兩種機(jī)制砂在鐵路高性能混凝土支承塊中的應(yīng)用研究

馬軍委，吳俊，張濤，王罡

（光明鐵道控股有限公司，浙江 衢州 324400）

0 引言

隨著天然河砂資源的枯竭， 國家限采政策陸續(xù)出臺，國內(nèi)大部分地區(qū)天然河砂供應(yīng)短缺，使用機(jī)制砂代替天然河砂成為今后發(fā)展的趨勢[1]。目前市場常見為兩種，一種是卵石破碎的機(jī)制砂，另一種為山碎石破碎的機(jī)制砂[2]。鐵路高性能混凝土對混凝土的工作性能、力學(xué)性能、耐久性能都有嚴(yán)格的要求[3]，機(jī)制砂作為細(xì)骨料在C50 及以上的高性能混凝土中使用目前處于試驗(yàn)完善階段[4]，特別是混凝土枕和軌道板等高性能混凝土制品仍未放開使用， 但在香港地鐵已經(jīng)開始應(yīng)用。 為研究機(jī)制砂在C50 及以上的鐵路高性能混凝土制品中應(yīng)用的可行性， 并做好技術(shù)儲備， 文章以鐵路用高性能混凝土支承塊為載體開展混凝土工作性能、力學(xué)性能、耐久性及混凝土支承塊靜載抗裂和抗拔力對比試驗(yàn)研究。

1 混凝土及支承塊試驗(yàn)

1.1 混凝土試驗(yàn)

1.1.1 混凝土配合比及工作性能

以本公司支承塊生產(chǎn)用配合比為基礎(chǔ)進(jìn)行試驗(yàn)研究。 表1 中HS 為支承塊生產(chǎn)用配合比，膠凝材料用量為480 kg/m3，外加劑用量為4.8 kg/m3，砂率為38%，水膠比為0.27。 LSS 為卵石機(jī)制砂等量替代河砂的配合比，SSS 為將山碎石機(jī)制砂等量替代河砂的配合比，LSHS 為卵石機(jī)制砂一半替代河砂的配合比，SSHS 為將山碎石機(jī)制砂一半替代河砂的配合比，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 混凝土配合比

試驗(yàn)混凝土均按配合比要求拌和，坍落度均能滿足技術(shù)要求，和易性方面HS 配合比、LSHS 配合比和SSHS 配合比較好，LSS 配合比和SSS 配合比稍差差別不太明顯， 由于機(jī)制砂顆粒形狀不規(guī)則，棱角多，造成混凝土和易性稍差一點(diǎn)，建議使用機(jī)制砂時(shí)最好與河砂雙摻使用效果會更好一些，或者將來采用更高級的制砂設(shè)備將機(jī)制砂顆粒形狀更規(guī)則一些，集配更合理一些。

1.1.2 力學(xué)性能

混凝土試件成型后，按照國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求先進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)。蒸汽養(yǎng)護(hù)達(dá)到脫模條件后將混凝土試件轉(zhuǎn)入標(biāo)養(yǎng)室 （溫度 （20±2） ℃， 相對濕度≥95%）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)?；炷亮W(xué)性能如表2 所示。

表2 混凝土力學(xué)性能

由表2 可以看出：五個(gè)配合比各齡期強(qiáng)度均能滿足技術(shù)要求，LSS 配合比、SSS 配合比、LSHS 配合比和SSHS 配合比均略高于HS 配合比， 全部采用機(jī)制砂和對半使用機(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。 由此可以得出機(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，填充更加密實(shí)，力學(xué)性能更好。

1.1.3 耐久性

根據(jù)混凝土支承塊技術(shù)要求， 混凝土試件成型拆模后，將混凝土試件轉(zhuǎn)入標(biāo)養(yǎng)室（溫度（20±2）℃，相對濕度≥95%）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至56 d 齡期進(jìn)行電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和抗凍性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 混凝土耐久性能

由表3 可以看出： 五個(gè)配合比制作的混凝土試件的電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和抗凍性能均滿足混凝土支承塊標(biāo)準(zhǔn)中電通量小于1 200 C，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)相對動彈性模量不小于60%， 質(zhì)量損失不大于5%的技術(shù)要求。

1.1.4 化學(xué)指標(biāo)

根據(jù)混凝土支承塊技術(shù)要求，分別對所有原材料的氯離子含量、堿含量以及三氧化硫含量進(jìn)行檢測，并根據(jù)混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表4 混凝土化學(xué)指標(biāo)

由表4 可以看出五個(gè)配合比中總堿含量、氯離子占膠凝材料總量百分比以及三氧化硫占膠凝材料總量百分比均能滿足技術(shù)要求，其中卵石破碎砂采用的卵石與天然河砂是同一來源，所以化學(xué)指標(biāo)基本一致。

1.2 混凝土支承塊試驗(yàn)

1.2.1 混凝土支承塊試制

混凝土支承塊的試制按照標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行，五個(gè)混凝土配合比采用相同的生產(chǎn)工藝制作，生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示，首先支承塊模具清理干凈，并在內(nèi)腔噴涂脫模劑；其次安裝預(yù)埋件，放入綁扎好的鋼筋籠并固定；然后灌入制備好的高性能混凝土并振動成型；然后混凝土初凝后進(jìn)行抹面并噴涂養(yǎng)護(hù)劑；之后放入養(yǎng)護(hù)池按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)；最后混凝土強(qiáng)度達(dá)到35 MPa 以上時(shí)進(jìn)行脫模碼垛。 試制現(xiàn)場混凝土性能與試驗(yàn)室結(jié)果基本一致。

圖1 混凝土支承塊生產(chǎn)工藝流程

1.2.2 混凝土支承塊靜載抗裂試驗(yàn)

混凝土支承塊達(dá)到28 d 齡期后， 按TB/T1879關(guān)于軌下截面的試驗(yàn)方法進(jìn)行靜載抗裂試驗(yàn)， 詳見圖2，其中硬橡膠墊的寬度為80 mm，加載至85 kN，恒載180 s， 在整個(gè)過程中用5 倍放大鏡觀測支承塊兩側(cè)受拉區(qū)域是否產(chǎn)生裂紋， 若無裂紋即為合格，繼續(xù)加載至開裂，并記錄開裂值，試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

圖2 靜載抗裂試驗(yàn)

表5 混凝土支承塊靜載抗裂試驗(yàn)結(jié)果

由表5 可以看出， 卵石破碎砂制作的混凝土支承塊靜載開裂載荷稍低一些，但五個(gè)配合比制作的混凝土支承塊靜載抗裂性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

1.2.3 預(yù)埋件抗拔力試驗(yàn)

混凝土支承塊達(dá)到28 d 齡期后， 按GB/T37330 附錄A 的試驗(yàn)方法進(jìn)行預(yù)埋件抗拔力試驗(yàn)，詳見圖3，加載至60 kN，恒載180 s，試驗(yàn)后扣件預(yù)埋鐵座周圍無肉眼可見裂紋。分別對五個(gè)配合比制作的混凝土支承塊預(yù)埋件使用預(yù)埋件抗拔儀，加載至60 kN，恒載180 s，預(yù)埋件均未拔出且預(yù)埋鐵座周圍均無肉眼可見裂紋。由此可以得出五個(gè)配合比制作的混凝土支承塊預(yù)埋件抗拔力試驗(yàn)均能滿足標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

圖3 預(yù)埋件抗拔力試驗(yàn)

2 結(jié)語

通過試驗(yàn)可得出：兩種機(jī)制砂和河砂配制的混凝土及試制的混凝土支承塊均能滿足標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。 由于機(jī)制砂顆粒形狀不規(guī)則，棱角多導(dǎo)致混凝土和易性稍差一點(diǎn)， 但混凝土強(qiáng)度比河砂高一點(diǎn)。首先建議使用機(jī)制砂時(shí)可摻入部分河砂以增加混凝土的和易性，提升產(chǎn)品質(zhì)量；其次建議要控制機(jī)制砂母材的來源，不能使用山皮石材破碎，以確保機(jī)制砂質(zhì)量的穩(wěn)定性，確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；第三機(jī)制砂生產(chǎn)企業(yè)可進(jìn)一步改進(jìn)提升工藝裝備，能夠生產(chǎn)出滿足更高技術(shù)要求的機(jī)制砂。