新一代轨枕用早强高触变性混凝土性能试验研究

李林香 谭盐宾 杨鲁 尤瑞林 张大伟 葛昕 王浩

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.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；3.山东高速交通装备有限公司，山东潍坊 262600

预应力混凝土轨枕的生产一般采用干硬性混凝土+二次振动（普通振动+加压振动）生产工艺，振幅大、振动时间长，工人劳动强度大、生产效率低、环境噪声大［1-2］。文献［3］对比了国内外预应力混凝土轨枕生产工艺，指出目前国内轨枕生产存在自动化程度较低、生产环境较差、轨枕质量不稳定等问题。轨枕用干硬性混凝土因为坍落度极小，不易振捣密实，也极易出现混凝土不密实、蜂窝麻面、振捣后底面不平整等问题。因此，采用塑性混凝土或流动性混凝土代替干硬性混凝土生产轨枕，降低轨枕振捣施工难度已势在必行。文献［4］通过研究发现，与干硬性混凝土相比，采用坍落度10～30 mm的混凝土生产轨枕，不仅可以取消混凝土的加压振捣工序，而且可以缩短混凝土的普通振动时间。文献［5］通过在轨枕混凝土中掺入矿渣粉取代一定量的水泥，提高了轨枕混凝土的长期耐久性能和静载抗裂性能。文献［6-7］通过复掺优质粉煤灰和高效减水剂，提高了高强混凝土轨枕的中长期力学性能、抗渗性能和抗裂性能。文献［8］通过在轨枕混凝土中掺加磷矿渣、粉煤灰和粒化高炉矿渣，提高了轨枕混凝土的抗氯离子渗透性能和抗冻性能，有效抑制了轨枕混凝土由于碱集料反应而产生的膨胀。既有研究虽然对轨枕混凝土进行了优化，但所用混凝土仍属于干硬性混凝土，没有从根本上解决传统轨枕生产面临的问题。

本文采用自制的增强降黏型复合掺和料制备早强高触变性混凝土，并进行了轨枕试生产，对比其与干硬性混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能以及轨枕静载抗裂性能，为其在轨枕上的应用提供技术支撑。

1 试验概况

1.1 原材料

水泥为北京金隅集团有限责任公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，主要性能指标见表1。矿渣粉为唐山唐龙新型建材有限公司生产的S95级矿渣粉，主要性能指标见表2。砂为天然河砂，细度模数2.8，含泥量1.1%。碎石为5～20 mm连续级配碎石，含泥量0.2%。减水剂为河北三楷深发科技股份有限公司生产的聚羧酸减水剂，减水率29.4%。掺和料为中国铁道科学研究院集团有限公司自制的增强降黏型复合掺和料。水为自来水。

表1 水泥的主要性能指标

表2 矿渣粉的主要性能指标

1.2 混凝土配合比

混凝土配合比见表3。其中0#为干硬性混凝土，1#为掺入增强降黏型复合掺和料的早强高触变性混凝土。为了保证早强高触变性混凝土具有良好的流动性，其用水量和减水剂用量都比干硬性混凝土有所增加。

表3 混凝土配合比 kg·m-3

1.3 试验方法

1）蒸养制度。混凝土成型后在室温下静停2 h，然后放到蒸养箱升温到50℃，恒温10 h后降至室温，升温和降温速率均为15℃/h。

2）混凝土工作性能测试方法。混凝土坍落度和含气量测试参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。

3）混凝土力学性能测试方法。混凝土抗压强度和弹性模量测试参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行。

4）混凝土耐久性能测试方法。混凝土收缩性能、抗氯离子渗透性能、抗冻性能测试参照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。

5）混凝土轨枕静载抗裂性能测试方法。参照TB/T 1879—2002《预应力混凝土枕静载抗裂试验方法》进行。轨下、枕中试验荷载分别为210、162 kN。轨下、枕中分别加载至试验荷载值后稳定3 min，在整个加载过程中用照明放大镜观测轨枕两侧受拉区，若未出现裂缝，表明轨枕静载试验合格。稳定3 min后，继续加载直至裂缝出现，记录出现裂缝时的荷载。

2 试验结果与分析

2.1 轨枕混凝土工作性能

混凝土工作性能测试结果见表4。可知：干硬性混凝土坍落度很小，不易密实成型，在振动台上振动70 s才能达到基本密实，而早强高触变性混凝土坍落度在145～150 mm，和易性好，振动10 s就基本密实。早强高触变性混凝土的含气量与干硬性混凝土差别不大。

表4 轨枕混凝土工作性能测试结果

2.2 轨枕混凝土力学性能

轨枕混凝土力学性能测试结果见表5。可知：①早强高触变性混凝土脱模时（16 h）抗压强度比干硬性混凝土高约9%，28 d龄期时抗压强度与干硬性混凝土差别不大，均在80 MPa以上。自制的复合掺和料由多种粒度级配的粉体材料混合而成，且掺有增强组分，因此早强高触变性混凝土的水胶比虽然比干硬性混凝土大，但是由于复合掺和料的增强和填充效应，从而使得其强度高于干硬性混凝土。②两种混凝土脱模时（16 h）弹性模量差别不大，28 d龄期时早强高触变性混凝土的弹性模量略低。

表5 轨枕混凝土力学性能测试结果

2.3 轨枕混凝土耐久性能

轨枕混凝土干燥收缩率随龄期变化曲线见图1。可知：各龄期早强高触变性混凝土的干燥收缩率均比干硬性混凝土略大。150 d龄期时，早强高触变性混凝土的干燥收缩率为341×10-6，干硬性混凝土的干燥收缩率为314×10-6，早强高触变性混凝土的干燥收缩率比干硬性混凝土大8.6%。早强高触变性混凝土、干硬性混凝土的单方用水量分别为135、122 kg。混凝土在不饱和空气中失去内部毛细孔水、凝胶水及吸附水而导致长度或体积减小［9］，因此早强高触变性混凝土单方用水量的增大是导致其干燥收缩大的主要原因。

图1 轨枕混凝土干燥收缩率随龄期变化曲线

轨枕混凝土电通量测试结果见表6。可知：早强高触变性混凝土的电通量远小于干硬性混凝土，说明其密实性明显优于干硬性混凝土。早强高触变性混凝土的和易性和密实性明显优于干硬性混凝土，其内部缺陷大幅减少。同时，复合掺和料中各种材料颗粒粒径不同，相互填充后会大幅提高其密实性，而且复合掺和料中活性组分的二次水化反应生成更多的CSH凝胶，也能降低混凝土的孔隙率，从而提高混凝土的抗氯离子渗透性能［10-11］。

表6 轨枕混凝土电通量测试结果

轨枕混凝土的相对动弹性模量随冻融循环次数变化曲线见图2。可知：经过300次冻融循环后，两种混凝土的相对动弹性模量均没有降低，这说明干硬性混凝土和早强高触变性混凝土均具有良好的抗冻性能。干硬性混凝土的用水量少，混凝土中因游离水少空隙和毛细管也少，因此干硬性混凝土的抗冻性能很好。早强高触变性混凝土虽然增加了用水量，但是由于混凝土密实性提高，加之复合掺和料的填充效应和二次水化作用使得混凝土内部更加密实，因此早强高触变性混凝土的抗冻性能也得到了提高。

图2 轨枕混凝土相对动弹性模量随冻融循环次数变化曲线

2.4 轨枕静载抗裂性能

在山东高速交通装备有限公司轨枕车间试制了轨枕，混凝土配合比参见表3。

振捣干硬性混凝土时需要强振2次，振动频率为80 Hz，振动时间共需3 min。振捣早强高触变性混凝土时振动频率60 Hz，振动时间约30 s，因此采用早强高触变性混凝土生产轨枕可降低噪声改善工作环境，并大大节约人力和时间，提高工作效率。

混凝土蒸养16 h（脱模）和28 d抗压强度见表7。可知：试制的早强高触变性混凝土轨枕的16 h、28 d抗压强度均略低于干硬性混凝土，这与2.2节中早强高触变性混凝土的抗压强度高于干硬性混凝土的试验结果不一致，可能在试制轨枕的振捣过程中，振幅和频率没有调整合适，在后期试验中应注意调整。

表7 轨枕各龄期抗压强度

对两种轨枕进行静载试验。两种轨枕轨下加载至210 kN，静停3 min，均未出现裂缝；枕中加载至162 kN，静停3 min，均未出现裂缝。由此判定两种轨枕静载试验均合格。在轨下和枕中分别继续加载直至出现裂缝，记录此时的荷载，并计算抗裂系数（开裂荷载与试验荷载之比）。

轨枕静载试验结果见表8。可知：早强高触变性混凝土轨下、枕中抗裂系数分别为1.34、1.15，具有一定的安全储备。早强高触变性混凝土的静载抗裂系数低于干硬性混凝土，可能与早强高触变性混凝土脱模时抗压强度低有关，后期可通过调整配合比或蒸养制度予以提高。

表8 轨枕静载试验结果

3 结论

1）新一代轨枕用早强高触变性混凝土和易性好，工作性能优异，易于密实成型。

2）早强高触变性混凝土16 h（脱模）和28 d龄期的抗压强度均高于干硬性混凝土，脱模时弹性模量与干硬性混凝土差别不大，28 d龄期时弹性模量略低于干硬性混凝土。

3）早强高触变性混凝土的干燥收缩率略高于干硬性混凝土，抗氯离子渗透性能优于干硬性混凝土，抗冻性能和干硬性混凝土相当。

4）试制的早强高触变性混凝土轨枕静载试验合格，轨下、枕中抗裂系数分别为1.34、1.15，具有一定的安全储备。