藍(lán)堂偉 李玉香 鄭愛國,2 蔣 奧,2

(1. 西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 四川綿陽 621010； 2. 成鐵德陽軌道有限公司 四川德陽 618007)

高性能混凝土軌枕由于高穩(wěn)定性、制作簡單與壽命較長等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各高速鐵路線[1]。長期使用中的混凝土軌枕不僅承受列車高速行駛帶來的載荷，并且承受大氣環(huán)境對它的腐蝕，因此混凝土軌枕對力學(xué)性能和耐久性能的要求較高[2]。為了保證列車長期行駛的穩(wěn)定性與安全性，軌枕要求混凝土強(qiáng)度等級為C60，抗凍性應(yīng)滿足F300，電通量小于1 000 C 及56 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)小于5×10-12m2/s。為了提高軌枕混凝土的力學(xué)性能與耐久性，常采用礦物摻和料替代部分水泥，如礦渣、粉煤灰、硅灰等[3]。大量研究表明粉煤灰、礦渣等摻和料能提高混凝土的后期力學(xué)性能和耐久性。Kim[4]研究表明礦渣替代30%水泥時，混凝土的氯離子滲透性減小了15%。Saha[5]研究表明粉煤灰可以降低混凝土的滲透性。Aliakbar[6]研究表明粉煤灰與礦渣粉復(fù)合可以增強(qiáng)混凝土后期力學(xué)強(qiáng)度。

單純重心設(shè)計法是常見的混料設(shè)計法之一，能通過較少試驗(yàn)量定量評價多組分混合物的性能[7]。孫偉[8]與Deng[9]通過單純重心設(shè)計法評價三元膠凝體系混凝土的力學(xué)性能與耐久性的變化規(guī)律。Cai等[10]使用重心設(shè)計法準(zhǔn)確預(yù)測了蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下鋼包渣-熟石灰-石英粉膠凝體系的最佳組成。

為了保證軌枕混凝土較高的脫模強(qiáng)度以及后期強(qiáng)度，TB/T 3397—2015《CRTS雙塊式無砟軌道混凝土軌枕》規(guī)定礦物摻和料的1 d活性指數(shù)大于125%，28 d活性指數(shù)大于100%[11]。因此本文采用3種礦物摻和料(磨細(xì)礦渣粉、粉煤灰和高活性粉體A)制備復(fù)合摻和料替代水泥，并且借助單純重心型混料設(shè)計法[8-11]研究復(fù)合摻和料組成對早期活性指數(shù)、水化熱以及混凝土強(qiáng)度的影響。單純重心型設(shè)計法一般采用7種配比點(diǎn)計算回歸方程。本文為減少誤差采用10種配比點(diǎn)計算回歸方程。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

水泥(CC)：廣元海螺水泥有限公司，P·O 42.5級水泥；礦渣粉(SS)：河北潤發(fā)建筑材料有限公司，S95級礦渣粉；粉煤灰(FA)：四川江油發(fā)電廠，I級粉煤灰；粗骨料選擇5～20 mm級配碎石；細(xì)骨料為天然中粗河沙，細(xì)度模數(shù)為2.78；減水劑：德陽川壩建材廠，聚羧酸高效減水劑，減水率為22%；拌合水為自來水。

原料的化學(xué)組成列于表1，粒度分布列于表2。

表1 水泥、礦渣粉和粉煤灰的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ω/%)

表2 各摻和料粉體及水泥粒度

1.2 活性指數(shù)的測定

活性指數(shù)的測試參照GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》與TB/T 3397—2015《CRTS雙塊式無砟軌道混凝土軌枕》。活性指數(shù)按照公式(1)計算(試驗(yàn)中活性指數(shù)按實(shí)際摻量計算活性指數(shù))。

(1)

式中：A為活性指數(shù)，單位為百分?jǐn)?shù)(%)；R為試驗(yàn)?zāi)z砂抗壓強(qiáng)度，單位為兆帕(MPa)；R0為對比膠砂抗壓強(qiáng)度，單位為兆帕(MPa)。

1.3 水化熱測定

水化熱測試采用微量熱儀法，在20 ℃恒溫條件下測量水膠比為0.5的水泥漿體。實(shí)驗(yàn)探究礦物摻和料單摻與混摻在前期的水化放熱，其配合比列于表3。

表3 礦物摻和料摻水泥配比

1.4 混凝土樣品的制備及力學(xué)性能測試

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)》成型混凝土，水灰比為0.28，養(yǎng)護(hù)1 d 后脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至齡期測試混凝土抗壓強(qiáng)度。

1.5 復(fù)合摻和料配合比設(shè)計

單純重心設(shè)計法[12]設(shè)計3種摻和料復(fù)摻的10種不同配合比。將10種配比得到的活性指數(shù)或混凝土抗壓強(qiáng)度代入公式(2)，得出礦物組成與活性指數(shù)及混凝土抗壓強(qiáng)度的定量關(guān)系。通過軟件sufer畫出等高線圖。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計實(shí)際配料點(diǎn)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中復(fù)合摻和料摻量均為水泥的30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。

圖1 復(fù)合摻和料配合點(diǎn)在單純形重心格子中的分布

S=A1XHP+A2Xss+A3XFA+A12XHPXSS+

A13XHPXFA+A23XSSXFA+A123XHPXSSXFA

(2)

式中A1，A2，A3，A12，A23，A13,A123為常數(shù)，XHP為高活性粉體A(HP)占復(fù)合摻和料的百分比，XSS為礦渣粉(SS)占復(fù)合摻和料的百分比，XFA為粉煤灰(FA)占復(fù)合摻和料的百分比。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合摻和料組成對活性指數(shù)的影響

圖2為高活性粉體A、礦渣粉與粉煤灰分別代替水泥10%,20%,30%的1 d和28 d活性指數(shù)。由圖2可知，粉煤灰和礦渣粉的1 d活性指數(shù)隨摻量的增加而減小且均小于100%。高活性粉體A的1 d活性指數(shù)大于100%且隨摻量的增加而增加，其中單摻30%時高活性粉體A的1 d活性指數(shù)最大，達(dá)122%。單摻10%時粉煤灰的28 d活性指數(shù)高于100%，雖然粉煤灰在28 d的反應(yīng)程度依舊較低，但微集料效應(yīng)可以彌補(bǔ)其早期強(qiáng)度。礦渣粉與高活性粉體A的28 d活性指數(shù)均高于100%且隨摻量的增加而升高。單摻30%時礦渣粉的28 d活性指數(shù)最高，達(dá)111%。

圖2 礦物摻和料單摻的1 d和28 d活性指數(shù)

將測得不同復(fù)合摻和料配比(復(fù)合摻和料摻量為水泥的30%，下文同)的活性指數(shù)帶入公式(2)，計算出1 d和28 d活性指數(shù)與礦物摻和料組成之間的回歸方程，見表4。通過回歸方程對不同配合比的復(fù)合礦物摻和料的活性指數(shù)進(jìn)行定量預(yù)測[10]。

表4 復(fù)合礦物摻和料與活性指數(shù)的回歸方程

圖3和圖4分別為復(fù)合礦物摻和料1 d和28 d活性指數(shù)的等高線變化規(guī)律。由圖3和圖4可知，礦渣粉與粉煤灰1∶1二元復(fù)摻時，復(fù)合摻和料的1 d活性指數(shù)為52%，28 d活性指數(shù)為113%，均大于單摻30%時礦渣粉或粉煤灰的活性指數(shù)。由于不同級配顆粒之間的緊密堆積能夠增強(qiáng)漿體的密實(shí)性，故粉煤灰與礦渣粉復(fù)摻能提高1 d和28 d活性指數(shù)。高活性粉體A與礦渣粉1∶1二元復(fù)摻時，復(fù)合摻合料的1 d活性指數(shù)為118%，28 d活性指數(shù)為118%。結(jié)合圖2可得，高活性粉體與礦渣粉的二元復(fù)摻不僅減小了礦渣粉對1 d活性指數(shù)的影響，并且提高了復(fù)合摻和料的28 d活性指數(shù)。高活性粉體A與粉煤灰1∶1二元復(fù)摻時，復(fù)合摻和料的1 d活性指數(shù)為90%，28 d活性指數(shù)為114%。雖然高活性粉體A與粉煤灰的二元復(fù)摻對活性指數(shù)的提高低于高活性粉體與礦渣粉，但它們之間存在復(fù)合增強(qiáng)效應(yīng)。這是因?yàn)楦呋钚苑垠wA活性較高且粒度較小，可分布在水泥顆粒與礦物顆粒之間的空隙，不僅增加了密實(shí)性且增強(qiáng)了礦物與水泥之間的黏結(jié)強(qiáng)度。粉煤灰由于表面積較大且呈球形，因此與高活性粉體A的復(fù)合增強(qiáng)效應(yīng)不如礦渣粉。三元復(fù)摻復(fù)合增強(qiáng)效應(yīng)低于二元復(fù)摻，復(fù)合摻和料的1 d活性指數(shù)為80%，28 d活性指數(shù)為105%，這是由于高活性粉體A摻量較小，不足以填充大量的空隙，因此復(fù)合效應(yīng)減弱。

圖3 復(fù)合礦物摻和料1 d活性指數(shù)(單位：%)

圖4 復(fù)合礦物摻和料28 d活性指數(shù)(單位：%)

2.2 水化熱

圖5為復(fù)合摻合料水泥漿體水化速率。由圖5可知，單摻30%高活性粉體A的水泥漿體的水化速率遠(yuǎn)高于純水泥，但在1 d齡期后漿體放熱速率快速下降。礦渣粉含有少量硅酸二鈣，因此前期放熱速率略高于粉煤灰。漿體前期水化速率由高到低的順序?yàn)楦呋钚苑垠wA、水泥、礦渣粉、粉煤灰。粉煤灰的前期水化速率低于礦渣粉。粉煤灰或礦渣粉與高活性粉體A二元復(fù)摻時，兩種復(fù)合摻和料的前期放熱速率基本一致。高活性粉A與粉煤灰或礦渣粉二元復(fù)摻時，粉煤灰與礦渣粉對復(fù)合摻和料的前期放熱速率的影響較弱。

圖5 復(fù)合摻和料水泥漿體水化速率

圖6為復(fù)合摻和料水泥漿體水化熱放熱量。由圖6可知，在3 d齡期內(nèi)，單摻30%高活性粉體A的水泥漿體的水化放熱量增長較快且高于純水泥，在3 d齡期后其水化放熱量增長緩慢。高活性粉體A與粉煤灰或礦渣粉二元復(fù)摻的水化放熱量基本一致。在3 d齡期后，礦渣粉的放熱量逐漸提高。粉煤灰由于反應(yīng)慢，因此前期水化熱一直較低。礦渣粉或粉煤灰與高活性粉體A二元復(fù)摻時復(fù)合摻和料的活性指數(shù)較大，但漿體水化熱仍然較低?？梢姼呋钚苑垠wA并未促進(jìn)粉煤灰與礦渣粉在1 d齡期內(nèi)的水化。

圖6 復(fù)合摻和料水泥漿體水化熱放熱量

2.3 復(fù)合摻和料混凝土力學(xué)性能

圖7為粉煤灰、礦渣粉與高活性粉體A分別代替10%,20%,30%水泥時混凝土在28 d和60 d的抗壓強(qiáng)度。由圖7可知，單摻高活性粉體A或礦渣粉混凝土的28 d與60 d抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加而增加。單摻粉煤灰混凝土的28 d與60 d抗壓強(qiáng)度雖然隨摻量的增加而減小，但仍高于純水泥混凝土。28 d齡期時單摻30%高活性粉體A混凝土的抗壓強(qiáng)度大于單摻30%礦渣粉。60 d齡期時單摻礦渣粉與單摻高活性粉體A混凝土的抗壓強(qiáng)度差距縮小。這是因?yàn)榈退冶认?，高活性粉體A水化反應(yīng)較快，粒度較礦渣粉小，微集料效應(yīng)較強(qiáng)，因此28 d抗壓強(qiáng)度大于礦渣混凝土。礦渣粉隨著齡期的增長逐漸發(fā)生二次反應(yīng)，因此差距逐漸減小。

圖7 礦物摻和料單摻的28 d和60 d混凝土抗壓強(qiáng)度

將測試得出的混凝土抗壓強(qiáng)度代入式(2)得出復(fù)合摻和料組成與混凝土28 d與60 d抗壓強(qiáng)度之間的回歸方程式列于表5。

表5 復(fù)合摻和料與混凝土抗壓強(qiáng)度的回歸方程

圖8與圖9為復(fù)合摻和料混凝土28 d與60 d抗壓強(qiáng)度等高線圖，由圖8可知，復(fù)合摻和料混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度中高活性粉體A的增強(qiáng)效果較為明顯。粉煤灰與礦渣粉的二元復(fù)摻混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度為67 MPa，而單摻30%礦渣粉與粉煤灰混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度分別為67.8 MPa與62.5 MPa，可見粉煤灰與礦渣粉二元復(fù)摻具有明顯增強(qiáng)效應(yīng)。1∶1∶1三元復(fù)摻時，復(fù)合摻和料的28 d抗壓強(qiáng)度為68.6 MPa。三元復(fù)摻混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度比二元復(fù)摻增強(qiáng)效果好。由圖9可知，復(fù)合摻和料混凝土中粉煤灰對60 d抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較28 d大。這是由于粉煤灰在28 d后逐漸發(fā)生二次水化反應(yīng)，混凝土抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)。三元復(fù)摻混凝土的60 d抗壓強(qiáng)度為79.6 MPa，而高活性粉體A與礦渣粉或粉煤灰二元復(fù)摻混凝土60 d抗壓強(qiáng)度分別為82.4 MPa與77 MPa。三元復(fù)摻混凝土的60 d抗壓強(qiáng)度雖然低于高活性粉體A與礦渣粉二元復(fù)摻，但是復(fù)合增強(qiáng)效應(yīng)更強(qiáng)?？梢姷退冶认?，多種礦物顆粒之間的緊密堆積對混凝土的抗壓強(qiáng)度具有較大的增強(qiáng)效果。

圖8 復(fù)合摻和料混凝土28 d抗壓強(qiáng)度(單位：MPa)

圖9 復(fù)合摻和料混凝土60 d抗壓強(qiáng)度(單位：MPa)

3 結(jié)論

復(fù)合摻合料的組成對活性指數(shù)影響較大，并體現(xiàn)出明顯的復(fù)合效應(yīng)。高活性粉體A與礦渣粉二元復(fù)摻的增強(qiáng)效應(yīng)最好，1 d與28 d活性指數(shù)均達(dá)118%。礦渣粉在3 d齡期后逐步發(fā)生二次反應(yīng)，漿體水化放熱增加。粉煤灰反應(yīng)較慢導(dǎo)致7 d內(nèi)水化放熱較低。礦渣粉或粉煤灰與高活性粉體A二元復(fù)摻時水泥漿體1 d水化熱差別很小。粉煤灰與礦渣粉在1 d齡期內(nèi)僅作為惰性材料填充于水泥顆粒之間。三元復(fù)摻混凝土的復(fù)合增強(qiáng)效應(yīng)優(yōu)于二元復(fù)摻。三元復(fù)摻混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)68.6 MPa，60 d抗壓強(qiáng)度達(dá)79.6 MPa。