预应力混凝土轨枕C60混凝土配合比优化设计

杨富民，孙成晓

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司，北京 102206)

预应力混凝土轨枕C60混凝土配合比优化设计

杨富民1，孙成晓2

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司，北京 102206)

采用对比试验方法研究了预应力轨枕混凝土在掺加15%矿渣粉前后的各项性能，并分析了矿渣粉在蒸养环境下的作用机理。结果表明:在相同蒸汽养护条件下，预应力轨枕混凝土在掺加矿渣粉后，混凝土脱模抗压强度和28d抗压强度比基准混凝土分别提高8.8%和12.5%;轨枕芯部温度降低3.4℃，满足规范要求;脱模弹性模量降低4.4%，28d弹性模量降低3.6%，轨枕静载抗裂性能得到提高。掺加矿渣粉的高强混凝土各项耐久性能指标均满足规范要求。

矿渣粉 轨枕 芯部温度 抗压强度

目前混凝土轨枕生产多采用干硬性混凝土，生产的轨枕构件具有几何尺寸准确、强度高、密度高、效率高等优点。但在混凝土轨枕生产过程中也会出现轨枕压制不密实、色差明显、强度离散性大、缺边掉角等问题［1］，并且现阶段轨枕混凝土使用的水泥多为强度等级较高的52.5普通硅酸盐水泥，胶凝材料用量较大。为了降低混凝土轨枕生产成本，控制轨枕的质量和外观，应采用科学有效的质量控制措施。

鉴于此，结合混凝土轨枕构件的性能特点，在前期通过原材料筛选、综合分析各因素得出的合理配合比的基础上，采用对比试验，研究在蒸汽养护条件下，预应力轨枕混凝土中掺加一定量的矿渣粉对其抗压强度、弹性模量、轨枕芯部温度以及各项耐久性能指标的影响。试验结果可为北京铁科首钢轨道技术股份有限公司的C60高强预应力混凝土轨枕生产起到指导作用。

1 原材料及配合比

水泥为邯郸金隅P·O42.5普通硅酸盐水泥，标准稠度用水量26.7%，其余各项指标符合TB/T3275—2011［2］要求，见表1。细骨料为普通中砂，细度模数3.0，性能指标见表2。粗骨料为邢台产5～25mm连续级配碎石，性能指标见表3;矿渣粉为邢台超岩建材有限公司产S95级矿渣粉，性能指标符合TB/T 3275—2011要求，见表4;水为普通自来水，符合TB/T 3275—2011要求，见表5;减水剂为河北东宏建材科技有限责任公司产聚羧酸减水剂，减水率＞30%，其它指标符合GB8076—2008要求。

表1 水泥性能指标

表2 细骨料性能指标

表3 粗骨料性能指标

表4 矿渣粉性能指标

表5 拌合用水性能指标

为了研究矿渣粉对预应力轨枕混凝土性能的影响，设计了两组混凝土:试验组和对照组。两组混凝土的胶凝材料用量、砂率、养护制度均保持一致，由于掺加矿渣粉后，混凝土和易性改善，为保证混凝土入模状态相同，减少试验组混凝土用水量。经试配试验，确定矿渣粉掺量为15%，优化后的混凝土配合比见表6。

表6 混凝土配合比kg/m3

2 试验方法

2.1 混凝土试件成型及养护工艺

根据设计配合比，参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)［3］中规定的方法进行搅拌、成型。试验时混凝土拌和物稠度以增实因数表示，增实因数应为1.40～1.25。养护制度采用蒸汽养护［4］，具体步骤:

1)静停。在5～35℃温度下，保证混凝土拌和物入模温度为5～30℃，静置3 h。

2)升温。在2 h内升温至设定温度，升温速率≤15℃/h。

3)恒温。养护温度为50℃，恒温养护10 h。

4)降温。降温速率≤15℃/h。

养护结束后，轨枕表面与外部环境的温度差≤15℃。轨枕脱模后，进行3 d湿润养护。

2.2 力学性能试验

力学性能试验包括混凝土抗压强度试验和弹性模量试验，强度试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，弹性模量试件尺寸为150 mm×150 mm×300 mm。混凝土试件与轨枕同条件养护。试验方法依据GB/T 50081—2002中的规定，28 d龄期抗压强度是试块经过蒸养脱模后转标准养护至28 d后测试的强度。

2.3 枕芯温度测试

以Ⅲa型枕作为试验对象，在养护池内测定轨枕内外温度，养护池配有自动温控系统。测温元件采用检定合格的Pt100铂电阻，试验时除测温传感元件外，将Pt100铂电阻其余部分均用绝缘胶带包裹，并固定植入轨枕中部，具体位置见图1。

图1 Ⅲa型枕测温传感元件布置(单位:cm)

2.4 轨枕静载抗裂性能试验

依据《预应力混凝土枕静载抗裂试验办法》(TB/T 1879—2002)［5］相关规定进行。

3 结果与分析

3.1 抗压强度

经过多次试验，随机抽取20组脱模抗压强度和28 d抗压强度数据予以分析，结果见图2和图3。

从图2和图3可以看出:在50℃蒸养条件下两组混凝土脱模抗压强度均满足规范要求(C60预应力混凝土轨枕要求脱模抗压强度大于设计强度的75%，即＞45 MPa)，且28 d抗压强度均超过C60混凝土设计强度。试验组和对照组混凝土平均脱模抗压强度分别为59.5 MPa和54.7 MPa，试验组比对照组提高8.8%;试验组和对照组混凝土28 d平均抗压强度分别为70.4 MPa和62.6 MPa，试验组比对照组提高12.5%。

高温养护能明显缩短矿渣胶凝材料水化诱导期，激发矿渣活性，加快早期水化反应速率，高温养护亦使矿渣复合胶凝材料早期硬化浆体结构更致密，孔结构明显改善，孔隙率降低，粗孔比例减少［6］，从而导致对照组混凝土强度有所提高。适当地提高养护温度有利于矿渣活性的提高，但温度不能过高，温度过高反而不利于矿渣粉活性的激发，因此，对掺矿渣粉的蒸养混凝土存在温度匹配的问题。经过试验得出，50℃条件下养护对矿粉活性激发较适宜。

3.2 弹性模量

弹性模量是混凝土的重要力学性能指标，反映了混凝土所受应力与所产生应变之间的关系，是控制结构变形、裂缝开展和温度应力的参数之一。根据多组试验数据对比，试验组和对照组脱模弹性模量和28 d弹性模量见表7。

图2 混凝土脱模抗压强度

图3 混凝土28 d抗压强度

表7 混凝土弹性模量×104MPa

掺加15%矿渣粉后，试验组混凝土比对照组脱模弹性模量降低4.4%，28 d弹性模量降低3.6%。混凝土脱模弹性模量降低，脱模时轨枕表面裂缝减少。在轨枕生产过程中亦发现，掺加矿渣粉后轨枕磕肩掉角现象明显减少。

3.3 蒸养条件下轨枕枕芯温度

混凝土轨枕采用蒸汽养护，是一种加速混凝土强度发展的硬化工艺，但在加速水泥石形成的同时，也产生了不可逆转的结构破坏。以IIIa型枕作为试验对象进行测试，蒸养全过程中轨枕芯部温度、养护温度与养护池内环境温度的曲线见图4。

图4 轨枕芯部温度、养护温度和环境温度曲线

由图4可见:

1)根据规范要求，轨枕芯部温度不得超过60℃。在养护温度50℃条件下，试验组混凝土轨枕芯部最高温度为57.5℃，而对照组混凝土轨枕芯部最高温度为60.9℃，超过规范要求。

2)试验组混凝土在恒温养护2 h后芯部温度达到最大值，比对照组混凝土达到最高芯部温度时提前1 h，这是由于在50℃蒸养条件下，矿粉活性得到激发，参与水化反应时放出较多的水化热，提高了轨枕芯部温度。达到最高芯部温度后，试验组混凝土芯部温度有下降趋势，而对照组芯部温度持续至恒温养护结束。

3)降温阶段的降温速率较慢，最大降温速率为10.0℃/h。降温速率缓慢将会延长轨枕生产周期，降低轨枕产量，因此，在规范要求条件下采取合理物理手段，加快降温速率，并协调与环境温度之间的关系。

3.4 轨枕静载抗裂性能

该试验在对照组和试验组两种配合比中随机抽取3根外观质量合格的轨枕(Ⅲa型)，在轨枕脱模后24～48 h内完成。结果见表8。

表8 Ⅲa型轨枕静载抗裂性能

从表8可以看出:按试验组混凝土配合比生产的轨枕枕下平均开裂强度较对照组提高了10%，枕中开裂强度提高了10%。说明掺加矿渣粉在一定程度上提高了轨枕的韧性，改善了混凝土构件的脆性特征。

3.5 耐久性

混凝土耐久性是指在预定的作用和预期的使用与维护条件下，混凝土结构及构件在设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力［7］。为验证矿渣粉对轨枕混凝土耐久性能的作用效果，按照GB/T 50082—2009的要求成型混凝土试件［8］，对掺加矿渣粉的轨枕混凝土各项耐久性指标进行了检测，结果见表9。

表9 试验组混凝土各项耐久性指标

由表9可见，混凝土各项耐久性指标均满足《铁路混凝土》(TB/T 3275—2011)要求。这是由于矿渣粉的填充效应能够改善轨枕混凝土内部孔结构，阻止可能的渗透通道形成，从而增强了轨枕混凝土抗氯离子渗透性能;另一方面矿渣粉的填充效应使轨枕混凝土内部更加密实，减小了孔径尺寸，降低了水饱和程度及冰点，提高了混凝土抗冻性能［9-11］。

4 结论

1)与纯水泥混凝土相比，矿渣粉加入后混凝土脱模抗压强度提高8.8%，28 d抗压强度提高12.5%，满足强度等级C60混凝土的设计要求。

2)掺加矿渣粉后，混凝土脱模弹性模量和28 d弹性模量比基准混凝土分别降低4.4%和3.6%，弹性模量降低，轨枕表面裂缝减少，在轨枕生产过程中磕肩掉角现象减少。

3)掺加矿渣粉后，混凝土芯部温度比纯水泥混凝土降低3.4℃，满足规范要求。

4)矿渣粉的加入提高了混凝土轨枕的静载抗裂强度。

5)掺加矿渣粉的高强混凝土各项耐久性能指标均满足规范要求。

6)以矿渣粉取代一定量的水泥，可降低轨枕的生产成本，具有较好的经济效益。

［1］汪加蔚，白玲.我国预应力混凝土轨枕生产工艺综述［J］.混凝土世界，2013(8):38-49.

［2］中华人民共和国铁道部.TB/T 3275—2011铁路混凝土［S］.北京:中国铁道出版社，2011.

［3］中华人民共和国建设部，国家质量监督检验检疫总局. GB/T 500081—2002普通混凝土力学性能试验方法标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［4］中华人民共和国铁道部.TB/T 2190—2013混凝土枕［S］.北京:中国铁道出版社，2013.

［5］中华人民共和国铁道部.TB/T 1879—2002预应力混凝土枕静载抗裂试验办法［S］.北京:中国铁道出版社，2002.

［6］巩寿辉，苑彦云.新型混凝土轨枕的研制和应用［J］.河北煤炭，2003(3):53-54.

［7］中华人民共和国铁道部.TB 10005—2010铁路混凝土结构耐久性设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2010.

［8］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 50082—2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［9］陈松，刘汝生，王起才.普通硅酸盐水泥水化热影响因素试验研究［J］.铁道建筑，2014(6):159-161.

［10］蒙玮，汪兴达，庄庆平，等.矿物掺合料对箱梁混凝土长期变形性能的影响研究［J］.铁道建筑，2014(9):134-136.

［11］曹秀丽，曹志翔，喻骁.冻融循环对混凝土质量损失及相对动弹模量影响的试验研究［J］.铁道建筑，2013(3):125-127.

Optimum design on mix proportion of C60 concrete in prestressed concrete sleeper

YANG Fumin1，SUN Chengxiao2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Beijing Tieke Shougang Rail-tech Co.，Ltd.，Beijing 102206，China)

Performance of the prestressing sleeper concrete before and after mixing 15%slag powder was studied by using comparative test，and the action mechanism of slag powders under steam curing environment was analyzed. The results showed that concrete demolding and28d compressive strength increased by 8.8%and12.5% respectively higher than the reference concrete under the same steam curing conditions after mixing slag powder into prestressing sleeper concrete，sleeper core temperature decreased by 3.4℃which meets the specification requirements，sleeper static load crack resistance is improved with the demolding elastic modulus decreasing by 4.4% and28d elastic modulus decreasing by 3.6%.Each durability performance index of high strength concrete mixed with slag powder meets the specification requirements.

Slag powder;Sleeper;Core temperature;Compressive strength

TU528.31

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.31

1003-1995(2015)01-0141-05

(责任审编 葛全红)

2014-11-20;

2014-12-10

杨富民(1976—)，男，黑龙江宾县人，副研究员，硕士。