双块式轨枕混凝土热损伤机制及配合比优化研究

袁振华

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600)

双块式轨枕混凝土热损伤机制及配合比优化研究

袁振华

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600)

针对双块式轨枕存在的挡肩开裂、表面龟裂和成型面起皮等问题，对混凝土配合比进行优化，对比研究了优化配合比混凝土与基准混凝土静停后自由含水率、水化早期贯入阻力、养护过程的热胀变形、电通量和微观孔结构间的差异，并阐述了双块式轨枕混凝土热损伤作用机制。现场应用结果表明优化配合比混凝土轨枕外观质量良好，各项指标满足规范要求。

双块式轨枕 蒸汽养护 混凝土 热损伤机制

自20世纪60年代中叶，各国相继开展铁路无砟轨道结构的研究。目前，一些国家和地区如日本、德国、荷兰、意大利、韩国等，已把无砟轨道作为高速铁路的主要结构形式。我国自2005年始引进和发展了高速铁路无砟轨道系统，为与我国国情相适应，在进行双块式轨枕生产时，采用普通水泥加掺合料的方式替代高活性水泥来制备混凝土，有效降低了成本［1-2］。但由于对蒸养混凝土热损伤机制认识不足，对混凝土胶凝材料用量、含气量控制、掺合料的选择以及养护制度与混凝土参数匹配性等方面缺乏系统了解，在生产过程中部分轨枕出现挡肩处开裂、轨枕表面龟裂、成型面开裂和成型面(枕底)起皮、起壳等问题。一旦在施工期间对此未进行有效控制，投入运营后，该类轨枕在疲劳荷载和有害介质侵蚀的多重作用下，裂缝极易扩展，枕底部起皮、起壳部位易产生托空，不但会增加维护成本，甚至会威胁到行车的安全［3］。本文根据宝兰客运专线工程建设的实际需要，开展双块式轨枕混凝土热损伤机制及配合比优化研究，探明热损伤机制［4-5］，确定有效的解决措施，以期为宝兰客专双块式轨枕生产和质量控制提供借鉴和参考。

1 试验方案和方法

1.1 试验方案

1)对双块式轨枕混凝土配合比进行优化。以改善混凝土工作性能，提高其蒸养体积稳定性，降低开裂风险为目标，掺加具有显著提高胶凝材料活性及水化调节功能的TK-MA型复合矿物掺合料，在满足强度和工艺要求的基础上降低混凝土胶凝材料用量，提高水胶比。

2)对比分析优化配合比混凝土与基准混凝土的凝结时间、蒸养热胀变形和静停后自由含水率，对比分析两种混凝土蒸养试件上层区域与中部区域混凝土抗氯离子渗透性能及其微观孔结构，在此基础上确定热损伤机制。

3)根据相关标准和规范，确定具体的技术参数，开展力学性能、耐久性能研究，明确优化方案的可行性，并进行现场应用性试验。

1.2 原材料及配合比

水泥为千阳海螺P.O42.5普通硅酸盐低碱水泥;骨料为天水槐树湾5～10 mm，10～20 mm两级配碎石和伯阳漩涡滩细度模数2.9的河砂;外加剂为株洲中铁桥梁外加剂有限责任公司生产的聚羧酸减水剂，减水率为30%;掺合料分别为目前常用的预制轨枕专用掺合料和TK-MA型复合矿物掺合料。其中，优化配合比混凝土采用TK-MA型复合矿物掺合料，基准混凝土采用常用掺合料。混凝土坍落度控制在50 mm左右，含气量控制在2%～3%。具体配合比参数见表1。

1.3 试验方法

混凝土水化早期惯入阻力参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB 50082—2002)进行试验。混凝土电通量的测试参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB 50082—2009)进行，在蒸养结束后立即制备试件。试件制备方法见图1。混凝土微观孔结构采用压汞试验测试，养护方式为蒸养。静停后自由含水率通过采用同配比砂浆，静停3 h后破型取样，用酒精中止水化，放置烘箱105℃至恒重，计算重量损失率求得。混凝土热胀变形的测试采用在特制试验装置(见图2)中装入适量混凝土，并放置于蒸养箱内(蒸养箱顶面采用塑料布和泡沫板保温)养护，采用千分表测量热胀变形。全部试验涉及的蒸养的养护制度为静停3 h，升温2 h，恒温6 h(恒温温度为45℃)。

表1 试验用混凝土配合比

图1 混凝土电通量试件制作方法

图2 混凝土热胀试验装置

2 试验结果与分析

2.1 静停后自由含水率、水化早期惯入阻力和养护过程的混凝土热胀

静停3 h后进行自由含水率试验，优化配合比混凝土的同配比砂浆自由含水率为8.95%，低于基准混凝土同配比砂浆的9.68%。两种混凝土水化早期惯入阻力和养护过程的热胀试验结果分别见图3和图4。由图3可见，与基准混凝土相比，优化配合比混凝土虽然降低了胶凝材料用量，提高了水胶比，但混凝土凝结时间显著提前，静停3 h后混凝土基本接近初凝。由图4可见，在相同蒸养制度下，优化配合比混凝土的热胀程度明显低于基准混凝土。这是因为在蒸养过程中受温度变化的影响，混凝土各组分形态发生改变，尤其是混凝土中自由水和气泡更易发生迁移和体积变化［6-7］。两种混凝土虽然含气量基本相同，但优化配合比混凝土在静停后自由水含量略低，且由于凝结时间提前早期混凝土结构稳定性更高，导致其在升温及恒温过程中热胀程度降低。

2.2 蒸养混凝土不同区域电通量和微观孔结构

图5为两种混凝土试件蒸养后上层区域(Y1)与中部区域(Y2)的电通量试验结果。图6为两种混凝土的微观孔结构试验结果。

图3 水化早期惯入阻力

图4 混凝土养护过程的热胀

图5 电通量试验结果

图6微观孔结构试验结果

图5 表明，蒸养后两种混凝土试件上部和中部区域电通量均有一定程度的差异，但优化配合比混凝土试件不同区域间电通量的差异明显小于基准混凝土，且不同区域的电通量均小于基准混凝土。图6表明，优化配合比混凝土不但孔隙率小于基准混凝土，且有害孔［8］的数量远远低于基准混凝土。可见，由于自由水含量和结构稳定性的差异，基准混凝土在蒸养过程中其表层与内部之间水化程度和微观结构上存在更大的梯度效应。

3 现场试验

采用优化配合比在宝兰客专皋兰轨枕场开展现场试验，对优化配合比与现场工艺参数的适应性和预防开裂的效果进行验证。轨枕外观和试验结果分别见图7和表2。可见，采用优化配合比生产的预制轨枕外观良好，表面无气泡缺损，脱模后用丙酮检查无裂纹，轨枕成型面无起皮、起壳现象。存放28 d后再次用丙酮检查轨枕表面未发现明显裂纹，混凝土各项指标满足相关规范要求。

图7 采用优化配合比现场试验生产的轨枕

表2 采用优化配合比现场试验结果

4 结论

在采用TK-MA型复合矿物掺合料提高胶凝材料组分活性的基础上，以改善混凝土工作性能，提高其蒸养体积稳定性为目标，对双块式轨枕混凝土配合比进行了优化，并进行了现场试验。结果表明:混凝土的各项指标均满足相关规范要求;采用优化配合比生产的轨枕不仅显著降低了开裂风险，而且避免了蒸养后成型面起皮、起壳现象;与基准混凝土相比，优化配合比混凝土在蒸养过程中的热胀、混凝土表层与内部之间水化程度以及微观结构上存在的梯度效应明显减小。

［1］郭剑，潘雨，王旭.客运专线双块式无砟轨道预制轨枕配合比试验研究［J］.铁道标准设计，2008(3):69-71.

［2］涂玉波，肖军，郝挺宇，等.高铁轨道板混凝土配合比设计与质量控制技术［J］.混凝土世界，2010(10):87-89.

［3］汪嘉蔚，白玲.预应力混凝土轨枕及结构耐久性［J］.混凝土与水泥制品，2000(2):16-19.

［4］吴中伟，田然景，金剑华.水泥混凝土湿热处理静置期的研究［J］.硅酸盐学报，1963，2(4):182-189.

［5］杨雄利.地铁混凝土管片养护制度的研究［J］.铁道建筑，2008(3):38-40.

［6］庞强特.混凝土制品工艺学［M］.武汉:武汉工业大学出版社，1990:3-7.

［7］贺智敏，龙广成，谢友均，等.蒸养水泥基材料的肿胀变形规律与控制研究［J］.中南大学学报(自然科学版)，2012，43 (5):1947-1952.

［8］吴中伟，廉慧珍.高性能混凝土［M］.北京:中国铁道出版社，1999:87-102.

(责任审编葛全红)

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

袁振华(1985—)，男，山东菏泽人，工程师，硕士。