任陟成
(中铁十四局集团房桥有限公司,北京102400)
随着天然砂资源的枯竭,国家限采政策陆续出台,许多地区天然砂供应短缺,使用机制砂代替天然砂成为今后发展的趋势[1]。铁路高性能混凝土对混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能都有严格的要求,机制砂能否作为细骨料在铁路高性能混凝土中使用仍处于研究和探索阶段[2]。为了研究机制砂在轨枕生产中应用的可行性,为机制砂混凝土的使用做好技术储备,本文以高性能混凝土轨枕为载体展开试验研究。
轨枕用砂技术要求包括:(1)含泥量/石粉含量。天然砂:含泥量不应大于1.5%;机制砂:亚甲蓝值MB<0.5g/kg 时,石粉含量≤15.0%;0.5g/kg≤MB≤1.4g/kg 时,石粉含量≤5.0%;MB>1.4g/kg 时,石粉含量≤2.0%。(2)碱活性:不应使用具有碱-碳酸盐反应或砂浆棒膨胀率(快速法)大于等于0.2%的碱-硅酸盐反应活性的骨料。(3)级配及细度模数要求:宜为II 区中砂,细度模数符合2.3~3.0,级配要求如表1 所示。
表1 砂的级配要求
2.2.1 混凝土技术要求
混凝土技术要求包括:(1)混凝土中胶凝材料总量不超过500kg/m3;(2)混凝土内总碱含量不应大于3.0kg/m3;(3)混凝土氯离子含量不应大于胶凝材料总量的0.06%;(4)混凝土中三氧化硫含量不应大于胶凝材料总量的4.0%。
2.2.2 混凝土性能指标
混凝土性能指标包括:(1)工作性:混凝土增实因数在1.05~1.40;(2)力学性能:强度等级为C60,出池强度≥45MPa,出池弹性模量≥33.5GPa;28d 强度≥60MPa,28d 弹性模量≥36.0GPa[3];(3)耐久性:混凝土电通量不应大于1200C;混凝土56d 氯离子扩散系数不大于8×10-12m2/s;混凝土抗冻试件在冻融循环300 次后,重量损失不大于5.0%,相对动弹性模量不应低于60%。
2.2.3 轨枕生产及性能要求
轨枕生产及性能要求包括:
1)养护要求:在温度5~35℃的环境中静停3h,升温不少于1h,升温速度不大于15℃/h,恒温为10h,温度48℃±2℃,降温不少于1h,降温速度不大于15℃/h,总养护时间不少于15h,出坑时的轨枕表面与外界环境温度之差不大于15℃。
2)静载抗裂要求:脱模后24~48h 进行静载试验,轨下荷载210kN,枕中荷载162kN,恒载180s,整个加载过程中用5 倍放大镜观测轨枕两侧受拉区未出现裂纹即为合格。
3)疲劳性能:龄期28d 后进行疲劳试验,疲劳荷载下,循环加载200 万次,卸荷回零后5min,受拉区下缘钢丝处的残余裂缝宽度不得大于0.05mm;疲劳破坏荷载以枕弯曲裂缝宽度达1.5mm 或出现斜裂缝时的荷载值。
原材料包括如下几种:
1)水泥:采用北京金隅琉水环保科技有限公司生产的P·O 42.5 低碱水泥,基本性能如表2 所示。2)矿粉:采用河北银水实业集团有限公司生产的S95 矿粉。3)河砂:采用行唐市新乐县辉育沙厂生产的天然河砂,为II 区中砂,细度模数2.7,基本性能如表3 所示。
4)机制砂:采用阜平煜臻塬矿产品有限公司生产的细度模数2.7 的II 区中砂,基本性能如表3 所示。天然砂、机制砂的级配情况如图1 所示,均符合II 区中砂的要求。
5)碎石:采用涞水利环矿业有限公司生产的5~20mm 连续级配碎石,岩石抗压强度146MPa,无碱骨料反应。
6)减水剂:采用北京杨洋润滑科技开发有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂。
表2 水泥性能
表3 砂的性能
图1 砂的级配曲线
4.1.1 混凝土配合比及工作性能
以房桥公司轨枕生产用配合比为基础进行试验研究。表3 中HS 为轨枕生产用配合比,JZS-1 为机制砂等量替代河砂的配合比;JZS-2 为将机制砂中石粉等量替代矿粉,去除石粉后的机制砂等量替代河砂的配合比;JZS-3 为将机制砂中石粉等量替代水泥,去除石粉后的机制砂等量替代河砂的配合比;具体数据如表4 所示。
表4 混凝土配合比
各混凝土按配合比要求拌和。JZS-1 减水剂掺量为4.80kg/m3时,混凝土增实因数为1.37 大于HS 增实因数1.27,混凝土偏干,但符合TB/T 3275—2018《铁路混凝土》中增实因数1.05~1.40 要求。将掺量调节至5.52kg/m3时,该配比增实因数为1.26,与HS 配合比增实因数相当。JZS-2、JZS-3 增实因数与河砂混凝土相当,和易性较好。
4.1.2 力学性能
1)抗压强度
混凝土试件成型后,按照图2 进行蒸汽养护。蒸汽养护结束后将混凝土试件转入标养室(温度20℃±2℃,相对湿度≥95%)。混凝土试件各龄期抗压强度如图3 所示。
由图3 可知,JZS-1、JZS-2 出池、3d、7d、28d 强度略高于HS,56d 强度与HS 相差不大;JZS-3 出池、3d、7d、28d、56d 强度略低HS。JZS-1、JZS-2、JZS-3 3 组配合比均能满足TB/T 3275—2018《铁路混凝土》及TB/T 2190—2013《混凝土枕》对轨枕出池强度不小于45MPa、28d 强度不小于60MPa 的要求。
图2 混凝土蒸汽养护要求
图3 混凝土试件抗压强度
试验结果分析:(1)JZS-1、JZS-2 在28d 龄期前强度略高于HS,一方面与机制砂颗粒形状不规则,棱角多,比表面积大,早期与水泥反应更加充分有关,另一方面与石粉对水泥水化反应的促进作用有关。(2)JZS-3 各龄期强度略低于河砂,在于机制砂中的石粉取代水泥,相当于配比设计中变相减少了水泥用量,早期强度偏低,后期强度虽有增长,仍低于同龄期的HS。
2)弹性模量
混凝土试件弹性模量如图4 所示。
图4 混凝土试件弹性模量
由图4 可知,JZS-1、JZS-2 出池、28d 弹性模量略高于HS,56d 弹性模量与HS 相差不大;JZS-3 出池、28d、56d 弹性模量略低HS。JZS-1、JZS-2、JZS-3 3 组配合比中最小出池弹性模量为35.5GPa,28d 弹性模量为40.5GPa,均能满足TB/T 3275—2018《铁路混凝土》及TB/T 2190—2013《混凝土枕》中出池弹性模量不小于33.5GPa,28d 弹性模量不小于36.0MPa 的要求。
试验结果分析:机制砂混凝土弹性模量与河砂混凝土弹性模量发展规律一致,均与混凝土强度成正比关系。
4.1.3 耐久性
根据TB/T 3275—2018《铁路混凝土》及TB/T 2190—2013《混凝土枕》,取56d 混凝土试件进行电通量、氯离子扩散系数、抗冻性(经过300 次反复冻融循环)检测,试验结果如表5 所示。
由表5 可知,机制砂混凝土电通量、氯离子扩散系数和抗冻性能均满足TB/T 2190—2013《混凝土枕》中,电通量小于1 200C,氯离子扩散系数不大于8×10-12m2/s,经过300 次反复冻融循环相对动弹性模量不小于60%,质量损失不大于5%的技术要求。
表5 混凝土耐久性能
由混凝工作性能、力学性能、耐久性能试验结果可知,JZS-1 混凝土增实因数偏大,经减水剂调整,混凝土工作性可满足使用要求,该配比下混凝土强度、弹性模量比对应河砂配比高;JZS-2 增实因数与河砂混凝土相当,工作性好,不需要调整减水剂即能满足使用要求,该配比下混凝土强度、弹性模量比对应河砂配比略高;JZS-3 混凝土增实因数与河砂混凝土相当,工作性好,不需要调整减水剂即能满足使用要求,该配比下混凝土强度、弹性模量比对应河砂配比略低。JZS-1、JZS-2、JZS-3 耐久性指标均符合设计要求。对比3 组配合比方案,JZS-2 方案优于JZS-1、JZS-2 2 个方案。
为了寻求符合机制砂混凝土轨枕生产的施工工艺,取HS、JZS-1、JZS-2 3 个配比方案进行轨枕试制。
4.2.1 生产工艺
河砂混凝土配合比采用房桥公司轨枕生产用配合比(HS),原材料与试验用原材料一致,机制砂配合比采用JZS-1、JZS-2 2 种配合比方案。
以IIIa 型轨枕为例进行试制。主要生产步骤为:(1)模具清理,钢丝下料、入模;(2)钢丝张拉,箍筋安放;(3)混凝土拌和;(4)下灰布料,初次振动;(5)二次振动(加压振);(6)枕底清理;(7)蒸汽养护;(8)脱模、检验。轨枕生产工艺流程如图5 所示。
图5 轨枕生产流程图
4.2.2 混凝土性能
现场试制结果与试验室试验结果一致。
4.2.3 结构性能
试制生产的机制砂混凝土轨枕表面光滑,无粘皮、麻面、蜂窝等质量缺陷,与河砂混凝土轨枕无明显差别。
1)静载抗裂性能
试验设备:轨枕静载试验机、5 倍放大镜。
试验方法:试验应在轨枕脱模后24~48h 进行。试压时,轨枕位置放置准确。试验过程中加载速度不大于1 000N/s 均匀加载,加载到30%~40%的检验荷载值时,对试验状态及支距尺寸(见图6、图7)进行检查,确认正确后继续加载至检验荷载,恒载180s,在整个加载过程中用5 倍放大镜观测轨枕两侧受拉区是否开裂,如发现非原始裂纹,按开裂键,即为该试验点在该荷载值时开裂。
图6 轨下静载抗裂试验
图7 枕中静载抗裂试验
结果判定:枕中加载至162kN,轨下加载至210kN,恒载180s,整个加载过程中未出现裂纹即为合格。静载合格继续加载,直到轨枕表面出现裂纹时记录破坏荷载。静载试验结果如表6 所示。
表6 轨枕静载试验结果
由表6 可知,机制砂轨枕静载抗裂性能满足设计要求。
2)疲劳抗裂性能
试验设备:疲劳试验机、20 倍放大镜。
试验方法:试验应在混凝土28d 龄期后进行。疲劳荷载下,循环加载200 万次,卸荷回零后5min,受拉区下缘钢丝处的残余裂缝宽度不得大于0.05mm;疲劳破坏荷载以枕弯曲裂缝宽度达1.5mm 或出现斜裂缝时的荷载值计。
疲劳荷载循环特征值
式中,Pmin为疲劳荷载的最小值,Pmax为疲劳荷载的最大值。IIIa型轨枕正弯矩最大值和最小值为230kN 和46kN,负弯矩最大值和最小值为180kN 和36kN。
结果判定:轨枕经疲劳试验,残余裂缝宽度不大于0.05mm;疲劳破坏强度不低于80%的设计破坏强度即为合格。疲劳试验结果如表7 所示。
由表7 可知,经200 万次疲劳加载,机制砂混凝土轨枕的疲劳抗裂性能与河砂混凝土轨枕的疲劳性能差别不大,均能满足TB/T 2190—2013《混凝土枕》的要求。
表7 轨枕疲劳试验结果
机制砂混凝土试验表明:(1)采用机制砂试配的高性能混凝土满足轨枕生产要求。(2)机制砂颗粒形状不规则,棱角多,比表面积大,前期水化反应更加充分。机制砂等量替代河砂配制的混凝土在28d 龄期前强度、弹性模量高于河砂混凝土。(3)机制砂混凝土弹性模量发展规律与河砂混凝土一致,均与混凝土强度成正比关系。(4)机制砂等量替代河砂配合比方案混凝土增实因数偏大,经减水剂调整,混凝土工作性可满足使用要求,施工生产顺畅。(5)将机制砂中的石粉等量替代矿粉,去除石粉后的机制砂等量替代河砂的配合比方案,混凝土状态好、性能稳定、可操作性强,生产顺畅,优于其他方案。
机制砂轨枕试制与性能试验表明:(1)机制砂混凝土轨枕可采用河砂混凝土轨枕的施工工艺;(2)机制砂混凝土轨枕表面光滑,强度指标、静载抗裂性能、疲劳性能均能满足设计要求。