纳米水化硅酸钙在免蒸养轨道板中的应用研究

2022-05-10胡建伟王月华李康刘子科翁智财蒋睿

铁道建筑 2022年4期

胡建伟王月华李康刘子科翁智财蒋睿

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081

分子杂交和嫁接的方法可实现纳米材料的合成和组装，制得的纳米材料可作为新型水泥添加剂影响水泥的基本结构［1-2］。纳米材料不仅凭借其颗粒细小等物理特征加速水泥水化，部分纳米材料（包括Nano-SiO2、Nano-Clay和Nano-Al2O3）还可以直接溶解在孔溶液中，释放出的离子可参与化学反应。通过研究纳米材料对水泥水化动力学、孔溶液组成及水化产物物相组成的影响，发现纳米材料能够显著加速水泥早期的水化反应［3-6］。研究表明，纳米材料与水泥水化之间产生的化学效应，主要来源于硅质纳米材料与水泥水化生成的氢氧化钙发生火山灰反应，以及铝质纳米材料在碱性环境下与水泥中的石膏发生化学反应生成钙矾石［7-9］。水化硅酸钙（C-S-H）凝胶相作为水泥硬化浆体中最复杂的纳米结构体系，其结构组成直接决定了水泥硬化浆体的微结构特征，进而影响混凝土宏观力学性能和耐久性能［10］。

近年来研究者发现［11-15］，掺加人工合成的纳米水化硅酸钙（N-C-S-H）能够显著加速水泥的早期水化进程，提高水泥砂浆的早期强度。尽管掺加N-C-S-H在加速水泥水化方面作用显著，但水泥水化原本就是一个复杂的过程，在水泥早期水化阶段，仍有众多不同因素的作用尚未被考虑。例如：N-C-S-H掺加量的影响，尤其是高掺量N-C-S-H对水泥水化热以及水泥砂浆早期强度和后期强度的影响规律，目前相关研究报道尚不明确。

为深入研究掺加N-C-S-H对水泥水化热及水泥砂浆抗压强度的影响规律，本文分别从水泥水化放热与砂浆抗压强度两个方面阐明掺加N-C-S-H的作用效果，并将N-C-S-H掺加到轨道板混凝土中，开展基于N-C-S-H的免蒸养轨道板的研究，验证N-C-S-H的工程应用价值。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥为中联水泥集团有限公司生产的P·Ⅰ42.5水泥，比表面积为346 m2/kg。主要化学成分见表1。

表1 水泥的主要化学成分

砂采用符合TB/T 3275—2018《铁路混凝土》要求的河砂，细度模数为2.65。N-C-S-H为采用共沉淀法自制的纳米水化硅酸钙，有效含固量为20.99%，平均粒径d50为267 nm，pH值为11.6。本文中N-C-S-H均为外掺，并按折固质量计算其在水泥中的实际掺量（即根据N-C-S-H在80℃条件下烘干至恒重的质量计算其在胶凝材料中的掺量）。

1.2 试验方法

1.2.1 水化热

采用0.3的水胶比，分别掺加0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、4.0%、6.0%、8.0%的N-C-S-H制备水泥净浆。将制备好的水泥净浆称量（5±0.001）g到安瓿瓶中，并采用TAM Air等温微量热仪测量水泥净浆的水化热。测试温度为（25±0.01）℃，测试持续至72 h。

1.2.2 抗压强度

按表2所示的水泥砂浆配合比，采用GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》［16］规定的方法搅拌水泥砂浆。搅拌完成后将砂浆浇筑到40 mm×40 mm×160 mm的三联模中，并在混凝土振动台上振动10 s后将砂浆表面刮平，然后按照文献［16］规定的方法养护至测试龄期后进行抗压强度测试。

表2 水泥砂浆配合比

2 N-C-S-H对水泥水化与强度发展的影响

2.1 水化热

N-C-S-H掺量对水泥水化放热速率的影响曲线见图1。可知，掺加N-C-S-H后水泥的水化加速期明显提前，第二水化放热峰值的出现时间从空白样的12.8 h，分别缩短到10.18、9.29、9.68、8.23、6.25、5.78、5.51 h，同时第二水化放热峰值从空白样的1.86 mW/g，分别提高到了2.28、2.54、2.92、3.11、3.31、3.32、3.01mW/g。

图1 N-C-S-H对水泥水化放热速率的影响（72 h）

进一步分析水泥水化加速阶段发现（图2），掺加N-C-S-H显著提高了水泥浆体水化放热速率曲线的斜率，明显缩短了水泥水化“诱导期”，水化放热效率明显提高。这可能是由于N-C-S-H加速了水泥颗粒的初始水解速度，大量离子进入到溶液中，加速了早期水化产物的形成，同时一部分未掺加早期水化的水泥颗粒提前进行了水化反应。当N-C-S-H的掺量超过一定量后（6.0%或8.0%），水化放热第二峰不再继续提高，甚至出现了降低的发展趋势。这与N-C-S-H掺量对砂浆抗压强度的影响规律相似。

图2 N-C-S-H对水泥水化放热速率的影响（20 h）

N-C-S-H掺量对水化放热量的影响曲线见图3。可知，空白样水泥累计水化放热量随水化时间的延长而增大。掺加N-C-S-H后，水泥累计水化放热量的增长趋势没有明显变化，而早期累计水化放热量的增长速率则明显提高，说明N-C-S-H对水泥水化的影响主要是在早龄期阶段，特别是20 h前。

图3 N-C-S-H对水泥累计水化放热量的影响曲线

2.2 抗压强度

N-C-S-H掺量对水泥砂浆抗压强度和强度增长率的影响分别见图4和表3。由图4可知，掺加N-C-S-H可以显著提高水泥砂浆的8 h和12 h抗压强度，这与已有的研究成果一致。由表3可知，随着N-C-S-H掺量的增加，砂浆抗压强度增长率呈现先增长后降低的倒V形变化趋势，表明N-C-S-H存在最佳掺量。对于8 h和12 h强度，最佳N-C-S-H掺量为4.0%。这可能是因为N-C-S-H掺量过多，引入了大量的分散剂使水泥砂浆的结构体不能有效生长等副作用导致的，龄期越长副作用越显著。

图4 N-C-S-H对水泥砂浆抗压强度的影响

表3 不同N-C-S-H掺量水泥砂浆抗压强度增长率

在N-C-S-H掺量一定的情况下，随着龄期的增长，砂浆的抗压强度增长率逐渐降低，N-C-S-H对提升砂浆抗压强度的效果逐渐减小，甚至出现负作用。N-C-S-H掺量为0.5%、1.0%、6.0%时，砂浆抗压强度从28 d开始低于不掺N-C-S-H的空白砂浆，而N-C-S-H掺量为8.0%时，砂浆抗压强度从3 d开始就低于空白砂浆。

3 N-C-S-H在免蒸养轨道板中的试应用

3.1 免蒸养轨道板的制备

免蒸养轨道板用混凝土的制备是轨道板生产过程中的关键环节。在轨道板试生产前应采用所选水泥、掺和料、粗骨料、细骨料、外加剂等原材料制作抗冻性、电通量混凝土试件各一组，氯盐环境作用下的氯离子扩散系数试件一组，进行耐久性试验。结合NC-S-H掺量对水泥强度发展的影响规律以及典型轨道板混凝土配合比，确定免蒸养轨道板混凝土的配合比，见表4。

表4 N-C-S-H超早强混凝土配合比 kg·m-3

3.2 免蒸养轨道板的体积变形

分别对比了40℃蒸汽养护常规混凝土和掺加N-C-S-H的轨道板混凝土在25℃免蒸养条件下的性能。同时为了监测轨道板的温度和体积变形情况，在轨道板钢筋网片上布置应变计。

每块轨道板绑扎5个应变计，位置分别在中部表层x轴、中部底部x轴、中部底部y轴、端部表层x轴、端部底部x轴。具体见图5。

图5 应变计的布置与安装

不同养护条件下轨道板的应变曲线见图6。

图6 不同养护条件下轨道板的应变曲线

由图6（a）可知，在蒸汽养护条件下轨道板用混凝土内部的应变发生较大变化，养护温度越高混凝土内部应变变化也越大。其中，混凝土的早期变形表现为膨胀变形，后期表现为收缩变形。这是因为在蒸汽养护早期，混凝土处于吸热状态，混凝土温度升高体积膨胀。随养护时间延长，水泥水化产生收缩。40℃养护环境下，混凝土的应变变形，养护温度越高，混凝土产生开裂的风险越大。

由图6（b）可知，蒸汽养护轨道板脱模后的应变曲线在14 d收缩应变达到270×10-6，而25℃免蒸汽养护轨道板14 d收缩应变为187×10-6，显著低于蒸汽养护轨道板的应变。

3.3 免蒸养轨道板的强度发展

轨道板用混凝土的脱模强度（16 h龄期的抗压强度）采用三块150 mm×150 mm×150 mm的同条件养护混凝土试块进行测试，结果见图7。可以发现，在免蒸汽养护条件下，通过掺入1.0%的N-C-S-H，控制环境养护温度不低于25℃，即可达到40℃蒸汽养护混凝土16 h的抗压强度，抗压强度满足大于45 MPa的标准要求。这与室内试验结果是一致的，而且28 d龄期时免蒸汽养护混凝土的抗压强度要高于蒸汽养护混凝土。以上试制研究说明，采用N-C-S-H并辅以保温养护工艺的免蒸汽养护的混凝土不仅能够改善由高温蒸汽所带来的热损伤问题，同时也可以显著降低养护能耗。