纳米功能材料在CRTS Ⅲ型轨道板中的应用

杨斌，于诚，姜骞，余鑫，李政，吴明杰

（1.中国国家铁路集团有限公司，北京 100844；2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京 211103；3.雄安高速铁路有限公司，河北雄安 071000）

0 引言

高速铁路CRTS Ⅲ型板式无砟轨道系统是我国在原先引进的国外无砟轨道技术基础上经过创新性系统研究，研发的具有自主知识产权的无砟轨道结构体系[1-2]。轨道板位于系统最上层部位，提供挡肩和扣件接口，承受并传递列车通过时的荷载，为了更好地控制质量，采用工厂化预制生产[1]。中国铁路总公司企业标准Q/CR 567—2017《高速铁路板式无砟轨道先张法预应力混凝土轨道板》要求轨道板脱模时强度不低于45 MPa，因此轨道板混凝土在浇筑成型后常采用蒸汽养护来加快早期强度的发展，尽快达到脱模强度，提高生产效率[3-4]。但由于北方冬季气温大幅下降，使得蒸汽养护时间延长，不仅增加能耗，也会影响生产效率。纳米功能材料作为混凝土新型早强材料，通过引入水化硅酸钙纳米晶核可缩短水泥水化产物的成核结晶过程，加速水泥水化，大幅提高早期强[5-10]，且基本不会对混凝土的长期耐久性产生负面影响[8]。本文研究了纳米功能材料对轨道板混凝土力学性能、长期耐久性能等的影响，并在轨道板厂进行了现场试验，为低温环境下轨道板生产缩短蒸养时间提供了技术基础。

1 试 验

1.1 原材料

实验室试验均采用某轨道板厂生产现场的原材料，水泥为石家庄曲寨水泥有限公司的P·O 42.5低碱水泥，其矿物组成如表1所示；掺合料为北京铁科首钢轨道技术股份有限公司的轨道板专用早强型TK-MA掺合料[11]；砂采用细度模数为2.7的河砂；石子采用5～10 mm小石和10～20 mm大石2种碎石；外加剂为标准型聚羧酸减水剂；纳米功能材料为江苏某新材料股份有限公司生产的水化硅酸钙纳米晶核悬浮液，固含量为12.5%。

表1 水泥的矿物组成 %

1.2 试验方法

采用德国布鲁克公司的D8 Advance型X射线衍射仪对水泥水化过程进行原位跟踪测试，工作电压40 kV、电流40 mA，扫描范围5°～70°，扫描速度4°/min。水泥浆体水灰比为0.3，纳米功能材料折固掺量为水泥质量的0.5%。水泥加水后利用机械搅拌器搅拌2 min后进行制样，将适量浆体倒入样品架中轻微振动使之与样品架边缘齐高，然后刮平浆体表面，覆盖1层聚酰亚胺薄膜隔绝空气，防止水分蒸发和水化产物碳化，统一在加水后2 h开始测试，此后每隔2 h测试1次，至24 h终止，测试过程中室温保持为20 ℃。

混凝土设计强度等级为C60，控制坍落度（80±20）mm，含气量≥2%，在某轨道板厂配合比的基础上，掺加0.5%（折固）纳米功能材料，如表2所示，纳米功能材料所含水在用水量中进行扣除，减水剂掺量调整为1.0%。采用ZKY-400B型蒸汽快速养护箱模拟混凝土蒸养过程。新拌混凝土性能测试按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行，混凝土的力学性能测试按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，混凝土的长期性能和耐久性能测试按GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，收缩试验采用接触法，抗氯离子渗透试验采用快速氯离子迁移系数法及电通量法，抗冻试验采用快冻法。

表2 轨道板混凝土的配合比 kg/m3

2 试验结果与分析

2.1 XRD原位测试

采用原位XRD测试了空白和掺0.5%纳米功能材料的水泥早期水化进程。水泥在不同水化时间的原位XRD图谱局部图（2θ=8°～35°）如图1、图2所示，其中在2θ=20°左右存在1个由覆盖在水泥浆体表面的聚酰亚胺薄膜产生的驼峰背底。

图1 空白水泥水化原位XRD图谱

图2 掺纳米功能材料的水泥水化原位XRD图谱

由图1、图2可见，水化2～24 h时，水泥熟料矿物C3S的几个主要特征衍射峰（2θ=29.51°、32.26°、34.41°）的强度随水化时间的延长而逐渐降低；C2S的特征衍射峰因与C3S部分重叠，无法判断；C3A的特征衍射峰（2θ=33.23°）也有下降；C4AF的特征峰（2θ=12.11°）强度变化很小，另一特征峰（2θ=33.72°）则与CH的特征峰（2θ=34.10°）重叠。熟料矿物尤其是C3S特征峰强度的下降表明其不断水化，含量降低。水化产物方面，在水化2 h时均已出现AFt的特征衍射峰（2θ=9.14°、15.81°），空白水泥水化6 h时出现了CH的特征峰（2θ=18.06°），掺加纳米功能材料的水泥水化4 h时即出现较高的CH特征峰，此后水化产物的峰强随水化时间的延长逐步上升，表明其生成量不断增加。

对比图1、图2中物相特征峰强度随水化时间的变化趋势可发现，空白水泥的CH特征峰（2θ=18.06°）从水化6 h至24 h以相对平缓的速度持续上升，掺加纳米功能材料的水泥其CH特征峰在水化4 h后便快速升高，不仅出现时间更早，而且上升速度明显快于空白水泥。相同水化时间时掺加纳米功能材料的水泥CH特征峰强度远大于空白水泥，表明掺加纳米功能材料后水泥在相同水化时间时的CH生成量大幅增加。相对应的，掺加纳米功能材料后，水泥中C3S主要特征峰的下降趋势要快于空白水泥，表明C3S的水化加速进行[9，12]，纳米功能材料会显著加速水泥的早期水化进程。

2.2 新拌混凝土的性能（见表3）

表3 新拌混凝土的性能

由表3可见，按照轨道板厂的配比制备的1#空白组混凝土坍落度为100 mm，含气量为3.3%，满足新拌混凝土要求。掺加0.5%纳米功能材料后，由于其具有一定减水作用，减水剂掺量下降至1.0%，此时2#混凝土的坍落度为80 mm，含气量为2.7%，仍满足要求范围。掺加纳米功能材料后，混凝土的初凝时间较空白组缩短了170 min，终凝时间较空白组缩短了220 min，均有大幅缩短。

2.3 混凝土的力学性能

按照上述配比分别成型混凝土试件进行蒸汽养护。轨道板厂的蒸养制度为静停3 h，升温2 h至45 ℃，恒温7 h，降温2 h后拆模，采用实验室蒸养箱模拟现场蒸养制度，试件静停3 h后放入蒸养箱，设置相同的控温程序，分别测试10、12、14 h强度，蒸养结束后将剩余混凝土试件进行标准养护，测试3 d和28 d强度。结果见表4。

表4 混凝土在不同龄期的抗压强度

由表4可见，在相同蒸养条件下，掺加纳米功能材料的混凝土早期抗压强度较空白组均有不同程度的提高，10 h抗压强度提高了17.4%，12 h抗压强度提高了13.0%，14 h抗压强度提高10.7%，而3 d及28 d抗压强度基本不受影响。

2.4 混凝土的耐久性能

为了研究纳米功能材料对CRTS Ⅲ型轨道板混凝土耐久性能的影响，采用接触法测试恒温恒湿条件下[室温（20±2）℃，相对湿度（60±5）%]硬化混凝土试件的收缩变形性能，结果见图3。

图3 混凝土的干燥收缩

由图3可见，掺加纳米功能材料后，混凝土各龄期收缩率并没有增大，反而减小，混凝土56 d收缩率均明显小于400×10-6，符合Q/CR 567—2017的要求。

耐久性试件成型后在设定好的蒸养箱中养护至脱模，转入标养条件下养护至56 d，轨道板混凝土56 d电通量及氯离子扩散系数见表5。

表5 混凝土的抗氯离子渗透及抗冻性能

由表5可见：

（1）掺加纳米功能材料后轨道板混凝土的电通量没有明显变化，且均小于1000 C，符合Q/CR 567—2017及TB/T 3275—2011《铁路混凝土》所规定设计使用年限为100年的C60混凝土密实性要求。氯离子扩散系数也没有产生大的变动，且均符合Q/CR 567—2017中不大于5×10-12m2/s的规定。从上述结果可知，掺加纳米功能材料后，混凝土的长期耐久性能并没有受到影响。

（2）采用快冻法对轨道板混凝土进行425次冻融循环后，试件的质量损失率小于5%，相对动弹性模量也大于60%，远未达到冻融破坏的情形。掺加纳米功能材料的混凝土抗冻性能基本未受影响，符合Q/CR 567—2017中混凝土抗冻等级不应小于F300的规定。

2.5 轨道板厂现场试验

实验室试验完成后，在某轨道板厂开展现场试验，当天气温在0 ℃左右。在生产线上按照表1配合比进行了掺加纳米功能材料的试验，掺加纳米功能材料的混凝土出机坍落度为60 mm，满足（80±20）mm的设计要求，并不影响现有轨道板混凝土的正常生产、施工。施工过程中同时成型了混凝土强度试件（见图4），随轨道板按照现场蒸养制度进行蒸汽养护，分别测试不同龄期的抗压强度，结果见表6。

图4 混凝土试件成型

表6 现场混凝土强度测试结果 MPa

由表6可见，在混凝土配比及生产条件相同的条件下，掺加纳米功能材料能显著提高混凝土的早期强度。空白组混凝土蒸养14 h抗压强度为46.8 MPa，达到拆模强度；掺加纳米功能材料的混凝土蒸养10 h抗压强度即达到45.7 MPa，满足拆模要求。掺加纳米功能材料后将原先14 h的拆模时间缩短至10 h，显著缩短蒸汽养护周期，降低了养护成本，提高了轨道板生产施工效率，并且基本不影响混凝土的早期流动性和后期强度发展。

3 结论

（1）纳米功能材料的掺加促进了水泥中C3S等熟料矿物的水化，加速了水泥的早期水化进程，提高了水泥早期水化程度。

（2）轨道板混凝土中掺入纳米功能材料后凝结时间大幅缩短，早期强度明显提高，干燥收缩及耐久性能基本不受影响。

（3）低温环境下掺加纳米功能材料的轨道板混凝土蒸养10 h抗压强度为45.7 MPa，满足拆模要求，可将原先生产工艺中的蒸养时间缩短4 h，降低蒸汽养护成本，提高生产效率，且后期强度未受影响。