磨細礦粉與復合摻和料在CRTS雙塊式無砟軌道混凝土軌枕中的對比試驗應用

汪 海（中鐵豐橋橋梁有限公司，北京 100070）

磨細礦粉與復合摻和料在CRTS雙塊式無砟軌道混凝土軌枕中的對比試驗應用

汪 海（中鐵豐橋橋梁有限公司，北京 100070）

研究了分別由復合摻和料、磨細礦粉配制成的CRTS雙塊式無砟軌道混凝土軌枕在自然養護條件下的力學性能和耐久性能，結果表明：摻加復合摻和料的雙塊枕混凝土早期強度較基準混凝土提高27%，后期強度較基準混凝土提高15%，耐久性能較基準混凝土有很大程度的提高；摻加磨細礦粉的雙塊枕混凝土早期強度雖然有所降低，但依然能夠滿足雙塊枕混凝土脫模強度的要求，后期強度較基準混凝土可以提高5%，同時磨細礦粉的摻入也可以明顯改善雙塊枕的耐久性能。考慮到復合摻和料成本是磨細礦粉的6倍多，選擇磨細礦粉配制雙塊枕混凝土是較為經濟的選擇。

軌枕混凝土；自然養護；復合摻和料；磨細礦粉；強度；耐久性

Keys words：sleeper concrete；natural curing；composite admixture；groud fine slag；strength；durability

隨著鐵路高速的要求日益提高，鐵路線路也從現有的有砟向無砟轉變，因而無砟混凝土軌枕的需求也就越來越多[1-2]。軌枕是鐵路軌道系統的重要承力部件。由于大部分軌枕露天服役且承受正、負彎雙向彎矩，因而也是鐵路混凝土結構中最容易被破壞的構件[3]。CRTSSK-2型雙塊式無砟軌道混凝土軌枕（以下簡稱雙塊枕）包括兩塊分別位于軌枕兩端、表面平整的混凝土塊，兩混凝土塊之間用鋼筋桁架連接，結構整體性好，耐久性好。雙塊枕生產工藝簡單、科學合理、經濟實用，具有很高的推廣使用價值。過去幾年間，雙塊枕已先后應用于武廣客專、合武、溫福、福廈、襄渝和鄭西客專等客運專線上。工程實踐表明，雙塊枕在生產過程中會出現在規定的時間脫模時強度低以致產生掉角、裂縫和后期的耐久性不良等問題。

雙塊枕采用機組流水法進行集中預制，使用非預應力配筋。利用布料機進行均勻連續布料，振動臺振動成型，翻轉機加多次輕磕的方式脫模，混凝土采用自然養護或蒸汽養護。混凝土配制和澆筑應符合下列規定[4]：配合比通過試驗確定，混凝土膠凝材料用量不應大于500kg/m3,水膠比不應大于0.35，混凝土含氣量2.0%～4.0%，混凝土強度等級為C60。配制的關鍵技術是解決規定時間內脫模強度不低于40MPa的問題，同時需滿足抗凍等級F300，電通量應小于1000C，其他技術指標應符合《CRTS雙塊式無砟軌道混凝土軌枕》TB/T3397-2015的規定。

本試驗以滿足技術要求為前提，同時降低工程成本，通過單摻磨細礦粉和單摻復合摻和料來部分取代水泥，測試雙塊枕混凝土的早期強度、后期強度與耐久性能。結果表明：單摻磨細礦粉和單摻復合摻和料的混凝土均能夠滿足《CRTS雙塊式無砟軌道混凝土軌枕》TB/T3397-2015的規定及工藝要求。但是，考慮到磨細礦粉與復合摻和料在單價上的懸殊差異以及資源利用的方便快捷，該對比試驗為磨細礦粉在雙塊枕混凝土中的擴大應用提供了一定的實踐依據。

1 原材料

1.1 水泥

水泥采用P·O52.5級低堿水泥，其部分化學成份及主要物理性能見表1。

1.2 復合摻和料

復合摻和料由比表面積大于600m2/kg的超細礦粉、高活性硅灰粉和高性能改性劑按照一定比例均勻配制而成，其部分化學成份及主要物理性能見表2。

1.3 磨細礦粉

磨細礦粉采用S95級礦粉，其部分化學成份及物理性能見表3。

1.4 減水劑和水

減水劑采用RAWY-101聚羧酸減水劑（標準型），不含額外的引氣和緩凝成分，其主要技術指標見表4。

表1 水泥部分化學成份及主要物理性能

表2 復合摻和料部分化學成份及主要物理性能

表3 磨細礦粉部分化學成份及主要物理性能

表4 RAWY-101型聚羧酸減水劑主要技術指標

拌合水采用市政自來水。

1.5 骨料

細骨料：采用天然Ⅱ區中砂，細度模數2.8，連續級配，含泥量0.3%，泥塊含量0.1%，無堿活性。

粗骨料：采用的碎石巖石種類為玄武巖，粒徑為5～10㎜和10～20㎜二級配，分級生產、運輸、儲存和單獨計量。含泥量0.3%，泥塊含量0.1%，針片狀顆粒含量2%，壓碎指標4%。

2 試驗方法

2.1 拌和物性能試驗

雙塊枕混凝土坍落度、含氣量和常壓泌水率試驗按照GB/T 50080-2002《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》進行，在布料機下料口取樣。其中，含氣量測定儀為直讀式，容積為7L，日本三洋株式會社生產。

2.2 力學性能試驗

雙塊枕混凝土抗壓強度試驗按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，采用立方體試件尺寸為150mmx150mmx150mm,混凝土試件與雙塊枕相同條件成型和養護，28d、56d抗壓強度標準試件脫模后放入標準養護室進行養護。

雙塊枕在生產車間置于養護坑內進行自然養護。養護坑為厚度30cm的鋼筋混凝土結構，長13.6m，寬6.1m，地面以上 1.5m,地面以下 2.5m,養護坑頂蓋使用10t橋式超重機進行整體吊裝，具有密閉保溫功能。其目的就是利用混凝土自身產生的水化熱來提高水泥的水化速率和促進水泥的水化程度，從而提高雙塊枕混凝土的強度，尤其是脫模強度。

2.3 抗凍等級試驗

按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中規定的快凍法進行，試件尺寸為150mmx150mmx150mm，試驗齡期為56d。儀器：TDRF-1型快速凍融試驗機、天津惠達試驗儀器廠，TM-Ⅱ型混凝土彈性模量測定儀、北京路達偉業科技有限公司。

2.4 電通量試驗

按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中規定的電通量快速試驗方法進行。儀器：SDL-Ⅱ型混凝土電通量測定儀、滄州路儀試驗儀器有限公司。

2.5 雙塊枕混凝土配合比

雙塊枕混凝土試樣的配合比見表5，為保證試驗結果的準確性，每個樣品進行2次平行試驗，下文中有關力學性能與耐久性能試驗結果為2次平行試驗的平均值。其中樣品2為基準配合比，樣品2和樣品3為試驗配合比。

3 對比試驗結果與分析

3.1 拌和物性能

表6為三個樣品配制的雙塊枕混凝土拌合物性能測試值，其中設計坍落度為(60～100)mm。樣品1、2、3從工作性方面來說均能夠滿足雙塊枕施工生產的工藝性要求，但加入復合摻和料或磨細礦粉后，混凝土坍落度有減小的趨勢，同時樣品2和樣品3的粘聚性和保水性較樣品1有所提高，混凝土無泌水現象。

復合摻和料中含有超細礦粉和高活性硅灰粉，無論是復合摻和料，還是普通磨細礦粉，顆粒均比水泥要細很多，當二者以一定比例代替相同質量水泥時，隨著粉體比表面積的增多，勢必會吸附混凝土中更多的自由水，使混凝土粘聚性增大，表現出含氣量和坍落度的減小[5]；反之，當礦粉較粗時，泌水量和泌水速率可能增加[6]。因此，控制礦粉的質量，對發揮其作用起著很關鍵的作用，否則會適得其反。

表5 雙塊枕混凝土試樣的配合比

表6 不同樣品配制的雙塊枕混凝土拌和物性能

3.2 力學性能

按標準試驗方法制作混凝土抗壓強度試件，試驗齡期分別為16h、28d和56d,其中16h混凝土試件與雙塊枕相同條件成型和養護，28d和56d抗壓強度標準試件脫模后放入標準養護室進行養護，試驗結果如圖1所示。

圖1 不同樣品配制的雙塊枕混凝土力學性能

如圖1所示，摻加復合摻和料的雙塊枕混凝土的早期強度較基準混凝土提高27%，28d標準養護混凝土強度提高15%。摻加磨細礦粉的雙塊枕混凝土早期強度較基準混凝土雖然有所降低，但能夠滿足雙塊枕脫模強度的要求，28d標準養護混凝土強度較基準混凝土提高5%。

雙塊枕在隧道工程應用中產量一般較大，最高達上百萬根，對于施工企業來說，加速模型的周轉，對施工方成本控制和完成工期起著至關重要的作用。由圖2可知，摻加復合摻和料與磨細礦粉均能夠滿足雙塊枕對脫模強度的要求，同時對雙塊枕后期混凝土強度增長有利。

磨細礦粉比水泥細，可以填充在水泥顆粒和水泥顆粒填充不到的孔隙中，使混凝土中漿體與集料的界面缺陷減少，致密性提高，同時隨著水泥水化過程的進行，礦粉利用自身的活性進行二次水化反應［7］，將混凝土中尤其是漿體與骨料界面處大量的Ca(OH)2晶體轉化成對強度及致密性更有利的C-S-H凝膠，改善硬化水泥槳體的微觀結構，提高混凝土強度［8］。

高活性硅灰粉對混凝土強度增長的原理與磨細礦粉基本相同，但硅灰比磨細礦粉更細，同時火山灰活性更強，它不但可以填充礦粉與水泥的空隙，而且與水泥的水化產物進行二次反應后［8］，會生成強度及致密性更高的C-S-H凝膠，大大改善硬化水泥槳體的微觀結構，從而可以大大提高混凝土的強度［9］。

3.3 電通量

圖2為不同樣品配制的雙塊枕混凝土電通量試驗結果，從中可以看出復合摻和料和磨細礦粉的摻入均降低了雙塊枕混凝土的電通量。原因在于新拌混凝土中多余的水分，在混凝土內部形成了孔隙和毛細管，也就留下了氣體和液體侵蝕混凝土的通道。隨著混凝土硬化，礦物摻和料填充密實效應逐漸發揮作用，改善了雙塊枕混凝土內部孔結構，充分地延長了毛細管通道，阻止了可能形成的滲透通道，從而增強了雙塊枕混凝土抗氯子滲透性；其次是磨細礦粉與復合摻和料的火山灰效應，隨著養護時間增長，復合摻和料的火山灰反應程度不斷加深，消耗大量的Ca(OH)2使雙塊枕混凝土界面過渡區的Ca(OH)2晶體尺寸減小、取向度降低，導致界面過渡區孔隙率降低，結構更為密實，有效減少了連通孔的數量，且火山灰反應產物填充了水泥石的間隙，從而大大改善混凝土的內部結構，提高混凝土抗氯離子滲透性能。

另一方面，通過圖2也可以看出，由于復合摻和料中高活性硅灰的存在，摻加復合摻和料的混凝土比摻加磨細礦粉的混凝土具有更高的抗氯子滲透性能。

圖2 不同樣品配制的雙塊枕混凝土電通量

3.4抗凍性

雙塊枕混凝土凍融循環后相對動彈性模量結果見圖3，從中可以看出復合摻和料和磨細礦粉的摻入可以明顯改善雙塊枕混凝土的抗凍性能。圖4為雙塊枕混凝土凍融循環后的質量損失率，摻入復合摻和料和磨細礦粉后，雙塊枕混凝土經過凍融循環后，質量損失率減小。

原因可以簡單歸結為，復合摻和料與磨細礦粉的填充效應以及火山灰活性使雙塊枕混凝土的密實度增加，降低了孔徑分布、改善了孔徑分布,降低了水飽和程度及冰點[9]。

從圖3和圖4也可以看出，摻加復合摻和料的雙塊枕混凝土的抗凍性要好于摻加磨細礦粉的雙塊枕混凝土的抗凍性，這也是由于復合摻和料中高活性硅灰存在的緣故。

圖3 不同樣品配制的雙塊枕混凝土凍融循環后相對動彈性模量

圖4 不同樣品配制的雙塊枕混凝土凍融循環后質量損失率

4 應 用

2008年，原鐵道部發布科技基[2008]74號文《客運專線鐵路雙塊式無砟軌道雙塊式混凝土軌枕暫行技術條件》，規定的混凝土摻和料的性能指標只有復合摻和料才能達到，普通優質粉煤灰和磨細礦粉無法達到的，工程實際生產雙塊枕也多采用蒸汽養護。2015年，國家鐵路局發布TB/T 3397-2015《CRTS雙塊式無砟軌道混凝土軌枕》，規定的混凝土摻和料可為復合摻和料，也可為普通優質粉煤灰或磨細礦粉。

采用復合摻和料配制雙塊枕隨著我國鐵路建設的發展在2015年之前得到了普遍的應用，先后用于十多條高速鐵路的無砟軌道。南龍鐵路軌枕場試生產期間在自然養護的條件下對復合摻和料與磨細礦粉進行了對比試驗應用，結果顯示，單摻磨細礦粉可以生產出各項技術要求均符合技術要求的雙塊枕。一方面，由雙塊枕主流的蒸汽養護變成自然養護，不但簡化了工藝流程，而且從工藝上節省了一部分成本，另一方面，由雙塊枕主流的摻加復合摻和料變成摻加磨細礦粉，從材料方面也節省了大量的成本。目前，復合摻和料的單價大概是磨細礦粉單價的6倍之多，按15萬根雙塊枕計算，單材料方面就可以節約80萬左右。

5 結 語

1）磨細礦粉在不影響雙塊枕脫模強度的情況下，可以提高混凝土的后期強度，降低混凝土的電通量，提高混凝土的抗凍性能；

2）雙塊枕混凝土配合比設計時，不能一味地重視混凝土的工作性、力學性能和耐久性能，要同時兼顧配合比的經濟性；

3）實踐證明在亞熱帶地區，雙塊枕混凝土采用自然養護方式，配合比設計單摻磨細礦粉，可以生產出符合技術要求的雙塊枕，為以后雙塊枕的生產提供一定的借鑒意義。

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Contrast test application for CRTS bi-block sleeper concrete of ballastless track mixed with ground fine slag and with composite admixture

Research on the compressive strength and durability performance for the bi-block sleeper concrete of ballastless track mixed respectively with composite admixture and with ground fine slag under the natural curing condition. Results showed:The strength of concrete mixed with composite admixture increased than the benchmark concrete by 27% for early-phase and 15% for post-phase. The durability performance of concrete mixed with composite admixture had greatly improved than the benchmark concrete. The strength of concrete mixed with ground fine slag decreased than the benchmark concrete for early-phase, but it was still able to meet the requirement for the demoulding strength of bi-block sleeper concrete. The strength of concrete mixed with ground fine slag increased than the benchmark concrete by 5% for post-phase. Meanwhile, adding ground fine slag would distinctly improve the durability performance for the bi-block sleeper concrete of ballastless track. Considering that the cost of composite admixture is more than six times of the cost of ground fine slag, it would be better to select ground fine slag.

TU528.041

：B

：1003-8965（2017）02-0045-04