细骨料对板式轨道充填层SCC性能的影响.pdf
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1、第 20 卷 第 7 期2023 年 7 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 7July 2023细骨料对板式轨道充填层SCC性能的影响莫文波1,马昆林1,徐占军2,张威振2,龙广成1,曾晓辉1,唐卓1(1.中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075;2.湖南中大设计院有限公司,湖南 长沙 410075)摘要:为研究细骨料对板式轨道充填层自密实混凝土(Self-compacting concrete,SCC)性能的影响,测试了不同级配的细骨料对SCC经时扩展度、含气量、抗压强度、电通量和
2、应力应变关系的影响,并建立了基于细骨料算术平均粒径的SCC本构模型。结果表明,细骨料中0.15 mm以下与0.150.3 mm粒径区间颗粒含量和相对比例对SCC的工作性能有重要影响,对抗压强度和电通量有一定影响。相比0.150.3 mm颗粒,0.15 mm以下粒径区间颗粒对工作性能影响更大,0.15 mm以下颗粒含量较高时,SCC的流动性经时损失显著增大。粒径为00.3 mm的颗粒含量增加,SCC的扩展度降低,扩展度经时损失增加,抗压强度增加,电通量降低,对含气量影响不显著。相比细度模数,算术平均粒径更能反映细骨料中细颗粒含量对SCC工作性能的影响。随细骨料算术平均粒径增加,SCC初始扩展度呈
3、线性增加,扩展度经时损失呈幂函数降低。在本文配合比条件下,充填层SCC细骨料算术平均粒径在0.2050.276范围时,能够保证SCC的工作性能和相应的力学性能。基于细骨料算术平均粒径建立的SCC应力应变关系与试验结果较为符合,模型上升段参数和下降段参数与细骨料算术平均粒径分别呈现二次函数和线性函数关系,分别反映了SCC的弹性模量和脆性,上升段参数值越大,SCC弹性模量越大,下降段参数值越大,SCC脆性越大。关键词:自密实混凝土;细骨料;级配;工作性能;硬化性能;本构模型中图分类号:TU528 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)07-2
4、467-12Effect of fine aggregate on performance of slab track filling layer SCCMO Wenbo1,MA Kunlin1,XU Zhanjun2,ZHANG Weizhen2,LONG Guangcheng1,ZENG Xiaohui1,TANG Zhuo1(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.Hunan Zhongda Design Institute Co.,Ltd.,Changsha 41007
5、5,China)Abstract:In order to study the effect of fine aggregate on filling layer self-compacting concrete(SCC),the effects of different grade of fine aggregate on SCC slump flow,air content,compressive strength,electric flux and stress-strain relationship were tested.The SCC constitutive model based
6、 on arithmetic average particle size of 收稿日期:2022-06-29基金项目:国家自然科学基金资助项目(51678569);湖南省自然科学基金资助项目(2022JJ30732);长沙市自然科学基金资助项目(KP2202098);中南大学-湖南中大设计院有限公司开放课题(KJ-2021-02)通信作者:马昆林(1976),男,云南昆明人,教授,博士,从事高性能混凝土材料方面的研究;E-mail:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221301铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月fine aggregate arith
7、metic average particle size was established.Results show that the total content and relative ratio of particle size 0.150.3 mm and below 0.15 mm in fine aggregate have an important effect on the workability,and some influence on strength and electric flux of SCC.Compared with 0.150.3 mm particles in
8、 fine aggregate,particle size below 0.15 mm has a greater influence on workability.When the content of particles below 0.15 mm is high,the fluidity loss of SCC increases significantly.With the increase of 00.3 mm particle size,SCC slump flow decreases,compressive strength increases,electric flux dec
9、reases.The effect on gas content is not significant,but the loss of slump flow over time increases.Compared with fineness modulus,arithmetic average particle size can better reflect the influence of fine particle content in fine aggregate on SCC workability.With the increase of fine aggregate arithm
10、etic average particle size,the initial slump flow of SCC increased linearly,slump flow loss decreased as a power function.The SCC stress-strain relationship established based on fine aggregate arithmetic average particle size have a high correlation with the test curves The model upstage parameters
11、and downstage parameters show quadratic function and linear function relationship with fine aggregate arithmetic average particle size,respectively,reflecting the elastic modulus and brittleness of SCC respectively.The higher the value of Upstage parameters,the greater the elastic modulus of SCC,and
12、 the higher the value of downstage parameters,the greater the brittleness of SCC.Key words:self-compacting concrete;fine aggregate;gradation;workability;hardenability;constitutive modelCRTS型板式轨道由我国自主研发,且是目前我国设计时速300 km及以上高铁采用的主要轨道结构形式1。自密实混凝土(Self-compacting concrete,SCC)是该轨道结构充填层的关键材料,其施工质量对轨道结构的稳定
13、性、平顺性和耐久性有重要影响24。细骨料是SCC的重要原材料,由于受铁路沿线环境条件等多因素影响,细骨料级配和颗粒含量常出现较大波动,导致SCC工作性不稳定,严重影响施工质量。因此,掌握细骨料对SCC性能的影响,对确保充填层SCC的施工稳定性有重要的意义。级配是细骨料的重要性能指标,级配好的细骨料,颗粒搭配合理,空隙率小,有利于发挥其润滑和填充作用,提高混凝土工作性能和硬化性能。国内外学者基于细骨料的颗粒级配开展了相关研究。ALI5采用不同细度模数(Mx)的细骨料制备了 SCC,发现随 Mx增加,高强和普通SCC的流动性能、通过性能和抗离析性能均降低,抗压强度先增加后降低。RANGARAJU等
14、6研究表明,随Mx降低,水泥基体和骨料间的界面过渡区增加,但对混凝土的抗压强度、动弹模和快速氯离子渗透性无显著影响。KARADUMPA等7采用MTM,JDD和CPM堆积密度模型评价细骨料级配,发现按照CPM模型设计的细骨料级配堆积空隙率最小,混凝土抗压强度较高。CHEN等8研究了机制砂中微粉含量(0.075 mm)和亚甲蓝值对混凝土性能的影响,发现较低亚甲蓝值的微粉可改善新拌混凝土的和易性、抗压强度、氯离子渗透性能和抗冻融循环性能。ZHANG等9采用比表面积定量表征砂的级配,提出了基于细骨料比表面积和砂率的双因素净浆流变阈值预测公式。研究表明,合适的级配指标可较好地表征细骨料对混凝土性能的影响
15、,细骨料级配表征参数有细度模数、平均粒径、算术平均粒径(dcea)、比表面积、分型维数以及实际级配与理想级配的偏差值等量化方法914。我国规范中常用的Mx指标受粗颗粒影响大,而dcea指标受细颗粒(00.3 mm)影响较大6。细骨料级配表征方法较多,不同表征参数计算方法相差较大,有必要探究细骨料不同粒径颗粒含量对混凝土性能影响。因此,本文研究细骨料不同粒径颗粒含量以及Mx和dcea参数对充填层SCC的扩展度(SF)、含气量、抗压强度、电通量和应力应变关系的影响,并建立基于细骨料 dcea的SCC本构模型,以期为进一步掌握细骨料对充填层SCC性能的影响和板式轨道材料的高质量制备提供依据。1 原材
16、料及试验方法1.1原材料水泥(C):海螺集团湖南有限公司生产P.O 42.52468第 7 期莫文波,等:细骨料对板式轨道充填层SCC性能的影响普通硅酸盐水泥,其化学和物理性质如表1所示。细骨料(S):产自湖南汨罗江,各粒径的形貌照片见图1,基本物理性能指标见表2。水(W):试验拌合用水为自来水。聚羧酸高性能减水剂(SP):其减水率为 30.5%,含固量 33.1%。矿粉(SL):级别为S95。黏改剂(VMA):由安徽中铁工程材料有限公司提供。膨胀剂(UEA):采用II型膨胀剂。表1 水泥的化学和物理性质Table 1 Chemical and physical properties of c
17、ement材料水泥含量/%(按质量)SiO220.58Al2O34.97Fe2O33.76CaO63.57MgO2.11SO32.90烧失量1.40比表面积/(m2kg1)355(a)4.759.5 mm;(b)2.364.75 mm;(c)1.182.36 mm;(d)0.61.18 mm;(e)0.30.6 mm;(f)0.150.3 mm;(g)00.15 mm图1不同粒径细骨料颗粒形貌照片Fig.1Picture of fine aggregate particles with different particle sizes2469铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月
18、1.2配合比及试验方法将细骨料烘干后筛分,配制成不同级配细骨料,然后制备 SCC,具体分为 SCC1SCC6。首先,设置 SCC1,SCC3,SCC5 和 SCC6 组中细骨料0.6 mm以上粒径颗粒级配均相同,0.6 mm以下粒径颗粒不同。00.15 mm粒径颗粒含量依次为0,1.1%,0 和 10%;0.150.3 mm 粒径颗粒含量依次为 4.1%,11.2%,23.1%和 2.3%;00.3 mm粒径颗粒总含量依次为 4.1%,12.3%,23.1%和12.3%。可根据试验结果对比分析,探究细骨料00.15 mm和 0.150.3 mm粒径颗粒含量及其相对比例对SCC性能的影响。其次,
19、设置 SCC2,SCC3 和 SCC4 组细骨料00.15 mm 粒径颗粒含量相等,均为 1.1%,且SCC2SCC4组细骨料的0.69.5 mm范围内各粒径区间颗粒含量均依次减少,0.150.6 mm粒径范围内各粒径区间颗粒均依次增加。可根据试验结果对比分析,探究细骨料0.15 mm以下粒径颗粒含量不变,0.15 mm以上粒径颗粒变化对SCC性能的影响。表3是各组细骨料分计筛余百分率。各组细骨料的筛分曲线见图2。表4是充填层SCC配合比。分别测试各组SCC在10,30和60 min的SF,含气量以及T500,然后成型进行标养,分别测试 3 d 和 56 d 抗压强度、56 d电通量和56 d
20、应力应变曲线。试验步骤详见高速铁路CRTS型板式无砟轨道自密实混凝土(Q/CR 5962017)15、普通混凝土拌合物性能试验方法标准(GB/T 500802016)16和混凝土物理力学性能试验方法标准(GB 500812019)17。表2天然河砂主要性能指标Table 2Main performance indexes of natural river sand粒径/mm4.759.52.364.751.182.360.61.180.30.60.150.300.15堆积密度/(gcm3)1.531.521.511.51.491.451.42表观密度/(gcm3)2.612.632.642.6
21、42.662.652.71空隙率/%41.3842.2142.843.1843.9845.2847.6含泥量/%0.440.320.531.071.92.1733.26图2SCC细骨料级配曲线Fig.2SCC fine aggregate gradation curves表3 细骨料分计筛余百分率及细度模数Table 3 Fine aggregate percentage retained and fineness modulus组别SCC1SCC2SCC3SCC4SCC5SCC6分计筛余百分率/%4.75 mm3.87.53.82.53.83.82.36 mm10.714.510.7510.
22、710.71.18 mm13.61713.612.513.613.60.6 mm16.91316.92016.916.90.3 mm513742.7453242.70.15 mm4.19.911.213.923.12.30 mm01.11.11.1010Mx2.752.852.652.452.552.56表4SCC配合比Table 4SCC mix proportionkg/m3水泥346矿粉105膨胀剂42黏改剂30高效减水剂7.85细骨料798粗骨料(510)306粗骨料(1016)461水1752470第 7 期莫文波,等:细骨料对板式轨道充填层SCC性能的影响2 细骨料级配表征方法2.
23、1细度模数根据建筑用砂(GB/T14684),细度模数指标采用式(1)计算:Mx=A2+A3+A4+A5+A6-A1100-5A1(1)式中:A1A6 依次表示4.75,2.36,1.18,0.6,0.3和 0.15 mm粒径筛孔累计筛余百分率。由式(1)可知,该式对细骨料中较粗粒径颗粒含量进行了多次累加,强化了公式中粗颗粒含量的作用,而细骨料中细颗粒对Mx指标的影响则不显著,因此细度模数并不能全面反映细骨料级配中细颗粒(00.15 mm和0.150.3 mm)的含量变化。2.2算术平均粒径细骨料的算术平均粒径(dcea)可采用粉体算术平均粒径公式计算而得10,如式(2)所示:dcea=0.0
24、79m2+0.319m3+1.262m4+4.938m5+19.753m6+177.778m70.022 2m2+0.180m3+1.428m4+10.974m5+87.791m6+2 370.370m7(2)式中:假设细骨料颗粒为球形,各筛内颗粒直径为 上 下 两 筛 孔 直 径 平 均 值。m1m7表 示 04.75 mm各粒级筛余质量。由式(2)可知,该式分子和分母项均包含0.15 mm以下粒径颗粒筛余质量,且分子和分母项各粒径筛孔质量的系数随粒径减小而增加,细骨料颗粒粒径越小,对dcea值影响越大,其中0.15 mm以下粒径的颗粒质量将对dcea产生较大影响。由细度模数和式(1)计算得
25、表5。由表 5 可知,SCC1 和 SCC2 组 Mx分别为 2.75和 2.85,相差不大,但 SCC1 和 SCC2 组 0.15 mm以下颗粒含量分别为 4.1%和 11.0%,dcea分别为0.379 7 和 0.152 8,差异明显。SCC5 和 SCC6 组0.6 mm粒径以上颗粒含量相同,但0.6 mm以下粒径颗粒含量差异较大,但SCC5和SCC6组Mx分别为2.55和2.56,难以区别,而SCC5和SCC6组dcea分别为0.266 3和0.084 4,差异显著。相比Mx,dcea对细骨料级配中细粒含量的变化较敏感,能够反映细骨料中细颗粒含量差异。3 结果及分析3.1工作性能3
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