新一代軌枕用早強高觸變性混凝土性能試驗研究

李林香 譚鹽賓 楊魯 尤瑞林 張大偉 葛昕 王浩

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；3.山東高速交通裝備有限公司，山東濰坊 262600

預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的生產(chǎn)一般采用干硬性混凝土+二次振動（普通振動+加壓振動）生產(chǎn)工藝，振幅大、振動時間長，工人勞動強度大、生產(chǎn)效率低、環(huán)境噪聲大［1-2］。文獻［3］對比了國內(nèi)外預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕生產(chǎn)工藝，指出目前國內(nèi)軌枕生產(chǎn)存在自動化程度較低、生產(chǎn)環(huán)境較差、軌枕質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。軌枕用干硬性混凝土因為坍落度極小，不易振搗密實，也極易出現(xiàn)混凝土不密實、蜂窩麻面、振搗后底面不平整等問題。因此，采用塑性混凝土或流動性混凝土代替干硬性混凝土生產(chǎn)軌枕，降低軌枕振搗施工難度已勢在必行。文獻［4］通過研究發(fā)現(xiàn)，與干硬性混凝土相比，采用坍落度10～30 mm的混凝土生產(chǎn)軌枕，不僅可以取消混凝土的加壓振搗工序，而且可以縮短混凝土的普通振動時間。文獻［5］通過在軌枕混凝土中摻入礦渣粉取代一定量的水泥，提高了軌枕混凝土的長期耐久性能和靜載抗裂性能。文獻［6-7］通過復(fù)摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰和高效減水劑，提高了高強混凝土軌枕的中長期力學(xué)性能、抗?jié)B性能和抗裂性能。文獻［8］通過在軌枕混凝土中摻加磷礦渣、粉煤灰和粒化高爐礦渣，提高了軌枕混凝土的抗氯離子滲透性能和抗凍性能，有效抑制了軌枕混凝土由于堿集料反應(yīng)而產(chǎn)生的膨脹。既有研究雖然對軌枕混凝土進行了優(yōu)化，但所用混凝土仍屬于干硬性混凝土，沒有從根本上解決傳統(tǒng)軌枕生產(chǎn)面臨的問題。

本文采用自制的增強降黏型復(fù)合摻和料制備早強高觸變性混凝土，并進行了軌枕試生產(chǎn)，對比其與干硬性混凝土的工作性能、力學(xué)性能、耐久性能以及軌枕靜載抗裂性能，為其在軌枕上的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥為北京金隅集團有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，主要性能指標(biāo)見表1。礦渣粉為唐山唐龍新型建材有限公司生產(chǎn)的S95級礦渣粉，主要性能指標(biāo)見表2。砂為天然河砂，細度模數(shù)2.8，含泥量1.1%。碎石為5～20 mm連續(xù)級配碎石，含泥量0.2%。減水劑為河北三楷深發(fā)科技股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，減水率29.4%。摻和料為中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司自制的增強降黏型復(fù)合摻和料。水為自來水。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

表2 礦渣粉的主要性能指標(biāo)

1.2 混凝土配合比

混凝土配合比見表3。其中0#為干硬性混凝土，1#為摻入增強降黏型復(fù)合摻和料的早強高觸變性混凝土。為了保證早強高觸變性混凝土具有良好的流動性，其用水量和減水劑用量都比干硬性混凝土有所增加。

表3 混凝土配合比 kg·m-3

1.3 試驗方法

1）蒸養(yǎng)制度。混凝土成型后在室溫下靜停2 h，然后放到蒸養(yǎng)箱升溫到50℃，恒溫10 h后降至室溫，升溫和降溫速率均為15℃/h。

2）混凝土工作性能測試方法。混凝土坍落度和含氣量測試參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行。

3）混凝土力學(xué)性能測試方法。混凝土抗壓強度和彈性模量測試參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行。

4）混凝土耐久性能測試方法。混凝土收縮性能、抗氯離子滲透性能、抗凍性能測試參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行。

5）混凝土軌枕靜載抗裂性能測試方法。參照TB/T 1879—2002《預(yù)應(yīng)力混凝土枕靜載抗裂試驗方法》進行。軌下、枕中試驗荷載分別為210、162 kN。軌下、枕中分別加載至試驗荷載值后穩(wěn)定3 min，在整個加載過程中用照明放大鏡觀測軌枕兩側(cè)受拉區(qū)，若未出現(xiàn)裂縫，表明軌枕靜載試驗合格。穩(wěn)定3 min后，繼續(xù)加載直至裂縫出現(xiàn)，記錄出現(xiàn)裂縫時的荷載。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 軌枕混凝土工作性能

混凝土工作性能測試結(jié)果見表4。可知：干硬性混凝土坍落度很小，不易密實成型，在振動臺上振動70 s才能達到基本密實，而早強高觸變性混凝土坍落度在145～150 mm，和易性好，振動10 s就基本密實。早強高觸變性混凝土的含氣量與干硬性混凝土差別不大。

表4 軌枕混凝土工作性能測試結(jié)果

2.2 軌枕混凝土力學(xué)性能

軌枕混凝土力學(xué)性能測試結(jié)果見表5。可知：①早強高觸變性混凝土脫模時（16 h）抗壓強度比干硬性混凝土高約9%，28 d齡期時抗壓強度與干硬性混凝土差別不大，均在80 MPa以上。自制的復(fù)合摻和料由多種粒度級配的粉體材料混合而成，且摻有增強組分，因此早強高觸變性混凝土的水膠比雖然比干硬性混凝土大，但是由于復(fù)合摻和料的增強和填充效應(yīng)，從而使得其強度高于干硬性混凝土。②兩種混凝土脫模時（16 h）彈性模量差別不大，28 d齡期時早強高觸變性混凝土的彈性模量略低。

表5 軌枕混凝土力學(xué)性能測試結(jié)果

2.3 軌枕混凝土耐久性能

軌枕混凝土干燥收縮率隨齡期變化曲線見圖1。可知：各齡期早強高觸變性混凝土的干燥收縮率均比干硬性混凝土略大。150 d齡期時，早強高觸變性混凝土的干燥收縮率為341×10-6，干硬性混凝土的干燥收縮率為314×10-6，早強高觸變性混凝土的干燥收縮率比干硬性混凝土大8.6%。早強高觸變性混凝土、干硬性混凝土的單方用水量分別為135、122 kg。混凝土在不飽和空氣中失去內(nèi)部毛細孔水、凝膠水及吸附水而導(dǎo)致長度或體積減小［9］，因此早強高觸變性混凝土單方用水量的增大是導(dǎo)致其干燥收縮大的主要原因。

圖1 軌枕混凝土干燥收縮率隨齡期變化曲線

軌枕混凝土電通量測試結(jié)果見表6。可知：早強高觸變性混凝土的電通量遠小于干硬性混凝土，說明其密實性明顯優(yōu)于干硬性混凝土。早強高觸變性混凝土的和易性和密實性明顯優(yōu)于干硬性混凝土，其內(nèi)部缺陷大幅減少。同時，復(fù)合摻和料中各種材料顆粒粒徑不同，相互填充后會大幅提高其密實性，而且復(fù)合摻和料中活性組分的二次水化反應(yīng)生成更多的CSH凝膠，也能降低混凝土的孔隙率，從而提高混凝土的抗氯離子滲透性能［10-11］。

表6 軌枕混凝土電通量測試結(jié)果

軌枕混凝土的相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線見圖2。可知：經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，兩種混凝土的相對動彈性模量均沒有降低，這說明干硬性混凝土和早強高觸變性混凝土均具有良好的抗凍性能。干硬性混凝土的用水量少，混凝土中因游離水少空隙和毛細管也少，因此干硬性混凝土的抗凍性能很好。早強高觸變性混凝土雖然增加了用水量，但是由于混凝土密實性提高，加之復(fù)合摻和料的填充效應(yīng)和二次水化作用使得混凝土內(nèi)部更加密實，因此早強高觸變性混凝土的抗凍性能也得到了提高。

圖2 軌枕混凝土相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

2.4 軌枕靜載抗裂性能

在山東高速交通裝備有限公司軌枕車間試制了軌枕，混凝土配合比參見表3。

振搗干硬性混凝土?xí)r需要強振2次，振動頻率為80 Hz，振動時間共需3 min。振搗早強高觸變性混凝土?xí)r振動頻率60 Hz，振動時間約30 s，因此采用早強高觸變性混凝土生產(chǎn)軌枕可降低噪聲改善工作環(huán)境，并大大節(jié)約人力和時間，提高工作效率。

混凝土蒸養(yǎng)16 h（脫模）和28 d抗壓強度見表7。可知：試制的早強高觸變性混凝土軌枕的16 h、28 d抗壓強度均略低于干硬性混凝土，這與2.2節(jié)中早強高觸變性混凝土的抗壓強度高于干硬性混凝土的試驗結(jié)果不一致，可能在試制軌枕的振搗過程中，振幅和頻率沒有調(diào)整合適，在后期試驗中應(yīng)注意調(diào)整。

表7 軌枕各齡期抗壓強度

對兩種軌枕進行靜載試驗。兩種軌枕軌下加載至210 kN，靜停3 min，均未出現(xiàn)裂縫；枕中加載至162 kN，靜停3 min，均未出現(xiàn)裂縫。由此判定兩種軌枕靜載試驗均合格。在軌下和枕中分別繼續(xù)加載直至出現(xiàn)裂縫，記錄此時的荷載，并計算抗裂系數(shù)（開裂荷載與試驗荷載之比）。

軌枕靜載試驗結(jié)果見表8。可知：早強高觸變性混凝土軌下、枕中抗裂系數(shù)分別為1.34、1.15，具有一定的安全儲備。早強高觸變性混凝土的靜載抗裂系數(shù)低于干硬性混凝土，可能與早強高觸變性混凝土脫模時抗壓強度低有關(guān)，后期可通過調(diào)整配合比或蒸養(yǎng)制度予以提高。

表8 軌枕靜載試驗結(jié)果

3 結(jié)論

1）新一代軌枕用早強高觸變性混凝土和易性好，工作性能優(yōu)異，易于密實成型。

2）早強高觸變性混凝土16 h（脫模）和28 d齡期的抗壓強度均高于干硬性混凝土，脫模時彈性模量與干硬性混凝土差別不大，28 d齡期時彈性模量略低于干硬性混凝土。

3）早強高觸變性混凝土的干燥收縮率略高于干硬性混凝土，抗氯離子滲透性能優(yōu)于干硬性混凝土，抗凍性能和干硬性混凝土相當(dāng)。

4）試制的早強高觸變性混凝土軌枕靜載試驗合格，軌下、枕中抗裂系數(shù)分別為1.34、1.15，具有一定的安全儲備。