曹虎 ，李曉寧 ，于忠新 ，朱玉雪 ，李婷 ，宋作寶

（1.中建材中巖科技有限公司，北京 100024；2.中鐵九局集團有限公司路橋分公司，遼寧 沈陽 110000）

0 前言

CRTSⅢ型預(yù)制軌道板混凝土配合比設(shè)計對軌道板生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量具有重要影響。CRTSⅢ型軌道板生產(chǎn)采用高強混凝土，要求16 h抗壓強度≥45 MPa，混凝土抗凍等級不小于F300，具有較高的耐久性要求[1]。目前，解決此問題的主要技術(shù)措施為添加早強型專用摻合料。專用摻合料的添加能夠?qū)崿F(xiàn)早期脫膜強度要求，但也具有以下缺點：專用摻合料價格昂貴；大多數(shù)專用摻合料采用超細(xì)礦粉或硅灰等材料為基材，加入一定量早強激發(fā)劑，材料成分復(fù)雜，導(dǎo)致其與外加劑適應(yīng)性難于保證；摻入早強摻合料后，由于水泥早期水化快熱量釋放集中，混凝土內(nèi)部升溫過快，容易導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力分布不平衡出現(xiàn)混凝土開裂等問題，影響軌道板質(zhì)量和使用壽命[2－3]。而使用普通摻合料替代專用摻合料存在的最大問題是早期強度達(dá)不到要求。

本文結(jié)合CRTSⅢ型預(yù)制軌道板構(gòu)件的性能特點，通過原材料篩選，以軌道板廠混凝土配合比為基礎(chǔ)進行對比實驗。在實驗室蒸汽養(yǎng)護條件下，采用早強型聚羧酸高性能減水劑、調(diào)整粉煤灰、礦粉等普通摻合料的比例替代專用摻合料優(yōu)化混凝土配合比，使其混凝土工作性能、力學(xué)性能及耐久性能達(dá)到混凝土設(shè)計要求，并對其經(jīng)濟性能進行評價。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：安徽海螺P·O42.5，比表面積344 m2/kg，性能指標(biāo)符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求。

專用摻合料：北京鐵科首鋼TK－MA，1 d、28 d活性指數(shù)分別為126%、114%，性能指標(biāo)符合Q/CR 567—2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板》的要求。

粉煤灰：銅陵國電Ⅰ級，符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。

礦粉：銅陵鵬泰S95，符合GB/T 18046—2008《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》的要求。

細(xì)骨料：豐城市洪州砂石中砂（贛江天然河砂），細(xì)度模數(shù)2.6，含泥量≤1.5%，符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法》的要求。

粗骨料：休寧縣永旺砂石，采用5～10 mm和10～20 mm二級配，5～10 mm約20%、10～20 mm約80%，性能指標(biāo)符合JGJ 52—2006的要求。

水：自來水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水》要求。

外加劑：減水型聚羧酸母液HL－700、早強型聚羧酸母液HL－411、緩釋型聚羧酸母液SR－1、緩釋型聚羧酸母液SR－3、降粘型聚羧酸母液HL－400，均符合JG/T 223—2007《聚羧酸系高性能減水劑》、GB 8076—2008《混凝土外加劑》要求。

1.2 CRTSⅢ型軌道板混凝土的技術(shù)要求

CRTSⅢ型預(yù)制軌道板混凝土的主要技術(shù)指標(biāo)[1]見表1。

表1 CRTSⅢ型預(yù)制軌道板混凝土的主要技術(shù)指標(biāo)

1.3 CRTSⅢ型軌道板混凝土的蒸養(yǎng)制度

養(yǎng)護過程采用自動溫控設(shè)備進行溫度調(diào)節(jié)。蒸汽養(yǎng)護分為靜停、升溫、恒溫、降溫4個階段。其中混凝土澆筑后在5～30℃的環(huán)境中靜置3 h以上方可升溫，升溫速度不大于15℃/h；恒溫養(yǎng)護溫度不宜大于45℃；降溫速率不應(yīng)大于10℃/h。軌道板混凝土養(yǎng)護期間，板芯部混凝土溫度不應(yīng)大于55℃；軌道板芯部混凝土與表面混凝土之間、表面混凝土與環(huán)境之間溫差均不應(yīng)大于15℃。養(yǎng)護過程中，應(yīng)保證軌道板混凝土處于濕潤狀態(tài)，溫度監(jiān)測應(yīng)能覆蓋同批軌道板[1]。

1.4 試驗方法

（1）坍落度及坍落度經(jīng)時損失、含氣量、抗壓強度參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》、TB/T 3275—2011《鐵路混凝土》進行測試。

（2）電通量：參照TB/T 3275—2011，采用加速滲透法，即測試施加一個恒定外電場持續(xù)通電6 h內(nèi)通過混凝土的電量值。采用厚度50 mm、直徑100 mm的水飽和混凝土圓柱體試件，兩端水槽分別灌入3.0%NaCl和0.3 mol/L的NaOH溶液。

（3）抗凍性：采用快凍法，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)》和TB/T 3275—2011進行。

2 軌道板廠專用摻合料用量的確定

參考Q/CR 567—2017，確定摻專用摻合料混凝土配合比中膠材總量為450 kg/cm3，摻礦物摻合料混凝土配合比中膠材總量為500 kg/m3，用水量135 kg/m3，水膠比分別為0.30和0.27；經(jīng)試驗確定砂率為36%；通過調(diào)整減水劑配比，確定減水劑摻量為1%。觀察拌和物工作性能（保水性、流動性、粘聚性），測試坍落度、含氣量、16 h抗壓強度等指標(biāo)。

表2 軌道板廠混凝土的配合比 kg/m3

固定膠材總量，改變專用摻合料用量分別為6%、8%、10%、12%進行混凝土試驗，其工作性能及力學(xué)性能見表3。

表3 不同專用摻合料摻量時混凝土的性能指標(biāo)

由表3可知，隨著專用摻合料摻量從6%增至10%，早期抗壓強度顯著提高，中后期抗壓強度也有所提高；但摻量從10%增至12%，早期抗壓強度提高不明顯，后期抗壓強度略有降低。因此，專用摻合料最佳摻量為10%，選取H3為對比樣。

3 混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計

3.1 減水劑對混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響

根據(jù)CRTSⅢ型軌道板混凝土的技術(shù)特點，混凝土含氣量不宜太高。同時采用蒸氣養(yǎng)護的方法16 h強度不小于45 MPa，混凝土的施工時間在15～20 min，要求混凝土出機坍落度為（100±20）mm，并保證30 min的工作性能。

在H3配合比的基礎(chǔ)上，外加劑采取早強型聚羧酸母液與減水母液、緩釋母液、降粘母液、消泡劑等組分復(fù)配的方法來滿足混凝土工作性能及力學(xué)性能，初步確定減水劑的最佳配比。不同類型聚羧酸母液復(fù)配早強型減水劑對混凝土性能的影響見表4。

表4 不同復(fù)配方式減水劑對混凝土性能的影響

由表4可見，H5試樣僅使用減水母液加降粘母液，16 h蒸養(yǎng)強度剛達(dá)標(biāo)，富裕系數(shù)不大，且混凝土坍落度損失大，不能保持30min工作性能；加入早強母液的H6、H7試樣，16 h蒸養(yǎng)強度明顯提高，但30 min坍落度損失依然較大；對比H8、H9、H10、H11可知，加入緩釋母液后，混凝土16 h蒸養(yǎng)強度略微降低，但仍有較大的富裕系數(shù)，滿足要求，SR－1母液效果優(yōu)于SR－3母液，因此，聚羧酸減水劑最佳配合比選為H9。

由于軌道板需要進行蒸汽養(yǎng)護，含氣量偏高或偏低對硬化混凝土性能及表觀都具有較大影響。在H9配比基礎(chǔ)上，通過改變引氣劑及消泡劑的摻量，使混凝土具有不同的含氣量，研究含氣量對其坍落度及16 h蒸養(yǎng)強度的影響，結(jié)果見表5。

表5 含氣量對混凝土性能的影響

由表5可知，含氣量在2.0%～3.0%時，混凝土16 h蒸養(yǎng)強度穩(wěn)定，變化不大；含氣量大于3%后，隨著含氣量的增加，16 h蒸養(yǎng)強度明顯下降，并且30 min坍落度損失增大。因此，含氣量控制在2.0%～3.0%較為合適。

3.2 普通摻合料用量的確定

本文采用常見的粉煤灰和礦粉替代專用摻合料進行實驗?；炷僚浜媳戎袚胶狭险寄z凝材料比例及摻合料中粉礦比（粉煤灰與礦粉的質(zhì)量比）對強度影響顯著。因此，以摻合料比例、粉礦比作為影響CRTSⅢ型軌道板混凝土強度的因素，以16 h、7 d、28 d抗壓強度為指標(biāo)進行正交試驗，確定優(yōu)化配合比條件。混凝土基礎(chǔ)配比見表6，其中外加劑在H9基礎(chǔ)上調(diào)整，確?；炷梁瑲饬吭?.0%～3.0%，坍落度控制在（100±20）mm，滿足混凝土工作性能。正交試驗設(shè)計及性能測試結(jié)果見表7。

表6 混凝土的基礎(chǔ)配比 kg/m3

表7 正交試驗設(shè)計及性能測試結(jié)果

由表7可知，以16 h抗壓強度為指標(biāo)，H17～H22試樣均能滿足設(shè)計要求，含氣量在2.0%～3.0%，其中H20試樣的抗壓強度最高，擬通過進一步極差分析尋找理論最佳方案。

以強度為主要評價指標(biāo)，極差分析見表8。

表8 普通摻合料對混凝土強度影響試驗結(jié)果的極差分析

由表8可知，摻合料占膠凝材料比例對混凝土強度的影響最顯著，其次是粉礦比。通過極差分析確定的優(yōu)化條件為：摻合料占膠凝材料比例為20%，粉礦比為4∶6，與通過試驗得出的最優(yōu)方案H20一致。

4 混凝土耐久性及經(jīng)濟性評價

通過以上試驗結(jié)果選取配合比 H3、H17、H18、H19、H20、H21、H22組進行混凝土耐久性試驗，并對各組混凝土配合比進行了成本分析，結(jié)果分別見表9、表10。

表9 耐久性試驗結(jié)果

由表9可知，按上述配合比要求配制的混凝土抗凍性能均能滿足F300要求，電通量小于1000 C，使用專用摻合料的H3試樣質(zhì)量損失比使用普通摻合料的稍大，原因是該配合比膠材總量少、水膠比大。使用普通礦物摻合料的幾組配合比的電通量均比使用專用摻合料的小，耐久性能更優(yōu)。

表10 各組混凝土配合比的成本分析

由表10可知，在滿足混凝土性能前提下，使用普通礦物摻合料和早強型聚羧酸減水劑的材料組合的配比均比使用專用摻合料的成本低，其中抗壓強度最優(yōu)的H20組成本適中，可以作為最佳方案。

5 結(jié)論

采取粉煤灰和礦粉替代軌道板廠昂貴的專用摻合料進行了研究。對比了減水劑對軌道板新拌混凝土工作性能和硬化混凝土力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用早強型聚羧酸減水劑與普通摻合料替代專用摻合料可以滿足CRTSⅢ型軌道板混凝土的設(shè)計要求。

（1）采用20%早強型母液與40%減水母液、30%緩釋母液、10%降粘母液及功能助劑復(fù)配可以滿足CRSSⅢ型軌道板混凝土初始坍落度（100±20）mm，含氣量 2.0%～3.0%，16 h抗壓強度達(dá)到51.0 MPa。

（2）采用普通摻合料占膠凝材料比例為20%，粉礦比為4∶6替代專用摻合料，可達(dá)到CRTSⅢ型軌道板混凝土的設(shè)計要求，抗凍性能均能滿足F300要求，電通量均比使用專用摻合料組低，耐久性能更優(yōu)異。

（3）在滿足CRTSIII型軌道板混凝土設(shè)計要求的條件下，采用普通摻合料和早強型聚羧酸減水劑的成本比采用專用摻合料的低，經(jīng)濟性能優(yōu)異。