高速铁路支座砂浆耐久性能研究

张敬雷

（中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京 密云 101500）

高速铁路支座砂浆耐久性能研究

张敬雷

（中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京 密云 101500）

以硫铝酸盐水泥和石英砂为基础，通过优化减水、缓凝及早强等多种功能外加剂的掺量，成功制备出可满足高铁专用要求的支座砂浆材料，对配制的高速铁路专用支座砂浆进行了耐久性研究。试验结果表明，制备的高铁支座砂浆具有优异的抗水迁移能力和抗冻性能；制备的支座砂浆具有较好的抵抗干湿循环的性能。

高铁；支座砂浆 耐久性能 毛细管吸水率 干湿循环 冻融循环

1.引言

近年来，我国的基础设施建设处于高速发展时期，有资料表明，2014年底我国高速铁路总营业里程达到约16500公里，成为世界上高速铁路投产运营里程最长、在建规模最大的国家。高铁的建设中少不了大量预应力混凝土桥梁的施工。为了提高预应力混凝土箱梁的制梁效率和质量，高速铁路建设会较多地采用工业化预制场集中进行混凝土梁的预制，并采用架桥机架设[1][2]。在架设混凝土梁的过程中，起着承上启下、保证桥梁安全的支座安装材料就显得尤为重要。这其中支座砂浆更是重中之重，主要起这几个作用：1）连接上部结构（箱梁）和下部结构（承台），使其成为一个整体构件；2）锚固咬合螺栓；3）通过支座砂浆的灌注厚度来调整箱梁上下左右的施工误差；4）承受整个箱梁及组成构件的重量。因此，支座砂浆的质量和性能将直接影响到整座桥梁的使用性和耐久性。

近年来，支座砂浆的研究开发相关报道主要集中在灌浆材料的配方研制和工作性、力学强度等方面[3-6]，对其耐久性探讨的较少。本文以硫铝酸盐水泥和石英砂为基础，通过优化减水、缓凝及早强等多种功能外加剂的掺量，成功开发出可满足高铁专用要求的支座砂浆材料，重点对制备的高铁专用支座砂浆进行了耐久性研究，主要包括支座砂浆硬化后的毛细管吸水性能、干湿循环下力学性能的变化以及抗冻性能。

2.试验部分

2.1试验原材料

1）水泥：选用郑州产的低碱度硫铝酸盐42.5R级水泥，其性能见表1。

2）砂子：选用用洁净、粒径优良的石英砂，石英砂级配见表2。

3）其他功能外加剂：减水剂选用江苏苏博特公司产的粉状聚羧酸减水剂；缓凝剂采用江苏泰州产的硼酸盐；早强剂采用河南蓝翔化工公司产的碳酸锂；膨胀剂采用UEA膨胀剂；消泡剂采用有机硅消泡剂。

4）拌合水采用自来水。

表1 硫铝酸盐42.5R级水泥的基本性能表2 石英砂级配

2.2支座砂浆的配合比

[3-6]的基础上, 通过大量的配比试验，以硫铝酸盐水泥和石英砂为基础，通过优化减水、缓凝及早强等多种功能外加剂的掺量，制备出了满足高铁专用要求的支座砂浆材料，其配合比如表3 所示，所得支座砂浆的工作性能、力学性能如表4所示，均满足铁道部科学技术司文件《客运专线桥梁盆式橡胶支座暂行技术条件》的性能要求。

表3 支座砂浆配比

表4 支座砂浆性能

2.3试验方法

1) 支座砂浆拌合及力学性能测试

支座砂浆拌合时，采用行星式水泥胶砂搅拌机搅拌，搅拌制度为：将水加入搅拌锅内，再加入支座砂浆干料，立即开动搅拌机慢速搅拌2min，然后再快速搅拌1min，最后再慢速搅拌1min。

抗压强度和抗折强度按照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行。将拌合好的支座砂浆倒入试模，不振动。长龄期强度试件是2h拆模后水养至相应龄期；相对动弹模量的测试：选用非金属超声波仪测定支座砂浆的超声波声速，然后按照下列公式1.1计算相对动弹模量。其中：E为材料的动弹性模量；t为材料的声时，t0为材料初始声时，tt为龄期为t天后材料的声时。

相对动弹模量

2）支座砂浆吸水率测试

毛细管吸附试验参照ASTM C1585 进行，把养护到一定龄期的试块放入50℃烘箱中，烘干至恒重，记录试样的质量，精确到0.01 g，量取浸水面直径和宽度，精确到0.1 mm。保留两侧面，其余面用石蜡材料密封，然后放入容器中，背水面表面覆盖一塑料薄膜，试验在（20±1）℃温度条件下进行。测定0、1、2、4、6、12、24、56 h 时间的毛细管吸水量，然后用线性回归分析的方法，对毛细管吸附量I 与s1/2时间进行相关性分析，确定毛细管吸附率（mm/ s1/2）。试验装置示意图如图1所示。

3）支座砂浆干湿循环试验

成型40mm×40mm×160mm的支座砂浆试件，试件成型2h后拆模，试件标养10d后进行干湿循环，干湿循环方案为：50～60℃烘箱中养护4d，水养养护3d，每个周期为7d。试支座砂浆每个循环周期的抗压和抗折强度，以及非加载状态下支座砂浆相对动弹模量。

4）支座砂浆抗冻试验

成型100mm×100mm×400mm的支座砂浆试件，主要测试冻融循环过程中支座砂浆相对动弹性模量和质量损失值。

3 试验结果与讨论

3.1支座砂浆毛细管吸水率测试

在支座砂浆材料中，水是诸多破坏因素的载体，因此表征水在支座砂浆中的迁移速率对混凝土耐久性的研究具有重要意义。目前表征水在水泥硬化体中的迁移速率主要有抗渗等级和毛细管水吸附两种方法，本文主要采用毛细管水吸附试验方法研究水介质在支座砂浆中的渗透性能。

试验测试了支座砂浆龄期为 7d、28d、56d、90d的毛细管吸水率，试验结果如图 2所示。从中可以看出，随着龄期的增长，支座砂浆的毛细管吸水率逐渐降低，到56d时毛细管吸水率达到0.0638 mm/s1/2。与普通的C60混凝土相比，支座砂浆的毛细管吸水率明显低很多。因此认为，支座砂浆具有优异的抗水迁移能力。

图1 毛细管吸附试验示意图

图 2支座砂浆不同龄期时的毛细管吸水率

3.2干湿循环对支座砂浆强度的影响

干湿循环是导致水泥基材料结构性能衰退最为严酷的环境条件之一，它能加速有害介质如氯离子等入侵水泥基材料内部的速率，还能通过引发内部水分含量变化导致水泥基材料体积发生变化，最终导致材料过早被破坏[7]。因此，有必要对干湿循环条件下支座砂浆性能的变化开展研究。试验测试了支座砂浆每个干湿循环周期的抗压和抗折强度，7d为一个循环周期，试验结果分别如图3、图4所示。

图3 干湿循环对支座砂浆抗压强度的影响

图4 干湿循环对支座砂浆抗折强度的影响

从试验结果可以得出，在干湿循环条件下，支座砂浆的抗压强度呈现先增长后逐渐降低的趋势，在 13次干湿循环周期内，支座砂浆的抗压强度都在 80MPa以上。从图4试验结果可知，在干湿循环6次以内时，支座砂浆抗折强度的变化幅度并不显著；当干湿循环大于 6次以后，支座砂浆抗折强度开始发生显著的衰减，经过10次干湿循环后，抗折强度低于10MPa。

3.3干湿循环对支座砂浆相对动弹模量的影响

测试了支座砂浆每个干湿循环周期的声时变化，从而计算相对动弹模量的变化，试验结果如图5所示。从试验结果发现，在干湿循环过程中支座砂浆的相对动弹模量经历了先增大后降低的趋势，最后在经过6次循环之后支座砂浆的相对动弹性模量基本稳定在90%～95%。

图5 干湿循环对支座砂浆相对动弹性模量的影响

3.4 支座砂浆抗冻性能研究

冻融循环是影响支座砂浆使用寿命与性能的一个非常重要的因素，因此抗冻性能是支座砂浆耐久性的重要指标之一。试验测试了冻融循环过程中，支座砂浆质量损失和相对动弹性模量，试验结果如图6和图7所示。

图6 冻融循环对支座砂浆相对质量的影响

图7 冻融循环对支座砂浆相对动弹性模量的影响

从图 6可得，在冻融循环过程中，支座砂浆试件在最初 50 次冻融循环中，质量有略微增加。分析原因可能是，试件表面一些较大的有害封闭孔受到破坏变为与外界连通的孔，吸水从而使试件质量略微增加。但随着冻融循环继续进行，支座砂浆试件表面开始剥落，从而导致质量损失很快，但经过 375次冻融循环后支座砂浆质量损失仅为1.35%，说明了支座砂浆材料具有较好的抗冻性能。从图7冻融循环对支座砂浆相对动弹性模量的影响试验结果中，可以看出，冻融循环过程中，支座砂浆的相对动弹模量变化不大，下降不是很明显。经过375次冻融循环后，相对动弹模量仍大于90%。综上，支座砂浆材料具有较好的抗冻性能。

4 结语

1）开发的高铁专用支座砂浆初始流动度值可达346mm，30min后流动度值可达254mm，2h 抗压强度可达 27.6 MPa，24h抗折强度可达 12.3 MPa，28d 抗压强度可达 83.2MPa，均满足《客运专线桥梁盆式橡胶支座暂行技术条件》的性能要求。

2）制备的高铁支座砂浆具有优异的抗水迁移能力，56d时毛细管吸水率仅为0.0638 mm/s1/2；该支座砂浆材料具有较好的抗冻性能，经过375次冻融循环后支座砂浆质量损失率仅为1.35%，相对动弹模量仍大于90%；

3）干湿循环对支座砂浆的抗压强度、相对动弹性模量影响都会经历先增大后降低的趋势，但当干湿循环达到13次时，支座砂浆的抗压强度仍在80MPa以上，相对动弹性模量基本稳定在90%～95%；而抗折强度对干湿循环作用的反应表现得不一样，在干湿循环6次以内时，支座砂浆抗折强度的变化幅度并不显著，但当干湿循环大于6次以后，支座砂浆抗折强度开始发生显著的衰减，经过10次干湿循环后，抗折强度低于10MPa。

参考文献

[1]丁荣昌.高速铁路桥梁架设方法与设备配置分析[J].铁道工程学报,2001(12):128-131.

[2]杨宝森.客运专线箱梁架设施工控制要点浅议[J].山西建筑,2008,34(13):333-334.

[3]周华新,万赟,洪锦祥.高速铁路专用支座砂浆材料的试验研究[J].混凝土,2010(1):109-111.

[4]张显锋,全黎,张瑾.客运专线超早强支座砂浆的试验研究[J].科协论坛,2011(6):100-101.

[5]张勇,杨富民.高速铁路架梁施工中自流平支座砂浆的研究及应用[J].铁道建筑,2011(4):24-26.

[6]马保国,李正冈,肖佳,等.TX-RG-II 型早强支座砂浆的试验研究[J].新型建筑材料,2011(7):13-15.

[7]高原,张君,孙伟.干湿循环下混凝土湿度与变形的测量[J].清华大学学报(自然科学版), 2012,52(2):144-149.

G322

B

1007-6344（2015）02-0339-02