蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)高速鐵路軌道板混凝土滲透性的影響*

趙 健，譚鹽賓，李化建，謝永江，易忠來(lái)

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院北京 100081;3.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京 100081)

我國(guó)高速鐵路建設(shè)特點(diǎn)之一是在線路設(shè)計(jì)上多采用以橋代路的方式，主體混凝土結(jié)構(gòu)則大量應(yīng)用混凝土預(yù)制構(gòu)件，如箱梁、T梁、軌枕和軌道板等，其均采用蒸汽養(yǎng)護(hù)。其中，對(duì)于箱梁、T梁和軌枕等傳統(tǒng)預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)已有較多人員對(duì)其蒸氣養(yǎng)護(hù)制度以及蒸氣養(yǎng)護(hù)對(duì)預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響進(jìn)行了研究［1－2］，但軌道板這種新型結(jié)構(gòu)形式由于在國(guó)內(nèi)出現(xiàn)時(shí)間較短，尚未見(jiàn)到有關(guān)其蒸氣養(yǎng)護(hù)性能的研究報(bào)道。軌道板在高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中處于最頂層，其服役環(huán)境完全暴露于大氣環(huán)境中，其還需承受上部列車動(dòng)荷載作用，在動(dòng)荷載和自然環(huán)境條件雙重作用下，軌道板對(duì)其組成混凝土材料性能提出了很高的要求，尤其是高速鐵路軌道板混凝土設(shè)計(jì)使用壽命為60年［3］，更是對(duì)其耐久性能提出了嚴(yán)格要求。混凝土的滲透性對(duì)混凝土耐久性起著重要的作用，因?yàn)闈B透性控制著水分滲入的速率，同時(shí)也控制著混凝土受熱或受凍時(shí)水的移動(dòng)［4］。諸如混凝土的凍融破壞、鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)破壞和硫酸鹽侵蝕破壞等均是在水分的存在下發(fā)生的［5］，可以說(shuō)混凝土滲透性直接關(guān)系這混凝土耐久性。因此，針對(duì)軌道板混凝土所用復(fù)合膠凝材料體系研究其滲透性能對(duì)于提高軌道板混凝土耐久性具有重要意義。

1 試驗(yàn)及測(cè)試方法

1.1 原材料

水泥為北京琉璃河水泥廠P·O42.5級(jí)水泥，其性能指標(biāo)見(jiàn)表1。礦渣粉為首鋼嘉華S95級(jí)磨細(xì)礦渣粉，性能指標(biāo)見(jiàn)表1。砂為河北盧龍?zhí)烊缓由?，?xì)度模數(shù)為2.7;碎石為天津薊縣產(chǎn)2種連續(xù)級(jí)配碎石，其最大粒徑分別為10 mm和20 mm。減水劑為天津雍陽(yáng)低引氣型聚羧酸減水劑，型號(hào)為UNF－5AST，減水率為29%。

1.2 試驗(yàn)配合比

軌道板混凝土配合比見(jiàn)表2，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C55，分別采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)2種方式。

表1 水泥與礦渣粉的物理化學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and chemical value of cement and slag %

表2 軌道板混凝土配合比Table 2 Mix proportion of track slab concrete kg/m3

表3 水泥凈漿配合比Table 3 Mix proportion of paste g

1.3 測(cè)試方法

(1)混凝土表面吸水率試驗(yàn)參照《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)程》(JTJ 270—98)中混凝土吸水率測(cè)試方法進(jìn)行。

(2)混凝土6 h電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)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－T 50082—2009)中電通量法和RCM法進(jìn)行。

(3)化學(xué)結(jié)合水試驗(yàn)則在規(guī)定水化齡期時(shí)將硬化水泥試樣取出，用鐵錘打碎后，加入無(wú)水乙醇終止水化，并在無(wú)水乙醇存在的條件下在瑪瑙研缽中將試樣磨細(xì)至全部通過(guò)孔徑為0.08 mm的方孔篩，然后稱取1～2 g磨細(xì)樣品，并放置于烘箱(105℃)中烘干24 h至恒重，取出再放入1 000℃高溫爐中恒溫1 h，冷卻后稱質(zhì)量?；瘜W(xué)結(jié)合水量wm按下式計(jì)算［6］:

式中:G105為試樣在105℃烘干至恒質(zhì)量時(shí)的質(zhì)量，g;G1000為試樣在1 000℃煅燒1 h后的質(zhì)量，g;yi為膠凝材料各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;zi為膠凝材料各組分的燒失量，%。

(4)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)指混凝土成型24 h拆模后即移入溫度20±2℃，相對(duì)濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù);蒸汽養(yǎng)護(hù)則在混凝土成型后即按設(shè)定蒸汽養(yǎng)護(hù)制度進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)至16 h，然后，脫模移入溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。化學(xué)結(jié)合水用水泥凈漿配合比見(jiàn)表3，采用標(biāo)準(zhǔn)20℃養(yǎng)護(hù)和3種溫度蒸汽養(yǎng)護(hù)，蒸汽養(yǎng)護(hù)恒溫溫度分別為40，60和80℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)軌道板混凝土表面吸水率的影響

對(duì)于采用圖1和圖2所示的試件尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm和尺寸500 mm×500 mm×300 mm的混凝土模擬板上鉆芯試樣的吸水率。由圖1和圖2可以看出:不論是混凝土試件，還是從混凝土模擬板上鉆芯取樣試件，蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下混凝土各齡期表面吸水率均低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土，說(shuō)明蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)改善混凝土表面滲透性是有利的，即可提高混凝土抗水滲透能力。另外，結(jié)果也反映出混凝土模擬板鉆芯試樣吸水率高于混凝土試件，但2種養(yǎng)護(hù)方式下混凝土表面吸水率變化呈相同趨勢(shì)。相同混凝土同時(shí)成型的試件出現(xiàn)這樣的差異，這可能是在鉆芯過(guò)程中對(duì)試樣表面造成了破壞。

2.2 蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)軌道板混凝土抗氯離子滲透性能的影響

表4所示是不同養(yǎng)護(hù)方式下軌道板混凝土抗氯離子滲透測(cè)試結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)軌道板混凝土28 d抗氯離子滲透性能有一定程度的影響，蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土28 d電通量較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土低 94 C，氯離子擴(kuò)散系數(shù)則低 0.9×10－12m2/s，降低幅度分別為10%和21%;而到56 d時(shí)，蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土這2項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試值則基本相同，變化幅度低于4%。

圖1 蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土表面吸水率的影響(混凝土試件)Fig.1 Effect of steam －curing on the surface absorption rate of concrete(concrete sample)

圖2 蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土表面吸水率的影響(模擬板鉆芯試樣)Fig.2 Effect of steam －curing on the surface absorption rate of concrete(sample of analogue slab)

表4 養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土抗?jié)B性的影響Table 4 Effect of curing method on the impermeability of concrete g

一般而言，蒸汽養(yǎng)護(hù)會(huì)降低混凝土抗氯離子滲透能力:Detwiler等人［7］研究發(fā)現(xiàn)，在較高溫度下養(yǎng)護(hù)波特蘭水泥混凝土，會(huì)降低其對(duì)氯離子滲透的抵抗力。彭波［8］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn):與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土相比，蒸養(yǎng)后純水泥混凝土、摻礦渣粉混凝土及摻粉煤灰混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)均有所增加。前述研究中采用的蒸汽養(yǎng)護(hù)恒溫溫度一般較高，蒸汽養(yǎng)護(hù)在加速混凝土強(qiáng)度發(fā)展的同時(shí)對(duì)其孔結(jié)構(gòu)有粗化作用，從而導(dǎo)致其抗氯離子滲透能力下降。本試驗(yàn)中蒸汽養(yǎng)護(hù)最高溫度為46℃，混凝土在蒸養(yǎng)升溫前進(jìn)行3h常溫靜停，對(duì)于水膠比很低的軌道板混凝土而言，其自身強(qiáng)度發(fā)展速率原本就高于相同強(qiáng)度等級(jí)且也采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的箱梁混凝土，在蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度升高到46℃時(shí)其已經(jīng)形成一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土的不利作用得到一定程度抑制;另一方面，研究表明［8－9］，礦渣粉的微集料效應(yīng)有利于水泥水化產(chǎn)物的擴(kuò)散，對(duì)微觀孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有改善作用，同時(shí)其二次水化作用在蒸汽養(yǎng)護(hù)作用下也得到加速，進(jìn)而形成低鈣硅比的C－S－H凝膠，有利于混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的細(xì)化，可在一定程度上抵消蒸汽養(yǎng)護(hù)給混凝土性能帶來(lái)的負(fù)作用。

2.3 蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)水化進(jìn)程的影響

圖3所示是采用與軌道板混凝土相同膠凝材料組成比例的凈漿在不同恒溫條件下的化學(xué)結(jié)合水測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明:蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥－礦渣粉復(fù)合膠凝材料早期水化進(jìn)程有顯著的促進(jìn)作用，而對(duì)膠凝材料后期水化程度影響較小［10］;在28 d前，隨著蒸汽養(yǎng)護(hù)恒溫最高溫度增加，復(fù)合膠凝材料化學(xué)結(jié)合水量大幅提高，且齡期越早其增長(zhǎng)幅度越大;而不同養(yǎng)護(hù)溫度下膠凝材料56 d化學(xué)結(jié)合水量與28 d相比未有顯著增，這與蔣正武等［10］的研究結(jié)果相同。由圖3還可看出，蒸汽養(yǎng)護(hù)最高恒溫溫度為60℃和40℃時(shí)復(fù)合膠凝材料化學(xué)結(jié)合水量并未有顯著差別，但當(dāng)最高恒溫溫度上升到80℃時(shí)，則復(fù)合膠凝材料各齡期化學(xué)結(jié)合水量較40℃和60℃時(shí)均高出約15%。雖然化學(xué)結(jié)合水量越大意味著膠凝材料水化程度越高，但這并不表示蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度越高，膠凝材料性能越好。研究表明［8］，蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度越高，對(duì)水泥基膠凝材料微觀孔結(jié)構(gòu)越不利，會(huì)增加50～200 nm有害孔和大于200 nm多害孔的含量，這對(duì)水泥基材料抗?jié)B性是不利的。同時(shí)，研究表明［9］，當(dāng)蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度超過(guò)70℃時(shí)，水泥基混凝土材料發(fā)生延遲鈣礬石破壞的概率也會(huì)大大增加，會(huì)導(dǎo)致水泥石內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生，降低水泥石的抗?jié)B性能。因此，在滿足水泥基膠凝材料早期性能要求的前提下，應(yīng)盡可能選擇低的蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度，這也是《鐵路混凝土耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］規(guī)定混凝土養(yǎng)護(hù)期間芯部溫度不宜大于60℃的原因之一。

圖3 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥－礦渣粉漿體化學(xué)結(jié)合水量的影響Fig.3 Effect of curing temperature on non － evaporable water of cement－slag paste

圖4 不同養(yǎng)護(hù)溫度下化學(xué)結(jié)合水量變化擬合曲線Fig.4 Fitting curve for non － evaporable water changing under different curing temperature

對(duì)不同最高養(yǎng)護(hù)恒溫溫度下膠凝材料化學(xué)結(jié)合水量變化趨勢(shì)進(jìn)行了擬合，結(jié)果見(jiàn)圖4。由擬合公式的斜率可以看到，越是在水化早期，擬合公式斜率越大;而隨齡期增加，從1 d到28 d，斜率以近40%的幅度遞減;28～56 d齡期斜率下降幅度則為15%。擬合公式中斜率反映了水泥－礦渣粉復(fù)合膠凝材料體系隨養(yǎng)護(hù)溫度增加水化程度的增加幅度，斜率越大，說(shuō)明水化程度增長(zhǎng)越快;反之，說(shuō)明水化程度增長(zhǎng)慢。

3 結(jié)論及建議

(1)試驗(yàn)采用蒸汽養(yǎng)護(hù)制度對(duì)軌道板混凝土早期和后期表面抗水滲透能力均有明顯改善作用;但對(duì)其抗氯離子滲透能力的改善作用則主要體現(xiàn)在早期，而對(duì)后期抗氯離子滲透能力影響不明顯。

(2)蒸汽養(yǎng)護(hù)可顯著加快水泥－礦渣粉復(fù)合膠凝材料體系的水化程度，但從改善其抗?jié)B性和耐久性角度出發(fā)，在滿足軌道板混凝土材料早期性能要求的前提下，宜將蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度控制在60℃以內(nèi)，這也與《鐵路混凝土耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》所規(guī)定混凝土養(yǎng)護(hù)溫度控制值相一致。

軌道板作為高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，直接承受列車動(dòng)荷載，其性能直接關(guān)系整個(gè)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的使用壽命。本文對(duì)軌道板混凝土的抗?jié)B性與蒸汽養(yǎng)護(hù)的關(guān)系進(jìn)行了初步研究，但這僅是軌道板混凝土耐久性指標(biāo)中的一部分，建議進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)蒸汽養(yǎng)護(hù)與軌道板混凝土其他耐久性的相關(guān)性研究工作。

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