軌枕用高強(qiáng)復(fù)合路基材料配比優(yōu)化及應(yīng)用耐久性評(píng)價(jià)

于淇

摘 要：針對(duì)鐵路軌枕混凝土耐性不足，在惡劣環(huán)境中易出現(xiàn)開冰開裂的問題，提出通過粉煤灰和礦粉對(duì)軌枕混凝土進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后混凝土性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：當(dāng)粉煤灰和礦粉總摻量為30%，粉煤灰和礦粉比例為2∶1時(shí)，制備的軌枕混凝土耐性最佳。此時(shí)，混凝土28、56 d電阻率分別為108.0、144.0 kΩ·cm，電通量分別為744、327 C；氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別為4.12×10-12 、1.62×10-12 m2/s。此時(shí)軌枕混凝土電通量和電阻率均滿足TB/T 3275—2018規(guī)定的混凝土強(qiáng)度超過C50，設(shè)計(jì)使用年限100年的要求，表現(xiàn)出良好的耐久性。

關(guān)鍵詞：高性能混凝土；鐵路混凝土；耐久性能；抗氯離子滲透性能

中圖分類號(hào)：TQ172.71+5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）06-0082-04

Optimization of proportions and durability evaluation of application for high-strength composite subgrade materials for railway sleepers

YU Qi

（China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xian 710043，China）

Abstract：In response to the insufficient durability of railway sleeper concrete and the problem of ice cracking in harsh environments，it is proposed to optimize the sleeper concrete using fly ash and mineral powder，and to study the performance of the optimized concrete.The experimental results showed that when the total content of fly ash and mineral powder was 30%，and the ratio of fly ash and mineral powder was 2∶1，the prepared sleeper concrete had the best resistance.At this point，the electrical resistivity of concrete at 28 d and 56 d was 108.0 kΩ·cm and 144.0? kΩ·cm，respectively; Electric flux was 744 C and 327 C respectively; The diffusion coefficients of chloride ions were 4.12×10-12 m2/s and 1.62 ×10 -12 m2/s。 This indicates that the electric flux and resistivity of sleeper concrete meet the requirements of TB/T 3275—2018 Railway Concrete for concrete strength exceeding C50 and design service life of 100 years，showing good resistance.

Key words：high performance concrete;railway concrete;durability performance;resistance to chloride ion penetration.

提升鐵路高性能混凝土耐性對(duì)重載鐵路的發(fā)展十分重要。對(duì)此，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如研究了鐵路混凝土中添加碳纖維和石墨粉對(duì)道床軌枕端部溫度應(yīng)變與應(yīng)力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在碳纖維和石墨粉的協(xié)同作用下，可有效減小道床軌枕端部溫度應(yīng)變與應(yīng)力［1］。從多方面系統(tǒng)闡述高性能混凝土結(jié)構(gòu)耐久性保障技術(shù)［2］。嘗試通過鈣礬石提升早期鐵路混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能進(jìn)行研究［3］。以上學(xué)者的研究為增強(qiáng)鐵路混凝土耐久性提供了一些參考?；诖?，試驗(yàn)以文獻(xiàn)［4］的方法，通過在鐵路混凝土中復(fù)摻粉煤灰和礦粉，增強(qiáng)鐵路混凝土耐久性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：水泥（P·O42.5），緒銀耐火材料；砂（標(biāo)準(zhǔn)品），澤創(chuàng)礦產(chǎn)品；礦粉（I級(jí)），泰亞礦業(yè)；粉煤灰（I級(jí)），宏乾環(huán)保工程；碎石（I級(jí)），永順礦產(chǎn)品；減水劑（AR），晴天化工。

主要設(shè)備：HZJ-A型振動(dòng)臺(tái)，華恒儀器； DZL型電阻率測(cè)試儀，億軒儀器；DLT-6型電通量測(cè)定儀盛世慧科；RCM-6型擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀，澤睿儀器。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)C50 預(yù)應(yīng)力軌枕混凝土標(biāo)準(zhǔn)對(duì)混凝土配比進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體如表1所示［5-6］。

（1）根據(jù)配合比依次將水泥、砂、石和礦粉放入混凝土攪拌機(jī)內(nèi)，打開混凝土攪拌機(jī)對(duì)材料進(jìn)行干拌，干拌時(shí)間為2 min;

（2）將摻有減水劑水倒入其中，繼續(xù)攪拌90 s，得到混凝土；

（3）將混凝土倒入提前刷油的模具內(nèi)，然后在HZJ-A型混凝土振動(dòng)臺(tái)的作用下將混凝土振動(dòng)成型，刮去表面多余混凝土后，用保鮮膜覆蓋后置于陰涼干燥的環(huán)境靜置2 d拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至所需齡期。

1.3 性能測(cè)試

電阻率測(cè)試：通過電阻率測(cè)試儀測(cè)試混凝土電阻率。

電通量測(cè)試：

通過電通量測(cè)定儀測(cè)試軌枕混凝土電通量。

氯離子滲透系數(shù)測(cè)試：

通過氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀對(duì)混凝土氯離子滲透系數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 單摻粉煤灰

2.1.1 對(duì)混凝土電阻率的影響

圖1為粉煤灰與混凝土電阻率的關(guān)系。

由圖1可知，在養(yǎng)護(hù)早期（養(yǎng)護(hù)齡期7 d），粉煤灰摻量對(duì)枕軌混凝土電阻率產(chǎn)生不良影響。這是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)齡期較短，粉煤灰具備較低的水化反應(yīng)活性，增加了混凝土內(nèi)部材料界面缺陷和孔隙，降低了混凝土內(nèi)部的密實(shí)度，不利于電阻率發(fā)展［7-8］。在養(yǎng)護(hù)中期（28 d）和養(yǎng)護(hù)后期（56 d），隨粉煤灰摻量的增加，混凝土試件的電阻率也逐漸上升。這是由于粉煤灰二次水化反應(yīng)生成C—S—H 凝膠，該凝膠可以有效修補(bǔ)混凝土內(nèi)部孔隙和界面薄弱環(huán)節(jié)的缺陷，對(duì)提升混凝土內(nèi)部密實(shí)度產(chǎn)生積極的影響，使得混凝土電阻率保持在較高的水平［9-10］。

2.1.2 對(duì)混凝土滲透性的影響

圖2為滲透性測(cè)試結(jié)果。

由圖2可知，粉煤灰對(duì)軌枕混凝土后期抗?jié)B性能產(chǎn)生積極的影響。這是因?yàn)榉勖夯覔饺牒?，膠凝材料中水泥熟料的含量和水泥水化產(chǎn)物含量得到有效降低。同時(shí)，粉煤灰的火山效應(yīng)對(duì)水泥水化產(chǎn)生的氫氧根離子有消耗作用，這就促進(jìn)了氯離子的化學(xué)結(jié)合，減少了孔隙中自由氯離子的含量［11-12］。加之粉煤灰二次水化生成的膠凝材料可填充混凝土內(nèi)部孔隙，增加混凝土的內(nèi)部密實(shí)度和氯離子的物理吸附量，強(qiáng)化了混凝土界面過渡區(qū)能力，進(jìn)而對(duì)提升軌枕混凝土抗氯離子侵蝕能力產(chǎn)生積極的影響［13-14］。

2.2 單摻礦粉的影響

由于單摻粉煤灰制備的混凝土早期耐性達(dá)不到理想要求，因此選擇單摻礦粉增強(qiáng)軌枕混凝土性能，并研究了礦粉摻量的影響。

2.2.1 對(duì)混凝土電阻率的影響

圖3為礦粉與電阻的關(guān)系。

由圖3可知，礦粉對(duì)混凝土電阻率產(chǎn)生積極的影響，且明顯高于同齡期同摻量的粉煤灰試件，這就說明礦粉對(duì)于早期混凝土電阻率的發(fā)展好于粉煤灰。這是因?yàn)?，與粉煤灰相比，礦粉的活性更大，可以有效降低早期水泥石孔隙率，增強(qiáng)了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)度，因此礦粉軌枕混凝土早期電阻率明顯高于粉煤灰軌枕混凝土［15-16］。同時(shí)還能從圖3中觀察到，隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，同摻量混凝土電阻率也明顯增加。這是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，礦粉的火山灰效應(yīng)發(fā)揮的越好，因此隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，軌枕混凝土的電阻率也進(jìn)一步增加［17-18］。

2.2.2 對(duì)混凝土滲透性的影響

圖4為礦粉與混凝土滲透性的影響。

由圖4可知，隨礦粉用量的增加，同齡期混凝土電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)均明顯下降，且明顯小于同齡期同摻量的粉煤灰混凝土，這充分說明礦粉對(duì)混凝土性能優(yōu)于粉煤灰。這是因?yàn)榈V粉顆粒自身的比表面積較大，對(duì)于氯離子的吸附產(chǎn)生積極的影響［19］。同時(shí)，水泥水化產(chǎn)生的氫氧根離子，會(huì)破壞礦粉玻璃體表面結(jié)構(gòu)進(jìn)入礦粉玻璃體內(nèi)部并與富鈣相進(jìn)行反應(yīng)［20］。加之，礦粉本身具備潛在水硬性和火山灰活性，二次水化反應(yīng)產(chǎn)物為C—S—H 凝膠，可以有效填充毛細(xì)管和孔隙裂縫，還對(duì)氯離子有粘附作用。氯離子粘附后，C—S—H凝膠逐漸朝網(wǎng)狀形態(tài)轉(zhuǎn)化，對(duì)界面過渡區(qū)有改善作用，進(jìn)而提升了內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密性，使得軌枕混凝土抵抗氯離子侵蝕的能力有所提升。

2.3 雙摻礦粉和粉煤灰

在以上2個(gè)結(jié)論中，已經(jīng)確定了摻量為30%的礦粉對(duì)枕軌混凝土早期電阻率和抗?jié)B性能有積極的影響。但在養(yǎng)護(hù)后期，同摻量的礦粉混凝土的電阻率和電通量與粉煤灰混凝土較為接近，這說明礦粉在養(yǎng)護(hù)后期，對(duì)混凝土增強(qiáng)效果有所降低。為了補(bǔ)償?shù)V粉和粉煤灰的缺點(diǎn)，選擇雙摻礦粉和粉煤灰對(duì)枕軌混凝土進(jìn)行改性。固定2種摻和物總量為30%，研究了粉煤灰與礦粉比例分別為1∶2（CF10S20）、1∶1（CF15S15）和2∶1（CF20S10）時(shí)，混凝土耐久性的變化。

2.3.1 對(duì)混凝土電阻率的影響

圖5為雙摻比例與電阻率關(guān)系。

由圖5可知，在養(yǎng)護(hù)早期，混凝土電阻率與礦粉摻量成正比，與粉煤灰摻量成反比。在養(yǎng)護(hù)早期，主要依靠礦粉對(duì)混凝土電阻率進(jìn)行提升。同時(shí)還能從圖5中觀察到，在養(yǎng)護(hù)中期（28 d）和養(yǎng)護(hù)后期（56 d），粉煤灰與礦粉比例為2∶1制備的軌枕混凝土電阻率最高，其28、56 d電阻率分別為108.0、144.0 kΩ·cm；在56 d齡期條件下分別比單摻粉煤灰和單摻礦粉的混凝土電阻率提升了19%和30%。以上變化說明了雙摻粉煤灰和礦粉對(duì)電阻率的發(fā)展產(chǎn)生更優(yōu)的效果，這是受2種材料互補(bǔ)復(fù)合效應(yīng)的影響。在混凝土養(yǎng)護(hù)早期，礦粉快速發(fā)生火山灰反應(yīng)，快速的提升了混凝土的密實(shí)度，而養(yǎng)護(hù)后期，粉煤灰火山灰活性發(fā)揮作用，對(duì)漿體結(jié)構(gòu)的屬性有改性作用。同時(shí)，粉煤灰和礦粉還存在一定的微集料效應(yīng)，對(duì)水泥粗顆粒間的孔隙有填充作用，可有效改善膠凝體系的顆粒級(jí)配，對(duì)硬化后混凝土孔隙率有降低作用，進(jìn)一步提升了混凝土電阻率。

2.3.2 對(duì)混凝土滲透性的影響

圖6為雙摻比例與滲透性關(guān)系。

由圖6可知，復(fù)摻粉煤灰和礦粉能有效增強(qiáng)混凝土的抗?jié)B性能。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，隨粉煤灰摻量的增加，電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)均有一定上升，這說明此時(shí)對(duì)混凝土抗?jié)B性能產(chǎn)生作用的是礦粉。粉煤灰、礦粉比例為2∶1 時(shí)，混凝土電通量為744 C，氯離子擴(kuò)散系數(shù)為4.12×10-12 m2 /s 。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期56 d時(shí)，隨混凝土摻量的增加，電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯下降，這說明在養(yǎng)護(hù)后期，粉煤灰更有利于混凝土抗?jié)B性能的發(fā)展。粉煤灰、礦粉比例為2∶1 時(shí)，混凝土電通量為327 C，氯離子擴(kuò)散系數(shù)為1.62×10-12? m2/s。以上變化說明了礦粉對(duì)枕軌混凝土早期抗?jié)B性能的發(fā)展產(chǎn)生積極作用，而粉煤灰對(duì)混凝土后期抗?jié)B性能的發(fā)展產(chǎn)生積極的影響，復(fù)摻粉煤灰和礦粉，能有效改善單摻粉煤灰和礦粉存在的缺陷，增強(qiáng)枕軌混凝土的耐久性。

2.4 耐久性評(píng)價(jià)

參照TB/T 3275—2018規(guī)定對(duì)鐵路混凝土56 d電通量和電阻率進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

由表2可知，試驗(yàn)制備的復(fù)摻粉煤灰和礦粉的軌枕混凝土電通量和電阻率均滿足混凝土強(qiáng)度超過C50，表現(xiàn)出良好的耐久性。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）單摻粉煤灰對(duì)增強(qiáng)混凝土后期抗?jié)B性能產(chǎn)生積極的影響；

（2）單摻礦粉能有效增強(qiáng)早期混凝土的電阻率，可在較短時(shí)間內(nèi)使得軌枕混凝土電通量和氯離子滲透系數(shù)在較短時(shí)間內(nèi)得到有效降低，增強(qiáng)混凝土的抗?jié)B性能。但單摻礦粉對(duì)混凝土后期的增強(qiáng)能力較弱，無(wú)法達(dá)到長(zhǎng)期耐久性要求；

（3）雙摻粉煤灰和礦粉能充分發(fā)揮二者的復(fù)合疊加效應(yīng)，使得軌枕混凝土能長(zhǎng)期保持良好的抗氯離子滲透性能，對(duì)軌枕混凝土的改性效果良好；

（4）復(fù)摻粉煤灰和礦粉的軌枕混凝土電通量和電阻率均滿足TB/T 3275—2018標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)混凝土強(qiáng)度C50的規(guī)定，表現(xiàn)出良好的耐久性。

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收稿日期：2023-02-10；修回日期：2023-05-20

作者簡(jiǎn)介：于 淇（1989-），男，碩士，工程師，研究方向：鐵路站場(chǎng)及樞紐設(shè)計(jì)；E-mail：120875637@qq.com。

引文格式：于 淇.軌枕用高強(qiáng)復(fù)合路基材料配比優(yōu)化及應(yīng)用耐久性評(píng)價(jià)[J].粘接，2023，50（6）：82-85.