納米功能材料在CRTS Ⅲ型軌道板中的應(yīng)用

楊斌，于誠(chéng)，姜騫，余鑫，李政，吳明杰

（1.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司，北京 100844；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇南京 211103；3.雄安高速鐵路有限公司，河北雄安 071000）

0 引言

高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無砟軌道系統(tǒng)是我國(guó)在原先引進(jìn)的國(guó)外無砟軌道技術(shù)基礎(chǔ)上經(jīng)過創(chuàng)新性系統(tǒng)研究，研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無砟軌道結(jié)構(gòu)體系[1-2]。軌道板位于系統(tǒng)最上層部位，提供擋肩和扣件接口，承受并傳遞列車通過時(shí)的荷載，為了更好地控制質(zhì)量，采用工廠化預(yù)制生產(chǎn)[1]。中國(guó)鐵路總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CR 567—2017《高速鐵路板式無砟軌道先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板》要求軌道板脫模時(shí)強(qiáng)度不低于45 MPa，因此軌道板混凝土在澆筑成型后常采用蒸汽養(yǎng)護(hù)來加快早期強(qiáng)度的發(fā)展，盡快達(dá)到脫模強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率[3-4]。但由于北方冬季氣溫大幅下降，使得蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)，不僅增加能耗，也會(huì)影響生產(chǎn)效率。納米功能材料作為混凝土新型早強(qiáng)材料，通過引入水化硅酸鈣納米晶核可縮短水泥水化產(chǎn)物的成核結(jié)晶過程，加速水泥水化，大幅提高早期強(qiáng)[5-10]，且基本不會(huì)對(duì)混凝土的長(zhǎng)期耐久性產(chǎn)生負(fù)面影響[8]。本文研究了納米功能材料對(duì)軌道板混凝土力學(xué)性能、長(zhǎng)期耐久性能等的影響，并在軌道板廠進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，為低溫環(huán)境下軌道板生產(chǎn)縮短蒸養(yǎng)時(shí)間提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)均采用某軌道板廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的原材料，水泥為石家莊曲寨水泥有限公司的P·O 42.5低堿水泥，其礦物組成如表1所示；摻合料為北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司的軌道板專用早強(qiáng)型TK-MA摻合料[11]；砂采用細(xì)度模數(shù)為2.7的河砂；石子采用5～10 mm小石和10～20 mm大石2種碎石；外加劑為標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸減水劑；納米功能材料為江蘇某新材料股份有限公司生產(chǎn)的水化硅酸鈣納米晶核懸浮液，固含量為12.5%。

表1 水泥的礦物組成 %

1.2 試驗(yàn)方法

采用德國(guó)布魯克公司的D8 Advance型X射線衍射儀對(duì)水泥水化過程進(jìn)行原位跟蹤測(cè)試，工作電壓40 kV、電流40 mA，掃描范圍5°～70°，掃描速度4°/min。水泥漿體水灰比為0.3，納米功能材料折固摻量為水泥質(zhì)量的0.5%。水泥加水后利用機(jī)械攪拌器攪拌2 min后進(jìn)行制樣，將適量漿體倒入樣品架中輕微振動(dòng)使之與樣品架邊緣齊高，然后刮平漿體表面，覆蓋1層聚酰亞胺薄膜隔絕空氣，防止水分蒸發(fā)和水化產(chǎn)物碳化，統(tǒng)一在加水后2 h開始測(cè)試，此后每隔2 h測(cè)試1次，至24 h終止，測(cè)試過程中室溫保持為20 ℃。

混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C60，控制坍落度（80±20）mm，含氣量≥2%，在某軌道板廠配合比的基礎(chǔ)上，摻加0.5%（折固）納米功能材料，如表2所示，納米功能材料所含水在用水量中進(jìn)行扣除，減水劑摻量調(diào)整為1.0%。采用ZKY-400B型蒸汽快速養(yǎng)護(hù)箱模擬混凝土蒸養(yǎng)過程。新拌混凝土性能測(cè)試按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，混凝土的力學(xué)性能測(cè)試按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，混凝土的長(zhǎng)期性能和耐久性能測(cè)試按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)》進(jìn)行，收縮試驗(yàn)采用接觸法，抗氯離子滲透試驗(yàn)采用快速氯離子遷移系數(shù)法及電通量法，抗凍試驗(yàn)采用快凍法。

表2 軌道板混凝土的配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 XRD原位測(cè)試

采用原位XRD測(cè)試了空白和摻0.5%納米功能材料的水泥早期水化進(jìn)程。水泥在不同水化時(shí)間的原位XRD圖譜局部圖（2θ=8°～35°）如圖1、圖2所示，其中在2θ=20°左右存在1個(gè)由覆蓋在水泥漿體表面的聚酰亞胺薄膜產(chǎn)生的駝峰背底。

圖1 空白水泥水化原位XRD圖譜

圖2 摻納米功能材料的水泥水化原位XRD圖譜

由圖1、圖2可見，水化2～24 h時(shí)，水泥熟料礦物C3S的幾個(gè)主要特征衍射峰（2θ=29.51°、32.26°、34.41°）的強(qiáng)度隨水化時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低；C2S的特征衍射峰因與C3S部分重疊，無法判斷；C3A的特征衍射峰（2θ=33.23°）也有下降；C4AF的特征峰（2θ=12.11°）強(qiáng)度變化很小，另一特征峰（2θ=33.72°）則與CH的特征峰（2θ=34.10°）重疊。熟料礦物尤其是C3S特征峰強(qiáng)度的下降表明其不斷水化，含量降低。水化產(chǎn)物方面，在水化2 h時(shí)均已出現(xiàn)AFt的特征衍射峰（2θ=9.14°、15.81°），空白水泥水化6 h時(shí)出現(xiàn)了CH的特征峰（2θ=18.06°），摻加納米功能材料的水泥水化4 h時(shí)即出現(xiàn)較高的CH特征峰，此后水化產(chǎn)物的峰強(qiáng)隨水化時(shí)間的延長(zhǎng)逐步上升，表明其生成量不斷增加。

對(duì)比圖1、圖2中物相特征峰強(qiáng)度隨水化時(shí)間的變化趨勢(shì)可發(fā)現(xiàn)，空白水泥的CH特征峰（2θ=18.06°）從水化6 h至24 h以相對(duì)平緩的速度持續(xù)上升，摻加納米功能材料的水泥其CH特征峰在水化4 h后便快速升高，不僅出現(xiàn)時(shí)間更早，而且上升速度明顯快于空白水泥。相同水化時(shí)間時(shí)摻加納米功能材料的水泥CH特征峰強(qiáng)度遠(yuǎn)大于空白水泥，表明摻加納米功能材料后水泥在相同水化時(shí)間時(shí)的CH生成量大幅增加。相對(duì)應(yīng)的，摻加納米功能材料后，水泥中C3S主要特征峰的下降趨勢(shì)要快于空白水泥，表明C3S的水化加速進(jìn)行[9，12]，納米功能材料會(huì)顯著加速水泥的早期水化進(jìn)程。

2.2 新拌混凝土的性能（見表3）

表3 新拌混凝土的性能

由表3可見，按照軌道板廠的配比制備的1#空白組混凝土坍落度為100 mm，含氣量為3.3%，滿足新拌混凝土要求。摻加0.5%納米功能材料后，由于其具有一定減水作用，減水劑摻量下降至1.0%，此時(shí)2#混凝土的坍落度為80 mm，含氣量為2.7%，仍滿足要求范圍。摻加納米功能材料后，混凝土的初凝時(shí)間較空白組縮短了170 min，終凝時(shí)間較空白組縮短了220 min，均有大幅縮短。

2.3 混凝土的力學(xué)性能

按照上述配比分別成型混凝土試件進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)。軌道板廠的蒸養(yǎng)制度為靜停3 h，升溫2 h至45 ℃，恒溫7 h，降溫2 h后拆模，采用實(shí)驗(yàn)室蒸養(yǎng)箱模擬現(xiàn)場(chǎng)蒸養(yǎng)制度，試件靜停3 h后放入蒸養(yǎng)箱，設(shè)置相同的控溫程序，分別測(cè)試10、12、14 h強(qiáng)度，蒸養(yǎng)結(jié)束后將剩余混凝土試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，測(cè)試3 d和28 d強(qiáng)度。結(jié)果見表4。

表4 混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度

由表4可見，在相同蒸養(yǎng)條件下，摻加納米功能材料的混凝土早期抗壓強(qiáng)度較空白組均有不同程度的提高，10 h抗壓強(qiáng)度提高了17.4%，12 h抗壓強(qiáng)度提高了13.0%，14 h抗壓強(qiáng)度提高10.7%，而3 d及28 d抗壓強(qiáng)度基本不受影響。

2.4 混凝土的耐久性能

為了研究納米功能材料對(duì)CRTS Ⅲ型軌道板混凝土耐久性能的影響，采用接觸法測(cè)試恒溫恒濕條件下[室溫（20±2）℃，相對(duì)濕度（60±5）%]硬化混凝土試件的收縮變形性能，結(jié)果見圖3。

圖3 混凝土的干燥收縮

由圖3可見，摻加納米功能材料后，混凝土各齡期收縮率并沒有增大，反而減小，混凝土56 d收縮率均明顯小于400×10-6，符合Q/CR 567—2017的要求。

耐久性試件成型后在設(shè)定好的蒸養(yǎng)箱中養(yǎng)護(hù)至脫模，轉(zhuǎn)入標(biāo)養(yǎng)條件下養(yǎng)護(hù)至56 d，軌道板混凝土56 d電通量及氯離子擴(kuò)散系數(shù)見表5。

表5 混凝土的抗氯離子滲透及抗凍性能

由表5可見：

（1）摻加納米功能材料后軌道板混凝土的電通量沒有明顯變化，且均小于1000 C，符合Q/CR 567—2017及TB/T 3275—2011《鐵路混凝土》所規(guī)定設(shè)計(jì)使用年限為100年的C60混凝土密實(shí)性要求。氯離子擴(kuò)散系數(shù)也沒有產(chǎn)生大的變動(dòng)，且均符合Q/CR 567—2017中不大于5×10-12m2/s的規(guī)定。從上述結(jié)果可知，摻加納米功能材料后，混凝土的長(zhǎng)期耐久性能并沒有受到影響。

（2）采用快凍法對(duì)軌道板混凝土進(jìn)行425次凍融循環(huán)后，試件的質(zhì)量損失率小于5%，相對(duì)動(dòng)彈性模量也大于60%，遠(yuǎn)未達(dá)到凍融破壞的情形。摻加納米功能材料的混凝土抗凍性能基本未受影響，符合Q/CR 567—2017中混凝土抗凍等級(jí)不應(yīng)小于F300的規(guī)定。

2.5 軌道板廠現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)完成后，在某軌道板廠開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，當(dāng)天氣溫在0 ℃左右。在生產(chǎn)線上按照表1配合比進(jìn)行了摻加納米功能材料的試驗(yàn)，摻加納米功能材料的混凝土出機(jī)坍落度為60 mm，滿足（80±20）mm的設(shè)計(jì)要求，并不影響現(xiàn)有軌道板混凝土的正常生產(chǎn)、施工。施工過程中同時(shí)成型了混凝土強(qiáng)度試件（見圖4），隨軌道板按照現(xiàn)場(chǎng)蒸養(yǎng)制度進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)試不同齡期的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表6。

圖4 混凝土試件成型

表6 現(xiàn)場(chǎng)混凝土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果 MPa

由表6可見，在混凝土配比及生產(chǎn)條件相同的條件下，摻加納米功能材料能顯著提高混凝土的早期強(qiáng)度?？瞻捉M混凝土蒸養(yǎng)14 h抗壓強(qiáng)度為46.8 MPa，達(dá)到拆模強(qiáng)度；摻加納米功能材料的混凝土蒸養(yǎng)10 h抗壓強(qiáng)度即達(dá)到45.7 MPa，滿足拆模要求。摻加納米功能材料后將原先14 h的拆模時(shí)間縮短至10 h，顯著縮短蒸汽養(yǎng)護(hù)周期，降低了養(yǎng)護(hù)成本，提高了軌道板生產(chǎn)施工效率，并且基本不影響混凝土的早期流動(dòng)性和后期強(qiáng)度發(fā)展。

3 結(jié)論

（1）納米功能材料的摻加促進(jìn)了水泥中C3S等熟料礦物的水化，加速了水泥的早期水化進(jìn)程，提高了水泥早期水化程度。

（2）軌道板混凝土中摻入納米功能材料后凝結(jié)時(shí)間大幅縮短，早期強(qiáng)度明顯提高，干燥收縮及耐久性能基本不受影響。

（3）低溫環(huán)境下?lián)郊蛹{米功能材料的軌道板混凝土蒸養(yǎng)10 h抗壓強(qiáng)度為45.7 MPa，滿足拆模要求，可將原先生產(chǎn)工藝中的蒸養(yǎng)時(shí)間縮短4 h，降低蒸汽養(yǎng)護(hù)成本，提高生產(chǎn)效率，且后期強(qiáng)度未受影響。