高体积稳定性的高性能混凝土。（2）自密实性能（self-compacting ability）
浇筑时，混凝土拌合物仅依靠自身势能不需要任何辅助振捣便能均匀密实充填到模板的每个角落以及紧密握裹钢筋的能力。（3）稳健性（robustness）
当原材料在性能及其比例发生小变化时，或者外界环境发生变化时，自密实混凝土能够保持其拌合物性能的容忍度。（4）用水量敏感度（sensitivity of water dosage）
在满足目标要求的新拌自密实混凝土中额外加水时，不引起单方自密实混凝土产生离析泌水所能加入的最大水量。（5）粉体材料（powder material）
自密实混凝土所用原材料中粒径小于0.075mm的颗粒，包括胶凝材料（水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰等）、惰性矿物掺合料以及骨料中粒径小于0.075mm的颗粒。《欧洲自密实混凝土指南》中定义粉体材料为粒径小于0.125mm的颗粒。（6）胶凝材料（cementitious material）
用于配制混凝土的水泥和活性矿物掺合料的总和。（7）矿物掺合料（mineral admixture）
在混凝土搅拌过程中加入的，具有一定活性或惰性的、用于改善新拌合硬化混凝土性能的某些矿物类物质的总称。活性矿物掺合料包括粉煤灰、矿渣粉、硅灰等，惰性矿物掺合料包括石灰石粉、白云石粉、石英粉等。（8）水胶比（water to binder ratio）
混凝土拌合物中总用水量与具有活性胶凝材料总量的质量比。（9）水粉比（water to powder ratio）
单位体积混凝土拌合物中用水量与粉体用量的体积比或质量比。（10）浆体体积（paste volume）
混凝土中水泥、水、外加剂、矿物掺合料以及空气体积之和。（11）砂浆体积（mortar volume）
混凝土中除粗骨料以外所有组分的体积之和。（12）骨料密实体积（close-grained volume of aggregate）
单方混凝土中粗骨料实际所占体积。（13）骨料松堆积体积（accumulation volume of aggregate）
单方混凝土中粗骨料在松散堆积状态下的体积。（14）坍落扩展度（slump-flow）
自密实混凝土拌合物坍落扩展终止后扩展面相互垂直的两个直径的平均值，单位：mm。（15）扩展时间t（slump-flow time）500
自坍落度筒提起开始计时至自密实混凝土坍落扩展度达到500mm时经历的时间，单位：s。（16）障碍高差B（blocking step B）JJ
采用J环试验测试混凝土拌合物抗离析性时，混凝土扩展终止后，扩展面中心混凝土距J环顶面高度与直径300mm处混凝土距J环顶面高度的差值，单位：mm。（17）L形仪通过能力H/H（L-box passing ability）21
采用L形仪测试混凝土拌合物间隙通过能力，当自密实混凝土静止时，测量L形仪两端混凝土的高度比，即H/H。也有使用高度差来21评价，即H-H，单位：mm。12（18）V形漏斗流出时间（V-funnel flow time）
将自密实混凝土拌合物装满V形漏斗，从打开出料口盖子开始计时，记录混凝土拌合物全部流出出料口所经历的时间，单位：s。（19）U形箱流动高度（U-channel height）
将自密实混凝土拌合物装满U形箱的一端，打开阀门，自密实混凝土从一侧经过阻碍流向另一侧，等混凝土静止后，检测自密实混凝土在另一侧上升的高度，单位：mm。（20）填充性（filling ability）
自密实混凝土拌合物在无需振捣的情况下，能均匀密实成型的能力。（21）间隙通过性（passing ability）
自密实混凝土拌合物均匀通过狭窄间隙的能力。（22）抗离析性（segregation resistance）
自密实混凝土拌合物中各种组分保持均匀分散的能力。（23）触变性（thixotropy）
自密实混凝土静置时逐渐失去流动能力，但在外界力作用下能够重新获得流动性的能力。参考文献
［1］ BIBM C，ERMCO，EFCA，et al. The European Guidelines for Self-Compacting Concrete［S］. 2005.
［2］ 谢永江，李化建，等.Q/CR 596—2017，高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土［S］. 2017.
［3］ Hajime Okamura M O.Self-Compacting Concrete［J］.Journal of Advanced Concrete Technology，2003，1：5-15.
［4］ Hajime Okamura M O.Self-Compacting Concrete Development，Present Use and Future［C］.1st International RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete，1999.
［5］ 赵庆新，孙伟，杨正辉，等.自密实混凝土生产投料控制精度研究［J］.建筑技术，2006，37（1）：52-54.
［6］ 李化建，谢永江，等.京沪高速铁路道岔板充填层自密实混凝土暂行技术条件［S］. 2010.
［7］ Skarendahl P B.RILEM TC 188 Casting of Self Compacting Concrete［R］.RILEM Publications SARL，2006.
［8］ 李化建.岔区板式无砟轨道自密实混凝土材料试验研究［R］.北京：中国铁道科学研究院，2011.
［9］ Institute Concrete Institute.Self-Consolidating Concrete（ACI 237R—07）［R］. 2007.
［10］ 安雪晖，黄绵松，大内雅博，等.自密实混凝土技术手册［M］.北京：中国水利水电出版社，知识产权出版社，2008.
［11］ Loukili A，Turcry P.Evaluation of Plastic Shrinkage Cracking of Self-Consolidating Concrete［J］.ACI Materials Journal，2006，103（4）：170-180.
［12］ JSCE.Design and Construction Recommendations for Self-Compacting Concrete［S］.Self-Strength Concrete and High-Durability Concrete，2001.
［13］ BSI.BS EN 206-9 Additional rules for self-compacting concret［S］.UK：BSI Group，2010：1.
［14］ 余志武，郑建岚，谢友均，等.CCES 02自密实混凝土设计与施工指南［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2004.
［15］ 高延继，安雪晖，赵霄龙，等.CECS 203自密实混凝土应用技术规程［S］，北京：中国计划出版社，2006.
［16］ 京津城际铁路有限责任公司.京津城际铁路道岔板技术研究［R］.北京：京津城际铁路有限责任公司，2008.
［17］ 李化建，谢永江，等.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［S］. 2010.
［18］ 辛永平.石武客专河南段新乡东站自密实混凝土配合比设计及施工质量控制［J］.粉煤灰综合利用，2011（5）：45-47.
［19］ 张庆广.板式无砟道岔自密实混凝土灌筑施工工艺研究［J］.铁道建筑技术，2011（3）：121-122.
［20］ 周立新，王君楼，李保友，等.成都至都江堰铁路工程新型板式无砟轨道自密实混凝土（暂行）技术条件［S］.2009.
［21］ 李化建，潭盐宾，谢永江，等.自密实混凝土的特点及其在高速铁路中的应用［J］.铁道建筑，2012（8）：143-145.2 高速铁路自密实混凝土性能要求与评价技术
自密实混凝土的性能主要包括新拌混凝土的性能与硬化混凝土的性能，硬化混凝土的性能与传统振捣混凝土相同，主要包括力学性能（抗压强度、抗折/抗拉强度、弹性模量）、耐久性能（抗渗性、抗冻性、抗氯离子渗透性、抗化学侵蚀性、抗碱骨料反应等）、体积稳定性（自收缩、干燥收缩和徐变）等。力学性能通常是基于结构承载力考虑，结构设计师最为关注，配制自密实混凝土的强度要满足设计中结构的承载力要求；铁路工程条状结构分布与露天服役环境等特点决定了其混凝土结构必然会经受外部气候和所接触土体与水体的腐蚀作用，这就要求铁路混凝土结构应具备足够的耐久性要求。耐久性能是基于作用环境，作用环境不同其腐蚀机理不同，《铁路混凝土结构耐久性设计》（TB 10005—2010）对不同环境作用下的铁路混凝土结构［1］提出相应的耐久性评价指标。体积稳定性多是针对预应力结构，如梁体、轨道板、轨枕等，设计时要考虑收缩徐变对结构长期变形性能的影响。对于高速铁路无砟轨道自密实混凝土层这种特殊结构在设计时要考虑自密实混凝土的收缩性能，包括塑形阶段的塑形收缩和硬化阶段的干燥收缩性能。
本章系统分析了基于自密实混凝土拌合物的性能分类标准，指出了现有自密实混凝土分类存在的不足，梳理了新拌自密实混凝土评价方法与评价指标，尤其是自密实混凝土稳定性的评价方法，探讨了简化柱状法自密实混凝土评价方法。剖析了高速铁路无砟轨道自密实混凝土层的结构特征，结合高速铁路自密实混凝土的施工现状，提出了用于高速铁路无砟轨道用自密实混凝土拌合物的性能要求。分析了高速铁路无砟轨道自密实混凝土层的功能定位，提出了包括力学性能、耐久性能和体积稳定性的自密实混凝土硬化体性能指标。鉴于自密实混凝土层结构的隐蔽性特征，提出了自密实混凝土工艺性揭板试验要求。2.1 新拌自密实混凝土性能与评价技术2.1.1 新拌自密实混凝土性能要求与分类
自密实混凝土与传统振捣混凝土的主要区别在于其新拌混凝土性能的差异。自密实混凝土拌合物主要特征为自密实特性，自密实的内涵包括流动性、填充性、抗离析性与间隙通过性等，通常根据新拌混［2～8］凝土性能可将自密实混凝土分成2～3个等级，如表2.1所示。表2.1 基于新拌混凝土性能的自密实混凝土分级表2.2 视觉稳定型指数（VSI）等级与指标图2.1 不同VSI自密实混凝土状态
由表2.1可知，自密实混凝土等级的划分尚存在以下问题：①等级分类区间不一致，如欧洲将自密实混凝土的扩展度放到850mm，但大多数国家是将自密实混凝土扩展度的最大值控制到750mm；②等级区间划分跨度太大，最为突出的是t流出时间，《自密实混凝500土应用技术规程》（CECS 203：2006）规定t为5～20s，最大值为500最小值的4倍，这显然跨度区域太大，不利于自密实混凝土的评价；③不同等级区间有重叠区域，《自密实混凝土应用技术规程》（CECS 203：2006）中各等级自密实混凝土的扩展度均存在50mm的重叠区域，而这个区域是否能通过其他检测指标中较小差别分辨尚待［9］研究。有学者提出了如表2.3所示的自密实混凝土划分等级。表2.3将自密实混凝土扩展度按50mm区间进行划分，但《混凝土质量控制标准》（GB 50164—2011）混凝土扩展度检测的允许误差为［7］±30mm，这样将区间范围占允许误差的60%以上，就很容易出现自密实混凝土等级归属混乱的问题。表2.3 自密实混凝土划分等级
2002年颁布的《自密实混凝土规范与指南》（EFNARC）并没有对自密实混凝土进行分级，而是给出自密实混凝土的验收准则（如表［10］2.4所示），这样可以方便设计值与用户的选择。表2.4 自密实混凝土验收准则2.1.2 新拌自密实混凝土性能评价技术
自密实混凝土工作性能测试方法主要包括：坍落度与坍落扩展度试验、Orimet流速试验、V形漏斗试验、J环试验、L形仪试验、U形箱试验、湿筛离析试验（wet-sieving segregation test）、渗入试验［8，11，12］（penetration test）等。其中坍落扩展度试验、t流动时500间试验、V形漏斗试验用于检验自密实混凝土的填充性；J环试验、L形仪试验、U形箱试验可以综合评价混凝土的填充性、间隙通过性和抗离析性。一般而言，仅采用上述方法中的一种难以全面评价自密实混凝土拌合物性能，要较全面地评价自密实混凝土拌合物性能，需要采用以上两种或两种以上的方法才能达到目的。《新拌自密实混凝土测试指南》中提出了推荐给欧洲标准化委员会的新拌自密实混凝土性［11］能检测的标准方法和选择方法，如表2.5所示。表2.5 新拌自密实混凝土推荐方法
新拌自密实混凝土性能是决定其是否能够到达自密实的关键，也是对自密实混凝土进行分类的核心指标，其工作性能检测方法应给予足够关注。目前纳入不同国家标准中的指标有坍落扩展度试验、t500试验、V形漏斗试验、L形仪试验、筛分试验、J环试验和动态稳定性试验等，具体如表2.6所示，但不同标准所规定方法之间也存在一些差异。表2.6 新拌自密实混凝土性能试验方法及相关标准（1）坍落扩展度和t流动时间检测500
试验原理：坍落扩展度是自密实混凝土工作性能最基本的指标，也是最为常用的评价指标。坍落扩展度可以表征混凝土拌合物的水平自由流动能力，t流动时间可以评价拌合物的黏度，t流动时间500500越小拌合物黏度越低，拌合物流动速度越快。坍落扩展度与t流动500时间试验可以较好地反映自密实混凝土的填充性能，其试验方法如图2.2所示。图2.2 坍落扩展度和t流动时间试验（单位：mm）500
试验仪器：主要仪器为混凝土坍落度筒和硬质底板，坍落度筒应符合《混凝土坍落度仪》（JG/T 248—2009）中有关技术要求的规定。底板为硬质不吸水的光滑正方形平板，边长大于900mm，最大挠度不超过3mm。在平板表面标出坍落度筒的中心位置和直径分别为200mm、300mm、500mm、600mm、700mm、800mm、900mm的同心圆，辅助工具为铲子、抹刀、钢尺（精度1mm）和秒表等。
试验步骤：用湿布将底板和坍落度筒润湿，保证坍落度筒内壁和底板上无明水；底板放置在坚实的水平面上，坍落度筒放在底板中心位置，下缘与200mm刻度圈重合，然后用脚踩住坍落度筒两边的脚踏板，装料时保持坍落度筒位置不变。用铲子将混凝土加入到坍落度筒中，不分层一次填充至满，且整个过程中不施以任何振动或捣实，加满后用抹刀抹平。用抹刀刮去坍落度筒中已填充混凝土顶部的余料，使其与坍落度筒的上缘齐平，将底盘坍落度筒周围多余的混凝土清除，随即垂直平稳地提起坍落度筒，使混凝土自由流出，坍落度筒的提离过程应在5s内完成。从开始装料到提离坍落度筒的整个过程应不间断地进行，并在150s内完成。
试验记录：当混凝土拌合物不再扩散或扩散持续时间已达50s时，用钢尺测量混凝土扩展后最终的扩展直径，测量在相互垂直的两个方向上进行，并计算两个所测直径的平均值（单位：mm），精确至5mm。混凝土扩展度测试时，如扩展开的混凝土偏离圆形，测得两直径之差在50mm以上时，需从同一盘混凝土中另取试样重新试验。观察最终扩展后混凝土的状况，如发现粗骨料在中央堆积或最终扩展后的混凝土边缘有较多水泥浆析出，表示此混凝土拌合物抗离析性不好，应予以记录。
测定扩展度达到500mm时所经历的时间即为t，计时从提离坍500落度筒开始，至扩展开的混凝土外缘初触平板上所绘直径500mm的圆圈为止，以秒表测定时间，精确至0.1s。
表征指标：坍落扩展度在600～750mm之间，且2s≤t≤10s时，500可满足自密实的要求，但不同的应用场合存在一定的差异。
试验精度：扩展度和t被应用于评价自密实混凝土的工作性能，500但该方法存在误差大、受人为因素影响等缺点。有的学者提出采用扩展度达到最大值所需时间来评价自密实混凝土的工作性能。高速铁路道岔板充填层自密实混凝土暂行技术要求曾提出采用t来评价，但700当自密实混凝土扩展度达到不700mm时，该指标就无法获得。根据ISO 5725，重复性（r）是指用相同的方法、相同的试验材料，在相同的条件下获得的一系列结果之间的一致程度（概率大于95%）；重现性（R）是指用相同的方法，同一试验材料，在不同的条件下获得的单个结果之间的一致程度，不同的条件指不同操作者、不同实验室、不同或相同的时间。欧洲Testing-SCC项目使用来自8个实验室的16个［12］操作者2次重复检测t所得的时间精度如表2.7所示。500表2.7 坍落扩展度和t流动时间的精度500（2）J环试验
试验原理：J环用于检测自密实混凝土的充填能力和通过能力，还可以通过比较两部分自密实混凝土的量来评价自密实抗离析能力。J环试验测试三个参数：扩展度、流动时间t和阻碍高差。J环流动500扩展度评价自密实混凝土由于钢筋阻碍作用的限制变形能力，t评500价流动一定距离变形速度，阻碍高差可描述阻塞效应。
试验仪器：J环试验所用主要仪器为J环、混凝土坍落度筒，J环由16根ϕ18mm钢筋组成，J环的直径为300mm，试验装置具体尺寸如图2.3所示。混凝土坍落度筒应符合《混凝土坍落度仪》（JG/T 248—2009）中有关技术要求的规定。底板应为硬质不吸水的光滑正方形平板，边长为900mm，最大挠度不超过3mm。在平板表面标出坍落度筒的中心位置和直径分别为200mm、300mm、500mm、600mm、700mm、800mm的同心圆。辅助工具为铲子、抹刀、钢尺（精度1mm）、秒表和10L铁桶等。图2.3 J环及B测试图（单位：mm）J
试验步骤：在10L铁桶中装入6～7L新拌混凝土，静置1min（±10s）。在混凝土静置的1min时间内，用海绵或毛巾润湿底板和坍落度筒，使坍落度筒内壁和底板上无明水；底板应放置在坚实的水平面上，坍落度筒放在底板中心位置，下缘与200mm刻度圈重合，J环则套在坍落度筒外，下缘与300mm刻度圈重合，坍落度筒在装料时应保持位置固定不动。将铁筒内混凝土加入到坍落度筒中，不分层一次填充至满，且整个过程中不施以任何振动或捣实。用刮刀刮除坍落度筒中已填充混凝土顶部的余料，使其与坍落度筒的上缘齐平，将底盘坍落度筒周围多余的混凝土清除，随即垂直平稳地提起坍落度筒，使混凝土自由流出，坍落度筒的提离过程应在5s内完成。从开始装料到提离坍落度筒的整个过程应不间断地进行，并应在150s内完成。
试验记录：J环扩展度（SF）与t的记录方法同坍落扩展度。J500J环障碍高差的记录方法为：用钢尺测量J环中心位置混凝土拌合物顶面至J环顶面的高度差（Δh），然后再沿J环外缘两垂直方向分别测0量4个位置混凝土拌合物顶面至J环顶面的高度差（Δh，Δh，Δh，x1x2y1Δh）（单位：mm）。J环障碍高差B按式（2-1）计算，结果精确至y2J1mm。 （2-1）
表征指标：采用这种方法评价自密实混凝土的工作性能，一般要求600mm≤SF≤700mm，B≤30mm。JJ
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]