汪 海（中鐵豐橋橋梁有限公司，北京 100070）

磨細(xì)礦粉與復(fù)合摻和料在CRTS雙塊式無(wú)砟軌道混凝土軌枕中的對(duì)比試驗(yàn)應(yīng)用

汪 海（中鐵豐橋橋梁有限公司，北京 100070）

研究了分別由復(fù)合摻和料、磨細(xì)礦粉配制成的CRTS雙塊式無(wú)砟軌道混凝土軌枕在自然養(yǎng)護(hù)條件下的力學(xué)性能和耐久性能，結(jié)果表明：摻加復(fù)合摻和料的雙塊枕混凝土早期強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土提高27%，后期強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土提高15%，耐久性能較基準(zhǔn)混凝土有很大程度的提高；摻加磨細(xì)礦粉的雙塊枕混凝土早期強(qiáng)度雖然有所降低，但依然能夠滿足雙塊枕混凝土脫模強(qiáng)度的要求，后期強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土可以提高5%，同時(shí)磨細(xì)礦粉的摻入也可以明顯改善雙塊枕的耐久性能?？紤]到復(fù)合摻和料成本是磨細(xì)礦粉的6倍多，選擇磨細(xì)礦粉配制雙塊枕混凝土是較為經(jīng)濟(jì)的選擇。

軌枕混凝土；自然養(yǎng)護(hù)；復(fù)合摻和料；磨細(xì)礦粉；強(qiáng)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(xiàn)有的有砟向無(wú)砟轉(zhuǎn)變，因而無(wú)砟混凝土軌枕的需求也就越來(lái)越多[1-2]。軌枕是鐵路軌道系統(tǒng)的重要承力部件。由于大部分軌枕露天服役且承受正、負(fù)彎雙向彎矩，因而也是鐵路混凝土結(jié)構(gòu)中最容易被破壞的構(gòu)件[3]。CRTSSK-2型雙塊式無(wú)砟軌道混凝土軌枕（以下簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)整體性好，耐久性好。雙塊枕生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具有很高的推廣使用價(jià)值。過(guò)去幾年間，雙塊枕已先后應(yīng)用于武廣客專、合武、溫福、福廈、襄渝和鄭西客專等客運(yùn)專線上。工程實(shí)踐表明，雙塊枕在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)在規(guī)定的時(shí)間脫模時(shí)強(qiáng)度低以致產(chǎn)生掉角、裂縫和后期的耐久性不良等問題。

雙塊枕采用機(jī)組流水法進(jìn)行集中預(yù)制，使用非預(yù)應(yīng)力配筋。利用布料機(jī)進(jìn)行均勻連續(xù)布料，振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)成型，翻轉(zhuǎn)機(jī)加多次輕磕的方式脫模，混凝土采用自然養(yǎng)護(hù)或蒸汽養(yǎng)護(hù)?；炷僚渲坪蜐仓?yīng)符合下列規(guī)定[4]：配合比通過(guò)試驗(yàn)確定，混凝土膠凝材料用量不應(yīng)大于500kg/m3,水膠比不應(yīng)大于0.35，混凝土含氣量2.0%～4.0%，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60。配制的關(guān)鍵技術(shù)是解決規(guī)定時(shí)間內(nèi)脫模強(qiáng)度不低于40MPa的問題，同時(shí)需滿足抗凍等級(jí)F300，電通量應(yīng)小于1000C，其他技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合《CRTS雙塊式無(wú)砟軌道混凝土軌枕》TB/T3397-2015的規(guī)定。

本試驗(yàn)以滿足技術(shù)要求為前提，同時(shí)降低工程成本，通過(guò)單摻磨細(xì)礦粉和單摻復(fù)合摻和料來(lái)部分取代水泥，測(cè)試雙塊枕混凝土的早期強(qiáng)度、后期強(qiáng)度與耐久性能。結(jié)果表明：?jiǎn)螕侥ゼ?xì)礦粉和單摻復(fù)合摻和料的混凝土均能夠滿足《CRTS雙塊式無(wú)砟軌道混凝土軌枕》TB/T3397-2015的規(guī)定及工藝要求。但是，考慮到磨細(xì)礦粉與復(fù)合摻和料在單價(jià)上的懸殊差異以及資源利用的方便快捷，該對(duì)比試驗(yàn)為磨細(xì)礦粉在雙塊枕混凝土中的擴(kuò)大應(yīng)用提供了一定的實(shí)踐依據(jù)。

1 原材料

1.1 水泥

水泥采用P·O52.5級(jí)低堿水泥，其部分化學(xué)成份及主要物理性能見表1。

1.2 復(fù)合摻和料

復(fù)合摻和料由比表面積大于600m2/kg的超細(xì)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(xué)成份及主要物理性能見表2。

1.3 磨細(xì)礦粉

磨細(xì)礦粉采用S95級(jí)礦粉，其部分化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)型），不含額外的引氣和緩凝成分，其主要技術(shù)指標(biāo)見表4。

表1 水泥部分化學(xué)成份及主要物理性能

表2 復(fù)合摻和料部分化學(xué)成份及主要物理性能

表3 磨細(xì)礦粉部分化學(xué)成份及主要物理性能

表4 RAWY-101型聚羧酸減水劑主要技術(shù)指標(biāo)

拌合水采用市政自來(lái)水。

1.5 骨料

細(xì)骨料：采用天然Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.8，連續(xù)級(jí)配，含泥量0.3%，泥塊含量0.1%，無(wú)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(jí)配，分級(jí)生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和單獨(dú)計(jì)量。含泥量0.3%，泥塊含量0.1%，針片狀顆粒含量2%，壓碎指標(biāo)4%。

2 試驗(yàn)方法

2.1 拌和物性能試驗(yàn)

雙塊枕混凝土坍落度、含氣量和常壓泌水率試驗(yàn)按照GB/T 50080-2002《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，在布料機(jī)下料口取樣。其中，含氣量測(cè)定儀為直讀式，容積為7L，日本三洋株式會(huì)社生產(chǎn)。

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

雙塊枕混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)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(yǎng)護(hù)，28d、56d抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試件脫模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

雙塊枕在生產(chǎn)車間置于養(yǎng)護(hù)坑內(nèi)進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)坑為厚度30cm的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)13.6m，寬6.1m，地面以上 1.5m,地面以下 2.5m,養(yǎng)護(hù)坑頂蓋使用10t橋式超重機(jī)進(jìn)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(chǎn)生的水化熱來(lái)提高水泥的水化速率和促進(jìn)水泥的水化程度，從而提高雙塊枕混凝土的強(qiáng)度，尤其是脫模強(qiáng)度。

2.3 抗凍等級(jí)試驗(yàn)

按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》中規(guī)定的快凍法進(jìn)行，試件尺寸為150mmx150mmx150mm，試驗(yàn)齡期為56d。儀器：TDRF-1型快速凍融試驗(yàn)機(jī)、天津惠達(dá)試驗(yàn)儀器廠，TM-Ⅱ型混凝土彈性模量測(cè)定儀、北京路達(dá)偉業(yè)科技有限公司。

2.4 電通量試驗(yàn)

按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》中規(guī)定的電通量快速試驗(yàn)方法進(jìn)行。儀器：SDL-Ⅱ型混凝土電通量測(cè)定儀、滄州路儀試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)樣品進(jìn)行2次平行試驗(yàn)，下文中有關(guān)力學(xué)性能與耐久性能試驗(yàn)結(jié)果為2次平行試驗(yàn)的平均值。其中樣品2為基準(zhǔn)配合比，樣品2和樣品3為試驗(yàn)配合比。

3 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 拌和物性能

表6為三個(gè)樣品配制的雙塊枕混凝土拌合物性能測(cè)試值，其中設(shè)計(jì)坍落度為(60～100)mm。樣品1、2、3從工作性方面來(lái)說(shuō)均能夠滿足雙塊枕施工生產(chǎn)的工藝性要求，但加入復(fù)合摻和料或磨細(xì)礦粉后，混凝土坍落度有減小的趨勢(shì)，同時(shí)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(wú)泌水現(xiàn)象。

復(fù)合摻和料中含有超細(xì)礦粉和高活性硅灰粉，無(wú)論是復(fù)合摻和料，還是普通磨細(xì)礦粉，顆粒均比水泥要細(xì)很多，當(dāng)二者以一定比例代替相同質(zhì)量水泥時(shí)，隨著粉體比表面積的增多，勢(shì)必會(huì)吸附混凝土中更多的自由水，使混凝土粘聚性增大，表現(xiàn)出含氣量和坍落度的減小[5]；反之，當(dāng)?shù)V粉較粗時(shí)，泌水量和泌水速率可能增加[6]。因此，控制礦粉的質(zhì)量，對(duì)發(fā)揮其作用起著很關(guān)鍵的作用，否則會(huì)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(xué)性能

按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法制作混凝土抗壓強(qiáng)度試件，試驗(yàn)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(yǎng)護(hù)，28d和56d抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試件脫模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同樣品配制的雙塊枕混凝土力學(xué)性能

如圖1所示，摻加復(fù)合摻和料的雙塊枕混凝土的早期強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土提高27%，28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土強(qiáng)度提高15%。摻加磨細(xì)礦粉的雙塊枕混凝土早期強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土雖然有所降低，但能夠滿足雙塊枕脫模強(qiáng)度的要求，28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土提高5%。

雙塊枕在隧道工程應(yīng)用中產(chǎn)量一般較大，最高達(dá)上百萬(wàn)根，對(duì)于施工企業(yè)來(lái)說(shuō)，加速模型的周轉(zhuǎn)，對(duì)施工方成本控制和完成工期起著至關(guān)重要的作用。由圖2可知，摻加復(fù)合摻和料與磨細(xì)礦粉均能夠滿足雙塊枕對(duì)脫模強(qiáng)度的要求，同時(shí)對(duì)雙塊枕后期混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)有利。

磨細(xì)礦粉比水泥細(xì)，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(shí)隨著水泥水化過(guò)程的進(jìn)行，礦粉利用自身的活性進(jìn)行二次水化反應(yīng)［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(zhuǎn)化成對(duì)強(qiáng)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(jié)構(gòu)，提高混凝土強(qiáng)度［8］。

高活性硅灰粉對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)的原理與磨細(xì)礦粉基本相同，但硅灰比磨細(xì)礦粉更細(xì)，同時(shí)火山灰活性更強(qiáng)，它不但可以填充礦粉與水泥的空隙，而且與水泥的水化產(chǎn)物進(jìn)行二次反應(yīng)后［8］，會(huì)生成強(qiáng)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(jié)構(gòu)，從而可以大大提高混凝土的強(qiáng)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(yàn)結(jié)果，從中可以看出復(fù)合摻和料和磨細(xì)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(nèi)部形成了孔隙和毛細(xì)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(shí)效應(yīng)逐漸發(fā)揮作用，改善了雙塊枕混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，充分地延長(zhǎng)了毛細(xì)管通道，阻止了可能形成的滲透通道，從而增強(qiáng)了雙塊枕混凝土抗氯子滲透性；其次是磨細(xì)礦粉與復(fù)合摻和料的火山灰效應(yīng)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)，復(fù)合摻和料的火山灰反應(yīng)程度不斷加深，消耗大量的Ca(OH)2使雙塊枕混凝土界面過(guò)渡區(qū)的Ca(OH)2晶體尺寸減小、取向度降低，導(dǎo)致界面過(guò)渡區(qū)孔隙率降低，結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，有效減少了連通孔的數(shù)量，且火山灰反應(yīng)產(chǎn)物填充了水泥石的間隙，從而大大改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高混凝土抗氯離子滲透性能。

另一方面，通過(guò)圖2也可以看出，由于復(fù)合摻和料中高活性硅灰的存在，摻加復(fù)合摻和料的混凝土比摻加磨細(xì)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(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量結(jié)果見圖3，從中可以看出復(fù)合摻和料和磨細(xì)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(huán)后的質(zhì)量損失率，摻入復(fù)合摻和料和磨細(xì)礦粉后，雙塊枕混凝土經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率減小。

原因可以簡(jiǎn)單歸結(jié)為，復(fù)合摻和料與磨細(xì)礦粉的填充效應(yīng)以及火山灰活性使雙塊枕混凝土的密實(shí)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(diǎn)[9]。

從圖3和圖4也可以看出，摻加復(fù)合摻和料的雙塊枕混凝土的抗凍性要好于摻加磨細(xì)礦粉的雙塊枕混凝土的抗凍性，這也是由于復(fù)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(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量

圖4 不同樣品配制的雙塊枕混凝土凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率

4 應(yīng) 用

2008年，原鐵道部發(fā)布科技基[2008]74號(hào)文《客運(yùn)專線鐵路雙塊式無(wú)砟軌道雙塊式混凝土軌枕暫行技術(shù)條件》，規(guī)定的混凝土摻和料的性能指標(biāo)只有復(fù)合摻和料才能達(dá)到，普通優(yōu)質(zhì)粉煤灰和磨細(xì)礦粉無(wú)法達(dá)到的，工程實(shí)際生產(chǎn)雙塊枕也多采用蒸汽養(yǎng)護(hù)。2015年，國(guó)家鐵路局發(fā)布TB/T 3397-2015《CRTS雙塊式無(wú)砟軌道混凝土軌枕》，規(guī)定的混凝土摻和料可為復(fù)合摻和料，也可為普通優(yōu)質(zhì)粉煤灰或磨細(xì)礦粉。

采用復(fù)合摻和料配制雙塊枕隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的發(fā)展在2015年之前得到了普遍的應(yīng)用，先后用于十多條高速鐵路的無(wú)砟軌道。南龍鐵路軌枕場(chǎng)試生產(chǎn)期間在自然養(yǎng)護(hù)的條件下對(duì)復(fù)合摻和料與磨細(xì)礦粉進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)應(yīng)用，結(jié)果顯示，單摻磨細(xì)礦粉可以生產(chǎn)出各項(xiàng)技術(shù)要求均符合技術(shù)要求的雙塊枕。一方面，由雙塊枕主流的蒸汽養(yǎng)護(hù)變成自然養(yǎng)護(hù)，不但簡(jiǎn)化了工藝流程，而且從工藝上節(jié)省了一部分成本，另一方面，由雙塊枕主流的摻加復(fù)合摻和料變成摻加磨細(xì)礦粉，從材料方面也節(jié)省了大量的成本。目前，復(fù)合摻和料的單價(jià)大概是磨細(xì)礦粉單價(jià)的6倍之多，按15萬(wàn)根雙塊枕計(jì)算，單材料方面就可以節(jié)約80萬(wàn)左右。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）磨細(xì)礦粉在不影響雙塊枕脫模強(qiáng)度的情況下，可以提高混凝土的后期強(qiáng)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(shè)計(jì)時(shí)，不能一味地重視混凝土的工作性、力學(xué)性能和耐久性能，要同時(shí)兼顧配合比的經(jīng)濟(jì)性；

3）實(shí)踐證明在亞熱帶地區(qū)，雙塊枕混凝土采用自然養(yǎng)護(hù)方式，配合比設(shè)計(jì)單摻磨細(xì)礦粉，可以生產(chǎn)出符合技術(shù)要求的雙塊枕，為以后雙塊枕的生產(chǎn)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.

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：1003-8965（2017）02-0045-04