礦物摻合料復(fù)合助養(yǎng)劑對(duì)蒸養(yǎng)混凝土脫模強(qiáng)度的影響

陶葉平，田川嶺，儲(chǔ)天月，方建亮，崔德水，孫成曉

1.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司工程質(zhì)量監(jiān)督站，上海 200071；2.上鐵蕪湖軌道板有限公司，安徽 蕪湖 241012

CRTS Ⅲ型軌道板是結(jié)合高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無(wú)砟軌道受力特點(diǎn)和我國(guó)南北差異較大的環(huán)境條件而研制的一種雙向預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板［1］。軌道板生產(chǎn)采用集中化生產(chǎn)、工廠化預(yù)制，原材料、生產(chǎn)工藝和管理控制的統(tǒng)一性有利于軌道板生產(chǎn)質(zhì)量控制。由于蒸汽養(yǎng)護(hù)可顯著提高混凝土早期強(qiáng)度，縮短構(gòu)件生產(chǎn)周期，且蒸汽養(yǎng)護(hù)在一定程度上改善了軌道板外觀質(zhì)量，現(xiàn)階段軌道板生產(chǎn)企業(yè)多采用蒸汽養(yǎng)護(hù)進(jìn)行軌道板生產(chǎn)。在軌道板生產(chǎn)中礦物摻合料的的應(yīng)用已成為改善軌道板拌合物性能和提高混凝土力學(xué)性能和耐久性能的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。研究表明：質(zhì)量?jī)?yōu)良的活性礦物摻合料提供的強(qiáng)度貢獻(xiàn)率可以達(dá)到20～63%，特別是在采用蒸養(yǎng)混凝土中，其配制的混凝土性能和技術(shù)效果將更佳［2］。

為縮短軌道板養(yǎng)護(hù)周期，加快模具周轉(zhuǎn)效率，軌道板生產(chǎn)企業(yè)除采用蒸汽養(yǎng)護(hù)措施外，還采取了其他的措施如使用專用復(fù)合摻合料、早強(qiáng)型減水劑或強(qiáng)度等級(jí)高的水泥等，在一定程度上進(jìn)一步提高了混凝土的早期強(qiáng)度。同時(shí)，有些科研單位研制了以激發(fā)水泥或摻合料水化進(jìn)程為作用機(jī)理的復(fù)合型材料（簡(jiǎn)稱“助養(yǎng)劑”）用于提高預(yù)制構(gòu)件脫模強(qiáng)度。本文結(jié)合實(shí)際研究了單摻礦物摻合料、礦物摻合料和助養(yǎng)劑復(fù)配對(duì)混凝土脫模強(qiáng)度的影響。

1 原材料

表1 水泥性能指標(biāo)

水泥：采用安徽海螺水泥股份有限公司白馬山水泥廠P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥。水泥的各項(xiàng)指標(biāo)見表1；粗骨料：5～20mm 連續(xù)級(jí)配碎石，含泥量為0.3%，壓碎值為7%；細(xì)骨料：普通中砂，細(xì)度模數(shù)2.5，含泥量0.8%；粉煤灰：I 級(jí)，比表面積為600m2/kg，28d 活性指數(shù)超過(guò)95%，需水量比為80%；磨細(xì)礦渣粉：比表面積為850m2/kg，28d 活性指數(shù)為110%，硅灰：采用甘肅三遠(yuǎn)硅材料有限公司生產(chǎn)的硅灰，比表面積17m2/g，SiO2含量為90%；減水劑：選用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸減水劑，減水率27%；助養(yǎng)劑：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院自主研發(fā)的TK-850 和TK-851 型助養(yǎng)劑，部分性能指標(biāo)見表2。

表2 助養(yǎng)劑性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)過(guò)程

將粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉、硅灰和助養(yǎng)劑按一定比例單摻或復(fù)摻取代水泥，與其它材料拌制混凝土制成150mm×150mm×150mm 立方體試塊，再經(jīng)蒸汽養(yǎng)護(hù)后測(cè)定其抗壓強(qiáng)度。

2.1 養(yǎng)護(hù)制度

根據(jù)《高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無(wú)砟軌道先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板》（Q/CR567-2017）［3］標(biāo)準(zhǔn)要求，制定靜停3h，升溫10℃/h，36℃恒溫9h，降溫2h 的蒸汽養(yǎng)護(hù)制度。

2.2 混凝土成型與試驗(yàn)方法

（1）控制混凝土坍落度在80mm±10mm，混凝土含氣量在2.0～3.0%之間。

（2）振動(dòng)時(shí)間：室內(nèi)試驗(yàn)混凝土振動(dòng)時(shí)間與軌道板生產(chǎn)振動(dòng)時(shí)間一致，振動(dòng)時(shí)間為3min。

（3）抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）中關(guān)于抗壓強(qiáng)度的測(cè)試規(guī)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 摻合料對(duì)軌道板混凝土脫模強(qiáng)度的影響

在對(duì)國(guó)內(nèi)幾家軌道板生產(chǎn)企業(yè)實(shí)地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，軌道板混凝土膠凝材料用量基本保持在450～480kg/m3，礦物摻合料的摻加比例控制在15%以內(nèi)。試驗(yàn)中分別對(duì)3 種礦物摻合料進(jìn)行單摻混凝土試驗(yàn)，研究3 種礦物摻合料對(duì)混凝土脫模強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)配合比及脫模強(qiáng)度見表3。膠凝材料總量為450kg/m3，砂率36%，水膠比為 0.29，減水劑摻量為1.2%（膠凝材料總量）。

表3 混凝土配合比及脫模強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

從表3 中數(shù)據(jù)可以看出，摻入粉煤灰后，混凝土脫模強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而降低，且降低幅度較大，粉煤灰摻量為5%時(shí)脫模強(qiáng)度為42.3MPa，較基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度降低2.5%，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到15%時(shí)，混凝土脫模強(qiáng)度僅為38.7MPa，較基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度降低了10.8%，因此，粉煤灰對(duì)蒸養(yǎng)混凝土的脫模強(qiáng)度存在不利影響。摻入磨細(xì)礦渣粉后，摻量為10%時(shí)混凝土的脫模強(qiáng)度達(dá)到最大，脫模強(qiáng)度為46.3MPa，隨著磨細(xì)礦渣粉摻量的提高，混凝土脫模強(qiáng)度降低。對(duì)比粉煤灰和磨細(xì)礦渣粉2 種摻合料的混凝土試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)混凝土中摻入一定量的硅灰對(duì)混凝土脫模強(qiáng)度的提高最為明顯，當(dāng)硅灰摻量為6%時(shí)，混凝土脫模強(qiáng)度最高，為46.5MPa。3 種礦物摻合料對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的影響規(guī)律各有不同，粉煤灰本身沒(méi)有強(qiáng)度且早期水化速率較低，除少量粉煤灰與氫氧化鈣及熟料水化生產(chǎn)Ca/Si 的水化硅酸鈣發(fā)生反應(yīng)，其余大量粉煤灰僅充當(dāng)了填料增大了混凝土密實(shí)度，對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度基本沒(méi)有影響，反而會(huì)因取代部分水泥而造成混凝土強(qiáng)度的降低［4］。磨細(xì)礦渣粉的摻入對(duì)混凝土脫模強(qiáng)度有提高作用，這是由于磨細(xì)礦渣粉本身具有一定的強(qiáng)度，且達(dá)到一定比表面積后，水化速度超過(guò)粉煤灰，在早期硬化的水泥漿體中部分礦渣粉水化生成了C-S-H 凝膠，未參與水化部分填充了混凝土內(nèi)部空隙，增大了混凝土密實(shí)度，因此對(duì)混凝土早期強(qiáng)度具有一定的促進(jìn)作用。由于硅灰的比表面積大在參與水化反應(yīng)中，水化速度快，形成低孔隙率的更加致密的基質(zhì)構(gòu)成，隨硅灰含量增加水泥石中的CH 含量隨硅灰摻量的增大而降低。剩余的CH 與不含硅灰的硅酸鹽水泥相比，易于形成更細(xì)小的晶粒，進(jìn)而提高混凝土抗壓強(qiáng)度［5］。當(dāng)硅灰摻量過(guò)高時(shí)，混凝土黏度增大，拌合物和易性變差，影響了混凝土密實(shí)度，進(jìn)而降低混凝土抗壓強(qiáng)度。

3.2 助養(yǎng)劑對(duì)混凝土脫模強(qiáng)度的影響

混凝土助養(yǎng)劑的主要作用是加速速凝劑水化進(jìn)度，提高混凝土早期強(qiáng)度，在較低的養(yǎng)護(hù)溫度或自然條件下使軌道板脫模強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)混凝土配合比見表4，試驗(yàn)組混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見圖2。基準(zhǔn)混凝土養(yǎng)護(hù)制度：靜停3h+升溫2h+恒溫9h+降溫2h，養(yǎng)護(hù)溫度為36℃，其余兩組試驗(yàn)均在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)試混凝土16h、1d、7d 和28d 抗壓強(qiáng)度。

表4 試驗(yàn)混凝土配合比 kg/m3

圖1 試驗(yàn)混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

從圖1 中數(shù)據(jù)可以看出：標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)16h，使用TK-850 和TK-851 助養(yǎng)劑的2 組混凝土抗壓強(qiáng)度均達(dá)到軌道板脫模強(qiáng)度要求（設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%），脫模強(qiáng)度分別達(dá)到46.8MPa 和45.2MPa。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，使用助養(yǎng)劑的混凝土抗壓強(qiáng)度的逐漸增大，養(yǎng)護(hù)1d 和7d 時(shí)，添加助養(yǎng)劑的混凝土抗壓強(qiáng)度均超過(guò)基準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度。延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)齡期至28d，3 組混凝土抗壓強(qiáng)度均超過(guò)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度，且摻加TK-851 型助養(yǎng)劑的混凝土抗壓強(qiáng)度超過(guò)基準(zhǔn)混凝土。

通過(guò)上述試驗(yàn)可以看出，助養(yǎng)劑可在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)16h 即可達(dá)到脫模強(qiáng)度要求，且28 天抗壓強(qiáng)度均超過(guò)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度，因此，助養(yǎng)劑可滿足軌道板在不進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)的條件下的生產(chǎn)需求。

3.3 助養(yǎng)劑與礦粉復(fù)合試驗(yàn)

使用助養(yǎng)劑的混凝土在標(biāo)準(zhǔn)條件下16h 抗壓強(qiáng)度滿足軌道板脫模要求，但助養(yǎng)劑價(jià)格較高且摻量大，增加了軌道板混凝土材料成本，現(xiàn)階段助養(yǎng)劑的使用只能在特殊情況下使用，無(wú)法做到大范圍推廣應(yīng)用?？紤]到磨細(xì)礦渣粉對(duì)軌道板混凝土抗壓強(qiáng)度作用效果優(yōu)于粉煤灰，且不降低混凝土后期強(qiáng)度。因此，使用TK-851 型助養(yǎng)劑和磨細(xì)礦渣粉復(fù)合進(jìn)行試驗(yàn)。養(yǎng)護(hù)制度：靜停3h+升溫2h+恒溫6h+降溫2h，養(yǎng)護(hù)溫度為36℃，試驗(yàn)混凝土配合比見表5，混凝土均在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)。

表5 試驗(yàn)混凝土配合比及脫模強(qiáng)度

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，助養(yǎng)劑和礦粉復(fù)合后在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)13h 即可滿足混凝土脫模強(qiáng)度要求，且T-2 試驗(yàn)組混凝土強(qiáng)度最高，達(dá)到46.5MPa，但從成本控制上來(lái)看磨細(xì)礦渣粉5%和TK-851 型助養(yǎng)劑20%復(fù)合使用后雖縮短了混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間，但對(duì)混凝土材料成本控制上作用不大，因此，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，選取T-3 試驗(yàn)組混凝土配合比，即采用10%磨細(xì)礦渣粉和15%TK-851 型助養(yǎng)劑進(jìn)行復(fù)合使用，可在較短的養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下即可滿足軌道板脫模要求。

4 結(jié)論

（1）礦物摻合料種類對(duì)軌道板混凝土脫模強(qiáng)度有不同程度的影響。磨細(xì)礦渣粉摻量10%時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到46.3MPa，摻入粉煤灰后混凝土抗壓強(qiáng)度降低，表明粉煤灰對(duì)在一定溫度下的蒸養(yǎng)混凝土的脫模強(qiáng)度沒(méi)有作用，混凝土摻入6%硅灰后，混凝土抗壓強(qiáng)度大幅度提高。

（2）助養(yǎng)劑可縮短軌道板混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)16h 抗壓強(qiáng)度滿足脫模強(qiáng)度要求，因此使用助養(yǎng)劑的混凝土滿足軌道板在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)規(guī)定時(shí)間內(nèi)脫模要求。

（3）采用10%磨細(xì)礦渣粉和15% TK-851 型助養(yǎng)劑進(jìn)行復(fù)合使用恒溫養(yǎng)護(hù)6h，在較短的養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下即可滿足軌道板脫模要求，且在一定程度上控制了軌道板混凝土材料成本。