蒸汽养护对高速铁路轨道板混凝土渗透性的影响*

赵 健，谭盐宾，李化建，谢永江，易忠来

(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031;2.中国铁道科学研究院北京 100081;3.高速铁路轨道技术国家重点实验室北京 100081)

我国高速铁路建设特点之一是在线路设计上多采用以桥代路的方式，主体混凝土结构则大量应用混凝土预制构件，如箱梁、T梁、轨枕和轨道板等，其均采用蒸汽养护。其中，对于箱梁、T梁和轨枕等传统预制混凝土结构，国内已有较多人员对其蒸气养护制度以及蒸气养护对预制混凝土结构性能的影响进行了研究［1－2］，但轨道板这种新型结构形式由于在国内出现时间较短，尚未见到有关其蒸气养护性能的研究报道。轨道板在高速铁路无砟轨道结构中处于最顶层，其服役环境完全暴露于大气环境中，其还需承受上部列车动荷载作用，在动荷载和自然环境条件双重作用下，轨道板对其组成混凝土材料性能提出了很高的要求，尤其是高速铁路轨道板混凝土设计使用寿命为60年［3］，更是对其耐久性能提出了严格要求。混凝土的渗透性对混凝土耐久性起着重要的作用，因为渗透性控制着水分渗入的速率，同时也控制着混凝土受热或受冻时水的移动［4］。诸如混凝土的冻融破坏、钢筋锈蚀、碱骨料反应破坏和硫酸盐侵蚀破坏等均是在水分的存在下发生的［5］，可以说混凝土渗透性直接关系这混凝土耐久性。因此，针对轨道板混凝土所用复合胶凝材料体系研究其渗透性能对于提高轨道板混凝土耐久性具有重要意义。

1 试验及测试方法

1.1 原材料

水泥为北京琉璃河水泥厂P·O42.5级水泥，其性能指标见表1。矿渣粉为首钢嘉华S95级磨细矿渣粉，性能指标见表1。砂为河北卢龙天然河砂，细度模数为2.7;碎石为天津蓟县产2种连续级配碎石，其最大粒径分别为10 mm和20 mm。减水剂为天津雍阳低引气型聚羧酸减水剂，型号为UNF－5AST，减水率为29%。

1.2 试验配合比

轨道板混凝土配合比见表2，设计强度等级为C55，分别采用标准养护和蒸汽养护2种方式。

表1 水泥与矿渣粉的物理化学指标Table 1 Physical and chemical value of cement and slag %

表2 轨道板混凝土配合比Table 2 Mix proportion of track slab concrete kg/m3

表3 水泥净浆配合比Table 3 Mix proportion of paste g

1.3 测试方法

(1)混凝土表面吸水率试验参照《水运工程混凝土施工规程》(JTJ 270—98)中混凝土吸水率测试方法进行。

(2)混凝土6 h电通量和氯离子扩散系数试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB－T 50082—2009)中电通量法和RCM法进行。

(3)化学结合水试验则在规定水化龄期时将硬化水泥试样取出，用铁锤打碎后，加入无水乙醇终止水化，并在无水乙醇存在的条件下在玛瑙研钵中将试样磨细至全部通过孔径为0.08 mm的方孔筛，然后称取1～2 g磨细样品，并放置于烘箱(105℃)中烘干24 h至恒重，取出再放入1 000℃高温炉中恒温1 h，冷却后称质量。化学结合水量wm按下式计算［6］:

式中:G105为试样在105℃烘干至恒质量时的质量，g;G1000为试样在1 000℃煅烧1 h后的质量，g;yi为胶凝材料各组分的质量分数，%;zi为胶凝材料各组分的烧失量，%。

(4)标准养护指混凝土成型24 h拆模后即移入温度20±2℃，相对湿度大于95%的标准养护室内进行养护;蒸汽养护则在混凝土成型后即按设定蒸汽养护制度进行蒸汽养护至16 h，然后，脱模移入温度为(20±2)℃、相对湿度大于95%的标准养护室内进行养护。化学结合水用水泥净浆配合比见表3，采用标准20℃养护和3种温度蒸汽养护，蒸汽养护恒温温度分别为40，60和80℃。

2 试验结果及分析

2.1 蒸汽养护对轨道板混凝土表面吸水率的影响

对于采用图1和图2所示的试件尺寸分别为100 mm×100 mm×100 mm和尺寸500 mm×500 mm×300 mm的混凝土模拟板上钻芯试样的吸水率。由图1和图2可以看出:不论是混凝土试件，还是从混凝土模拟板上钻芯取样试件，蒸汽养护条件下混凝土各龄期表面吸水率均低于标准养护混凝土，说明蒸汽养护对改善混凝土表面渗透性是有利的，即可提高混凝土抗水渗透能力。另外，结果也反映出混凝土模拟板钻芯试样吸水率高于混凝土试件，但2种养护方式下混凝土表面吸水率变化呈相同趋势。相同混凝土同时成型的试件出现这样的差异，这可能是在钻芯过程中对试样表面造成了破坏。

2.2 蒸汽养护对轨道板混凝土抗氯离子渗透性能的影响

表4所示是不同养护方式下轨道板混凝土抗氯离子渗透测试结果。试验结果表明，蒸汽养护对轨道板混凝土28 d抗氯离子渗透性能有一定程度的影响，蒸汽养护混凝土28 d电通量较标准养护混凝土低 94 C，氯离子扩散系数则低 0.9×10－12m2/s，降低幅度分别为10%和21%;而到56 d时，蒸汽养护混凝土和标准养护混凝土这2项指标测试值则基本相同，变化幅度低于4%。

图1 蒸汽养护对混凝土表面吸水率的影响(混凝土试件)Fig.1 Effect of steam －curing on the surface absorption rate of concrete(concrete sample)

图2 蒸汽养护对混凝土表面吸水率的影响(模拟板钻芯试样)Fig.2 Effect of steam －curing on the surface absorption rate of concrete(sample of analogue slab)

表4 养护方式对混凝土抗渗性的影响Table 4 Effect of curing method on the impermeability of concrete g

一般而言，蒸汽养护会降低混凝土抗氯离子渗透能力:Detwiler等人［7］研究发现，在较高温度下养护波特兰水泥混凝土，会降低其对氯离子渗透的抵抗力。彭波［8］通过研究发现:与标准养护混凝土相比，蒸养后纯水泥混凝土、掺矿渣粉混凝土及掺粉煤灰混凝土的氯离子扩散系数均有所增加。前述研究中采用的蒸汽养护恒温温度一般较高，蒸汽养护在加速混凝土强度发展的同时对其孔结构有粗化作用，从而导致其抗氯离子渗透能力下降。本试验中蒸汽养护最高温度为46℃，混凝土在蒸养升温前进行3h常温静停，对于水胶比很低的轨道板混凝土而言，其自身强度发展速率原本就高于相同强度等级且也采用蒸汽养护的箱梁混凝土，在蒸汽养护温度升高到46℃时其已经形成一定结构强度，蒸汽养护对混凝土的不利作用得到一定程度抑制;另一方面，研究表明［8－9］，矿渣粉的微集料效应有利于水泥水化产物的扩散，对微观孔结构的优化有改善作用，同时其二次水化作用在蒸汽养护作用下也得到加速，进而形成低钙硅比的C－S－H凝胶，有利于混凝土内部孔结构的细化，可在一定程度上抵消蒸汽养护给混凝土性能带来的负作用。

2.3 蒸汽养护对水化进程的影响

图3所示是采用与轨道板混凝土相同胶凝材料组成比例的净浆在不同恒温条件下的化学结合水测试结果。结果表明:蒸汽养护对水泥－矿渣粉复合胶凝材料早期水化进程有显著的促进作用，而对胶凝材料后期水化程度影响较小［10］;在28 d前，随着蒸汽养护恒温最高温度增加，复合胶凝材料化学结合水量大幅提高，且龄期越早其增长幅度越大;而不同养护温度下胶凝材料56 d化学结合水量与28 d相比未有显著增，这与蒋正武等［10］的研究结果相同。由图3还可看出，蒸汽养护最高恒温温度为60℃和40℃时复合胶凝材料化学结合水量并未有显著差别，但当最高恒温温度上升到80℃时，则复合胶凝材料各龄期化学结合水量较40℃和60℃时均高出约15%。虽然化学结合水量越大意味着胶凝材料水化程度越高，但这并不表示蒸汽养护温度越高，胶凝材料性能越好。研究表明［8］，蒸汽养护温度越高，对水泥基胶凝材料微观孔结构越不利，会增加50～200 nm有害孔和大于200 nm多害孔的含量，这对水泥基材料抗渗性是不利的。同时，研究表明［9］，当蒸汽养护温度超过70℃时，水泥基混凝土材料发生延迟钙矾石破坏的概率也会大大增加，会导致水泥石内部微裂纹的产生，降低水泥石的抗渗性能。因此，在满足水泥基胶凝材料早期性能要求的前提下，应尽可能选择低的蒸汽养护温度，这也是《铁路混凝土耐久性设计规范》［3］规定混凝土养护期间芯部温度不宜大于60℃的原因之一。

图3 养护温度对水泥－矿渣粉浆体化学结合水量的影响Fig.3 Effect of curing temperature on non － evaporable water of cement－slag paste

图4 不同养护温度下化学结合水量变化拟合曲线Fig.4 Fitting curve for non － evaporable water changing under different curing temperature

对不同最高养护恒温温度下胶凝材料化学结合水量变化趋势进行了拟合，结果见图4。由拟合公式的斜率可以看到，越是在水化早期，拟合公式斜率越大;而随龄期增加，从1 d到28 d，斜率以近40%的幅度递减;28～56 d龄期斜率下降幅度则为15%。拟合公式中斜率反映了水泥－矿渣粉复合胶凝材料体系随养护温度增加水化程度的增加幅度，斜率越大，说明水化程度增长越快;反之，说明水化程度增长慢。

3 结论及建议

(1)试验采用蒸汽养护制度对轨道板混凝土早期和后期表面抗水渗透能力均有明显改善作用;但对其抗氯离子渗透能力的改善作用则主要体现在早期，而对后期抗氯离子渗透能力影响不明显。

(2)蒸汽养护可显著加快水泥－矿渣粉复合胶凝材料体系的水化程度，但从改善其抗渗性和耐久性角度出发，在满足轨道板混凝土材料早期性能要求的前提下，宜将蒸汽养护温度控制在60℃以内，这也与《铁路混凝土耐久性设计规范》所规定混凝土养护温度控制值相一致。

轨道板作为高速铁路无砟轨道结构的重要构件，直接承受列车动荷载，其性能直接关系整个无砟轨道结构的使用寿命。本文对轨道板混凝土的抗渗性与蒸汽养护的关系进行了初步研究，但这仅是轨道板混凝土耐久性指标中的一部分，建议进一步加强对蒸汽养护与轨道板混凝土其他耐久性的相关性研究工作。

［1］李益进.铁路预应力桥梁超细粉煤灰高性能混凝土的研究与应用［D］.长沙:中南大学，2005.LI Yi-jin.Study and application of high performance concrete containing ultra－fine fly ash designed for railway prestressed bridge girders［D］.Changsha:Central South University，2005.

［2］李敏霞.大型混凝土箱梁蒸汽养护工艺与温度场研究［D］.西安:西安建筑科技大学，2006.LI Min-xia，Study on the curing technology and temperature field of large － size concrete girder［D］.Xi’an:Xi’an University of Architecture and Technology，2006.

［3］TB 10005—2010，铁路混凝土结构耐久性设计规范［S］.TB 10005—2010，Code for durability design on concrete structure of railway［S］.

［4］西德尼·明德斯，J·佛朗西斯·杨.混凝土［M］.北京:化学工业出版社，2004:420.Sidney Mindess，J Francis Yong.Concrete［M］.Beijing:Chemical Industry Press.2004:420.

［5］库马·梅塔，保罗 J·M·蒙特罗.混凝土微观结构、性能和材料［M］.北京:中国电力出版社，2008(9):78－117.Mehta P K，Monteiro P J M.Concrete microstructure，properties and materials［M］.China Electric Power Press，2008(9):78－117.

［6］王 冲，蒲心诚.超低水胶比水泥浆材料的水化进程测试［J］.材料科学与工程学报，2008(6):852－857.WANG Chong，PU Xin-cheng.Measurement of hydration progress of cement paste materials with extreme－low W/B［J］.Journal of Materials Science ＆ Engineering，2008(6):852－857.

［7］Detwiler R J，Kjellsen K O，Gjorv O D.Resisitance to chloride intrusion of concrete cured at different temperatures［J］.ACI Materials Journal，1991(1):19 － 24.

［8］彭 波.蒸养制度对高强混凝土性能的影响［D］.武汉:武汉理工大学，2007.PENG Bo.Influence of steam －curing system on performance of high strength concrete［D］.Wuhan:Wuhan University of Technology，2007.

［9］ Ekolu S O.Role of heat curing in concrete durability effects of lithium salts and chloride ingress on delayed ettringite formation［R］.Portland Cement Association，Serial No.2869:3，2004.

［10］蒋正武，徐海源，王培铭，等.蒸养条件下复合胶凝材料水化过程［J］.硅酸盐学报，2010(9):1702－1706.JIANG Zheng-wu，XU Hai-yuan，WANG Pei-ming，et.al，Hydration process of compound cementitious materials under steam curing condition［J］.Journal of The Chinese Ceramic Society，2010(9):1702－1706.