聚合物乳液对轨枕用混凝土耐磨性能的影响

王月华 翁智财 刘子科 胡建伟 谢永江 何龙 蒋睿

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

铁路分为客运铁路和货运铁路两大类别，由于运输目的不同要求亦不同。对于货运铁路，尤其是重载铁路货运要求提高铁路混凝土轨枕与钢轨的连接性能，主要包括提高混凝土轨枕承轨面的耐磨性能和混凝土轨枕的耐久性能［1-2］。掺聚合物乳液是提高水泥基材料与骨料黏结强度行之有效的方法，而水泥基材料与骨料黏结强度的提高能够有效提升混凝土的耐磨性能［3-5］。聚合物乳液的种类、掺量均会改变水泥基材料与骨料的黏结强度［6］。目前，聚合物乳液掺量对水泥基材料和骨料黏结强度的影响试验主要在高温、冻融和水养条件下进行，而对于聚合物乳液的掺量及其与不同骨料的组合对混凝土轨枕耐磨性能的影响研究不多。本文通过掺加聚合物乳液与5种岩性粗骨料制备轨枕用混凝土，研究提高混凝土轨枕耐磨性能的最佳配合比，为新型耐磨混凝土轨枕制备提供新途径。

1 室内试验

1.1 原材料及配合比

水泥为北京金隅P·O 42.5水泥，比表面积342 m2/kg。矿粉为河北唐山生产的S95矿渣粉。细骨料为河北石家庄分级河砂，按照10～20 目，20～40 目，40～70 目和70～140 目4 个细度配制成细度模数2.6 的Ⅱ区中砂，含泥量0.6%，表观密度2 640 kg/m3。石灰石粗骨料为天津蓟县二级配碎石，最大粒径20 mm，含泥量0.3%，表观密度2 720 kg/m3，紧密空隙率39%，玄武岩、辉绿岩、花岗岩和钢渣石粗骨料均为二级配，最大粒径20 mm；减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。乳液有4 种，分别为乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液（Vinyl Acetate-ethylene Copolymer Emulsion，简称VAE），蒸发残留物含量50%，推荐掺量4%；丁苯乳液，蒸发残留物含量50%，推荐掺量6%；苯丙乳液，蒸发残留物含量50%，推荐掺量6%；丙烯酸乳液，蒸发残留物含量50%，推荐掺量6%。其中水泥、矿渣粉和粗骨料性能试验结果见表1—表3。

表1 水泥性能试验结果

表2 矿渣粉性能试验结果%

表3 粗骨料性能试验结果

1.2 配合比设计

以C60预应力轨枕用混凝土的配合比为基准配合比，单掺聚合物乳液或双掺聚合物乳液与不同岩性粗骨料对混凝土和混凝土轨枕实体的耐磨性能进行测试。具体步骤：①选择不同种类聚合物乳液，分析常用掺量下单掺不同种类聚合物乳液对混凝土耐磨性能的影响，确定最佳聚合物乳液；②分别掺加0，2%，4%，6%，8%和10%的最佳聚合物乳液，分析聚合物乳液掺量对混凝土耐磨性能的影响，确定最佳掺量；③采用最佳聚合物乳液掺量，对比分析石灰岩、辉绿岩、玄武岩、花岗岩和钢渣石5种粗骨料对混凝土耐磨性能的影响，确定最佳骨料；④最佳聚合物乳液掺量不变，分别掺加0，10%，30%，50%，70%和100%的最佳骨料，分析骨料掺量对混凝土耐磨性能的影响，确定双掺聚合物乳液和骨料时混凝土的最佳配合比；⑤优选3组耐磨性能较好混凝土的配合比制备混凝土轨枕，进行承轨面耐磨性能测试。

试验混凝土水胶比为0.27，砂率为34%，通过调节减水剂用量将维勃稠度控制在（20 ± 2）s。混凝土配合比具体见表4—表7。表7 中V6%+G30%表示VAE掺量6%，钢渣石掺量30%，其他以此类推。

表4 单掺不同聚合物乳液时混凝土配合比 kg·m-3

表5 单掺不同掺量VAE时混凝土配合比 kg·m-3

表6 双掺VAE和不同岩性粗骨料时混凝土配合比 kg·m-3

表7 双掺VAE与钢渣石时混凝土配合比 kg·m-3

1.3 养护制度

1）混凝土试件。混凝土试件成型后，在温度20 ℃的环境中停放2 h，将带模具的试件放入蒸汽养护箱中，2 h升温至45 ℃，恒温养护6 h后，降温2 h至室温。混凝土试件脱模后在标准养护室养护至试验龄期。

2）混凝土轨枕试件。混凝土装入轨枕试模振捣成型后，厂区（20±5）℃环境中静停3 h，带模放入养护池中，2 h 升温至45 ℃，恒温持续5 h，降温2 h 至室温，混凝土轨枕脱模，存放至试验龄期。

1.4 试验方法

1）混凝土抗压强度试验。抗压强度测试采用精度等级为Ⅰ级的YAW-6206 型全自动压力试验机，遵照GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

2）混凝土耐磨试验。混凝土耐磨试件尺寸为150 mm（长）×150 mm（宽）×70 mm（高），遵照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行。

3）混凝土轨枕耐磨试验。遵照北美铁路工程和维 修 协 会（American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association，AREMA）第二部分第六项的规定对轨枕承轨面进行100万次磨损试验。采用27.5°加载架68 kg/m 钢轨，施加289.1 kN 的荷载，垂向荷载为144.6 kN，横向荷载为75.2 kN。

2 结果与讨论

2.1 不同聚合物乳液对混凝土耐磨性能的影响

单掺不同聚合物乳液时混凝土试验结果见表8。可见：①在相同龄期条件下，掺加不同种类聚合物乳液时混凝土的抗压强度有不同幅度的降低，降幅由大到小依次为丁苯乳液＞苯丙乳液＞丙烯酸乳液＞VAE；②在相同龄期条件下，掺加不同种类聚合物乳液时混凝土的单位面积磨耗量有不同程度的减少，减幅由大到小依次为VAE＞苯丙乳液＞丙烯酸乳液＞丁苯乳液。综合两者来看，掺加VAE 时混凝土抗压强度降幅最小，单位面积磨耗量也最小，故选用VAE 进一步研究聚合物乳液掺量对混凝土耐磨性能的影响。

表8 单掺不同聚合物乳液时混凝土试验结果

2.2 VAE掺量对混凝土耐磨性能的影响

单掺不同掺量VAE时混凝土试验结果见表9。可见：①相同龄期条件下随着VAE 掺量增加混凝土抗压强度均逐渐降低；②相同龄期条件下混凝土的单位面积磨耗量先减小后增大，VAE 掺量6%时单位面积磨耗量达到最小值。这是因为VAE 属于小分子材料，易渗入混凝土内部，填充水泥等胶凝材料和骨料之间的空隙，并与水泥水化产物结成一体，提高混凝土密实性。随着VAE 掺量增加，这种填充胶结作用越来越显著，但当VAE 掺量过大时混凝土内部结构受到损伤，空隙反而增多，会降低混凝土密实性。

表9 单掺不同掺量VAE时混凝土试验结果

2.3 双掺VAE与不同岩性粗骨料对混凝土耐磨性能的影响

双掺VAE 与不同岩性粗骨料时混凝土试验结果见表10。可见：①相同龄期条件下掺钢渣石的混凝土强度最高，掺石灰岩、辉绿岩、玄武岩和花岗岩的混凝土强度基本一致。②相同龄期条件下掺钢渣石的混凝土单位面积磨耗量最小，掺花岗岩的混凝土单位面积磨耗量次之，掺石灰岩、辉绿岩和玄武岩的混凝土单位面积磨耗量相差不大。由此可以看出，采用硬度高、表面粗糙骨料可以提升混凝土强度，以及水泥石与骨料界面的黏结力，进而提升混凝土耐磨性能。因此，提升混凝土耐磨性能最好选用洛杉矶磨耗损失最小、表面较粗糙的钢渣石。

表10 双掺VAE与不同岩性粗骨料时混凝土试验结果

2.4 双掺VAE与不同掺量钢渣石对混凝土耐磨性能的影响

掺量6%的VAE和不同掺量的钢渣石双掺时混凝土试验结果见表11。可见：①相同龄期条件下双掺VAE 与不同掺量钢渣石时混凝土的抗压强度与不掺时基本一致，说明二者组合可以有效确保混凝土的抗压强度；②随着钢渣石掺量增加，对抗压强度的提升效果越来越明显，但是单位面积磨耗量先减小后增大，钢渣石掺量为50%时混凝土耐磨性能最佳。

表11 双掺VAE和不同掺量钢渣石时混凝土试验结果

2.5 混凝土轨枕耐磨试验

VAE 掺量取6%，钢渣石掺量分别取30%，50%，70%，制备混凝土轨枕，养护至28 d进行混凝土轨枕耐磨试验，见图1。100万次循环疲劳荷载后轨枕承轨面磨损情况见图2。

图1 混凝土轨枕耐磨试验

图2 100万次循环疲劳荷载后轨枕承轨面磨损情况

混凝土轨枕承轨面明显磨损痕迹的条数和深度见表12。由图2和表12可见：双掺VAE和钢渣石有益于提升承轨面的耐磨性能，钢渣石掺量为50%时承轨面的耐磨性能最佳。

表12 混凝土轨枕承轨面明显磨损痕迹的条数和深度

3 结论

1）单掺一定比例的苯丙、丁苯等聚合物乳液可有效改善混凝土内部微观结构，提高混凝土的耐磨性能，但也会在一定程度上降低混凝土的抗压强度。单掺VAE 对混凝土耐磨性能的提升效果比其他聚合物乳液好，其最佳掺量为6%。

2）双掺VAE 与钢渣石、石灰岩、辉绿岩、玄武岩、花岗岩等粗骨料可进一步提升混凝土的耐磨性能。钢渣石表面粗糙且强度较大，其与VAE 双掺对混凝土耐磨性能的提升效果比其他骨料好。钢渣石掺量50%时混凝土轨枕承轨面的耐磨性能最佳。