蒸汽養護對高速鐵路軌道板混凝土滲透性的影響*

趙 健，譚鹽賓，李化建，謝永江，易忠來

(1.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031;2.中國鐵道科學研究院北京 100081;3.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室北京 100081)

我國高速鐵路建設特點之一是在線路設計上多采用以橋代路的方式，主體混凝土結構則大量應用混凝土預制構件，如箱梁、T梁、軌枕和軌道板等，其均采用蒸汽養護。其中，對于箱梁、T梁和軌枕等傳統預制混凝土結構，國內已有較多人員對其蒸氣養護制度以及蒸氣養護對預制混凝土結構性能的影響進行了研究［1－2］，但軌道板這種新型結構形式由于在國內出現時間較短，尚未見到有關其蒸氣養護性能的研究報道。軌道板在高速鐵路無砟軌道結構中處于最頂層，其服役環境完全暴露于大氣環境中，其還需承受上部列車動荷載作用，在動荷載和自然環境條件雙重作用下，軌道板對其組成混凝土材料性能提出了很高的要求，尤其是高速鐵路軌道板混凝土設計使用壽命為60年［3］，更是對其耐久性能提出了嚴格要求。混凝土的滲透性對混凝土耐久性起著重要的作用，因為滲透性控制著水分滲入的速率，同時也控制著混凝土受熱或受凍時水的移動［4］。諸如混凝土的凍融破壞、鋼筋銹蝕、堿骨料反應破壞和硫酸鹽侵蝕破壞等均是在水分的存在下發生的［5］，可以說混凝土滲透性直接關系這混凝土耐久性。因此，針對軌道板混凝土所用復合膠凝材料體系研究其滲透性能對于提高軌道板混凝土耐久性具有重要意義。

1 試驗及測試方法

1.1 原材料

水泥為北京琉璃河水泥廠P·O42.5級水泥，其性能指標見表1。礦渣粉為首鋼嘉華S95級磨細礦渣粉，性能指標見表1。砂為河北盧龍天然河砂，細度模數為2.7;碎石為天津薊縣產2種連續級配碎石，其最大粒徑分別為10 mm和20 mm。減水劑為天津雍陽低引氣型聚羧酸減水劑，型號為UNF－5AST，減水率為29%。

1.2 試驗配合比

軌道板混凝土配合比見表2，設計強度等級為C55，分別采用標準養護和蒸汽養護2種方式。

表1 水泥與礦渣粉的物理化學指標Table 1 Physical and chemical value of cement and slag %

表2 軌道板混凝土配合比Table 2 Mix proportion of track slab concrete kg/m3

表3 水泥凈漿配合比Table 3 Mix proportion of paste g

1.3 測試方法

(1)混凝土表面吸水率試驗參照《水運工程混凝土施工規程》(JTJ 270—98)中混凝土吸水率測試方法進行。

(2)混凝土6 h電通量和氯離子擴散系數試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB－T 50082—2009)中電通量法和RCM法進行。

(3)化學結合水試驗則在規定水化齡期時將硬化水泥試樣取出，用鐵錘打碎后，加入無水乙醇終止水化，并在無水乙醇存在的條件下在瑪瑙研缽中將試樣磨細至全部通過孔徑為0.08 mm的方孔篩，然后稱取1～2 g磨細樣品，并放置于烘箱(105℃)中烘干24 h至恒重，取出再放入1 000℃高溫爐中恒溫1 h，冷卻后稱質量。化學結合水量wm按下式計算［6］:

式中:G105為試樣在105℃烘干至恒質量時的質量，g;G1000為試樣在1 000℃煅燒1 h后的質量，g;yi為膠凝材料各組分的質量分數，%;zi為膠凝材料各組分的燒失量，%。

(4)標準養護指混凝土成型24 h拆模后即移入溫度20±2℃，相對濕度大于95%的標準養護室內進行養護;蒸汽養護則在混凝土成型后即按設定蒸汽養護制度進行蒸汽養護至16 h，然后，脫模移入溫度為(20±2)℃、相對濕度大于95%的標準養護室內進行養護。化學結合水用水泥凈漿配合比見表3，采用標準20℃養護和3種溫度蒸汽養護，蒸汽養護恒溫溫度分別為40，60和80℃。

2 試驗結果及分析

2.1 蒸汽養護對軌道板混凝土表面吸水率的影響

對于采用圖1和圖2所示的試件尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm和尺寸500 mm×500 mm×300 mm的混凝土模擬板上鉆芯試樣的吸水率。由圖1和圖2可以看出:不論是混凝土試件，還是從混凝土模擬板上鉆芯取樣試件，蒸汽養護條件下混凝土各齡期表面吸水率均低于標準養護混凝土，說明蒸汽養護對改善混凝土表面滲透性是有利的，即可提高混凝土抗水滲透能力。另外，結果也反映出混凝土模擬板鉆芯試樣吸水率高于混凝土試件，但2種養護方式下混凝土表面吸水率變化呈相同趨勢。相同混凝土同時成型的試件出現這樣的差異，這可能是在鉆芯過程中對試樣表面造成了破壞。

2.2 蒸汽養護對軌道板混凝土抗氯離子滲透性能的影響

表4所示是不同養護方式下軌道板混凝土抗氯離子滲透測試結果。試驗結果表明，蒸汽養護對軌道板混凝土28 d抗氯離子滲透性能有一定程度的影響，蒸汽養護混凝土28 d電通量較標準養護混凝土低 94 C，氯離子擴散系數則低 0.9×10－12m2/s，降低幅度分別為10%和21%;而到56 d時，蒸汽養護混凝土和標準養護混凝土這2項指標測試值則基本相同，變化幅度低于4%。

圖1 蒸汽養護對混凝土表面吸水率的影響(混凝土試件)Fig.1 Effect of steam －curing on the surface absorption rate of concrete(concrete sample)

圖2 蒸汽養護對混凝土表面吸水率的影響(模擬板鉆芯試樣)Fig.2 Effect of steam －curing on the surface absorption rate of concrete(sample of analogue slab)

表4 養護方式對混凝土抗滲性的影響Table 4 Effect of curing method on the impermeability of concrete g

一般而言，蒸汽養護會降低混凝土抗氯離子滲透能力:Detwiler等人［7］研究發現，在較高溫度下養護波特蘭水泥混凝土，會降低其對氯離子滲透的抵抗力。彭波［8］通過研究發現:與標準養護混凝土相比，蒸養后純水泥混凝土、摻礦渣粉混凝土及摻粉煤灰混凝土的氯離子擴散系數均有所增加。前述研究中采用的蒸汽養護恒溫溫度一般較高，蒸汽養護在加速混凝土強度發展的同時對其孔結構有粗化作用，從而導致其抗氯離子滲透能力下降。本試驗中蒸汽養護最高溫度為46℃，混凝土在蒸養升溫前進行3h常溫靜停，對于水膠比很低的軌道板混凝土而言，其自身強度發展速率原本就高于相同強度等級且也采用蒸汽養護的箱梁混凝土，在蒸汽養護溫度升高到46℃時其已經形成一定結構強度，蒸汽養護對混凝土的不利作用得到一定程度抑制;另一方面，研究表明［8－9］，礦渣粉的微集料效應有利于水泥水化產物的擴散，對微觀孔結構的優化有改善作用，同時其二次水化作用在蒸汽養護作用下也得到加速，進而形成低鈣硅比的C－S－H凝膠，有利于混凝土內部孔結構的細化，可在一定程度上抵消蒸汽養護給混凝土性能帶來的負作用。

2.3 蒸汽養護對水化進程的影響

圖3所示是采用與軌道板混凝土相同膠凝材料組成比例的凈漿在不同恒溫條件下的化學結合水測試結果。結果表明:蒸汽養護對水泥－礦渣粉復合膠凝材料早期水化進程有顯著的促進作用，而對膠凝材料后期水化程度影響較小［10］;在28 d前，隨著蒸汽養護恒溫最高溫度增加，復合膠凝材料化學結合水量大幅提高，且齡期越早其增長幅度越大;而不同養護溫度下膠凝材料56 d化學結合水量與28 d相比未有顯著增，這與蔣正武等［10］的研究結果相同。由圖3還可看出，蒸汽養護最高恒溫溫度為60℃和40℃時復合膠凝材料化學結合水量并未有顯著差別，但當最高恒溫溫度上升到80℃時，則復合膠凝材料各齡期化學結合水量較40℃和60℃時均高出約15%。雖然化學結合水量越大意味著膠凝材料水化程度越高，但這并不表示蒸汽養護溫度越高，膠凝材料性能越好。研究表明［8］，蒸汽養護溫度越高，對水泥基膠凝材料微觀孔結構越不利，會增加50～200 nm有害孔和大于200 nm多害孔的含量，這對水泥基材料抗滲性是不利的。同時，研究表明［9］，當蒸汽養護溫度超過70℃時，水泥基混凝土材料發生延遲鈣礬石破壞的概率也會大大增加，會導致水泥石內部微裂紋的產生，降低水泥石的抗滲性能。因此，在滿足水泥基膠凝材料早期性能要求的前提下，應盡可能選擇低的蒸汽養護溫度，這也是《鐵路混凝土耐久性設計規范》［3］規定混凝土養護期間芯部溫度不宜大于60℃的原因之一。

圖3 養護溫度對水泥－礦渣粉漿體化學結合水量的影響Fig.3 Effect of curing temperature on non － evaporable water of cement－slag paste

圖4 不同養護溫度下化學結合水量變化擬合曲線Fig.4 Fitting curve for non － evaporable water changing under different curing temperature

對不同最高養護恒溫溫度下膠凝材料化學結合水量變化趨勢進行了擬合，結果見圖4。由擬合公式的斜率可以看到，越是在水化早期，擬合公式斜率越大;而隨齡期增加，從1 d到28 d，斜率以近40%的幅度遞減;28～56 d齡期斜率下降幅度則為15%。擬合公式中斜率反映了水泥－礦渣粉復合膠凝材料體系隨養護溫度增加水化程度的增加幅度，斜率越大，說明水化程度增長越快;反之，說明水化程度增長慢。

3 結論及建議

(1)試驗采用蒸汽養護制度對軌道板混凝土早期和后期表面抗水滲透能力均有明顯改善作用;但對其抗氯離子滲透能力的改善作用則主要體現在早期，而對后期抗氯離子滲透能力影響不明顯。

(2)蒸汽養護可顯著加快水泥－礦渣粉復合膠凝材料體系的水化程度，但從改善其抗滲性和耐久性角度出發，在滿足軌道板混凝土材料早期性能要求的前提下，宜將蒸汽養護溫度控制在60℃以內，這也與《鐵路混凝土耐久性設計規范》所規定混凝土養護溫度控制值相一致。

軌道板作為高速鐵路無砟軌道結構的重要構件，直接承受列車動荷載，其性能直接關系整個無砟軌道結構的使用壽命。本文對軌道板混凝土的抗滲性與蒸汽養護的關系進行了初步研究，但這僅是軌道板混凝土耐久性指標中的一部分，建議進一步加強對蒸汽養護與軌道板混凝土其他耐久性的相關性研究工作。

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