超分散纳米材料增强无砟轨道道床板混凝土抗渗透性能及作用机理

郭政 穆松 庄智杰 刘光严

1.江苏省建筑科学研究院有限公司 高性能土木工程材料国家重点实验室，南京 210008；2.江苏苏博特新材料股份有限公司，南京 211103

双块式无砟轨道已大规模应用于我国高速铁路建设中［1］，且整体服役状况良好，但道床板混凝土易出现质量病害［2］。道床板混凝土作为整个无砟轨道结构受力支承结构，其质量直接关系到轨道结构的平整性与稳定性。严酷环境下高速铁路无砟轨道道床板混凝土服役过程中面临侵蚀性介质（Cl-、水分等）作用，混凝土的抗介质渗透性能已逐渐得到关注［3］。TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》中无砟轨道道床板的设计使用年限为100 年，海上大气区氯盐环境要求道床板混凝土电通量小于1 200 C，56 d氯离子迁移系数不大于3 × 10-12m2/s。

通过提高混凝土密实性从而提升抗渗性的技术措施主要分为两大类：①采用降低水胶比+矿物掺和料技术。低水胶比保障了混凝土基体的密实性，降低混凝土内部孔隙率，但增加了现场混凝土模筑施工控制难度，易导致混凝土缺陷。②添加混凝土密实剂。混凝土施工中添加一定量的密实剂可以优化混凝土内孔径分布，减少连通孔，增加孔结构的曲折度，从而降低混凝土气体渗透性能。目前市场上主要包括两类密实剂，一类是以减水剂为主要功能组分，辅以和易性改善组分的液体型密实剂，通过降低水胶比与改善工作性能提升混凝土气密性，但存在密实性改善效果有限、增加新拌混凝土离析泌水的风险；另一类是以高活性纳米材料为主要功能组分的粉剂型密实剂，通过纳米材料参与水泥水化反应优化孔结构提升混凝土气密性，但存在纳米材料难分散、易团聚，易增大混凝土黏度，劣化施工性能的难题。

传统课堂上往往先由教师讲解中药的性状特征，然后让学生观察中药实物标本进行印证，没有充分发挥标本的作用。笔者设计了“链条式应用标本”课例，让学生真正围绕标本自主参与到教学中来。课例各环节设计如下。

针对上述传统混凝土密实技术的不足，本文提出一种新型超分散纳米材料，该材料在混凝土搅拌过程中分散效果佳且混凝土工作性能良好。将新型超分散纳米材料掺入道床板混凝土中，通过力学性能和渗透性能的测试，观测硬化混凝土气泡结构变化，较全面地评价新型超分散纳米材料对混凝土抗渗性的提升效果，为提升无砟轨道道床板混凝土耐久性提供新思路。

1 试验

采用安徽海螺股份有限公司P·O 42.5 级普通硅酸盐水泥，烧失量为4.92%。水泥氧化物组成见表1。细骨料为河砂，细度模数为2.8。粗骨料采用粒径5～15 mm的玄武岩，表观密度为2 750 kg/m3。

表1 水泥氧化物组成 %

减水剂为SBT®⁃PCA（Ⅰ）聚羧酸高效减水剂，固体含量26.54%，减水率27%。密实剂为SBT®⁃RMA（VA⁃N）超分散纳米材料，主要成分为表面接枝聚合改性的活性纳米颗粒，平均粒径在100 nm 左右，掺量为胶凝材料的5%～20%，等量取代水泥，掺入混凝土中可以提升混凝土基体密实性，细化混凝土毛细孔结构。

1.1 混凝土试验方案

C40 级道床板混凝土配合比见表2。其中纯水泥组为基准组（记为JZ），掺加超分散纳米材料组为NM（记为NM⁃掺量占比）。按碎石、砂、水泥（或超分散纳米材料NM）的投料顺序，依次将原材料加入搅拌锅中混搅10 s；加入水与减水剂，继续搅拌2 min后倒出，测试新拌混凝土性能后装入试模中振捣成型。

表2 试验配合比 kg·m-3

实际运用过程中，可通过在气缸安装座与窗框之间增加垫片的方式，增大活动扇叶的塞紧行程，补偿密封橡胶件的变形磨损。

表3 新拌混凝土工作性能

1.2 试验仪器与方法

1.2.1 抗压强度测试

采用UTM5504X 型三思纵横-微机控制电子万能试验机测试道床板混凝土标准立方体抗压强度。

1.2.2 渗透性能测试

1）氯离子渗透性

兰德公司的欧洲和苏联问题专家建议扩大北约版图，吸纳波兰、捷克共和国、斯洛伐克和匈牙利为北约成员国。兰德的建议和分析为美国国务院继续进行北约扩张提供了重要参考。

不同超分散纳米材料掺量下新拌混凝土的工作性能见表3。可知：超分散纳米材料掺入道床板混凝土后对混凝土工作性能有一定的改善作用。

依据GB/ T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》检测道床板混凝土的电通量，采用北京耐尔得仪器设备有限公司RCM⁃NTB 型六通道混凝土扩散系数测试仪，检测道床板混凝土的氯离子迁移系数。

2）水渗透性

当某时刻电网负荷确定,风电场以额定功率因数运行(单位功率因数),假设陆上风电场有功功率出力一定,海上风电场有功功率按场景1和场景2出力。未配置无功补偿装置且风电场不参与无功优化调节,以及配置无功补偿装置且风电场参与无功优化调节时的系统评价指标如表1所示。

道床板混凝土吸水率试验采用DB32∕ T 3696—2019《江苏省高性能混凝土应用技术规程》中的方法；抗水渗透试验采用GB/ T 50082—2009 中渗水高度法，（1.2 ± 0.05）MPa 水压力下加压24 h 后，劈开抗渗试块测试渗水高度。

由于湿度对透气系数测试存在显著的影响，为保障室内气干环境的稳定性，将养护至28 d 的混凝土置于温度（20 ± 2）℃，相对湿度60% ± 5%的房间内气干14～28 d 后，按照两种方法测试混凝土的透气系数：①依据TB 10424—2018《铁路混凝土工程施工质量验收标准》附录M 中的方法测得。②依据瑞士标准SIA 262/1⁃EAir Permeability in Structures中的方法测得。该方法由Torrent在1992年提出，可用于室内和现场无损检测表层混凝土的空气渗透性能。

3）气体渗透性

1.2.3 硬化混凝土气泡结构

高尔基说：“文学从来不是司汤达或列夫·托尔斯泰个人的事业，它永远是时代、国家、阶级的事业。”[4]7 沱河在中原腹地，是淮河一个支流，全长240多公里。在河流纵横交错的大平原上，它就像一根细细的血管，虽不如黄河那样汹涌奔流，却也为两岸人民提供了生存便利。在农耕文明为主的时代，纵然都是农村，但大平原上的生活生产条件，要比老少边地区好得多。穷是那个时代的普遍特征。物质的匮乏给人们带来了生活上的艰辛，而精神生活的丰富，却造就了人们乐观向上、不畏艰辛的可贵品质。

2 试验结果分析

2.1 抗压强度

965 Early secondary prevention of cardiogenic stroke caused by atrial fibrillation

随着社会的进步，全球一体化的发展，英语已经成为小学生的一项必备技能。小学英语是学生接触英语的开端，教师要帮助小学生打下夯实的基础，词汇学习是循环往复、漫长积累的过程，是需要在语境中加深理解、逐步拓展的过程，在这个过程中，学生需要教师的引导和鼓励，小学英语教师有义务监督小学生认真学习词汇。在教学中教师要不断积累经验，找到更好的教学方法，为小学英语教学贡献一分力量。

采用精密切割机将边长100 mm 的混凝土立方体试块切割成厚度不超过20 mm 的薄片，再将待检测的一面抛光打磨、清洗及烘干处理；用黑墨笔涂黑检测表面，然后将超细碳酸钙粉平铺于涂黑表面的气泡中；最后将试块薄片固定在NELD⁃BS630 型硬化混凝土气泡分析仪的移动平台上，对硬化混凝土气泡参数进行统计分析。

建设项目压覆矿产资源评估是通过对野外踏勘、实地走访、收集相关的资料等，基本了解和熟悉项目用地范围内压覆矿产资源情况，确定项目范围内压覆矿产资源的矿种、位置、数量、规模等，估算压覆矿体的资源/储量，并对比工程项目和压覆矿产资源的经济社会效益，为项目选址及政府部门的决策提供依据。

图1 不同超分散纳米材料掺量下道床板混凝土各龄期抗压强度

2.2 氯离子渗透性

标准养护56 d 后，道床板混凝土电通量和氯离子迁移系数与超分散纳米材料掺量的关系见图2。可知：随着超分散纳米材料掺量的增加，道床板混凝土氯离子迁移系数逐渐降低。在5%掺量范围内道床板混凝土抗氯离子渗透性大幅降低，超过5%掺量后道床板混凝土抗氯离子渗透性降幅有所减缓。当超分散纳米材料掺量为20%时，道床板混凝土的氯离子迁移系数由基准混凝土的4.9 × 10-12m2/s 降低为2.75 ×10-12m2/s，整体上降低了44%；电通量则由基准混凝土的900 C 降为450 C，降低了50%。在标准养护56 d后，掺入超分散纳米材料的道床板混凝土抗氯离子渗透性能满足TB 10005—2010中耐久性指标要求。

图2 道床板混凝土抗氯离子渗透性能与超分散纳米材料掺量的关系

2.3 水渗透性

气体介质在混凝土等多孔材料中渗透，当气体分子靠近边界时，会以一定的速度滑移而突破边界的束缚，这也体现了气体分子较液体更易渗透的特征。也正由于滑移特性（Klinkenberg 效应）的存在，气体分子在混凝土的孔隙中渗透并不能像液体分子那样满足达西定律［4］。

图3 不同混凝土吸水率与浸泡时间的关系

不同道床板混凝土的渗透高度见图4。可知，基准道床板混凝土的渗透高度明显高于掺入超分散纳米材料的道床板混凝土；除NM⁃20 道床板混凝土内部渗透高度波动幅度较小外，其他道床板混凝土渗透高度波动较大。

图4 不同道床板混凝土的渗透高度

2.4 气体渗透

依据SIA 262/1⁃E 和TB 10424—2018 标准中规定方法测试道床板混凝土透气系数，结果见表4。可知：无论是采用SIA 262/1⁃E 的表面测试法还是按照TB 10424—2018 规定方法测试的混凝土气体渗透系数都随着超分散纳米材料掺量的增加而逐渐减小。其中掺量超过5%时，道床板混凝土的透气系数小于1 × 10-11cm/s，满足TB 10424—2018 对气密混凝土的验收要求。

据统计，目前中国五矿从波铜集团的进口额占中国从波兰进口总额的40%至60%，截至2018年10月，中国五矿自波铜集团采购电解铜数量超过100万t，合同总金额计近60亿美元。其中，2018年当年，中国五矿采购自波铜集团的货物合同金额首次达到约6亿美元。双方持久稳定的合作极大地拉近了两国经贸关系，支撑了中波两国经贸交往的可持续发展。

表4 混凝土透气系数

不同混凝土吸水率与浸泡时间的关系见图3。可知：基准道床板混凝土的吸水率在24 h 内迅速增长，约48 h 吸水饱和，饱和吸水率为5.5%；道床板混凝土中提高超分散纳米材料掺量不仅可以延长道床板混凝土吸水达到饱和的时间，而且可以降低道床板混凝土的饱和吸水率，NM⁃20 道床板混凝土的饱和吸水率最低，为2.55%。

SIA 262/1⁃E 法和TB 10424—2018 法测得的混凝土透气系数相关性结果见图5。可知，非稳态的SIA 262/1⁃E 法与稳态的下进气法（TB 10424—2018 法）具有很好的相关性，这一结论与文献［5］研究结果一致。说明本研究中超分散纳米材料对稳态和非稳态的气体渗透性均具有较好的抑制作用，也说明了在实际工程现场对道床板混凝土的渗透性开展评价时可借助SIA 262/1⁃E法。

不同超分散纳米材料掺量下道床板混凝土各龄期抗压强度见图1。可知：在相同水胶比与胶材用量下，混凝土中添加超分散纳米材料以优化胶凝材料体系，可以在一定程度上提高混凝土的抗压强度。当超分散纳米材料掺量为20%时，混凝土标准养护28 d的抗压强度达55.1 MPa，较基准组45.0 MPa提高11.1 MPa。满足道床板混凝土28 d抗压强度的验收要求。

图5 KA与KT的拟合关系

2.5 硬化混凝土气泡结构

不同掺量超分散纳米材料制备的道床板混凝土的硬化气泡见图6。可知：基准道床板混凝土内部含有较多的气泡，部分气泡联通在一起，且气泡大小尺寸不一，气泡多为类圆形与不规则形状。NM⁃5 道床板混凝土内部气泡依旧较多，但整体上小孔径数量增多，虽然气泡大小不一但彼此趋于独立，气泡接近类圆形；NM⁃10 和NM⁃20 道床板混凝土中气泡孔径明显减小，这是由于超分散纳米材料含有适量的超细高活性成分，能够促进水化反应生成更多的水化硅酸钙凝胶细化了孔径，有效地改善了界面过渡区的孔隙微结构［6］。但是NM⁃20 混凝土中存在多个大孔径气泡，可能是由于超分散纳米材料掺量高时材料部分团聚，分布不均匀。

图6 不同掺量下超分散纳米材料制备道床板混凝土的硬化气泡

文献［7］发现混凝土的渗透性能与混凝土内部的孔径分布有着密切的关系。文献［8］研究发现当水渗入混凝土内部结构时，代表性孔尺寸最大连续孔径起着至关重要作用，水只有通过最大连续孔径才能在混凝土内部渗透。因此当超分散纳米材料掺入混凝土后，改善了道床板混凝土内部孔结构，孔径得到细化，孔结构分布曲折度提高，最终表现为混凝土的抗介质渗透性能有了显著提升。

通过对气泡数量及其分布进行统计与分析计算，得到平均气泡直径、硬化含气量等道床板混凝土硬化气泡参数，见表5。可知：在混凝土测试面内，基准道床板混凝土的气泡比表面积偏小，说明基准道床板混凝土内部孔隙较多、孔径较大。在掺入超分散纳米材料的混凝土系列中，随着超分散纳米材料掺量增加硬化道床板混凝土中气泡数量逐步下降，孔隙率降低。NM⁃20 道床板混凝土在扫描面内仅统计到60 个气泡，但平均气泡直径为0.190 mm，大于NM⁃10 混凝土，与图3中NM⁃20混凝土存在较大的气泡有关。

表5 道床板混凝土硬化气泡参数

不同道床板混凝土气泡分布见图7。可知：基准道床板混凝土中不同尺寸的气泡分布较均匀，说明其内部混凝土缺陷较多。而掺入超分散纳米材料会细化道床板混凝土内部微结构，NM⁃20 混凝土有约67%的气泡分布在0～40 μm。大孔、连续孔会加剧溶液或介质的传输，给混凝土的渗透性能带来不利影响。而混凝土内部少孔、封闭孔以及孔结构分布的曲折度提高则有助于抑制介质的传输，一定程度上提高混凝土的抗渗透性能［9］。结合混凝土的气泡特征，当侵蚀介质侵入道床板混凝土内部时，基准道床板混凝土内部由于存在较多且连通的气泡，为侵蚀介质传输提供通道，导致道床板混凝土抗介质渗透性能较差；而掺入超分散纳米材料的道床板混凝土内部由于少孔或封闭孔，道床板混凝土抗介质渗透性能显著提升。

图7 不同道床板混凝土气泡分布

3 结论

1）掺入超分散纳米材料实现了胶凝材料颗粒级配优化，超分散纳米材料对道床板混凝土的工作性能有一定改善作用，显著提升了道床板混凝土的抗压强度。

2）超分散纳米材料实现了道床板混凝土非稳态与稳态两种状态下的气密性提升，大幅度改善了抗水压渗透、氯离子渗透性能。当超分散纳米材料掺量为10%～20%时，标准养护56 d 的混凝土可满足海上大气区氯盐环境耐久性抗渗性要求，实现道床板混凝土56 d电通量小于1 200 C，56 d氯离子迁移系数不大于3 ×10-12m2/s。

通过对比表1和表2可知，截止到2017年，深圳和广州的GDP增量排名位列前两名，深圳大学和广州大学在学科建设、高级人才数量和在校生人数三个指标的综合发展指数排名也在前二；与之形成鲜明对比的是，韶关和汕头两个城市GDP发展相对缓慢，其各自所拥有的大学在综合发展指标排名的情况并不理想。其中，韶关学院是唯一一个存在专科层次培养任务的院校，汕头大学虽然具有较高的起点，但受到地方“束缚”，也呈现出明显的发展后劲不足的特点。

3）超分散纳米材料改善道床板混凝土渗透性的机理在于硬化混凝土孔隙率的降低与孔结构分布的优化。