納米水化硅酸鈣在免蒸養軌道板中的應用研究

胡建偉 王月華 李康 劉子科 翁智財 蔣睿

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081

分子雜交和嫁接的方法可實現納米材料的合成和組裝，制得的納米材料可作為新型水泥添加劑影響水泥的基本結構［1-2］。納米材料不僅憑借其顆粒細小等物理特征加速水泥水化，部分納米材料（包括Nano-SiO2、Nano-Clay和Nano-Al2O3）還可以直接溶解在孔溶液中，釋放出的離子可參與化學反應。通過研究納米材料對水泥水化動力學、孔溶液組成及水化產物物相組成的影響，發現納米材料能夠顯著加速水泥早期的水化反應［3-6］。研究表明，納米材料與水泥水化之間產生的化學效應，主要來源于硅質納米材料與水泥水化生成的氫氧化鈣發生火山灰反應，以及鋁質納米材料在堿性環境下與水泥中的石膏發生化學反應生成鈣礬石［7-9］。水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠相作為水泥硬化漿體中最復雜的納米結構體系，其結構組成直接決定了水泥硬化漿體的微結構特征，進而影響混凝土宏觀力學性能和耐久性能［10］。

近年來研究者發現［11-15］，摻加人工合成的納米水化硅酸鈣（N-C-S-H）能夠顯著加速水泥的早期水化進程，提高水泥砂漿的早期強度。盡管摻加N-C-S-H在加速水泥水化方面作用顯著，但水泥水化原本就是一個復雜的過程，在水泥早期水化階段，仍有眾多不同因素的作用尚未被考慮。例如：N-C-S-H摻加量的影響，尤其是高摻量N-C-S-H對水泥水化熱以及水泥砂漿早期強度和后期強度的影響規律，目前相關研究報道尚不明確。

為深入研究摻加N-C-S-H對水泥水化熱及水泥砂漿抗壓強度的影響規律，本文分別從水泥水化放熱與砂漿抗壓強度兩個方面闡明摻加N-C-S-H的作用效果，并將N-C-S-H摻加到軌道板混凝土中，開展基于N-C-S-H的免蒸養軌道板的研究，驗證N-C-S-H的工程應用價值。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥為中聯水泥集團有限公司生產的P·Ⅰ42.5水泥，比表面積為346 m2/kg。主要化學成分見表1。

表1 水泥的主要化學成分

砂采用符合TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》要求的河砂，細度模數為2.65。N-C-S-H為采用共沉淀法自制的納米水化硅酸鈣，有效含固量為20.99%，平均粒徑d50為267 nm，pH值為11.6。本文中N-C-S-H均為外摻，并按折固質量計算其在水泥中的實際摻量（即根據N-C-S-H在80℃條件下烘干至恒重的質量計算其在膠凝材料中的摻量）。

1.2 試驗方法

1.2.1 水化熱

采用0.3的水膠比，分別摻加0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、4.0%、6.0%、8.0%的N-C-S-H制備水泥凈漿。將制備好的水泥凈漿稱量（5±0.001）g到安瓿瓶中，并采用TAM Air等溫微量熱儀測量水泥凈漿的水化熱。測試溫度為（25±0.01）℃，測試持續至72 h。

1.2.2 抗壓強度

按表2所示的水泥砂漿配合比，采用GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》［16］規定的方法攪拌水泥砂漿。攪拌完成后將砂漿澆筑到40 mm×40 mm×160 mm的三聯模中，并在混凝土振動臺上振動10 s后將砂漿表面刮平，然后按照文獻［16］規定的方法養護至測試齡期后進行抗壓強度測試。

表2 水泥砂漿配合比

2 N-C-S-H對水泥水化與強度發展的影響

2.1 水化熱

N-C-S-H摻量對水泥水化放熱速率的影響曲線見圖1。可知，摻加N-C-S-H后水泥的水化加速期明顯提前，第二水化放熱峰值的出現時間從空白樣的12.8 h，分別縮短到10.18、9.29、9.68、8.23、6.25、5.78、5.51 h，同時第二水化放熱峰值從空白樣的1.86 mW/g，分別提高到了2.28、2.54、2.92、3.11、3.31、3.32、3.01mW/g。

圖1 N-C-S-H對水泥水化放熱速率的影響（72 h）

進一步分析水泥水化加速階段發現（圖2），摻加N-C-S-H顯著提高了水泥漿體水化放熱速率曲線的斜率，明顯縮短了水泥水化“誘導期”，水化放熱效率明顯提高。這可能是由于N-C-S-H加速了水泥顆粒的初始水解速度，大量離子進入到溶液中，加速了早期水化產物的形成，同時一部分未摻加早期水化的水泥顆粒提前進行了水化反應。當N-C-S-H的摻量超過一定量后（6.0%或8.0%），水化放熱第二峰不再繼續提高，甚至出現了降低的發展趨勢。這與N-C-S-H摻量對砂漿抗壓強度的影響規律相似。

圖2 N-C-S-H對水泥水化放熱速率的影響（20 h）

N-C-S-H摻量對水化放熱量的影響曲線見圖3。可知，空白樣水泥累計水化放熱量隨水化時間的延長而增大。摻加N-C-S-H后，水泥累計水化放熱量的增長趨勢沒有明顯變化，而早期累計水化放熱量的增長速率則明顯提高，說明N-C-S-H對水泥水化的影響主要是在早齡期階段，特別是20 h前。

圖3 N-C-S-H對水泥累計水化放熱量的影響曲線

2.2 抗壓強度

N-C-S-H摻量對水泥砂漿抗壓強度和強度增長率的影響分別見圖4和表3。由圖4可知，摻加N-C-S-H可以顯著提高水泥砂漿的8 h和12 h抗壓強度，這與已有的研究成果一致。由表3可知，隨著N-C-S-H摻量的增加，砂漿抗壓強度增長率呈現先增長后降低的倒V形變化趨勢，表明N-C-S-H存在最佳摻量。對于8 h和12 h強度，最佳N-C-S-H摻量為4.0%。這可能是因為N-C-S-H摻量過多，引入了大量的分散劑使水泥砂漿的結構體不能有效生長等副作用導致的，齡期越長副作用越顯著。

圖4 N-C-S-H對水泥砂漿抗壓強度的影響

表3 不同N-C-S-H摻量水泥砂漿抗壓強度增長率

在N-C-S-H摻量一定的情況下，隨著齡期的增長，砂漿的抗壓強度增長率逐漸降低，N-C-S-H對提升砂漿抗壓強度的效果逐漸減小，甚至出現負作用。N-C-S-H摻量為0.5%、1.0%、6.0%時，砂漿抗壓強度從28 d開始低于不摻N-C-S-H的空白砂漿，而N-C-S-H摻量為8.0%時，砂漿抗壓強度從3 d開始就低于空白砂漿。

3 N-C-S-H在免蒸養軌道板中的試應用

3.1 免蒸養軌道板的制備

免蒸養軌道板用混凝土的制備是軌道板生產過程中的關鍵環節。在軌道板試生產前應采用所選水泥、摻和料、粗骨料、細骨料、外加劑等原材料制作抗凍性、電通量混凝土試件各一組，氯鹽環境作用下的氯離子擴散系數試件一組，進行耐久性試驗。結合NC-S-H摻量對水泥強度發展的影響規律以及典型軌道板混凝土配合比，確定免蒸養軌道板混凝土的配合比，見表4。

表4 N-C-S-H超早強混凝土配合比 kg·m-3

3.2 免蒸養軌道板的體積變形

分別對比了40℃蒸汽養護常規混凝土和摻加N-C-S-H的軌道板混凝土在25℃免蒸養條件下的性能。同時為了監測軌道板的溫度和體積變形情況，在軌道板鋼筋網片上布置應變計。

每塊軌道板綁扎5個應變計，位置分別在中部表層x軸、中部底部x軸、中部底部y軸、端部表層x軸、端部底部x軸。具體見圖5。

圖5 應變計的布置與安裝

不同養護條件下軌道板的應變曲線見圖6。

圖6 不同養護條件下軌道板的應變曲線

由圖6（a）可知，在蒸汽養護條件下軌道板用混凝土內部的應變發生較大變化，養護溫度越高混凝土內部應變變化也越大。其中，混凝土的早期變形表現為膨脹變形，后期表現為收縮變形。這是因為在蒸汽養護早期，混凝土處于吸熱狀態，混凝土溫度升高體積膨脹。隨養護時間延長，水泥水化產生收縮。40℃養護環境下，混凝土的應變變形，養護溫度越高，混凝土產生開裂的風險越大。

由圖6（b）可知，蒸汽養護軌道板脫模后的應變曲線在14 d收縮應變達到270×10-6，而25℃免蒸汽養護軌道板14 d收縮應變為187×10-6，顯著低于蒸汽養護軌道板的應變。

3.3 免蒸養軌道板的強度發展

軌道板用混凝土的脫模強度（16 h齡期的抗壓強度）采用三塊150 mm×150 mm×150 mm的同條件養護混凝土試塊進行測試，結果見圖7。可以發現，在免蒸汽養護條件下，通過摻入1.0%的N-C-S-H，控制環境養護溫度不低于25℃，即可達到40℃蒸汽養護混凝土16 h的抗壓強度，抗壓強度滿足大于45 MPa的標準要求。這與室內試驗結果是一致的，而且28 d齡期時免蒸汽養護混凝土的抗壓強度要高于蒸汽養護混凝土。以上試制研究說明，采用N-C-S-H并輔以保溫養護工藝的免蒸汽養護的混凝土不僅能夠改善由高溫蒸汽所帶來的熱損傷問題，同時也可以顯著降低養護能耗。

圖7 不同養護過程的軌道板混凝土的抗壓強度

4 結論

1）N-C-S-H可顯著提升水泥水化放熱速率，具體表現為第二水化放熱峰左移，水化放熱峰值顯著提高，總的水化放熱量增加，當N-C-S-H摻量超過6.0%后，第二水化放熱峰值便不再繼續提高。

2）N-C-S-H可顯著提高水泥砂漿的8 h和12 h抗壓強度，隨著N-C-S-H摻量的增加，砂漿8 h和12 h抗壓強度呈現先增加后降低的發展趨勢；而在相同摻量條件下，隨著齡期的延長N-C-S-H對砂漿抗壓強度的提升效果逐漸減小，砂漿抗壓強度甚至會降低。

3）N-C-S-H可顯著提升軌道板混凝土的早期強度，在25℃免蒸汽養護條件下制備的軌道板混凝土抗壓強度得到進一步增強，16 h脫模強度達到45.5 MPa，與常規蒸汽養護混凝土的抗壓強度基本相當。