袁振華

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京102600)

雙塊式軌枕混凝土熱損傷機(jī)制及配合比優(yōu)化研究

袁振華

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京102600)

針對(duì)雙塊式軌枕存在的擋肩開(kāi)裂、表面龜裂和成型面起皮等問(wèn)題，對(duì)混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)比研究了優(yōu)化配合比混凝土與基準(zhǔn)混凝土靜停后自由含水率、水化早期貫入阻力、養(yǎng)護(hù)過(guò)程的熱脹變形、電通量和微觀(guān)孔結(jié)構(gòu)間的差異，并闡述了雙塊式軌枕混凝土熱損傷作用機(jī)制?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明優(yōu)化配合比混凝土軌枕外觀(guān)質(zhì)量良好，各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求。

雙塊式軌枕 蒸汽養(yǎng)護(hù) 混凝土 熱損傷機(jī)制

自20世紀(jì)60年代中葉，各國(guó)相繼開(kāi)展鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的研究。目前，一些國(guó)家和地區(qū)如日本、德國(guó)、荷蘭、意大利、韓國(guó)等，已把無(wú)砟軌道作為高速鐵路的主要結(jié)構(gòu)形式。我國(guó)自2005年始引進(jìn)和發(fā)展了高速鐵路無(wú)砟軌道系統(tǒng)，為與我國(guó)國(guó)情相適應(yīng)，在進(jìn)行雙塊式軌枕生產(chǎn)時(shí)，采用普通水泥加摻合料的方式替代高活性水泥來(lái)制備混凝土，有效降低了成本［1-2］。但由于對(duì)蒸養(yǎng)混凝土熱損傷機(jī)制認(rèn)識(shí)不足，對(duì)混凝土膠凝材料用量、含氣量控制、摻合料的選擇以及養(yǎng)護(hù)制度與混凝土參數(shù)匹配性等方面缺乏系統(tǒng)了解，在生產(chǎn)過(guò)程中部分軌枕出現(xiàn)擋肩處開(kāi)裂、軌枕表面龜裂、成型面開(kāi)裂和成型面(枕底)起皮、起殼等問(wèn)題。一旦在施工期間對(duì)此未進(jìn)行有效控制，投入運(yùn)營(yíng)后，該類(lèi)軌枕在疲勞荷載和有害介質(zhì)侵蝕的多重作用下，裂縫極易擴(kuò)展，枕底部起皮、起殼部位易產(chǎn)生托空，不但會(huì)增加維護(hù)成本，甚至?xí){到行車(chē)的安全［3］。本文根據(jù)寶蘭客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)工程建設(shè)的實(shí)際需要，開(kāi)展雙塊式軌枕混凝土熱損傷機(jī)制及配合比優(yōu)化研究，探明熱損傷機(jī)制［4-5］，確定有效的解決措施，以期為寶蘭客專(zhuān)雙塊式軌枕生產(chǎn)和質(zhì)量控制提供借鑒和參考。

1 試驗(yàn)方案和方法

1.1 試驗(yàn)方案

1)對(duì)雙塊式軌枕混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化。以改善混凝土工作性能，提高其蒸養(yǎng)體積穩(wěn)定性，降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)，摻加具有顯著提高膠凝材料活性及水化調(diào)節(jié)功能的TK-MA型復(fù)合礦物摻合料，在滿(mǎn)足強(qiáng)度和工藝要求的基礎(chǔ)上降低混凝土膠凝材料用量，提高水膠比。

2)對(duì)比分析優(yōu)化配合比混凝土與基準(zhǔn)混凝土的凝結(jié)時(shí)間、蒸養(yǎng)熱脹變形和靜停后自由含水率，對(duì)比分析兩種混凝土蒸養(yǎng)試件上層區(qū)域與中部區(qū)域混凝土抗氯離子滲透性能及其微觀(guān)孔結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上確定熱損傷機(jī)制。

3)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，確定具體的技術(shù)參數(shù)，開(kāi)展力學(xué)性能、耐久性能研究，明確優(yōu)化方案的可行性，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用性試驗(yàn)。

1.2 原材料及配合比

水泥為千陽(yáng)海螺P.O42.5普通硅酸鹽低堿水泥;骨料為天水槐樹(shù)灣5～10 mm，10～20 mm兩級(jí)配碎石和伯陽(yáng)漩渦灘細(xì)度模數(shù)2.9的河砂;外加劑為株洲中鐵橋梁外加劑有限責(zé)任公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，減水率為30%;摻合料分別為目前常用的預(yù)制軌枕專(zhuān)用摻合料和TK-MA型復(fù)合礦物摻合料。其中，優(yōu)化配合比混凝土采用TK-MA型復(fù)合礦物摻合料，基準(zhǔn)混凝土采用常用摻合料?；炷撂涠瓤刂圃?0 mm左右，含氣量控制在2%～3%。具體配合比參數(shù)見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土水化早期慣入阻力參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50082—2002)進(jìn)行試驗(yàn)?；炷岭娡康臏y(cè)試參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50082—2009)進(jìn)行，在蒸養(yǎng)結(jié)束后立即制備試件。試件制備方法見(jiàn)圖1?；炷廖⒂^(guān)孔結(jié)構(gòu)采用壓汞試驗(yàn)測(cè)試，養(yǎng)護(hù)方式為蒸養(yǎng)。靜停后自由含水率通過(guò)采用同配比砂漿，靜停3 h后破型取樣，用酒精中止水化，放置烘箱105℃至恒重，計(jì)算重量損失率求得。混凝土熱脹變形的測(cè)試采用在特制試驗(yàn)裝置(見(jiàn)圖2)中裝入適量混凝土，并放置于蒸養(yǎng)箱內(nèi)(蒸養(yǎng)箱頂面采用塑料布和泡沫板保溫)養(yǎng)護(hù)，采用千分表測(cè)量熱脹變形。全部試驗(yàn)涉及的蒸養(yǎng)的養(yǎng)護(hù)制度為靜停3 h，升溫2 h，恒溫6 h(恒溫溫度為45℃)。

表1 試驗(yàn)用混凝土配合比

圖1 混凝土電通量試件制作方法

圖2 混凝土熱脹試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 靜停后自由含水率、水化早期慣入阻力和養(yǎng)護(hù)過(guò)程的混凝土熱脹

靜停3 h后進(jìn)行自由含水率試驗(yàn)，優(yōu)化配合比混凝土的同配比砂漿自由含水率為8.95%，低于基準(zhǔn)混凝土同配比砂漿的9.68%。兩種混凝土水化早期慣入阻力和養(yǎng)護(hù)過(guò)程的熱脹試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖3和圖4。由圖3可見(jiàn)，與基準(zhǔn)混凝土相比，優(yōu)化配合比混凝土雖然降低了膠凝材料用量，提高了水膠比，但混凝土凝結(jié)時(shí)間顯著提前，靜停3 h后混凝土基本接近初凝。由圖4可見(jiàn)，在相同蒸養(yǎng)制度下，優(yōu)化配合比混凝土的熱脹程度明顯低于基準(zhǔn)混凝土。這是因?yàn)樵谡麴B(yǎng)過(guò)程中受溫度變化的影響，混凝土各組分形態(tài)發(fā)生改變，尤其是混凝土中自由水和氣泡更易發(fā)生遷移和體積變化［6-7］。兩種混凝土雖然含氣量基本相同，但優(yōu)化配合比混凝土在靜停后自由水含量略低，且由于凝結(jié)時(shí)間提前早期混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更高，導(dǎo)致其在升溫及恒溫過(guò)程中熱脹程度降低。

2.2 蒸養(yǎng)混凝土不同區(qū)域電通量和微觀(guān)孔結(jié)構(gòu)

圖5為兩種混凝土試件蒸養(yǎng)后上層區(qū)域(Y1)與中部區(qū)域(Y2)的電通量試驗(yàn)結(jié)果。圖6為兩種混凝土的微觀(guān)孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 水化早期慣入阻力

圖4 混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程的熱脹

圖5 電通量試驗(yàn)結(jié)果

圖6微觀(guān)孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果

圖5 表明，蒸養(yǎng)后兩種混凝土試件上部和中部區(qū)域電通量均有一定程度的差異，但優(yōu)化配合比混凝土試件不同區(qū)域間電通量的差異明顯小于基準(zhǔn)混凝土，且不同區(qū)域的電通量均小于基準(zhǔn)混凝土。圖6表明，優(yōu)化配合比混凝土不但孔隙率小于基準(zhǔn)混凝土，且有害孔［8］的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基準(zhǔn)混凝土。可見(jiàn)，由于自由水含量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的差異，基準(zhǔn)混凝土在蒸養(yǎng)過(guò)程中其表層與內(nèi)部之間水化程度和微觀(guān)結(jié)構(gòu)上存在更大的梯度效應(yīng)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

采用優(yōu)化配合比在寶蘭客專(zhuān)皋蘭軌枕場(chǎng)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)優(yōu)化配合比與現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)的適應(yīng)性和預(yù)防開(kāi)裂的效果進(jìn)行驗(yàn)證。軌枕外觀(guān)和試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖7和表2?？梢?jiàn)，采用優(yōu)化配合比生產(chǎn)的預(yù)制軌枕外觀(guān)良好，表面無(wú)氣泡缺損，脫模后用丙酮檢查無(wú)裂紋，軌枕成型面無(wú)起皮、起殼現(xiàn)象。存放28 d后再次用丙酮檢查軌枕表面未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，混凝土各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。

圖7 采用優(yōu)化配合比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)生產(chǎn)的軌枕

表2 采用優(yōu)化配合比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

在采用TK-MA型復(fù)合礦物摻合料提高膠凝材料組分活性的基礎(chǔ)上，以改善混凝土工作性能，提高其蒸養(yǎng)體積穩(wěn)定性為目標(biāo)，對(duì)雙塊式軌枕混凝土配合比進(jìn)行了優(yōu)化，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明:混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求;采用優(yōu)化配合比生產(chǎn)的軌枕不僅顯著降低了開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，而且避免了蒸養(yǎng)后成型面起皮、起殼現(xiàn)象;與基準(zhǔn)混凝土相比，優(yōu)化配合比混凝土在蒸養(yǎng)過(guò)程中的熱脹、混凝土表層與內(nèi)部之間水化程度以及微觀(guān)結(jié)構(gòu)上存在的梯度效應(yīng)明顯減小。

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(責(zé)任審編葛全紅)

U213.3+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.38

1003-1995(2015)05-0151-03

2014-12-10;

2015-03-30

袁振華(1985—)，男，山東菏澤人，工程師，碩士。