超分散納米材料增強無砟軌道道床板混凝土抗滲透性能及作用機理

郭政 穆松 莊智杰 劉光嚴

1.江蘇省建筑科學研究院有限公司 高性能土木工程材料國家重點實驗室，南京 210008；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，南京 211103

雙塊式無砟軌道已大規模應用于我國高速鐵路建設中［1］，且整體服役狀況良好，但道床板混凝土易出現質量病害［2］。道床板混凝土作為整個無砟軌道結構受力支承結構，其質量直接關系到軌道結構的平整性與穩定性。嚴酷環境下高速鐵路無砟軌道道床板混凝土服役過程中面臨侵蝕性介質（Cl-、水分等）作用，混凝土的抗介質滲透性能已逐漸得到關注［3］。TB 10005—2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》中無砟軌道道床板的設計使用年限為100 年，海上大氣區氯鹽環境要求道床板混凝土電通量小于1 200 C，56 d氯離子遷移系數不大于3 × 10-12m2/s。

通過提高混凝土密實性從而提升抗滲性的技術措施主要分為兩大類：①采用降低水膠比+礦物摻和料技術。低水膠比保障了混凝土基體的密實性，降低混凝土內部孔隙率，但增加了現場混凝土模筑施工控制難度，易導致混凝土缺陷。②添加混凝土密實劑。混凝土施工中添加一定量的密實劑可以優化混凝土內孔徑分布，減少連通孔，增加孔結構的曲折度，從而降低混凝土氣體滲透性能。目前市場上主要包括兩類密實劑，一類是以減水劑為主要功能組分，輔以和易性改善組分的液體型密實劑，通過降低水膠比與改善工作性能提升混凝土氣密性，但存在密實性改善效果有限、增加新拌混凝土離析泌水的風險；另一類是以高活性納米材料為主要功能組分的粉劑型密實劑，通過納米材料參與水泥水化反應優化孔結構提升混凝土氣密性，但存在納米材料難分散、易團聚，易增大混凝土黏度，劣化施工性能的難題。

傳統課堂上往往先由教師講解中藥的性狀特征，然后讓學生觀察中藥實物標本進行印證，沒有充分發揮標本的作用。筆者設計了“鏈條式應用標本”課例，讓學生真正圍繞標本自主參與到教學中來。課例各環節設計如下。

針對上述傳統混凝土密實技術的不足，本文提出一種新型超分散納米材料，該材料在混凝土攪拌過程中分散效果佳且混凝土工作性能良好。將新型超分散納米材料摻入道床板混凝土中，通過力學性能和滲透性能的測試，觀測硬化混凝土氣泡結構變化，較全面地評價新型超分散納米材料對混凝土抗滲性的提升效果，為提升無砟軌道道床板混凝土耐久性提供新思路。

1 試驗

采用安徽海螺股份有限公司P·O 42.5 級普通硅酸鹽水泥，燒失量為4.92%。水泥氧化物組成見表1。細骨料為河砂，細度模數為2.8。粗骨料采用粒徑5～15 mm的玄武巖，表觀密度為2 750 kg/m3。

表1 水泥氧化物組成 %

減水劑為SBT??PCA（Ⅰ）聚羧酸高效減水劑，固體含量26.54%，減水率27%。密實劑為SBT??RMA（VA?N）超分散納米材料，主要成分為表面接枝聚合改性的活性納米顆粒，平均粒徑在100 nm 左右，摻量為膠凝材料的5%～20%，等量取代水泥，摻入混凝土中可以提升混凝土基體密實性，細化混凝土毛細孔結構。

1.1 混凝土試驗方案

C40 級道床板混凝土配合比見表2。其中純水泥組為基準組（記為JZ），摻加超分散納米材料組為NM（記為NM?摻量占比）。按碎石、砂、水泥（或超分散納米材料NM）的投料順序，依次將原材料加入攪拌鍋中混攪10 s；加入水與減水劑，繼續攪拌2 min后倒出，測試新拌混凝土性能后裝入試模中振搗成型。

表2 試驗配合比 kg·m-3

實際運用過程中，可通過在氣缸安裝座與窗框之間增加墊片的方式，增大活動扇葉的塞緊行程，補償密封橡膠件的變形磨損。

表3 新拌混凝土工作性能

1.2 試驗儀器與方法

1.2.1 抗壓強度測試

采用UTM5504X 型三思縱橫-微機控制電子萬能試驗機測試道床板混凝土標準立方體抗壓強度。

1.2.2 滲透性能測試

1）氯離子滲透性

蘭德公司的歐洲和蘇聯問題專家建議擴大北約版圖，吸納波蘭、捷克共和國、斯洛伐克和匈牙利為北約成員國。蘭德的建議和分析為美國國務院繼續進行北約擴張提供了重要參考。

不同超分散納米材料摻量下新拌混凝土的工作性能見表3。可知：超分散納米材料摻入道床板混凝土后對混凝土工作性能有一定的改善作用。

依據GB/ T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》檢測道床板混凝土的電通量，采用北京耐爾得儀器設備有限公司RCM?NTB 型六通道混凝土擴散系數測試儀，檢測道床板混凝土的氯離子遷移系數。

2）水滲透性

當某時刻電網負荷確定,風電場以額定功率因數運行(單位功率因數),假設陸上風電場有功功率出力一定,海上風電場有功功率按場景1和場景2出力。未配置無功補償裝置且風電場不參與無功優化調節,以及配置無功補償裝置且風電場參與無功優化調節時的系統評價指標如表1所示。

道床板混凝土吸水率試驗采用DB32∕ T 3696—2019《江蘇省高性能混凝土應用技術規程》中的方法；抗水滲透試驗采用GB/ T 50082—2009 中滲水高度法，（1.2 ± 0.05）MPa 水壓力下加壓24 h 后，劈開抗滲試塊測試滲水高度。

由于濕度對透氣系數測試存在顯著的影響，為保障室內氣干環境的穩定性，將養護至28 d 的混凝土置于溫度（20 ± 2）℃，相對濕度60% ± 5%的房間內氣干14～28 d 后，按照兩種方法測試混凝土的透氣系數：①依據TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》附錄M 中的方法測得。②依據瑞士標準SIA 262/1?EAir Permeability in Structures中的方法測得。該方法由Torrent在1992年提出，可用于室內和現場無損檢測表層混凝土的空氣滲透性能。

3）氣體滲透性

1.2.3 硬化混凝土氣泡結構

高爾基說：“文學從來不是司湯達或列夫·托爾斯泰個人的事業，它永遠是時代、國家、階級的事業。”[4]7 沱河在中原腹地，是淮河一個支流，全長240多公里。在河流縱橫交錯的大平原上，它就像一根細細的血管，雖不如黃河那樣洶涌奔流，卻也為兩岸人民提供了生存便利。在農耕文明為主的時代，縱然都是農村，但大平原上的生活生產條件，要比老少邊地區好得多。窮是那個時代的普遍特征。物質的匱乏給人們帶來了生活上的艱辛，而精神生活的豐富，卻造就了人們樂觀向上、不畏艱辛的可貴品質。

2 試驗結果分析

2.1 抗壓強度

965 Early secondary prevention of cardiogenic stroke caused by atrial fibrillation

隨著社會的進步，全球一體化的發展，英語已經成為小學生的一項必備技能。小學英語是學生接觸英語的開端，教師要幫助小學生打下夯實的基礎，詞匯學習是循環往復、漫長積累的過程，是需要在語境中加深理解、逐步拓展的過程，在這個過程中，學生需要教師的引導和鼓勵，小學英語教師有義務監督小學生認真學習詞匯。在教學中教師要不斷積累經驗，找到更好的教學方法，為小學英語教學貢獻一分力量。

采用精密切割機將邊長100 mm 的混凝土立方體試塊切割成厚度不超過20 mm 的薄片，再將待檢測的一面拋光打磨、清洗及烘干處理；用黑墨筆涂黑檢測表面，然后將超細碳酸鈣粉平鋪于涂黑表面的氣泡中；最后將試塊薄片固定在NELD?BS630 型硬化混凝土氣泡分析儀的移動平臺上，對硬化混凝土氣泡參數進行統計分析。

建設項目壓覆礦產資源評估是通過對野外踏勘、實地走訪、收集相關的資料等，基本了解和熟悉項目用地范圍內壓覆礦產資源情況，確定項目范圍內壓覆礦產資源的礦種、位置、數量、規模等，估算壓覆礦體的資源/儲量，并對比工程項目和壓覆礦產資源的經濟社會效益，為項目選址及政府部門的決策提供依據。

圖1 不同超分散納米材料摻量下道床板混凝土各齡期抗壓強度

2.2 氯離子滲透性

標準養護56 d 后，道床板混凝土電通量和氯離子遷移系數與超分散納米材料摻量的關系見圖2。可知：隨著超分散納米材料摻量的增加，道床板混凝土氯離子遷移系數逐漸降低。在5%摻量范圍內道床板混凝土抗氯離子滲透性大幅降低，超過5%摻量后道床板混凝土抗氯離子滲透性降幅有所減緩。當超分散納米材料摻量為20%時，道床板混凝土的氯離子遷移系數由基準混凝土的4.9 × 10-12m2/s 降低為2.75 ×10-12m2/s，整體上降低了44%；電通量則由基準混凝土的900 C 降為450 C，降低了50%。在標準養護56 d后，摻入超分散納米材料的道床板混凝土抗氯離子滲透性能滿足TB 10005—2010中耐久性指標要求。

圖2 道床板混凝土抗氯離子滲透性能與超分散納米材料摻量的關系

2.3 水滲透性

氣體介質在混凝土等多孔材料中滲透，當氣體分子靠近邊界時，會以一定的速度滑移而突破邊界的束縛，這也體現了氣體分子較液體更易滲透的特征。也正由于滑移特性（Klinkenberg 效應）的存在，氣體分子在混凝土的孔隙中滲透并不能像液體分子那樣滿足達西定律［4］。

圖3 不同混凝土吸水率與浸泡時間的關系

不同道床板混凝土的滲透高度見圖4。可知，基準道床板混凝土的滲透高度明顯高于摻入超分散納米材料的道床板混凝土；除NM?20 道床板混凝土內部滲透高度波動幅度較小外，其他道床板混凝土滲透高度波動較大。

圖4 不同道床板混凝土的滲透高度

2.4 氣體滲透

依據SIA 262/1?E 和TB 10424—2018 標準中規定方法測試道床板混凝土透氣系數，結果見表4。可知：無論是采用SIA 262/1?E 的表面測試法還是按照TB 10424—2018 規定方法測試的混凝土氣體滲透系數都隨著超分散納米材料摻量的增加而逐漸減小。其中摻量超過5%時，道床板混凝土的透氣系數小于1 × 10-11cm/s，滿足TB 10424—2018 對氣密混凝土的驗收要求。

據統計，目前中國五礦從波銅集團的進口額占中國從波蘭進口總額的40%至60%，截至2018年10月，中國五礦自波銅集團采購電解銅數量超過100萬t，合同總金額計近60億美元。其中，2018年當年，中國五礦采購自波銅集團的貨物合同金額首次達到約6億美元。雙方持久穩定的合作極大地拉近了兩國經貿關系，支撐了中波兩國經貿交往的可持續發展。

表4 混凝土透氣系數

不同混凝土吸水率與浸泡時間的關系見圖3。可知：基準道床板混凝土的吸水率在24 h 內迅速增長，約48 h 吸水飽和，飽和吸水率為5.5%；道床板混凝土中提高超分散納米材料摻量不僅可以延長道床板混凝土吸水達到飽和的時間，而且可以降低道床板混凝土的飽和吸水率，NM?20 道床板混凝土的飽和吸水率最低，為2.55%。

SIA 262/1?E 法和TB 10424—2018 法測得的混凝土透氣系數相關性結果見圖5。可知，非穩態的SIA 262/1?E 法與穩態的下進氣法（TB 10424—2018 法）具有很好的相關性，這一結論與文獻［5］研究結果一致。說明本研究中超分散納米材料對穩態和非穩態的氣體滲透性均具有較好的抑制作用，也說明了在實際工程現場對道床板混凝土的滲透性開展評價時可借助SIA 262/1?E法。

不同超分散納米材料摻量下道床板混凝土各齡期抗壓強度見圖1。可知：在相同水膠比與膠材用量下，混凝土中添加超分散納米材料以優化膠凝材料體系，可以在一定程度上提高混凝土的抗壓強度。當超分散納米材料摻量為20%時，混凝土標準養護28 d的抗壓強度達55.1 MPa，較基準組45.0 MPa提高11.1 MPa。滿足道床板混凝土28 d抗壓強度的驗收要求。

圖5 KA與KT的擬合關系

2.5 硬化混凝土氣泡結構

不同摻量超分散納米材料制備的道床板混凝土的硬化氣泡見圖6。可知：基準道床板混凝土內部含有較多的氣泡，部分氣泡聯通在一起，且氣泡大小尺寸不一，氣泡多為類圓形與不規則形狀。NM?5 道床板混凝土內部氣泡依舊較多，但整體上小孔徑數量增多，雖然氣泡大小不一但彼此趨于獨立，氣泡接近類圓形；NM?10 和NM?20 道床板混凝土中氣泡孔徑明顯減小，這是由于超分散納米材料含有適量的超細高活性成分，能夠促進水化反應生成更多的水化硅酸鈣凝膠細化了孔徑，有效地改善了界面過渡區的孔隙微結構［6］。但是NM?20 混凝土中存在多個大孔徑氣泡，可能是由于超分散納米材料摻量高時材料部分團聚，分布不均勻。

圖6 不同摻量下超分散納米材料制備道床板混凝土的硬化氣泡

文獻［7］發現混凝土的滲透性能與混凝土內部的孔徑分布有著密切的關系。文獻［8］研究發現當水滲入混凝土內部結構時，代表性孔尺寸最大連續孔徑起著至關重要作用，水只有通過最大連續孔徑才能在混凝土內部滲透。因此當超分散納米材料摻入混凝土后，改善了道床板混凝土內部孔結構，孔徑得到細化，孔結構分布曲折度提高，最終表現為混凝土的抗介質滲透性能有了顯著提升。

通過對氣泡數量及其分布進行統計與分析計算，得到平均氣泡直徑、硬化含氣量等道床板混凝土硬化氣泡參數，見表5。可知：在混凝土測試面內，基準道床板混凝土的氣泡比表面積偏小，說明基準道床板混凝土內部孔隙較多、孔徑較大。在摻入超分散納米材料的混凝土系列中，隨著超分散納米材料摻量增加硬化道床板混凝土中氣泡數量逐步下降，孔隙率降低。NM?20 道床板混凝土在掃描面內僅統計到60 個氣泡，但平均氣泡直徑為0.190 mm，大于NM?10 混凝土，與圖3中NM?20混凝土存在較大的氣泡有關。

表5 道床板混凝土硬化氣泡參數

不同道床板混凝土氣泡分布見圖7。可知：基準道床板混凝土中不同尺寸的氣泡分布較均勻，說明其內部混凝土缺陷較多。而摻入超分散納米材料會細化道床板混凝土內部微結構，NM?20 混凝土有約67%的氣泡分布在0～40 μm。大孔、連續孔會加劇溶液或介質的傳輸，給混凝土的滲透性能帶來不利影響。而混凝土內部少孔、封閉孔以及孔結構分布的曲折度提高則有助于抑制介質的傳輸，一定程度上提高混凝土的抗滲透性能［9］。結合混凝土的氣泡特征，當侵蝕介質侵入道床板混凝土內部時，基準道床板混凝土內部由于存在較多且連通的氣泡，為侵蝕介質傳輸提供通道，導致道床板混凝土抗介質滲透性能較差；而摻入超分散納米材料的道床板混凝土內部由于少孔或封閉孔，道床板混凝土抗介質滲透性能顯著提升。

圖7 不同道床板混凝土氣泡分布

3 結論

1）摻入超分散納米材料實現了膠凝材料顆粒級配優化，超分散納米材料對道床板混凝土的工作性能有一定改善作用，顯著提升了道床板混凝土的抗壓強度。

2）超分散納米材料實現了道床板混凝土非穩態與穩態兩種狀態下的氣密性提升，大幅度改善了抗水壓滲透、氯離子滲透性能。當超分散納米材料摻量為10%～20%時，標準養護56 d 的混凝土可滿足海上大氣區氯鹽環境耐久性抗滲性要求，實現道床板混凝土56 d電通量小于1 200 C，56 d氯離子遷移系數不大于3 ×10-12m2/s。

通過對比表1和表2可知，截止到2017年，深圳和廣州的GDP增量排名位列前兩名，深圳大學和廣州大學在學科建設、高級人才數量和在校生人數三個指標的綜合發展指數排名也在前二；與之形成鮮明對比的是，韶關和汕頭兩個城市GDP發展相對緩慢，其各自所擁有的大學在綜合發展指標排名的情況并不理想。其中，韶關學院是唯一一個存在專科層次培養任務的院校，汕頭大學雖然具有較高的起點，但受到地方“束縛”，也呈現出明顯的發展后勁不足的特點。

3）超分散納米材料改善道床板混凝土滲透性的機理在于硬化混凝土孔隙率的降低與孔結構分布的優化。