铁路工程预应力结构用机制砂混凝土性能研究

王 振，韩自力，李化建，黄法礼，易忠来

(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.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

中国铁道科学研究院20世纪90年代初的机制砂研究指出，用机制砂制备轨枕、电杆、桥梁等铁路高性能混凝土制品具有可行性[8]。黄滕斌[9]在山西中南部铁路通道工程中采用混合砂(河砂∶机制砂=45%∶55%)制备了性能满足施工和质量要求的C60预应力混凝土T梁，大幅降低了混凝土T梁的生产成本。高波等[10]采用肯尼亚当地机制砂，通过优化试验提出了适用于内马铁路的C60混凝土轨枕配合比，制备出的机制砂混凝土轨枕外观质量良好，性能满足标准要求。机制砂在铁路预应力结构中应用较少不仅因为梁体、轨道板、轨枕等关键结构要求使用天然河砂[11-13]，还和我国机制砂品质参差不齐、预应力机制砂混凝土技术储备少等问题有关。为探究机制砂制备铁路工程预应力结构的可行性，以梁体和轨道板用混凝土为载体，对比研究了机制砂混凝土与河砂混凝土工作性能、力学性能、耐久性能、收缩徐变性能的变化规律，以期为铁路工程预应力结构中机制砂混凝土应用提供指导。

1 试验

1.1 原材料

试验所用的P.O 42.5普通硅酸盐水泥(C)、粉煤灰(FA)、矿渣粉(SL)的主要物理性能和化学组成见表1。石灰岩机制砂(JZ)和天然河砂(HS)的主要性能见表2。试验中为消除颗粒级配对混凝土性能的影响，机制砂和河砂重新筛分并设置成相同细度模数2.8，见表3。粗骨料(G)为5～20 mm连续级配石灰岩碎石。减水剂(SP)为减水率27%、固含量28.74%的聚羧酸型高性能减水剂，引气剂(AE)为减水率4.2%、含气量4.0%的松香树脂类高效引气剂。水(W)为北京市海淀区自来水。

表1 水泥、粉煤灰、矿渣粉主要物理性能和化学组成

表2 细骨料主要性能

注：MB值为机制砂中的泥粉含量。

表3 细骨料累计筛余

1.2 配合比

根据TB/T 3432—2016《高速铁路预制后张法预应力混凝土简支梁》和Q/CR 567—2017《高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道先张法预应力混凝土轨道板》设计了梁体用混凝土(HSC,JZC)和轨道板用混凝土(HSB,JZB)，混凝土配合比见表4。通过调整减水剂和引气剂用量，将梁体用混凝土坍落度和含气量(体积分数)分别控制为(190±10)mm和(3.0±0.5)%，轨道板用混凝土坍落度和含气量(体积分数)分别控制为(80±10)mm和(3.0±0.5)%。

表4 混凝土配合比及工作性能

1.3 试验方法

按照表4中配合比将水泥、粉煤灰、矿渣粉、细骨料和碎石加入单卧轴搅拌机搅拌30 s后，再加入水和外加剂搅拌3 min，制得混凝土拌和物。按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试混凝土拌和物的坍落度和含气量。按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和GB/T 500082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的尺寸和数量要求成型相应的混凝土试件。梁体用混凝土采用标准养护方式，试件养护至规定龄期时进行性能测试。轨道板用混凝土采用蒸汽养护，养护程序如图1所示，蒸汽养护结束后，将试件转入标准养护室养护，达到规定龄期后进行性能测试。

图1 轨道板用混凝土蒸汽养护程序

2 结果与讨论

2.1 工作性能

由表4中减水剂和引气剂的用量可知，机制砂混凝土为达到与河砂混凝土相同的工作性能，需要掺加更多的减水剂和引气剂，其原因可能与机制砂含有石粉以及机制砂表面结构粗糙有关。梁体和轨道板用混凝土的单方浆体量较大，机制砂中含有石粉进一步增大了单方浆体量，导致机制砂混凝土中掺加了更多减水剂和引气剂来调整工作性能。河砂经过多年水流冲刷，表面光整，形状圆润，而机制砂由岩石破碎筛分制得，在微观外貌比上河砂粗糙，在颗粒形貌上比河砂棱角尖锐，因此机制砂混凝土中需要掺加更多减水剂和引气剂来抵抗颗粒形貌对工作性能的不利影响[14]。

2.2 力学性能

2.2.1 抗压强度

各龄期混凝土抗压强度见图2。

图2 混凝土抗压强度

由图2(a)可知，采用机制砂和河砂制备混凝土抗压强度均满足铁路梁体混凝土强度等级大于C50的设计要求，1～28 d 龄期内混凝土抗压强度增长迅速，之后强度发展趋于平稳，机制砂混凝土3 d前抗压强度高于河砂混凝土，后期强度与河砂混凝土强度相当。

由图2(b)可知，轨道板用机制砂混凝土和河砂混凝土强度发展规律基本一致，机制砂混凝土早期强度稍大于河砂混凝土，后期两者混凝土强度相近，机制砂混凝土和河砂混凝土的28 d抗压强度分别为73.7，74.3 MPa，满足轨道板强度等级大于C60的技术要求。机制砂表面粗糙、棱角性强的颗粒特性提高了浆体与骨料之间的黏结力，有利于提升混凝土抗压强度[14]，此外，机制砂中石灰石粉在水泥水化过程中起晶核作用，诱导水泥水化产物析晶，并与水化产物反应生成水化碳铝酸钙，加速水化进程，促进了机制砂混凝土早期抗压强度增长[15]。随着龄期增长，水泥浆体水化程度不断提升，混凝土内部缺陷逐渐减少，机制砂混凝土后期强度与河砂混凝土相当。

2.2.2 抗折强度

各龄期混凝土抗折强度见图3。可知，机制砂混凝土前期抗折强度稍大于河砂混凝土，两者后期抗折强度相当。混凝土抗折强度随龄期增长而增大，其变化规律与混凝土抗压强度随龄期变化的规律一致，主要是因为通常情况下，混凝土抗折强度是其抗压强度的0.1倍～0.2倍[16]。

图3 混凝土抗折强度

图4是预应力结构用机制砂混凝土抗压强度和抗折强度的关系[1]。由图4可知，机制砂混凝土抗压强度和抗折强度关系在小于70 MPa的范围内与CEB-FIP MC1990模型相近，抗压强度高于70 MPa时，机制砂混凝土抗折强度比ACI 318模型和CEB-FIP MC1990模型的预测值大。

图4 机制砂混凝土抗压强度和抗折强度关系

2.2.3 弹性模量

不同龄期混凝土的静力受压弹性模量见图5。可知，前期混凝土弹性模量增长较快，后期混凝土弹性模量增长放缓。机制砂混凝土的弹性模量明显大于河砂混凝土，表明机制砂混凝土刚度大，抵抗变形能力优于河砂混凝土。石粉适量条件下，机制砂表面粗糙、多棱角的特征良好地限制了水泥石的变形和颗粒之间的滑动[17-18]，混凝土的弹性模量得到提高。

图5 混凝土静力受压弹性模量

图6 机制砂混凝土抗压强度和弹性模量的关系

图6是机制砂混凝土抗压强度和弹性模量的关系。比较相同抗压强度下机制砂混凝土弹性模量实测值和模型计算值可知，抗压强度较高时，机制砂混凝土弹性模量大于GB 50010模型计算的预测值，总体上预应力结构用机制砂混凝土抗压强度和弹性模量的关系与ACI 318模型更加接近[1]。

2.3 耐久性能

2.3.1 抗氯离子渗透性

混凝土氯离子扩散系数和电通量如图7所示。可知，机制砂混凝土的氯离子扩散系数和电通量均小于河砂混凝土，即机制砂混凝土抗氯离子渗透性能高于河砂混凝土，具有更好地密实性。机制砂中的石粉在混凝土中具有改善胶凝材料颗粒级配、充填浆体空隙的作用，提高了混凝土密实度。梁体用机制砂混凝土56 d氯离子扩散系数小于5×10-12m2/s，适用于TB/T 3275—2011《铁路混凝土》中L2作用等级的氯盐环境；机制砂混凝土56d电通量小于 1 000 C，满足TB/T 3432—2016的技术要求。轨道板用机制砂混凝土的56 d 电通量小于 1 000 C、56 d氯离子扩散系数小于 5×10-12m2/s，符合Q/CR 567—2017的技术要求。

图7 混凝土抗氯离子渗透性

2.3.2 抗冻性

图8 混凝土抗冻性

图8是不同冻融循环次数下混凝土的相对动弹模量。由图8(a)可知，经过300次冻融循环，梁体用机制砂混凝土和河砂混凝土的相对动弹模量分别为97.9%，98.6%，两者均满足“梁体混凝土经过200次(防水保护层混凝土为300次)冻融循环后相对动弹模不小于80%”的技术要求。由图8(b)可知，经过300次冻融循环，轨道板用机制砂混凝土和河砂混凝土的相对动弹模量分别为96.7%，98.0%，两者抗冻性较好，均满足Q/CR 567—2017中“混凝土抗冻等级不应小于F300”的技术要求。混凝土的抗冻性主要取决于含气量和强度[19]，含气量高、强度大的混凝土抗冻性能更好。机制砂混凝土和河砂混凝土的含气量和强度基本一致，两者的抗冻性差异不大。生产工艺不良或母岩强度不足可能使机制砂颗粒产生微裂缝，导致机制砂吸水率大于河砂，混凝土硬化后机制砂中水分被水泥浆体封堵，冻融循环作用下所受破坏程度高于河砂混凝土[17]。因此机制砂经过机械设备的整形处理，表面形貌和结构裂纹得到优化后的机制砂，其混凝土的抗冻性与河砂混凝土相近。

2.4 收缩徐变性能

2.4.1 塑性收缩

图9是混凝土塑性阶段的收缩变化。可知，梁体用混凝土在0～15 h内塑性收缩显著，轨道板用混凝土在0～10 h内塑性收缩显著，机制砂混凝土的塑性收缩变化趋势与河砂混凝土一致，机制砂混凝土的最终塑性收缩稍大于河砂混凝土。塑性收缩发生在水泥基材料终凝前的塑性阶段，该阶段水泥水化反应程度大，并伴有泌水、水分急剧蒸发以及骨料不均匀沉降等现象[20]。机制砂混凝土的坍落度略高于河砂混凝土，塑性阶段机制砂混凝土中自由水含量略大，混凝土表面水分蒸发速率较快，导致机制砂混凝土最终的塑性收缩略大于河砂混凝土。因此梁体用和轨道板用机制砂混凝土应采取覆膜等措施加强早期养护，防止混凝土因塑性收缩而开裂。

图9 混凝土塑性收缩

2.4.2 干燥收缩

图10 混凝土干燥收缩

图10是混凝土不同测试龄期时的干燥收缩。由图10(a)可知，梁体用机制砂混凝土在各龄期时的干燥收缩大于河砂混凝土，56 d龄期时机制砂混凝土和河砂混凝土的干燥收缩值分别为340.0×10-6，314.2×10-6，满足TB/T 3275—2011中预应力结构用混凝土收缩不大于400×10-6的技术要求。由图10(b)可知，轨道板用机制砂混凝土在各龄期时的干燥收缩值小于河砂混凝土，56 d龄期时机制砂混凝土和河砂混凝土的干燥收缩值分别为291.7×10-6，344.2×10-6，满足Q/CR 567—2017中轨道板混凝土56 d收缩不大于400×10-6的技术要求。混凝土干燥收缩的主要影响因素有胶凝材料、水灰比、骨料含量和种类、养护条件等[21]，本试验中这些影响因素控制相同，因此梁体用机制砂混凝土的干燥收缩与河砂混凝土基本一致。轨道板用机制砂混凝土干燥收缩稍小于河砂混凝土的原因可能是轨道板混凝土配合比中骨料的体积分数大，机制砂具有棱角性，其抑制混凝土收缩程度大于河砂。

图11 混凝土徐变系数

2.4.3 徐变

图11是混凝土不同测试龄期时的徐变系数。可知，机制砂混凝土徐系数变化规律与河砂混凝土一致，两者强度等级高，最终的徐变系数均较小。应力作用下，水泥浆体的滑动或剪切变形、吸附水和层间水的转移、水泥浆体对骨架弹性变形约束引起的滞后变形、内部结构微裂缝的重新连接和破坏是产生混凝土徐变的主要原因[22]。影响混凝土徐变的因素十分复杂，主要有水泥、骨料、矿物掺合料等内部因素及加载龄期、加载应力、温度、湿度等。相同条件下，机制砂颗粒棱角性强，对浆体变形约束力强，有利于降低混凝土徐变变形，但机制砂中含有石粉会增大水泥浆体体积含量，提高机制砂混凝土徐变变形，不同因素占主要作用时可能导致机制砂混凝土最终的徐变变形存在差异。

3 结论

采用机制砂制备梁体和轨道板预应力结构用混凝土，对其工作性、力学性能、耐久性能和收缩徐变性能进行研究。主要结论如下：

1)机制砂含有石粉、表面粗糙和棱角性强的颗粒特性增大了减水剂和引气剂的掺量，通过外加剂掺量调整，可以制备满足施工性能要求的预应力结构用混凝土。

2)梁体和轨道板用机制砂混凝土的早期抗压强度和抗折强度大于河砂混凝土，后期抗压强度和抗折强度与河砂混凝土相当，机制砂混凝土弹性模量大于河砂混凝土，机制砂混凝土张拉强度、脱模强度和强度等级均满足梁体和轨道板的技术要求。

3)适量石粉在机制砂混凝土中具有填充效应和晶核作用，提高了混凝土密实度，相比于河砂混凝土，机制砂混凝土氯离子扩散系数小、电通量小。

4)机制砂混凝土和河砂混凝土的含气量和强度基本一致，两者的抗冻性差异不大，且均属于高抗冻性混凝土。

5)机制砂混凝土的收缩徐变变化规律基本与河砂混凝土一致，多因素影响条件下造成最终的收缩徐变大小略有差异。