王 振，韓自力，李化建，黃法禮，易忠來

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

中國鐵道科學(xué)研究院20世紀(jì)90年代初的機(jī)制砂研究指出，用機(jī)制砂制備軌枕、電桿、橋梁等鐵路高性能混凝土制品具有可行性[8]。黃滕斌[9]在山西中南部鐵路通道工程中采用混合砂(河砂∶機(jī)制砂=45%∶55%)制備了性能滿足施工和質(zhì)量要求的C60預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，大幅降低了混凝土T梁的生產(chǎn)成本。高波等[10]采用肯尼亞當(dāng)?shù)貦C(jī)制砂，通過優(yōu)化試驗(yàn)提出了適用于內(nèi)馬鐵路的C60混凝土軌枕配合比，制備出的機(jī)制砂混凝土軌枕外觀質(zhì)量良好，性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。機(jī)制砂在鐵路預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較少不僅因?yàn)榱后w、軌道板、軌枕等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)要求使用天然河砂[11-13]，還和我國機(jī)制砂品質(zhì)參差不齊、預(yù)應(yīng)力機(jī)制砂混凝土技術(shù)儲備少等問題有關(guān)。為探究機(jī)制砂制備鐵路工程預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的可行性，以梁體和軌道板用混凝土為載體，對比研究了機(jī)制砂混凝土與河砂混凝土工作性能、力學(xué)性能、耐久性能、收縮徐變性能的變化規(guī)律，以期為鐵路工程預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中機(jī)制砂混凝土應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥(C)、粉煤灰(FA)、礦渣粉(SL)的主要物理性能和化學(xué)組成見表1。石灰?guī)r機(jī)制砂(JZ)和天然河砂(HS)的主要性能見表2。試驗(yàn)中為消除顆粒級配對混凝土性能的影響，機(jī)制砂和河砂重新篩分并設(shè)置成相同細(xì)度模數(shù)2.8，見表3。粗骨料(G)為5～20 mm連續(xù)級配石灰?guī)r碎石。減水劑(SP)為減水率27%、固含量28.74%的聚羧酸型高性能減水劑，引氣劑(AE)為減水率4.2%、含氣量4.0%的松香樹脂類高效引氣劑。水(W)為北京市海淀區(qū)自來水。

表1 水泥、粉煤灰、礦渣粉主要物理性能和化學(xué)組成

表2 細(xì)骨料主要性能

注：MB值為機(jī)制砂中的泥粉含量。

表3 細(xì)骨料累計(jì)篩余

1.2 配合比

根據(jù)TB/T 3432—2016《高速鐵路預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁》和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》設(shè)計(jì)了梁體用混凝土(HSC,JZC)和軌道板用混凝土(HSB,JZB)，混凝土配合比見表4。通過調(diào)整減水劑和引氣劑用量，將梁體用混凝土坍落度和含氣量(體積分?jǐn)?shù))分別控制為(190±10)mm和(3.0±0.5)%，軌道板用混凝土坍落度和含氣量(體積分?jǐn)?shù))分別控制為(80±10)mm和(3.0±0.5)%。

表4 混凝土配合比及工作性能

1.3 試驗(yàn)方法

按照表4中配合比將水泥、粉煤灰、礦渣粉、細(xì)骨料和碎石加入單臥軸攪拌機(jī)攪拌30 s后，再加入水和外加劑攪拌3 min，制得混凝土拌和物。按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試混凝土拌和物的坍落度和含氣量。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)》和GB/T 500082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的尺寸和數(shù)量要求成型相應(yīng)的混凝土試件。梁體用混凝土采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式，試件養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期時(shí)進(jìn)行性能測試。軌道板用混凝土采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)程序如圖1所示，蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，將試件轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，達(dá)到規(guī)定齡期后進(jìn)行性能測試。

圖1 軌道板用混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)程序

2 結(jié)果與討論

2.1 工作性能

由表4中減水劑和引氣劑的用量可知，機(jī)制砂混凝土為達(dá)到與河砂混凝土相同的工作性能，需要摻加更多的減水劑和引氣劑，其原因可能與機(jī)制砂含有石粉以及機(jī)制砂表面結(jié)構(gòu)粗糙有關(guān)。梁體和軌道板用混凝土的單方漿體量較大，機(jī)制砂中含有石粉進(jìn)一步增大了單方漿體量，導(dǎo)致機(jī)制砂混凝土中摻加了更多減水劑和引氣劑來調(diào)整工作性能。河砂經(jīng)過多年水流沖刷，表面光整，形狀圓潤，而機(jī)制砂由巖石破碎篩分制得，在微觀外貌比上河砂粗糙，在顆粒形貌上比河砂棱角尖銳，因此機(jī)制砂混凝土中需要摻加更多減水劑和引氣劑來抵抗顆粒形貌對工作性能的不利影響[14]。

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

各齡期混凝土抗壓強(qiáng)度見圖2。

圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度

由圖2(a)可知，采用機(jī)制砂和河砂制備混凝土抗壓強(qiáng)度均滿足鐵路梁體混凝土強(qiáng)度等級大于C50的設(shè)計(jì)要求，1～28 d 齡期內(nèi)混凝土抗壓強(qiáng)度增長迅速，之后強(qiáng)度發(fā)展趨于平穩(wěn)，機(jī)制砂混凝土3 d前抗壓強(qiáng)度高于河砂混凝土，后期強(qiáng)度與河砂混凝土強(qiáng)度相當(dāng)。

由圖2(b)可知，軌道板用機(jī)制砂混凝土和河砂混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律基本一致，機(jī)制砂混凝土早期強(qiáng)度稍大于河砂混凝土，后期兩者混凝土強(qiáng)度相近，機(jī)制砂混凝土和河砂混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度分別為73.7，74.3 MPa，滿足軌道板強(qiáng)度等級大于C60的技術(shù)要求。機(jī)制砂表面粗糙、棱角性強(qiáng)的顆粒特性提高了漿體與骨料之間的黏結(jié)力，有利于提升混凝土抗壓強(qiáng)度[14]，此外，機(jī)制砂中石灰石粉在水泥水化過程中起晶核作用，誘導(dǎo)水泥水化產(chǎn)物析晶，并與水化產(chǎn)物反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣，加速水化進(jìn)程，促進(jìn)了機(jī)制砂混凝土早期抗壓強(qiáng)度增長[15]。隨著齡期增長，水泥漿體水化程度不斷提升，混凝土內(nèi)部缺陷逐漸減少，機(jī)制砂混凝土后期強(qiáng)度與河砂混凝土相當(dāng)。

2.2.2 抗折強(qiáng)度

各齡期混凝土抗折強(qiáng)度見圖3?？芍?，機(jī)制砂混凝土前期抗折強(qiáng)度稍大于河砂混凝土，兩者后期抗折強(qiáng)度相當(dāng)?；炷量拐蹚?qiáng)度隨齡期增長而增大，其變化規(guī)律與混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期變化的規(guī)律一致，主要是因?yàn)橥ǔＧ闆r下，混凝土抗折強(qiáng)度是其抗壓強(qiáng)度的0.1倍～0.2倍[16]。

圖3 混凝土抗折強(qiáng)度

圖4是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)用機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的關(guān)系[1]。由圖4可知，機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度關(guān)系在小于70 MPa的范圍內(nèi)與CEB-FIP MC1990模型相近，抗壓強(qiáng)度高于70 MPa時(shí)，機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度比ACI 318模型和CEB-FIP MC1990模型的預(yù)測值大。

圖4 機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度關(guān)系

2.2.3 彈性模量

不同齡期混凝土的靜力受壓彈性模量見圖5。可知，前期混凝土彈性模量增長較快，后期混凝土彈性模量增長放緩。機(jī)制砂混凝土的彈性模量明顯大于河砂混凝土，表明機(jī)制砂混凝土剛度大，抵抗變形能力優(yōu)于河砂混凝土。石粉適量條件下，機(jī)制砂表面粗糙、多棱角的特征良好地限制了水泥石的變形和顆粒之間的滑動(dòng)[17-18]，混凝土的彈性模量得到提高。

圖5 混凝土靜力受壓彈性模量

圖6 機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的關(guān)系

圖6是機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的關(guān)系。比較相同抗壓強(qiáng)度下機(jī)制砂混凝土彈性模量實(shí)測值和模型計(jì)算值可知，抗壓強(qiáng)度較高時(shí)，機(jī)制砂混凝土彈性模量大于GB 50010模型計(jì)算的預(yù)測值，總體上預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)用機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的關(guān)系與ACI 318模型更加接近[1]。

2.3 耐久性能

2.3.1 抗氯離子滲透性

混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量如圖7所示。可知，機(jī)制砂混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量均小于河砂混凝土，即機(jī)制砂混凝土抗氯離子滲透性能高于河砂混凝土，具有更好地密實(shí)性。機(jī)制砂中的石粉在混凝土中具有改善膠凝材料顆粒級配、充填漿體空隙的作用，提高了混凝土密實(shí)度。梁體用機(jī)制砂混凝土56 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)小于5×10-12m2/s，適用于TB/T 3275—2011《鐵路混凝土》中L2作用等級的氯鹽環(huán)境；機(jī)制砂混凝土56d電通量小于 1 000 C，滿足TB/T 3432—2016的技術(shù)要求。軌道板用機(jī)制砂混凝土的56 d 電通量小于 1 000 C、56 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)小于 5×10-12m2/s，符合Q/CR 567—2017的技術(shù)要求。

圖7 混凝土抗氯離子滲透性

2.3.2 抗凍性

圖8 混凝土抗凍性

圖8是不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的相對動(dòng)彈模量。由圖8(a)可知，經(jīng)過300次凍融循環(huán)，梁體用機(jī)制砂混凝土和河砂混凝土的相對動(dòng)彈模量分別為97.9%，98.6%，兩者均滿足“梁體混凝土經(jīng)過200次(防水保護(hù)層混凝土為300次)凍融循環(huán)后相對動(dòng)彈模不小于80%”的技術(shù)要求。由圖8(b)可知，經(jīng)過300次凍融循環(huán)，軌道板用機(jī)制砂混凝土和河砂混凝土的相對動(dòng)彈模量分別為96.7%，98.0%，兩者抗凍性較好，均滿足Q/CR 567—2017中“混凝土抗凍等級不應(yīng)小于F300”的技術(shù)要求?；炷恋目箖鲂灾饕Q于含氣量和強(qiáng)度[19]，含氣量高、強(qiáng)度大的混凝土抗凍性能更好。機(jī)制砂混凝土和河砂混凝土的含氣量和強(qiáng)度基本一致，兩者的抗凍性差異不大。生產(chǎn)工藝不良或母巖強(qiáng)度不足可能使機(jī)制砂顆粒產(chǎn)生微裂縫，導(dǎo)致機(jī)制砂吸水率大于河砂，混凝土硬化后機(jī)制砂中水分被水泥漿體封堵，凍融循環(huán)作用下所受破壞程度高于河砂混凝土[17]。因此機(jī)制砂經(jīng)過機(jī)械設(shè)備的整形處理，表面形貌和結(jié)構(gòu)裂紋得到優(yōu)化后的機(jī)制砂，其混凝土的抗凍性與河砂混凝土相近。

2.4 收縮徐變性能

2.4.1 塑性收縮

圖9是混凝土塑性階段的收縮變化?？芍后w用混凝土在0～15 h內(nèi)塑性收縮顯著，軌道板用混凝土在0～10 h內(nèi)塑性收縮顯著，機(jī)制砂混凝土的塑性收縮變化趨勢與河砂混凝土一致，機(jī)制砂混凝土的最終塑性收縮稍大于河砂混凝土。塑性收縮發(fā)生在水泥基材料終凝前的塑性階段，該階段水泥水化反應(yīng)程度大，并伴有泌水、水分急劇蒸發(fā)以及骨料不均勻沉降等現(xiàn)象[20]。機(jī)制砂混凝土的坍落度略高于河砂混凝土，塑性階段機(jī)制砂混凝土中自由水含量略大，混凝土表面水分蒸發(fā)速率較快，導(dǎo)致機(jī)制砂混凝土最終的塑性收縮略大于河砂混凝土。因此梁體用和軌道板用機(jī)制砂混凝土應(yīng)采取覆膜等措施加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)，防止混凝土因塑性收縮而開裂。

圖9 混凝土塑性收縮

2.4.2 干燥收縮

圖10 混凝土干燥收縮

圖10是混凝土不同測試齡期時(shí)的干燥收縮。由圖10(a)可知，梁體用機(jī)制砂混凝土在各齡期時(shí)的干燥收縮大于河砂混凝土，56 d齡期時(shí)機(jī)制砂混凝土和河砂混凝土的干燥收縮值分別為340.0×10-6，314.2×10-6，滿足TB/T 3275—2011中預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)用混凝土收縮不大于400×10-6的技術(shù)要求。由圖10(b)可知，軌道板用機(jī)制砂混凝土在各齡期時(shí)的干燥收縮值小于河砂混凝土，56 d齡期時(shí)機(jī)制砂混凝土和河砂混凝土的干燥收縮值分別為291.7×10-6，344.2×10-6，滿足Q/CR 567—2017中軌道板混凝土56 d收縮不大于400×10-6的技術(shù)要求。混凝土干燥收縮的主要影響因素有膠凝材料、水灰比、骨料含量和種類、養(yǎng)護(hù)條件等[21]，本試驗(yàn)中這些影響因素控制相同，因此梁體用機(jī)制砂混凝土的干燥收縮與河砂混凝土基本一致。軌道板用機(jī)制砂混凝土干燥收縮稍小于河砂混凝土的原因可能是軌道板混凝土配合比中骨料的體積分?jǐn)?shù)大，機(jī)制砂具有棱角性，其抑制混凝土收縮程度大于河砂。

圖11 混凝土徐變系數(shù)

2.4.3 徐變

圖11是混凝土不同測試齡期時(shí)的徐變系數(shù)?？芍?，機(jī)制砂混凝土徐系數(shù)變化規(guī)律與河砂混凝土一致，兩者強(qiáng)度等級高，最終的徐變系數(shù)均較小。應(yīng)力作用下，水泥漿體的滑動(dòng)或剪切變形、吸附水和層間水的轉(zhuǎn)移、水泥漿體對骨架彈性變形約束引起的滯后變形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)微裂縫的重新連接和破壞是產(chǎn)生混凝土徐變的主要原因[22]。影響混凝土徐變的因素十分復(fù)雜，主要有水泥、骨料、礦物摻合料等內(nèi)部因素及加載齡期、加載應(yīng)力、溫度、濕度等。相同條件下，機(jī)制砂顆粒棱角性強(qiáng)，對漿體變形約束力強(qiáng)，有利于降低混凝土徐變變形，但機(jī)制砂中含有石粉會增大水泥漿體體積含量，提高機(jī)制砂混凝土徐變變形，不同因素占主要作用時(shí)可能導(dǎo)致機(jī)制砂混凝土最終的徐變變形存在差異。

3 結(jié)論

采用機(jī)制砂制備梁體和軌道板預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)用混凝土，對其工作性、力學(xué)性能、耐久性能和收縮徐變性能進(jìn)行研究。主要結(jié)論如下：

1)機(jī)制砂含有石粉、表面粗糙和棱角性強(qiáng)的顆粒特性增大了減水劑和引氣劑的摻量，通過外加劑摻量調(diào)整，可以制備滿足施工性能要求的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)用混凝土。

2)梁體和軌道板用機(jī)制砂混凝土的早期抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度大于河砂混凝土，后期抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度與河砂混凝土相當(dāng)，機(jī)制砂混凝土彈性模量大于河砂混凝土，機(jī)制砂混凝土張拉強(qiáng)度、脫模強(qiáng)度和強(qiáng)度等級均滿足梁體和軌道板的技術(shù)要求。

3)適量石粉在機(jī)制砂混凝土中具有填充效應(yīng)和晶核作用，提高了混凝土密實(shí)度，相比于河砂混凝土，機(jī)制砂混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)小、電通量小。

4)機(jī)制砂混凝土和河砂混凝土的含氣量和強(qiáng)度基本一致，兩者的抗凍性差異不大，且均屬于高抗凍性混凝土。

5)機(jī)制砂混凝土的收縮徐變變化規(guī)律基本與河砂混凝土一致，多因素影響條件下造成最終的收縮徐變大小略有差異。