機(jī)制砂在高性能混凝土軌枕中的應(yīng)用研究

任陟成

（中鐵十四局集團(tuán)房橋有限公司，北京102400）

1 引言

隨著天然砂資源的枯竭，國家限采政策陸續(xù)出臺(tái)，許多地區(qū)天然砂供應(yīng)短缺，使用機(jī)制砂代替天然砂成為今后發(fā)展的趨勢[1]。鐵路高性能混凝土對(duì)混凝土的工作性能、力學(xué)性能、耐久性能都有嚴(yán)格的要求，機(jī)制砂能否作為細(xì)骨料在鐵路高性能混凝土中使用仍處于研究和探索階段[2]。為了研究機(jī)制砂在軌枕生產(chǎn)中應(yīng)用的可行性，為機(jī)制砂混凝土的使用做好技術(shù)儲(chǔ)備，本文以高性能混凝土軌枕為載體展開試驗(yàn)研究。

2 相關(guān)技術(shù)要求

2.1 軌枕用砂技術(shù)要求

軌枕用砂技術(shù)要求包括：（1）含泥量/石粉含量。天然砂：含泥量不應(yīng)大于1.5%；機(jī)制砂：亞甲藍(lán)值MB＜0.5g/kg 時(shí)，石粉含量≤15.0%；0.5g/kg≤MB≤1.4g/kg 時(shí)，石粉含量≤5.0%；MB＞1.4g/kg 時(shí)，石粉含量≤2.0%。（2）堿活性：不應(yīng)使用具有堿-碳酸鹽反應(yīng)或砂漿棒膨脹率（快速法）大于等于0.2%的堿-硅酸鹽反應(yīng)活性的骨料。（3）級(jí)配及細(xì)度模數(shù)要求：宜為II 區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)符合2.3～3.0，級(jí)配要求如表1 所示。

表1 砂的級(jí)配要求

2.2 軌枕技術(shù)要求

2.2.1 混凝土技術(shù)要求

混凝土技術(shù)要求包括：（1）混凝土中膠凝材料總量不超過500kg/m3；（2）混凝土內(nèi)總堿含量不應(yīng)大于3.0kg/m3；（3）混凝土氯離子含量不應(yīng)大于膠凝材料總量的0.06%；（4）混凝土中三氧化硫含量不應(yīng)大于膠凝材料總量的4.0%。

2.2.2 混凝土性能指標(biāo)

混凝土性能指標(biāo)包括：（1）工作性：混凝土增實(shí)因數(shù)在1.05～1.40；（2）力學(xué)性能：強(qiáng)度等級(jí)為C60，出池強(qiáng)度≥45MPa，出池彈性模量≥33.5GPa；28d 強(qiáng)度≥60MPa，28d 彈性模量≥36.0GPa[3]；（3）耐久性：混凝土電通量不應(yīng)大于1200C；混凝土56d 氯離子擴(kuò)散系數(shù)不大于8×10-12m2/s；混凝土抗凍試件在凍融循環(huán)300 次后，重量損失不大于5.0%，相對(duì)動(dòng)彈性模量不應(yīng)低于60%。

2.2.3 軌枕生產(chǎn)及性能要求

軌枕生產(chǎn)及性能要求包括：

1）養(yǎng)護(hù)要求：在溫度5～35℃的環(huán)境中靜停3h，升溫不少于1h，升溫速度不大于15℃/h，恒溫為10h，溫度48℃±2℃，降溫不少于1h，降溫速度不大于15℃/h，總養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于15h，出坑時(shí)的軌枕表面與外界環(huán)境溫度之差不大于15℃。

2）靜載抗裂要求：脫模后24～48h 進(jìn)行靜載試驗(yàn)，軌下荷載210kN，枕中荷載162kN，恒載180s，整個(gè)加載過程中用5 倍放大鏡觀測軌枕兩側(cè)受拉區(qū)未出現(xiàn)裂紋即為合格。

3）疲勞性能：齡期28d 后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，疲勞荷載下，循環(huán)加載200 萬次，卸荷回零后5min，受拉區(qū)下緣鋼絲處的殘余裂縫寬度不得大于0.05mm；疲勞破壞荷載以枕彎曲裂縫寬度達(dá)1.5mm 或出現(xiàn)斜裂縫時(shí)的荷載值。

3 原材料

原材料包括如下幾種：

1）水泥：采用北京金隅琉水環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的P·O 42.5 低堿水泥，基本性能如表2 所示。2）礦粉：采用河北銀水實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的S95 礦粉。3）河砂：采用行唐市新樂縣輝育沙廠生產(chǎn)的天然河砂，為II 區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.7，基本性能如表3 所示。

4）機(jī)制砂：采用阜平煜臻塬礦產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的細(xì)度模數(shù)2.7 的II 區(qū)中砂，基本性能如表3 所示。天然砂、機(jī)制砂的級(jí)配情況如圖1 所示，均符合II 區(qū)中砂的要求。

5）碎石：采用淶水利環(huán)礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的5～20mm 連續(xù)級(jí)配碎石，巖石抗壓強(qiáng)度146MPa，無堿骨料反應(yīng)。

6）減水劑：采用北京楊洋潤滑科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑。

表2 水泥性能

表3 砂的性能

圖1 砂的級(jí)配曲線

4 混凝土試驗(yàn)與軌枕試制

4.1 混凝土試驗(yàn)

4.1.1 混凝土配合比及工作性能

以房橋公司軌枕生產(chǎn)用配合比為基礎(chǔ)進(jìn)行試驗(yàn)研究。表3 中HS 為軌枕生產(chǎn)用配合比，JZS-1 為機(jī)制砂等量替代河砂的配合比；JZS-2 為將機(jī)制砂中石粉等量替代礦粉，去除石粉后的機(jī)制砂等量替代河砂的配合比；JZS-3 為將機(jī)制砂中石粉等量替代水泥，去除石粉后的機(jī)制砂等量替代河砂的配合比；具體數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 混凝土配合比

各混凝土按配合比要求拌和。JZS-1 減水劑摻量為4.80kg/m3時(shí)，混凝土增實(shí)因數(shù)為1.37 大于HS 增實(shí)因數(shù)1.27，混凝土偏干，但符合TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》中增實(shí)因數(shù)1.05～1.40 要求。將摻量調(diào)節(jié)至5.52kg/m3時(shí)，該配比增實(shí)因數(shù)為1.26，與HS 配合比增實(shí)因數(shù)相當(dāng)。JZS-2、JZS-3 增實(shí)因數(shù)與河砂混凝土相當(dāng)，和易性較好。

4.1.2 力學(xué)性能

1）抗壓強(qiáng)度

混凝土試件成型后，按照?qǐng)D2 進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)。蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后將混凝土試件轉(zhuǎn)入標(biāo)養(yǎng)室（溫度20℃±2℃，相對(duì)濕度≥95%）。混凝土試件各齡期抗壓強(qiáng)度如圖3 所示。

由圖3 可知，JZS-1、JZS-2 出池、3d、7d、28d 強(qiáng)度略高于HS，56d 強(qiáng)度與HS 相差不大；JZS-3 出池、3d、7d、28d、56d 強(qiáng)度略低HS。JZS-1、JZS-2、JZS-3 3 組配合比均能滿足TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》及TB/T 2190—2013《混凝土枕》對(duì)軌枕出池強(qiáng)度不小于45MPa、28d 強(qiáng)度不小于60MPa 的要求。

圖2 混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)要求

圖3 混凝土試件抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)果分析：（1）JZS-1、JZS-2 在28d 齡期前強(qiáng)度略高于HS，一方面與機(jī)制砂顆粒形狀不規(guī)則，棱角多，比表面積大，早期與水泥反應(yīng)更加充分有關(guān)，另一方面與石粉對(duì)水泥水化反應(yīng)的促進(jìn)作用有關(guān)。（2）JZS-3 各齡期強(qiáng)度略低于河砂，在于機(jī)制砂中的石粉取代水泥，相當(dāng)于配比設(shè)計(jì)中變相減少了水泥用量，早期強(qiáng)度偏低，后期強(qiáng)度雖有增長，仍低于同齡期的HS。

2）彈性模量

混凝土試件彈性模量如圖4 所示。

圖4 混凝土試件彈性模量

由圖4 可知，JZS-1、JZS-2 出池、28d 彈性模量略高于HS，56d 彈性模量與HS 相差不大；JZS-3 出池、28d、56d 彈性模量略低HS。JZS-1、JZS-2、JZS-3 3 組配合比中最小出池彈性模量為35.5GPa，28d 彈性模量為40.5GPa，均能滿足TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》及TB/T 2190—2013《混凝土枕》中出池彈性模量不小于33.5GPa，28d 彈性模量不小于36.0MPa 的要求。

試驗(yàn)結(jié)果分析：機(jī)制砂混凝土彈性模量與河砂混凝土彈性模量發(fā)展規(guī)律一致，均與混凝土強(qiáng)度成正比關(guān)系。

4.1.3 耐久性

根據(jù)TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》及TB/T 2190—2013《混凝土枕》，取56d 混凝土試件進(jìn)行電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、抗凍性（經(jīng)過300 次反復(fù)凍融循環(huán)）檢測，試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

由表5 可知，機(jī)制砂混凝土電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和抗凍性能均滿足TB/T 2190—2013《混凝土枕》中，電通量小于1 200C，氯離子擴(kuò)散系數(shù)不大于8×10-12m2/s，經(jīng)過300 次反復(fù)凍融循環(huán)相對(duì)動(dòng)彈性模量不小于60%，質(zhì)量損失不大于5%的技術(shù)要求。

表5 混凝土耐久性能

由混凝工作性能、力學(xué)性能、耐久性能試驗(yàn)結(jié)果可知，JZS-1 混凝土增實(shí)因數(shù)偏大，經(jīng)減水劑調(diào)整，混凝土工作性可滿足使用要求，該配比下混凝土強(qiáng)度、彈性模量比對(duì)應(yīng)河砂配比高；JZS-2 增實(shí)因數(shù)與河砂混凝土相當(dāng)，工作性好，不需要調(diào)整減水劑即能滿足使用要求，該配比下混凝土強(qiáng)度、彈性模量比對(duì)應(yīng)河砂配比略高；JZS-3 混凝土增實(shí)因數(shù)與河砂混凝土相當(dāng)，工作性好，不需要調(diào)整減水劑即能滿足使用要求，該配比下混凝土強(qiáng)度、彈性模量比對(duì)應(yīng)河砂配比略低。JZS-1、JZS-2、JZS-3 耐久性指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)比3 組配合比方案，JZS-2 方案優(yōu)于JZS-1、JZS-2 2 個(gè)方案。

4.2 軌枕試制與性能檢測

為了尋求符合機(jī)制砂混凝土軌枕生產(chǎn)的施工工藝，取HS、JZS-1、JZS-2 3 個(gè)配比方案進(jìn)行軌枕試制。

4.2.1 生產(chǎn)工藝

河砂混凝土配合比采用房橋公司軌枕生產(chǎn)用配合比（HS），原材料與試驗(yàn)用原材料一致，機(jī)制砂配合比采用JZS-1、JZS-2 2 種配合比方案。

以IIIa 型軌枕為例進(jìn)行試制。主要生產(chǎn)步驟為：（1）模具清理，鋼絲下料、入模；（2）鋼絲張拉，箍筋安放；（3）混凝土拌和；（4）下灰布料，初次振動(dòng)；（5）二次振動(dòng)（加壓振）；（6）枕底清理；（7）蒸汽養(yǎng)護(hù)；（8）脫模、檢驗(yàn)。軌枕生產(chǎn)工藝流程如圖5 所示。

圖5 軌枕生產(chǎn)流程圖

4.2.2 混凝土性能

現(xiàn)場試制結(jié)果與試驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果一致。

4.2.3 結(jié)構(gòu)性能

試制生產(chǎn)的機(jī)制砂混凝土軌枕表面光滑，無粘皮、麻面、蜂窩等質(zhì)量缺陷，與河砂混凝土軌枕無明顯差別。

1）靜載抗裂性能

試驗(yàn)設(shè)備：軌枕靜載試驗(yàn)機(jī)、5 倍放大鏡。

試驗(yàn)方法：試驗(yàn)應(yīng)在軌枕脫模后24～48h 進(jìn)行。試壓時(shí)，軌枕位置放置準(zhǔn)確。試驗(yàn)過程中加載速度不大于1 000N/s 均勻加載，加載到30%～40%的檢驗(yàn)荷載值時(shí)，對(duì)試驗(yàn)狀態(tài)及支距尺寸（見圖6、圖7）進(jìn)行檢查，確認(rèn)正確后繼續(xù)加載至檢驗(yàn)荷載，恒載180s，在整個(gè)加載過程中用5 倍放大鏡觀測軌枕兩側(cè)受拉區(qū)是否開裂，如發(fā)現(xiàn)非原始裂紋，按開裂鍵，即為該試驗(yàn)點(diǎn)在該荷載值時(shí)開裂。

圖6 軌下靜載抗裂試驗(yàn)

圖7 枕中靜載抗裂試驗(yàn)

結(jié)果判定：枕中加載至162kN，軌下加載至210kN，恒載180s，整個(gè)加載過程中未出現(xiàn)裂紋即為合格。靜載合格繼續(xù)加載，直到軌枕表面出現(xiàn)裂紋時(shí)記錄破壞荷載。靜載試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 軌枕靜載試驗(yàn)結(jié)果

由表6 可知，機(jī)制砂軌枕靜載抗裂性能滿足設(shè)計(jì)要求。

2）疲勞抗裂性能

試驗(yàn)設(shè)備：疲勞試驗(yàn)機(jī)、20 倍放大鏡。

試驗(yàn)方法：試驗(yàn)應(yīng)在混凝土28d 齡期后進(jìn)行。疲勞荷載下，循環(huán)加載200 萬次，卸荷回零后5min，受拉區(qū)下緣鋼絲處的殘余裂縫寬度不得大于0.05mm；疲勞破壞荷載以枕彎曲裂縫寬度達(dá)1.5mm 或出現(xiàn)斜裂縫時(shí)的荷載值計(jì)。

疲勞荷載循環(huán)特征值

式中，Pmin為疲勞荷載的最小值，Pmax為疲勞荷載的最大值。IIIa型軌枕正彎矩最大值和最小值為230kN 和46kN，負(fù)彎矩最大值和最小值為180kN 和36kN。

結(jié)果判定：軌枕經(jīng)疲勞試驗(yàn)，殘余裂縫寬度不大于0.05mm；疲勞破壞強(qiáng)度不低于80%的設(shè)計(jì)破壞強(qiáng)度即為合格。疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示。

由表7 可知，經(jīng)200 萬次疲勞加載，機(jī)制砂混凝土軌枕的疲勞抗裂性能與河砂混凝土軌枕的疲勞性能差別不大，均能滿足TB/T 2190—2013《混凝土枕》的要求。

表7 軌枕疲勞試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

機(jī)制砂混凝土試驗(yàn)表明：（1）采用機(jī)制砂試配的高性能混凝土滿足軌枕生產(chǎn)要求。（2）機(jī)制砂顆粒形狀不規(guī)則，棱角多，比表面積大，前期水化反應(yīng)更加充分。機(jī)制砂等量替代河砂配制的混凝土在28d 齡期前強(qiáng)度、彈性模量高于河砂混凝土。（3）機(jī)制砂混凝土彈性模量發(fā)展規(guī)律與河砂混凝土一致，均與混凝土強(qiáng)度成正比關(guān)系。（4）機(jī)制砂等量替代河砂配合比方案混凝土增實(shí)因數(shù)偏大，經(jīng)減水劑調(diào)整，混凝土工作性可滿足使用要求，施工生產(chǎn)順暢。（5）將機(jī)制砂中的石粉等量替代礦粉，去除石粉后的機(jī)制砂等量替代河砂的配合比方案，混凝土狀態(tài)好、性能穩(wěn)定、可操作性強(qiáng)，生產(chǎn)順暢，優(yōu)于其他方案。

機(jī)制砂軌枕試制與性能試驗(yàn)表明：（1）機(jī)制砂混凝土軌枕可采用河砂混凝土軌枕的施工工藝；（2）機(jī)制砂混凝土軌枕表面光滑，強(qiáng)度指標(biāo)、靜載抗裂性能、疲勞性能均能滿足設(shè)計(jì)要求。