聚合物乳液對(duì)軌枕用混凝土耐磨性能的影響

王月華 翁智財(cái) 劉子科 胡建偉 謝永江 何龍 蔣睿

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

鐵路分為客運(yùn)鐵路和貨運(yùn)鐵路兩大類別，由于運(yùn)輸目的不同要求亦不同。對(duì)于貨運(yùn)鐵路，尤其是重載鐵路貨運(yùn)要求提高鐵路混凝土軌枕與鋼軌的連接性能，主要包括提高混凝土軌枕承軌面的耐磨性能和混凝土軌枕的耐久性能［1-2］。摻聚合物乳液是提高水泥基材料與骨料黏結(jié)強(qiáng)度行之有效的方法，而水泥基材料與骨料黏結(jié)強(qiáng)度的提高能夠有效提升混凝土的耐磨性能［3-5］。聚合物乳液的種類、摻量均會(huì)改變水泥基材料與骨料的黏結(jié)強(qiáng)度［6］。目前，聚合物乳液摻量對(duì)水泥基材料和骨料黏結(jié)強(qiáng)度的影響試驗(yàn)主要在高溫、凍融和水養(yǎng)條件下進(jìn)行，而對(duì)于聚合物乳液的摻量及其與不同骨料的組合對(duì)混凝土軌枕耐磨性能的影響研究不多。本文通過摻加聚合物乳液與5種巖性粗骨料制備軌枕用混凝土，研究提高混凝土軌枕耐磨性能的最佳配合比，為新型耐磨混凝土軌枕制備提供新途徑。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

水泥為北京金隅P·O 42.5水泥，比表面積342 m2/kg。礦粉為河北唐山生產(chǎn)的S95礦渣粉。細(xì)骨料為河北石家莊分級(jí)河砂，按照10～20 目，20～40 目，40～70 目和70～140 目4 個(gè)細(xì)度配制成細(xì)度模數(shù)2.6 的Ⅱ區(qū)中砂，含泥量0.6%，表觀密度2 640 kg/m3。石灰石粗骨料為天津薊縣二級(jí)配碎石，最大粒徑20 mm，含泥量0.3%，表觀密度2 720 kg/m3，緊密空隙率39%，玄武巖、輝綠巖、花崗巖和鋼渣石粗骨料均為二級(jí)配，最大粒徑20 mm；減水劑為聚羧酸系高性能減水劑。乳液有4 種，分別為乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液（Vinyl Acetate-ethylene Copolymer Emulsion，簡(jiǎn)稱VAE），蒸發(fā)殘留物含量50%，推薦摻量4%；丁苯乳液，蒸發(fā)殘留物含量50%，推薦摻量6%；苯丙乳液，蒸發(fā)殘留物含量50%，推薦摻量6%；丙烯酸乳液，蒸發(fā)殘留物含量50%，推薦摻量6%。其中水泥、礦渣粉和粗骨料性能試驗(yàn)結(jié)果見表1—表3。

表1 水泥性能試驗(yàn)結(jié)果

表2 礦渣粉性能試驗(yàn)結(jié)果%

表3 粗骨料性能試驗(yàn)結(jié)果

1.2 配合比設(shè)計(jì)

以C60預(yù)應(yīng)力軌枕用混凝土的配合比為基準(zhǔn)配合比，單摻聚合物乳液或雙摻聚合物乳液與不同巖性粗骨料對(duì)混凝土和混凝土軌枕實(shí)體的耐磨性能進(jìn)行測(cè)試。具體步驟：①選擇不同種類聚合物乳液，分析常用摻量下單摻不同種類聚合物乳液對(duì)混凝土耐磨性能的影響，確定最佳聚合物乳液；②分別摻加0，2%，4%，6%，8%和10%的最佳聚合物乳液，分析聚合物乳液摻量對(duì)混凝土耐磨性能的影響，確定最佳摻量；③采用最佳聚合物乳液摻量，對(duì)比分析石灰?guī)r、輝綠巖、玄武巖、花崗巖和鋼渣石5種粗骨料對(duì)混凝土耐磨性能的影響，確定最佳骨料；④最佳聚合物乳液摻量不變，分別摻加0，10%，30%，50%，70%和100%的最佳骨料，分析骨料摻量對(duì)混凝土耐磨性能的影響，確定雙摻聚合物乳液和骨料時(shí)混凝土的最佳配合比；⑤優(yōu)選3組耐磨性能較好混凝土的配合比制備混凝土軌枕，進(jìn)行承軌面耐磨性能測(cè)試。

試驗(yàn)混凝土水膠比為0.27，砂率為34%，通過調(diào)節(jié)減水劑用量將維勃稠度控制在（20 ± 2）s?；炷僚浜媳染唧w見表4—表7。表7 中V6%+G30%表示VAE摻量6%，鋼渣石摻量30%，其他以此類推。

表4 單摻不同聚合物乳液時(shí)混凝土配合比 kg·m-3

表5 單摻不同摻量VAE時(shí)混凝土配合比 kg·m-3

表6 雙摻VAE和不同巖性粗骨料時(shí)混凝土配合比 kg·m-3

表7 雙摻VAE與鋼渣石時(shí)混凝土配合比 kg·m-3

1.3 養(yǎng)護(hù)制度

1）混凝土試件。混凝土試件成型后，在溫度20 ℃的環(huán)境中停放2 h，將帶模具的試件放入蒸汽養(yǎng)護(hù)箱中，2 h升溫至45 ℃，恒溫養(yǎng)護(hù)6 h后，降溫2 h至室溫?；炷猎嚰撃：笤跇?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期。

2）混凝土軌枕試件?；炷裂b入軌枕試模振搗成型后，廠區(qū)（20±5）℃環(huán)境中靜停3 h，帶模放入養(yǎng)護(hù)池中，2 h 升溫至45 ℃，恒溫持續(xù)5 h，降溫2 h 至室溫，混凝土軌枕脫模，存放至試驗(yàn)齡期。

1.4 試驗(yàn)方法

1）混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)?？箟簭?qiáng)度測(cè)試采用精度等級(jí)為Ⅰ級(jí)的YAW-6206 型全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，遵照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

2）混凝土耐磨試驗(yàn)。混凝土耐磨試件尺寸為150 mm（長(zhǎng)）×150 mm（寬）×70 mm（高），遵照J(rèn)TG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

3）混凝土軌枕耐磨試驗(yàn)。遵照北美鐵路工程和維 修 協(xié) 會(huì)（American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association，AREMA）第二部分第六項(xiàng)的規(guī)定對(duì)軌枕承軌面進(jìn)行100萬次磨損試驗(yàn)。采用27.5°加載架68 kg/m 鋼軌，施加289.1 kN 的荷載，垂向荷載為144.6 kN，橫向荷載為75.2 kN。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同聚合物乳液對(duì)混凝土耐磨性能的影響

單摻不同聚合物乳液時(shí)混凝土試驗(yàn)結(jié)果見表8?？梢姡孩僭谙嗤g期條件下，摻加不同種類聚合物乳液時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度有不同幅度的降低，降幅由大到小依次為丁苯乳液＞苯丙乳液＞丙烯酸乳液＞VAE；②在相同齡期條件下，摻加不同種類聚合物乳液時(shí)混凝土的單位面積磨耗量有不同程度的減少，減幅由大到小依次為VAE＞苯丙乳液＞丙烯酸乳液＞丁苯乳液。綜合兩者來看，摻加VAE 時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度降幅最小，單位面積磨耗量也最小，故選用VAE 進(jìn)一步研究聚合物乳液摻量對(duì)混凝土耐磨性能的影響。

表8 單摻不同聚合物乳液時(shí)混凝土試驗(yàn)結(jié)果

2.2 VAE摻量對(duì)混凝土耐磨性能的影響

單摻不同摻量VAE時(shí)混凝土試驗(yàn)結(jié)果見表9?？梢姡孩傧嗤g期條件下隨著VAE 摻量增加混凝土抗壓強(qiáng)度均逐漸降低；②相同齡期條件下混凝土的單位面積磨耗量先減小后增大，VAE 摻量6%時(shí)單位面積磨耗量達(dá)到最小值。這是因?yàn)閂AE 屬于小分子材料，易滲入混凝土內(nèi)部，填充水泥等膠凝材料和骨料之間的空隙，并與水泥水化產(chǎn)物結(jié)成一體，提高混凝土密實(shí)性。隨著VAE 摻量增加，這種填充膠結(jié)作用越來越顯著，但當(dāng)VAE 摻量過大時(shí)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到損傷，空隙反而增多，會(huì)降低混凝土密實(shí)性。

表9 單摻不同摻量VAE時(shí)混凝土試驗(yàn)結(jié)果

2.3 雙摻VAE與不同巖性粗骨料對(duì)混凝土耐磨性能的影響

雙摻VAE 與不同巖性粗骨料時(shí)混凝土試驗(yàn)結(jié)果見表10?？梢姡孩傧嗤g期條件下?lián)戒撛幕炷翉?qiáng)度最高，摻石灰?guī)r、輝綠巖、玄武巖和花崗巖的混凝土強(qiáng)度基本一致。②相同齡期條件下?lián)戒撛幕炷羻挝幻娣e磨耗量最小，摻花崗巖的混凝土單位面積磨耗量次之，摻石灰?guī)r、輝綠巖和玄武巖的混凝土單位面積磨耗量相差不大。由此可以看出，采用硬度高、表面粗糙骨料可以提升混凝土強(qiáng)度，以及水泥石與骨料界面的黏結(jié)力，進(jìn)而提升混凝土耐磨性能。因此，提升混凝土耐磨性能最好選用洛杉磯磨耗損失最小、表面較粗糙的鋼渣石。

表10 雙摻VAE與不同巖性粗骨料時(shí)混凝土試驗(yàn)結(jié)果

2.4 雙摻VAE與不同摻量鋼渣石對(duì)混凝土耐磨性能的影響

摻量6%的VAE和不同摻量的鋼渣石雙摻時(shí)混凝土試驗(yàn)結(jié)果見表11?？梢姡孩傧嗤g期條件下雙摻VAE 與不同摻量鋼渣石時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度與不摻時(shí)基本一致，說明二者組合可以有效確?；炷恋目箟簭?qiáng)度；②隨著鋼渣石摻量增加，對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升效果越來越明顯，但是單位面積磨耗量先減小后增大，鋼渣石摻量為50%時(shí)混凝土耐磨性能最佳。

表11 雙摻VAE和不同摻量鋼渣石時(shí)混凝土試驗(yàn)結(jié)果

2.5 混凝土軌枕耐磨試驗(yàn)

VAE 摻量取6%，鋼渣石摻量分別取30%，50%，70%，制備混凝土軌枕，養(yǎng)護(hù)至28 d進(jìn)行混凝土軌枕耐磨試驗(yàn)，見圖1。100萬次循環(huán)疲勞荷載后軌枕承軌面磨損情況見圖2。

圖1 混凝土軌枕耐磨試驗(yàn)

圖2 100萬次循環(huán)疲勞荷載后軌枕承軌面磨損情況

混凝土軌枕承軌面明顯磨損痕跡的條數(shù)和深度見表12。由圖2和表12可見：雙摻VAE和鋼渣石有益于提升承軌面的耐磨性能，鋼渣石摻量為50%時(shí)承軌面的耐磨性能最佳。

表12 混凝土軌枕承軌面明顯磨損痕跡的條數(shù)和深度

3 結(jié)論

1）單摻一定比例的苯丙、丁苯等聚合物乳液可有效改善混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，提高混凝土的耐磨性能，但也會(huì)在一定程度上降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。單摻VAE 對(duì)混凝土耐磨性能的提升效果比其他聚合物乳液好，其最佳摻量為6%。

2）雙摻VAE 與鋼渣石、石灰?guī)r、輝綠巖、玄武巖、花崗巖等粗骨料可進(jìn)一步提升混凝土的耐磨性能。鋼渣石表面粗糙且強(qiáng)度較大，其與VAE 雙摻對(duì)混凝土耐磨性能的提升效果比其他骨料好。鋼渣石摻量50%時(shí)混凝土軌枕承軌面的耐磨性能最佳。