轨枕用高强复合路基材料配比优化及应用耐久性评价

2023-07-12于淇

粘接 2023年6期

于淇

摘要：针对铁路轨枕混凝土耐性不足，在恶劣环境中易出现开冰开裂的问题，提出通过粉煤灰和矿粉对轨枕混凝土进行优化，并对优化后混凝土性能进行研究。结果表明：当粉煤灰和矿粉总掺量为30%，粉煤灰和矿粉比例为2∶1时，制备的轨枕混凝土耐性最佳。此时，混凝土28、56 d电阻率分别为108.0、144.0 kΩ·cm，电通量分别为744、327 C；氯离子扩散系数分别为4.12×10-12 、1.62×10-12 m2/s。此时轨枕混凝土电通量和电阻率均满足TB/T 3275—2018规定的混凝土强度超过C50，设计使用年限100年的要求，表现出良好的耐久性。

关键词：高性能混凝土；铁路混凝土；耐久性能；抗氯离子渗透性能

中图分类号：TQ172.71+5文献标志码：A文章编号：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对重载铁路的发展十分重要。对此，部分学者也进行了很多研究，如研究了铁路混凝土中添加碳纤维和石墨粉对道床轨枕端部温度应变与应力的影响。试验结果表明，在碳纤维和石墨粉的协同作用下，可有效减小道床轨枕端部温度应变与应力［1］。从多方面系统阐述高性能混凝土结构耐久性保障技术［2］。尝试通过钙矾石提升早期铁路混凝土抗硫酸盐侵蚀性能进行研究［3］。以上学者的研究为增强铁路混凝土耐久性提供了一些参考。基于此，试验以文献［4］的方法，通过在铁路混凝土中复掺粉煤灰和矿粉，增强铁路混凝土耐久性。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料：水泥（P·O42.5），绪银耐火材料；砂（标准品），泽创矿产品；矿粉（I级），泰亚矿业；粉煤灰（I级），宏乾环保工程；碎石（I级），永顺矿产品；减水剂（AR），晴天化工。

主要设备：HZJ-A型振动台，华恒仪器； DZL型电阻率测试仪，亿轩仪器；DLT-6型电通量测定仪盛世慧科；RCM-6型扩散系数测定仪，泽睿仪器。

1.2 试验方法

根据C50 预应力轨枕混凝土标准对混凝土配比进行设计，具体如表1所示［5-6］。

（1）根据配合比依次将水泥、砂、石和矿粉放入混凝土搅拌机内，打开混凝土搅拌机对材料进行干拌，干拌时间为2 min;

（2）将掺有减水剂水倒入其中，继续搅拌90 s，得到混凝土；

（3）将混凝土倒入提前刷油的模具内，然后在HZJ-A型混凝土振动台的作用下将混凝土振动成型，刮去表面多余混凝土后，用保鲜膜覆盖后置于阴凉干燥的环境静置2 d拆模，标准养护至所需龄期。

1.3 性能测试

电阻率测试：通过电阻率测试仪测试混凝土电阻率。

电通量测试：

通过电通量测定仪测试轨枕混凝土电通量。

氯离子渗透系数测试：

通过氯离子扩散系数测定仪对混凝土氯离子渗透系数进行测试。

2 結果与讨论

2.1 单掺粉煤灰

2.1.1 对混凝土电阻率的影响

图1为粉煤灰与混凝土电阻率的关系。

由图1可知，在养护早期（养护龄期7 d），粉煤灰掺量对枕轨混凝土电阻率产生不良影响。这是因为养护龄期较短，粉煤灰具备较低的水化反应活性，增加了混凝土内部材料界面缺陷和孔隙，降低了混凝土内部的密实度，不利于电阻率发展［7-8］。在养护中期（28 d）和养护后期（56 d），随粉煤灰掺量的增加，混凝土试件的电阻率也逐渐上升。这是由于粉煤灰二次水化反应生成C—S—H 凝胶，该凝胶可以有效修补混凝土内部孔隙和界面薄弱环节的缺陷，对提升混凝土内部密实度产生积极的影响，使得混凝土电阻率保持在较高的水平［9-10］。

2.1.2 对混凝土渗透性的影响

图2为渗透性测试结果。

由图2可知，粉煤灰对轨枕混凝土后期抗渗性能产生积极的影响。这是因为粉煤灰掺入后，胶凝材料中水泥熟料的含量和水泥水化产物含量得到有效降低。同时，粉煤灰的火山效应对水泥水化产生的氢氧根离子有消耗作用，这就促进了氯离子的化学结合，减少了孔隙中自由氯离子的含量［11-12］。加之粉煤灰二次水化生成的胶凝材料可填充混凝土内部孔隙，增加混凝土的内部密实度和氯离子的物理吸附量，强化了混凝土界面过渡区能力，进而对提升轨枕混凝土抗氯离子侵蚀能力产生积极的影响［13-14］。

2.2 单掺矿粉的影响

由于单掺粉煤灰制备的混凝土早期耐性达不到理想要求，因此选择单掺矿粉增强轨枕混凝土性能，并研究了矿粉掺量的影响。

2.2.1 对混凝土电阻率的影响

图3为矿粉与电阻的关系。

由图3可知，矿粉对混凝土电阻率产生积极的影响，且明显高于同龄期同掺量的粉煤灰试件，这就说明矿粉对于早期混凝土电阻率的发展好于粉煤灰。这是因为，与粉煤灰相比，矿粉的活性更大，可以有效降低早期水泥石孔隙率，增强了混凝土内部结构密实度，因此矿粉轨枕混凝土早期电阻率明显高于粉煤灰轨枕混凝土［15-16］。同时还能从图3中观察到，随养护龄期的增加，同掺量混凝土电阻率也明显增加。这是因为养护龄期越长，矿粉的火山灰效应发挥的越好，因此随养护龄期的增长，轨枕混凝土的电阻率也进一步增加［17-18］。

2.2.2 对混凝土渗透性的影响

图4为矿粉与混凝土渗透性的影响。

由图4可知，随矿粉用量的增加，同龄期混凝土电通量和氯离子扩散系数均明显下降，且明显小于同龄期同掺量的粉煤灰混凝土，这充分说明矿粉对混凝土性能优于粉煤灰。这是因为矿粉颗粒自身的比表面积较大，对于氯离子的吸附产生积极的影响［19］。同时，水泥水化产生的氢氧根离子，会破坏矿粉玻璃体表面结构进入矿粉玻璃体内部并与富钙相进行反应［20］。加之，矿粉本身具备潜在水硬性和火山灰活性，二次水化反应产物为C—S—H 凝胶，可以有效填充毛细管和孔隙裂缝，还对氯离子有粘附作用。氯离子粘附后，C—S—H凝胶逐渐朝网状形态转化，对界面过渡区有改善作用，进而提升了内部结构致密性，使得轨枕混凝土抵抗氯离子侵蚀的能力有所提升。

2.3 双掺矿粉和粉煤灰

在以上2个结论中，已经确定了掺量为30%的矿粉对枕轨混凝土早期电阻率和抗渗性能有积极的影响。但在养护后期，同掺量的矿粉混凝土的电阻率和电通量与粉煤灰混凝土较为接近，这说明矿粉在养护后期，对混凝土增强效果有所降低。为了补偿矿粉和粉煤灰的缺点，选择双掺矿粉和粉煤灰对枕轨混凝土进行改性。固定2种掺和物总量为30%，研究了粉煤灰与矿粉比例分别为1∶2（CF10S20）、1∶1（CF15S15）和2∶1（CF20S10）时，混凝土耐久性的变化。

2.3.1 对混凝土电阻率的影响

图5为双掺比例与电阻率关系。

由图5可知，在养护早期，混凝土电阻率与矿粉掺量成正比，与粉煤灰掺量成反比。在养护早期，主要依靠矿粉对混凝土电阻率进行提升。同时还能从图5中观察到，在养护中期（28 d）和养护后期（56 d），粉煤灰与矿粉比例为2∶1制备的轨枕混凝土电阻率最高，其28、56 d电阻率分别为108.0、144.0 kΩ·cm；在56 d龄期条件下分别比单掺粉煤灰和单掺矿粉的混凝土电阻率提升了19%和30%。以上变化说明了双掺粉煤灰和矿粉对电阻率的发展产生更优的效果，这是受2种材料互补复合效应的影响。在混凝土养护早期，矿粉快速发生火山灰反应，快速的提升了混凝土的密实度，而养护后期，粉煤灰火山灰活性发挥作用，对浆体结构的属性有改性作用。同时，粉煤灰和矿粉还存在一定的微集料效应，对水泥粗颗粒间的孔隙有填充作用，可有效改善胶凝体系的颗粒级配，对硬化后混凝土孔隙率有降低作用，进一步提升了混凝土电阻率。

2.3.2 对混凝土渗透性的影响

图6为双掺比例与渗透性关系。

由图6可知，复掺粉煤灰和矿粉能有效增强混凝土的抗渗性能。当养护龄期为28 d时，随粉煤灰掺量的增加，电通量和氯离子扩散系数均有一定上升，这说明此时对混凝土抗渗性能产生作用的是矿粉。粉煤灰、矿粉比例为2∶1 时，混凝土电通量为744 C，氯离子扩散系数为4.12×10-12 m2 /s 。当养护龄期56 d时，随混凝土掺量的增加，电通量和氯离子扩散系数明显下降，这说明在养护后期，粉煤灰更有利于混凝土抗渗性能的发展。粉煤灰、矿粉比例为2∶1 时，混凝土电通量为327 C，氯离子扩散系数为1.62×10-12 m2/s。以上变化说明了矿粉对枕轨混凝土早期抗渗性能的发展产生积极作用，而粉煤灰对混凝土后期抗渗性能的发展产生积极的影响，复掺粉煤灰和矿粉，能有效改善单掺粉煤灰和矿粉存在的缺陷，增强枕轨混凝土的耐久性。

2.4 耐久性评价

参照TB/T 3275—2018规定对铁路混凝土56 d电通量和电阻率进行评价，评价标准如表2所示。

由表2可知，试验制备的复掺粉煤灰和矿粉的軌枕混凝土电通量和电阻率均满足混凝土强度超过C50，表现出良好的耐久性。

3 结语

（1）单掺粉煤灰对增强混凝土后期抗渗性能产生积极的影响；

（2）单掺矿粉能有效增强早期混凝土的电阻率，可在较短时间内使得轨枕混凝土电通量和氯离子渗透系数在较短时间内得到有效降低，增强混凝土的抗渗性能。但单掺矿粉对混凝土后期的增强能力较弱，无法达到长期耐久性要求；

（3）双掺粉煤灰和矿粉能充分发挥二者的复合叠加效应，使得轨枕混凝土能长期保持良好的抗氯离子渗透性能，对轨枕混凝土的改性效果良好；

（4）复掺粉煤灰和矿粉的轨枕混凝土电通量和电阻率均满足TB/T 3275—2018标准中对混凝土强度C50的规定，表现出良好的耐久性。

【参考文献】

［1］唐先习，李维东，戚彦福，等.掺加碳纤维和石墨粉对整体道床轨枕端部温度应力影响研究［J］.混凝土，2021（10）：110-114.

［2］谢永江，李康，胡建伟，等.高速铁路混凝土结构耐久性技术创新及发展方向［J］.土木工程学报，2021，54（10）：72-81.

［3］徐倩，周太全，华渊，等.玉磨铁路早龄期混凝土抗硫酸盐侵蚀试验研究［J］.铁道科学与工程学报，2022，19（1）：151-160.