軌枕用高強復合路基材料配比優化及應用耐久性評價

于淇

摘 要：針對鐵路軌枕混凝土耐性不足，在惡劣環境中易出現開冰開裂的問題，提出通過粉煤灰和礦粉對軌枕混凝土進行優化，并對優化后混凝土性能進行研究。結果表明：當粉煤灰和礦粉總摻量為30%，粉煤灰和礦粉比例為2∶1時，制備的軌枕混凝土耐性最佳。此時，混凝土28、56 d電阻率分別為108.0、144.0 kΩ·cm，電通量分別為744、327 C；氯離子擴散系數分別為4.12×10-12 、1.62×10-12 m2/s。此時軌枕混凝土電通量和電阻率均滿足TB/T 3275—2018規定的混凝土強度超過C50，設計使用年限100年的要求，表現出良好的耐久性。

關鍵詞：高性能混凝土；鐵路混凝土；耐久性能；抗氯離子滲透性能

中圖分類號：TQ172.71+5文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0082-04

Optimization of proportions and durability evaluation of application for high-strength composite subgrade materials for railway sleepers

YU Qi

（China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xian 710043，China）

Abstract：In response to the insufficient durability of railway sleeper concrete and the problem of ice cracking in harsh environments，it is proposed to optimize the sleeper concrete using fly ash and mineral powder，and to study the performance of the optimized concrete.The experimental results showed that when the total content of fly ash and mineral powder was 30%，and the ratio of fly ash and mineral powder was 2∶1，the prepared sleeper concrete had the best resistance.At this point，the electrical resistivity of concrete at 28 d and 56 d was 108.0 kΩ·cm and 144.0? kΩ·cm，respectively; Electric flux was 744 C and 327 C respectively; The diffusion coefficients of chloride ions were 4.12×10-12 m2/s and 1.62 ×10 -12 m2/s。 This indicates that the electric flux and resistivity of sleeper concrete meet the requirements of TB/T 3275—2018 Railway Concrete for concrete strength exceeding C50 and design service life of 100 years，showing good resistance.

Key words：high performance concrete;railway concrete;durability performance;resistance to chloride ion penetration.

提升鐵路高性能混凝土耐性對重載鐵路的發展十分重要。對此，部分學者也進行了很多研究，如研究了鐵路混凝土中添加碳纖維和石墨粉對道床軌枕端部溫度應變與應力的影響。試驗結果表明，在碳纖維和石墨粉的協同作用下，可有效減小道床軌枕端部溫度應變與應力［1］。從多方面系統闡述高性能混凝土結構耐久性保障技術［2］。嘗試通過鈣礬石提升早期鐵路混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能進行研究［3］。以上學者的研究為增強鐵路混凝土耐久性提供了一些參考。基于此，試驗以文獻［4］的方法，通過在鐵路混凝土中復摻粉煤灰和礦粉，增強鐵路混凝土耐久性。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：水泥（P·O42.5），緒銀耐火材料；砂（標準品），澤創礦產品；礦粉（I級），泰亞礦業；粉煤灰（I級），宏乾環保工程；碎石（I級），永順礦產品；減水劑（AR），晴天化工。

主要設備：HZJ-A型振動臺，華恒儀器； DZL型電阻率測試儀，億軒儀器；DLT-6型電通量測定儀盛世慧科；RCM-6型擴散系數測定儀，澤睿儀器。

1.2 試驗方法

根據C50 預應力軌枕混凝土標準對混凝土配比進行設計，具體如表1所示［5-6］。

（1）根據配合比依次將水泥、砂、石和礦粉放入混凝土攪拌機內，打開混凝土攪拌機對材料進行干拌，干拌時間為2 min;

（2）將摻有減水劑水倒入其中，繼續攪拌90 s，得到混凝土；

（3）將混凝土倒入提前刷油的模具內，然后在HZJ-A型混凝土振動臺的作用下將混凝土振動成型，刮去表面多余混凝土后，用保鮮膜覆蓋后置于陰涼干燥的環境靜置2 d拆模，標準養護至所需齡期。

1.3 性能測試

電阻率測試：通過電阻率測試儀測試混凝土電阻率。

電通量測試：

通過電通量測定儀測試軌枕混凝土電通量。

氯離子滲透系數測試：

通過氯離子擴散系數測定儀對混凝土氯離子滲透系數進行測試。

2 結果與討論

2.1 單摻粉煤灰

2.1.1 對混凝土電阻率的影響

圖1為粉煤灰與混凝土電阻率的關系。

由圖1可知，在養護早期（養護齡期7 d），粉煤灰摻量對枕軌混凝土電阻率產生不良影響。這是因為養護齡期較短，粉煤灰具備較低的水化反應活性，增加了混凝土內部材料界面缺陷和孔隙，降低了混凝土內部的密實度，不利于電阻率發展［7-8］。在養護中期（28 d）和養護后期（56 d），隨粉煤灰摻量的增加，混凝土試件的電阻率也逐漸上升。這是由于粉煤灰二次水化反應生成C—S—H 凝膠，該凝膠可以有效修補混凝土內部孔隙和界面薄弱環節的缺陷，對提升混凝土內部密實度產生積極的影響，使得混凝土電阻率保持在較高的水平［9-10］。

2.1.2 對混凝土滲透性的影響

圖2為滲透性測試結果。

由圖2可知，粉煤灰對軌枕混凝土后期抗滲性能產生積極的影響。這是因為粉煤灰摻入后，膠凝材料中水泥熟料的含量和水泥水化產物含量得到有效降低。同時，粉煤灰的火山效應對水泥水化產生的氫氧根離子有消耗作用，這就促進了氯離子的化學結合，減少了孔隙中自由氯離子的含量［11-12］。加之粉煤灰二次水化生成的膠凝材料可填充混凝土內部孔隙，增加混凝土的內部密實度和氯離子的物理吸附量，強化了混凝土界面過渡區能力，進而對提升軌枕混凝土抗氯離子侵蝕能力產生積極的影響［13-14］。

2.2 單摻礦粉的影響

由于單摻粉煤灰制備的混凝土早期耐性達不到理想要求，因此選擇單摻礦粉增強軌枕混凝土性能，并研究了礦粉摻量的影響。

2.2.1 對混凝土電阻率的影響

圖3為礦粉與電阻的關系。

由圖3可知，礦粉對混凝土電阻率產生積極的影響，且明顯高于同齡期同摻量的粉煤灰試件，這就說明礦粉對于早期混凝土電阻率的發展好于粉煤灰。這是因為，與粉煤灰相比，礦粉的活性更大，可以有效降低早期水泥石孔隙率，增強了混凝土內部結構密實度，因此礦粉軌枕混凝土早期電阻率明顯高于粉煤灰軌枕混凝土［15-16］。同時還能從圖3中觀察到，隨養護齡期的增加，同摻量混凝土電阻率也明顯增加。這是因為養護齡期越長，礦粉的火山灰效應發揮的越好，因此隨養護齡期的增長，軌枕混凝土的電阻率也進一步增加［17-18］。

2.2.2 對混凝土滲透性的影響

圖4為礦粉與混凝土滲透性的影響。

由圖4可知，隨礦粉用量的增加，同齡期混凝土電通量和氯離子擴散系數均明顯下降，且明顯小于同齡期同摻量的粉煤灰混凝土，這充分說明礦粉對混凝土性能優于粉煤灰。這是因為礦粉顆粒自身的比表面積較大，對于氯離子的吸附產生積極的影響［19］。同時，水泥水化產生的氫氧根離子，會破壞礦粉玻璃體表面結構進入礦粉玻璃體內部并與富鈣相進行反應［20］。加之，礦粉本身具備潛在水硬性和火山灰活性，二次水化反應產物為C—S—H 凝膠，可以有效填充毛細管和孔隙裂縫，還對氯離子有粘附作用。氯離子粘附后，C—S—H凝膠逐漸朝網狀形態轉化，對界面過渡區有改善作用，進而提升了內部結構致密性，使得軌枕混凝土抵抗氯離子侵蝕的能力有所提升。

2.3 雙摻礦粉和粉煤灰

在以上2個結論中，已經確定了摻量為30%的礦粉對枕軌混凝土早期電阻率和抗滲性能有積極的影響。但在養護后期，同摻量的礦粉混凝土的電阻率和電通量與粉煤灰混凝土較為接近，這說明礦粉在養護后期，對混凝土增強效果有所降低。為了補償礦粉和粉煤灰的缺點，選擇雙摻礦粉和粉煤灰對枕軌混凝土進行改性。固定2種摻和物總量為30%，研究了粉煤灰與礦粉比例分別為1∶2（CF10S20）、1∶1（CF15S15）和2∶1（CF20S10）時，混凝土耐久性的變化。

2.3.1 對混凝土電阻率的影響

圖5為雙摻比例與電阻率關系。

由圖5可知，在養護早期，混凝土電阻率與礦粉摻量成正比，與粉煤灰摻量成反比。在養護早期，主要依靠礦粉對混凝土電阻率進行提升。同時還能從圖5中觀察到，在養護中期（28 d）和養護后期（56 d），粉煤灰與礦粉比例為2∶1制備的軌枕混凝土電阻率最高，其28、56 d電阻率分別為108.0、144.0 kΩ·cm；在56 d齡期條件下分別比單摻粉煤灰和單摻礦粉的混凝土電阻率提升了19%和30%。以上變化說明了雙摻粉煤灰和礦粉對電阻率的發展產生更優的效果，這是受2種材料互補復合效應的影響。在混凝土養護早期，礦粉快速發生火山灰反應，快速的提升了混凝土的密實度，而養護后期，粉煤灰火山灰活性發揮作用，對漿體結構的屬性有改性作用。同時，粉煤灰和礦粉還存在一定的微集料效應，對水泥粗顆粒間的孔隙有填充作用，可有效改善膠凝體系的顆粒級配，對硬化后混凝土孔隙率有降低作用，進一步提升了混凝土電阻率。

2.3.2 對混凝土滲透性的影響

圖6為雙摻比例與滲透性關系。

由圖6可知，復摻粉煤灰和礦粉能有效增強混凝土的抗滲性能。當養護齡期為28 d時，隨粉煤灰摻量的增加，電通量和氯離子擴散系數均有一定上升，這說明此時對混凝土抗滲性能產生作用的是礦粉。粉煤灰、礦粉比例為2∶1 時，混凝土電通量為744 C，氯離子擴散系數為4.12×10-12 m2 /s 。當養護齡期56 d時，隨混凝土摻量的增加，電通量和氯離子擴散系數明顯下降，這說明在養護后期，粉煤灰更有利于混凝土抗滲性能的發展。粉煤灰、礦粉比例為2∶1 時，混凝土電通量為327 C，氯離子擴散系數為1.62×10-12? m2/s。以上變化說明了礦粉對枕軌混凝土早期抗滲性能的發展產生積極作用，而粉煤灰對混凝土后期抗滲性能的發展產生積極的影響，復摻粉煤灰和礦粉，能有效改善單摻粉煤灰和礦粉存在的缺陷，增強枕軌混凝土的耐久性。

2.4 耐久性評價

參照TB/T 3275—2018規定對鐵路混凝土56 d電通量和電阻率進行評價，評價標準如表2所示。

由表2可知，試驗制備的復摻粉煤灰和礦粉的軌枕混凝土電通量和電阻率均滿足混凝土強度超過C50，表現出良好的耐久性。

3 結語

（1）單摻粉煤灰對增強混凝土后期抗滲性能產生積極的影響；

（2）單摻礦粉能有效增強早期混凝土的電阻率，可在較短時間內使得軌枕混凝土電通量和氯離子滲透系數在較短時間內得到有效降低，增強混凝土的抗滲性能。但單摻礦粉對混凝土后期的增強能力較弱，無法達到長期耐久性要求；

（3）雙摻粉煤灰和礦粉能充分發揮二者的復合疊加效應，使得軌枕混凝土能長期保持良好的抗氯離子滲透性能，對軌枕混凝土的改性效果良好；

（4）復摻粉煤灰和礦粉的軌枕混凝土電通量和電阻率均滿足TB/T 3275—2018標準中對混凝土強度C50的規定，表現出良好的耐久性。

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收稿日期：2023-02-10；修回日期：2023-05-20

作者簡介：于 淇（1989-），男，碩士，工程師，研究方向：鐵路站場及樞紐設計；E-mail：120875637@qq.com。

引文格式：于 淇.軌枕用高強復合路基材料配比優化及應用耐久性評價[J].粘接，2023，50（6）：82-85.