預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕C60混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊富民，孫成曉

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京 102206)

預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕C60混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊富民1，孫成曉2

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京 102206)

采用對(duì)比試驗(yàn)方法研究了預(yù)應(yīng)力軌枕混凝土在摻加15%礦渣粉前后的各項(xiàng)性能，并分析了礦渣粉在蒸養(yǎng)環(huán)境下的作用機(jī)理。結(jié)果表明:在相同蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，預(yù)應(yīng)力軌枕混凝土在摻加礦渣粉后，混凝土脫?？箟簭?qiáng)度和28d抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土分別提高8.8%和12.5%;軌枕芯部溫度降低3.4℃，滿足規(guī)范要求;脫模彈性模量降低4.4%，28d彈性模量降低3.6%，軌枕靜載抗裂性能得到提高。摻加礦渣粉的高強(qiáng)混凝土各項(xiàng)耐久性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

礦渣粉 軌枕 芯部溫度 抗壓強(qiáng)度

目前混凝土軌枕生產(chǎn)多采用干硬性混凝土，生產(chǎn)的軌枕構(gòu)件具有幾何尺寸準(zhǔn)確、強(qiáng)度高、密度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)。但在混凝土軌枕生產(chǎn)過程中也會(huì)出現(xiàn)軌枕壓制不密實(shí)、色差明顯、強(qiáng)度離散性大、缺邊掉角等問題［1］，并且現(xiàn)階段軌枕混凝土使用的水泥多為強(qiáng)度等級(jí)較高的52.5普通硅酸鹽水泥，膠凝材料用量較大。為了降低混凝土軌枕生產(chǎn)成本，控制軌枕的質(zhì)量和外觀，應(yīng)采用科學(xué)有效的質(zhì)量控制措施。

鑒于此，結(jié)合混凝土軌枕構(gòu)件的性能特點(diǎn)，在前期通過原材料篩選、綜合分析各因素得出的合理配合比的基礎(chǔ)上，采用對(duì)比試驗(yàn)，研究在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，預(yù)應(yīng)力軌枕混凝土中摻加一定量的礦渣粉對(duì)其抗壓強(qiáng)度、彈性模量、軌枕芯部溫度以及各項(xiàng)耐久性能指標(biāo)的影響。試驗(yàn)結(jié)果可為北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司的C60高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕生產(chǎn)起到指導(dǎo)作用。

1 原材料及配合比

水泥為邯鄲金隅P·O42.5普通硅酸鹽水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量26.7%，其余各項(xiàng)指標(biāo)符合TB/T3275—2011［2］要求，見表1。細(xì)骨料為普通中砂，細(xì)度模數(shù)3.0，性能指標(biāo)見表2。粗骨料為邢臺(tái)產(chǎn)5～25mm連續(xù)級(jí)配碎石，性能指標(biāo)見表3;礦渣粉為邢臺(tái)超巖建材有限公司產(chǎn)S95級(jí)礦渣粉，性能指標(biāo)符合TB/T 3275—2011要求，見表4;水為普通自來水，符合TB/T 3275—2011要求，見表5;減水劑為河北東宏建材科技有限責(zé)任公司產(chǎn)聚羧酸減水劑，減水率＞30%，其它指標(biāo)符合GB8076—2008要求。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 細(xì)骨料性能指標(biāo)

表3 粗骨料性能指標(biāo)

表4 礦渣粉性能指標(biāo)

表5 拌合用水性能指標(biāo)

為了研究礦渣粉對(duì)預(yù)應(yīng)力軌枕混凝土性能的影響，設(shè)計(jì)了兩組混凝土:試驗(yàn)組和對(duì)照組。兩組混凝土的膠凝材料用量、砂率、養(yǎng)護(hù)制度均保持一致，由于摻加礦渣粉后，混凝土和易性改善，為保證混凝土入模狀態(tài)相同，減少試驗(yàn)組混凝土用水量。經(jīng)試配試驗(yàn)，確定礦渣粉摻量為15%，優(yōu)化后的混凝土配合比見表6。

表6 混凝土配合比kg/m3

2 試驗(yàn)方法

2.1 混凝土試件成型及養(yǎng)護(hù)工藝

根據(jù)設(shè)計(jì)配合比，參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)［3］中規(guī)定的方法進(jìn)行攪拌、成型。試驗(yàn)時(shí)混凝土拌和物稠度以增實(shí)因數(shù)表示，增實(shí)因數(shù)應(yīng)為1.40～1.25。養(yǎng)護(hù)制度采用蒸汽養(yǎng)護(hù)［4］，具體步驟:

1)靜停。在5～35℃溫度下，保證混凝土拌和物入模溫度為5～30℃，靜置3 h。

2)升溫。在2 h內(nèi)升溫至設(shè)定溫度，升溫速率≤15℃/h。

3)恒溫。養(yǎng)護(hù)溫度為50℃，恒溫養(yǎng)護(hù)10 h。

4)降溫。降溫速率≤15℃/h。

養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，軌枕表面與外部環(huán)境的溫度差≤15℃。軌枕脫模后，進(jìn)行3 d濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)。

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

力學(xué)性能試驗(yàn)包括混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和彈性模量試驗(yàn)，強(qiáng)度試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，彈性模量試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm?；炷猎嚰c軌枕同條件養(yǎng)護(hù)。試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T 50081—2002中的規(guī)定，28 d齡期抗壓強(qiáng)度是試塊經(jīng)過蒸養(yǎng)脫模后轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d后測(cè)試的強(qiáng)度。

2.3 枕芯溫度測(cè)試

以Ⅲa型枕作為試驗(yàn)對(duì)象，在養(yǎng)護(hù)池內(nèi)測(cè)定軌枕內(nèi)外溫度，養(yǎng)護(hù)池配有自動(dòng)溫控系統(tǒng)。測(cè)溫元件采用檢定合格的Pt100鉑電阻，試驗(yàn)時(shí)除測(cè)溫傳感元件外，將Pt100鉑電阻其余部分均用絕緣膠帶包裹，并固定植入軌枕中部，具體位置見圖1。

圖1 Ⅲa型枕測(cè)溫傳感元件布置(單位:cm)

2.4 軌枕靜載抗裂性能試驗(yàn)

依據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土枕靜載抗裂試驗(yàn)辦法》(TB/T 1879—2002)［5］相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

經(jīng)過多次試驗(yàn)，隨機(jī)抽取20組脫模抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)予以分析，結(jié)果見圖2和圖3。

從圖2和圖3可以看出:在50℃蒸養(yǎng)條件下兩組混凝土脫模抗壓強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求(C60預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕要求脫?？箟簭?qiáng)度大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%，即＞45 MPa)，且28 d抗壓強(qiáng)度均超過C60混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度。試驗(yàn)組和對(duì)照組混凝土平均脫?？箟簭?qiáng)度分別為59.5 MPa和54.7 MPa，試驗(yàn)組比對(duì)照組提高8.8%;試驗(yàn)組和對(duì)照組混凝土28 d平均抗壓強(qiáng)度分別為70.4 MPa和62.6 MPa，試驗(yàn)組比對(duì)照組提高12.5%。

高溫養(yǎng)護(hù)能明顯縮短礦渣膠凝材料水化誘導(dǎo)期，激發(fā)礦渣活性，加快早期水化反應(yīng)速率，高溫養(yǎng)護(hù)亦使礦渣復(fù)合膠凝材料早期硬化漿體結(jié)構(gòu)更致密，孔結(jié)構(gòu)明顯改善，孔隙率降低，粗孔比例減少［6］，從而導(dǎo)致對(duì)照組混凝土強(qiáng)度有所提高。適當(dāng)?shù)靥岣唣B(yǎng)護(hù)溫度有利于礦渣活性的提高，但溫度不能過高，溫度過高反而不利于礦渣粉活性的激發(fā)，因此，對(duì)摻礦渣粉的蒸養(yǎng)混凝土存在溫度匹配的問題。經(jīng)過試驗(yàn)得出，50℃條件下養(yǎng)護(hù)對(duì)礦粉活性激發(fā)較適宜。

3.2 彈性模量

彈性模量是混凝土的重要力學(xué)性能指標(biāo)，反映了混凝土所受應(yīng)力與所產(chǎn)生應(yīng)變之間的關(guān)系，是控制結(jié)構(gòu)變形、裂縫開展和溫度應(yīng)力的參數(shù)之一。根據(jù)多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，試驗(yàn)組和對(duì)照組脫模彈性模量和28 d彈性模量見表7。

圖2 混凝土脫?？箟簭?qiáng)度

圖3 混凝土28 d抗壓強(qiáng)度

表7 混凝土彈性模量×104MPa

摻加15%礦渣粉后，試驗(yàn)組混凝土比對(duì)照組脫模彈性模量降低4.4%，28 d彈性模量降低3.6%?；炷撩撃椥阅Ａ拷档?，脫模時(shí)軌枕表面裂縫減少。在軌枕生產(chǎn)過程中亦發(fā)現(xiàn)，摻加礦渣粉后軌枕磕肩掉角現(xiàn)象明顯減少。

3.3 蒸養(yǎng)條件下軌枕枕芯溫度

混凝土軌枕采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，是一種加速混凝土強(qiáng)度發(fā)展的硬化工藝，但在加速水泥石形成的同時(shí)，也產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)破壞。以IIIa型枕作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，蒸養(yǎng)全過程中軌枕芯部溫度、養(yǎng)護(hù)溫度與養(yǎng)護(hù)池內(nèi)環(huán)境溫度的曲線見圖4。

圖4 軌枕芯部溫度、養(yǎng)護(hù)溫度和環(huán)境溫度曲線

由圖4可見:

1)根據(jù)規(guī)范要求，軌枕芯部溫度不得超過60℃。在養(yǎng)護(hù)溫度50℃條件下，試驗(yàn)組混凝土軌枕芯部最高溫度為57.5℃，而對(duì)照組混凝土軌枕芯部最高溫度為60.9℃，超過規(guī)范要求。

2)試驗(yàn)組混凝土在恒溫養(yǎng)護(hù)2 h后芯部溫度達(dá)到最大值，比對(duì)照組混凝土達(dá)到最高芯部溫度時(shí)提前1 h，這是由于在50℃蒸養(yǎng)條件下，礦粉活性得到激發(fā)，參與水化反應(yīng)時(shí)放出較多的水化熱，提高了軌枕芯部溫度。達(dá)到最高芯部溫度后，試驗(yàn)組混凝土芯部溫度有下降趨勢(shì)，而對(duì)照組芯部溫度持續(xù)至恒溫養(yǎng)護(hù)結(jié)束。

3)降溫階段的降溫速率較慢，最大降溫速率為10.0℃/h。降溫速率緩慢將會(huì)延長(zhǎng)軌枕生產(chǎn)周期，降低軌枕產(chǎn)量，因此，在規(guī)范要求條件下采取合理物理手段，加快降溫速率，并協(xié)調(diào)與環(huán)境溫度之間的關(guān)系。

3.4 軌枕靜載抗裂性能

該試驗(yàn)在對(duì)照組和試驗(yàn)組兩種配合比中隨機(jī)抽取3根外觀質(zhì)量合格的軌枕(Ⅲa型)，在軌枕脫模后24～48 h內(nèi)完成。結(jié)果見表8。

表8 Ⅲa型軌枕靜載抗裂性能

從表8可以看出:按試驗(yàn)組混凝土配合比生產(chǎn)的軌枕枕下平均開裂強(qiáng)度較對(duì)照組提高了10%，枕中開裂強(qiáng)度提高了10%。說明摻加礦渣粉在一定程度上提高了軌枕的韌性，改善了混凝土構(gòu)件的脆性特征。

3.5 耐久性

混凝土耐久性是指在預(yù)定的作用和預(yù)期的使用與維護(hù)條件下，混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)保持其適用性和安全性的能力［7］。為驗(yàn)證礦渣粉對(duì)軌枕混凝土耐久性能的作用效果，按照GB/T 50082—2009的要求成型混凝土試件［8］，對(duì)摻加礦渣粉的軌枕混凝土各項(xiàng)耐久性指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見表9。

表9 試驗(yàn)組混凝土各項(xiàng)耐久性指標(biāo)

由表9可見，混凝土各項(xiàng)耐久性指標(biāo)均滿足《鐵路混凝土》(TB/T 3275—2011)要求。這是由于礦渣粉的填充效應(yīng)能夠改善軌枕混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，阻止可能的滲透通道形成，從而增強(qiáng)了軌枕混凝土抗氯離子滲透性能;另一方面礦渣粉的填充效應(yīng)使軌枕混凝土內(nèi)部更加密實(shí)，減小了孔徑尺寸，降低了水飽和程度及冰點(diǎn)，提高了混凝土抗凍性能［9-11］。

4 結(jié)論

1)與純水泥混凝土相比，礦渣粉加入后混凝土脫模抗壓強(qiáng)度提高8.8%，28 d抗壓強(qiáng)度提高12.5%，滿足強(qiáng)度等級(jí)C60混凝土的設(shè)計(jì)要求。

2)摻加礦渣粉后，混凝土脫模彈性模量和28 d彈性模量比基準(zhǔn)混凝土分別降低4.4%和3.6%，彈性模量降低，軌枕表面裂縫減少，在軌枕生產(chǎn)過程中磕肩掉角現(xiàn)象減少。

3)摻加礦渣粉后，混凝土芯部溫度比純水泥混凝土降低3.4℃，滿足規(guī)范要求。

4)礦渣粉的加入提高了混凝土軌枕的靜載抗裂強(qiáng)度。

5)摻加礦渣粉的高強(qiáng)混凝土各項(xiàng)耐久性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

6)以礦渣粉取代一定量的水泥，可降低軌枕的生產(chǎn)成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］汪加蔚，白玲.我國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕生產(chǎn)工藝綜述［J］.混凝土世界，2013(8):38-49.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T 3275—2011鐵路混凝土［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2011.

［3］中華人民共和國(guó)建設(shè)部，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T 500081—2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T 2190—2013混凝土枕［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2013.

［5］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T 1879—2002預(yù)應(yīng)力混凝土枕靜載抗裂試驗(yàn)辦法［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2002.

［6］鞏壽輝，苑彥云.新型混凝土軌枕的研制和應(yīng)用［J］.河北煤炭，2003(3):53-54.

［7］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10005—2010鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2010.

［8］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 50082—2009普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

［9］陳松，劉汝生，王起才.普通硅酸鹽水泥水化熱影響因素試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2014(6):159-161.

［10］蒙瑋，汪興達(dá)，莊慶平，等.礦物摻合料對(duì)箱梁混凝土長(zhǎng)期變形性能的影響研究［J］.鐵道建筑，2014(9):134-136.

［11］曹秀麗，曹志翔，喻驍.凍融循環(huán)對(duì)混凝土質(zhì)量損失及相對(duì)動(dòng)彈模量影響的試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2013(3):125-127.

Optimum design on mix proportion of C60 concrete in prestressed concrete sleeper

YANG Fumin1，SUN Chengxiao2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Beijing Tieke Shougang Rail-tech Co.，Ltd.，Beijing 102206，China)

Performance of the prestressing sleeper concrete before and after mixing 15%slag powder was studied by using comparative test，and the action mechanism of slag powders under steam curing environment was analyzed. The results showed that concrete demolding and28d compressive strength increased by 8.8%and12.5% respectively higher than the reference concrete under the same steam curing conditions after mixing slag powder into prestressing sleeper concrete，sleeper core temperature decreased by 3.4℃which meets the specification requirements，sleeper static load crack resistance is improved with the demolding elastic modulus decreasing by 4.4% and28d elastic modulus decreasing by 3.6%.Each durability performance index of high strength concrete mixed with slag powder meets the specification requirements.

Slag powder;Sleeper;Core temperature;Compressive strength

TU528.31

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.31

1003-1995(2015)01-0141-05

(責(zé)任審編 葛全紅)

2014-11-20;

2014-12-10

楊富民(1976—)，男，黑龍江賓縣人，副研究員，碩士。