磨细矿粉与复合掺和料在CRTS双块式无砟轨道混凝土轨枕中的对比试验应用

汪 海（中铁丰桥桥梁有限公司，北京 100070）

磨细矿粉与复合掺和料在CRTS双块式无砟轨道混凝土轨枕中的对比试验应用

汪 海（中铁丰桥桥梁有限公司，北京 100070）

研究了分别由复合掺和料、磨细矿粉配制成的CRTS双块式无砟轨道混凝土轨枕在自然养护条件下的力学性能和耐久性能，结果表明：掺加复合掺和料的双块枕混凝土早期强度较基准混凝土提高27%，后期强度较基准混凝土提高15%，耐久性能较基准混凝土有很大程度的提高；掺加磨细矿粉的双块枕混凝土早期强度虽然有所降低，但依然能够满足双块枕混凝土脱模强度的要求，后期强度较基准混凝土可以提高5%，同时磨细矿粉的掺入也可以明显改善双块枕的耐久性能。考虑到复合掺和料成本是磨细矿粉的6倍多，选择磨细矿粉配制双块枕混凝土是较为经济的选择。

轨枕混凝土；自然养护；复合掺和料；磨细矿粉；强度；耐久性

Keys words：sleeper concrete；natural curing；composite admixture；groud fine slag；strength；durability

随着铁路高速的要求日益提高，铁路线路也从现有的有砟向无砟转变，因而无砟混凝土轨枕的需求也就越来越多[1-2]。轨枕是铁路轨道系统的重要承力部件。由于大部分轨枕露天服役且承受正、负弯双向弯矩，因而也是铁路混凝土结构中最容易被破坏的构件[3]。CRTSSK-2型双块式无砟轨道混凝土轨枕（以下简称双块枕）包括两块分别位于轨枕两端、表面平整的混凝土块，两混凝土块之间用钢筋桁架连接，结构整体性好，耐久性好。双块枕生产工艺简单、科学合理、经济实用，具有很高的推广使用价值。过去几年间，双块枕已先后应用于武广客专、合武、温福、福厦、襄渝和郑西客专等客运专线上。工程实践表明，双块枕在生产过程中会出现在规定的时间脱模时强度低以致产生掉角、裂缝和后期的耐久性不良等问题。

双块枕采用机组流水法进行集中预制，使用非预应力配筋。利用布料机进行均匀连续布料，振动台振动成型，翻转机加多次轻磕的方式脱模，混凝土采用自然养护或蒸汽养护。混凝土配制和浇筑应符合下列规定[4]：配合比通过试验确定，混凝土胶凝材料用量不应大于500kg/m3,水胶比不应大于0.35，混凝土含气量2.0%～4.0%，混凝土强度等级为C60。配制的关键技术是解决规定时间内脱模强度不低于40MPa的问题，同时需满足抗冻等级F300，电通量应小于1000C，其他技术指标应符合《CRTS双块式无砟轨道混凝土轨枕》TB/T3397-2015的规定。

本试验以满足技术要求为前提，同时降低工程成本，通过单掺磨细矿粉和单掺复合掺和料来部分取代水泥，测试双块枕混凝土的早期强度、后期强度与耐久性能。结果表明：单掺磨细矿粉和单掺复合掺和料的混凝土均能够满足《CRTS双块式无砟轨道混凝土轨枕》TB/T3397-2015的规定及工艺要求。但是，考虑到磨细矿粉与复合掺和料在单价上的悬殊差异以及资源利用的方便快捷，该对比试验为磨细矿粉在双块枕混凝土中的扩大应用提供了一定的实践依据。

1 原材料

1.1 水泥

水泥采用P·O52.5级低碱水泥，其部分化学成份及主要物理性能见表1。

1.2 复合掺和料

复合掺和料由比表面积大于600m2/kg的超细矿粉、高活性硅灰粉和高性能改性剂按照一定比例均匀配制而成，其部分化学成份及主要物理性能见表2。

1.3 磨细矿粉

磨细矿粉采用S95级矿粉，其部分化学成份及物理性能见表3。

1.4 减水剂和水

减水剂采用RAWY-101聚羧酸减水剂（标准型），不含额外的引气和缓凝成分，其主要技术指标见表4。

表1 水泥部分化学成份及主要物理性能

表2 复合掺和料部分化学成份及主要物理性能

表3 磨细矿粉部分化学成份及主要物理性能

表4 RAWY-101型聚羧酸减水剂主要技术指标

拌合水采用市政自来水。

1.5 骨料

细骨料：采用天然Ⅱ区中砂，细度模数2.8，连续级配，含泥量0.3%，泥块含量0.1%，无碱活性。

粗骨料：采用的碎石岩石种类为玄武岩，粒径为5～10㎜和10～20㎜二级配，分级生产、运输、储存和单独计量。含泥量0.3%，泥块含量0.1%，针片状颗粒含量2%，压碎指标4%。

2 试验方法

2.1 拌和物性能试验

双块枕混凝土坍落度、含气量和常压泌水率试验按照GB/T 50080-2002《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》进行，在布料机下料口取样。其中，含气量测定仪为直读式，容积为7L，日本三洋株式会社生产。

2.2 力学性能试验

双块枕混凝土抗压强度试验按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，采用立方体试件尺寸为150mmx150mmx150mm,混凝土试件与双块枕相同条件成型和养护，28d、56d抗压强度标准试件脱模后放入标准养护室进行养护。

双块枕在生产车间置于养护坑内进行自然养护。养护坑为厚度30cm的钢筋混凝土结构，长13.6m，宽6.1m，地面以上 1.5m,地面以下 2.5m,养护坑顶盖使用10t桥式超重机进行整体吊装，具有密闭保温功能。其目的就是利用混凝土自身产生的水化热来提高水泥的水化速率和促进水泥的水化程度，从而提高双块枕混凝土的强度，尤其是脱模强度。

2.3 抗冻等级试验

按照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中规定的快冻法进行，试件尺寸为150mmx150mmx150mm，试验龄期为56d。仪器：TDRF-1型快速冻融试验机、天津惠达试验仪器厂，TM-Ⅱ型混凝土弹性模量测定仪、北京路达伟业科技有限公司。

2.4 电通量试验

按照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中规定的电通量快速试验方法进行。仪器：SDL-Ⅱ型混凝土电通量测定仪、沧州路仪试验仪器有限公司。

2.5 双块枕混凝土配合比

双块枕混凝土试样的配合比见表5，为保证试验结果的准确性，每个样品进行2次平行试验，下文中有关力学性能与耐久性能试验结果为2次平行试验的平均值。其中样品2为基准配合比，样品2和样品3为试验配合比。

3 对比试验结果与分析

3.1 拌和物性能

表6为三个样品配制的双块枕混凝土拌合物性能测试值，其中设计坍落度为(60～100)mm。样品1、2、3从工作性方面来说均能够满足双块枕施工生产的工艺性要求，但加入复合掺和料或磨细矿粉后，混凝土坍落度有减小的趋势，同时样品2和样品3的粘聚性和保水性较样品1有所提高，混凝土无泌水现象。

复合掺和料中含有超细矿粉和高活性硅灰粉，无论是复合掺和料，还是普通磨细矿粉，颗粒均比水泥要细很多，当二者以一定比例代替相同质量水泥时，随着粉体比表面积的增多，势必会吸附混凝土中更多的自由水，使混凝土粘聚性增大，表现出含气量和坍落度的减小[5]；反之，当矿粉较粗时，泌水量和泌水速率可能增加[6]。因此，控制矿粉的质量，对发挥其作用起着很关键的作用，否则会适得其反。

表5 双块枕混凝土试样的配合比

表6 不同样品配制的双块枕混凝土拌和物性能

3.2 力学性能

按标准试验方法制作混凝土抗压强度试件，试验龄期分别为16h、28d和56d,其中16h混凝土试件与双块枕相同条件成型和养护，28d和56d抗压强度标准试件脱模后放入标准养护室进行养护，试验结果如图1所示。

图1 不同样品配制的双块枕混凝土力学性能

如图1所示，掺加复合掺和料的双块枕混凝土的早期强度较基准混凝土提高27%，28d标准养护混凝土强度提高15%。掺加磨细矿粉的双块枕混凝土早期强度较基准混凝土虽然有所降低，但能够满足双块枕脱模强度的要求，28d标准养护混凝土强度较基准混凝土提高5%。

双块枕在隧道工程应用中产量一般较大，最高达上百万根，对于施工企业来说，加速模型的周转，对施工方成本控制和完成工期起着至关重要的作用。由图2可知，掺加复合掺和料与磨细矿粉均能够满足双块枕对脱模强度的要求，同时对双块枕后期混凝土强度增长有利。

磨细矿粉比水泥细，可以填充在水泥颗粒和水泥颗粒填充不到的孔隙中，使混凝土中浆体与集料的界面缺陷减少，致密性提高，同时随着水泥水化过程的进行，矿粉利用自身的活性进行二次水化反应［7］，将混凝土中尤其是浆体与骨料界面处大量的Ca(OH)2晶体转化成对强度及致密性更有利的C-S-H凝胶，改善硬化水泥桨体的微观结构，提高混凝土强度［8］。

高活性硅灰粉对混凝土强度增长的原理与磨细矿粉基本相同，但硅灰比磨细矿粉更细，同时火山灰活性更强，它不但可以填充矿粉与水泥的空隙，而且与水泥的水化产物进行二次反应后［8］，会生成强度及致密性更高的C-S-H凝胶，大大改善硬化水泥桨体的微观结构，从而可以大大提高混凝土的强度［9］。

3.3 电通量

图2为不同样品配制的双块枕混凝土电通量试验结果，从中可以看出复合掺和料和磨细矿粉的掺入均降低了双块枕混凝土的电通量。原因在于新拌混凝土中多余的水分，在混凝土内部形成了孔隙和毛细管，也就留下了气体和液体侵蚀混凝土的通道。随着混凝土硬化，矿物掺和料填充密实效应逐渐发挥作用，改善了双块枕混凝土内部孔结构，充分地延长了毛细管通道，阻止了可能形成的渗透通道，从而增强了双块枕混凝土抗氯子渗透性；其次是磨细矿粉与复合掺和料的火山灰效应，随着养护时间增长，复合掺和料的火山灰反应程度不断加深，消耗大量的Ca(OH)2使双块枕混凝土界面过渡区的Ca(OH)2晶体尺寸减小、取向度降低，导致界面过渡区孔隙率降低，结构更为密实，有效减少了连通孔的数量，且火山灰反应产物填充了水泥石的间隙，从而大大改善混凝土的内部结构，提高混凝土抗氯离子渗透性能。

另一方面，通过图2也可以看出，由于复合掺和料中高活性硅灰的存在，掺加复合掺和料的混凝土比掺加磨细矿粉的混凝土具有更高的抗氯子渗透性能。

图2 不同样品配制的双块枕混凝土电通量

3.4抗冻性

双块枕混凝土冻融循环后相对动弹性模量结果见图3，从中可以看出复合掺和料和磨细矿粉的掺入可以明显改善双块枕混凝土的抗冻性能。图4为双块枕混凝土冻融循环后的质量损失率，掺入复合掺和料和磨细矿粉后，双块枕混凝土经过冻融循环后，质量损失率减小。

原因可以简单归结为，复合掺和料与磨细矿粉的填充效应以及火山灰活性使双块枕混凝土的密实度增加，降低了孔径分布、改善了孔径分布,降低了水饱和程度及冰点[9]。

从图3和图4也可以看出，掺加复合掺和料的双块枕混凝土的抗冻性要好于掺加磨细矿粉的双块枕混凝土的抗冻性，这也是由于复合掺和料中高活性硅灰存在的缘故。

图3 不同样品配制的双块枕混凝土冻融循环后相对动弹性模量

图4 不同样品配制的双块枕混凝土冻融循环后质量损失率

4 应 用

2008年，原铁道部发布科技基[2008]74号文《客运专线铁路双块式无砟轨道双块式混凝土轨枕暂行技术条件》，规定的混凝土掺和料的性能指标只有复合掺和料才能达到，普通优质粉煤灰和磨细矿粉无法达到的，工程实际生产双块枕也多采用蒸汽养护。2015年，国家铁路局发布TB/T 3397-2015《CRTS双块式无砟轨道混凝土轨枕》，规定的混凝土掺和料可为复合掺和料，也可为普通优质粉煤灰或磨细矿粉。

采用复合掺和料配制双块枕随着我国铁路建设的发展在2015年之前得到了普遍的应用，先后用于十多条高速铁路的无砟轨道。南龙铁路轨枕场试生产期间在自然养护的条件下对复合掺和料与磨细矿粉进行了对比试验应用，结果显示，单掺磨细矿粉可以生产出各项技术要求均符合技术要求的双块枕。一方面，由双块枕主流的蒸汽养护变成自然养护，不但简化了工艺流程，而且从工艺上节省了一部分成本，另一方面，由双块枕主流的掺加复合掺和料变成掺加磨细矿粉，从材料方面也节省了大量的成本。目前，复合掺和料的单价大概是磨细矿粉单价的6倍之多，按15万根双块枕计算，单材料方面就可以节约80万左右。

5 结 语

1）磨细矿粉在不影响双块枕脱模强度的情况下，可以提高混凝土的后期强度，降低混凝土的电通量，提高混凝土的抗冻性能；

2）双块枕混凝土配合比设计时，不能一味地重视混凝土的工作性、力学性能和耐久性能，要同时兼顾配合比的经济性；

3）实践证明在亚热带地区，双块枕混凝土采用自然养护方式，配合比设计单掺磨细矿粉，可以生产出符合技术要求的双块枕，为以后双块枕的生产提供一定的借鉴意义。

［1］康祥梅，郑爱国，李玉香.无砟轨道双块式混凝土轨枕的配合比优化及生产控制［J］.混凝土，2011（1）：139-141.

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［4］国家铁路局.TB/T 3397-2015 CRTS双块式无砟轨道混凝土轨枕［S］.中国铁道出版社，2015

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［6］文梓芸，钱春香，杨长辉.混凝土工程与技术［M］.武汉，武汉理工大学出版社，2004.

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Contrast test application for CRTS bi-block sleeper concrete of ballastless track mixed with ground fine slag and with composite admixture

Research on the compressive strength and durability performance for the bi-block sleeper concrete of ballastless track mixed respectively with composite admixture and with ground fine slag under the natural curing condition. Results showed:The strength of concrete mixed with composite admixture increased than the benchmark concrete by 27% for early-phase and 15% for post-phase. The durability performance of concrete mixed with composite admixture had greatly improved than the benchmark concrete. The strength of concrete mixed with ground fine slag decreased than the benchmark concrete for early-phase, but it was still able to meet the requirement for the demoulding strength of bi-block sleeper concrete. The strength of concrete mixed with ground fine slag increased than the benchmark concrete by 5% for post-phase. Meanwhile, adding ground fine slag would distinctly improve the durability performance for the bi-block sleeper concrete of ballastless track. Considering that the cost of composite admixture is more than six times of the cost of ground fine slag, it would be better to select ground fine slag.

TU528.041

：B

：1003-8965（2017）02-0045-04