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研究探索:無砟軌道雙塊式軌枕早強礦物摻合料配方研發(fā)及性能研究

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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第2期

無砟軌道雙塊式軌枕早強礦物摻合料配方研發(fā)及性能研究

朱本謙,劉勇,唐金爽,朱修昆,楊澤波,陳清蓉

[摘 要]研究了硫酸鈉、硫氰酸鈉、三乙醇胺早強組分對早強礦物摻合料膠砂性能影響,參照 TB/T 3397—2015《CRTS 雙塊式無砟軌道混凝土軌枕》確定三種早強礦物摻合料配方,探究三種早強礦物摻合料對砂漿水化熱、凈漿溫度變化、混凝土強度及電通量影響,結(jié)果表明:單摻 5% 硫酸鈉、單摻 1% 硫氰酸鈉、1% 硫酸鈉與 0.05% 三乙醇胺復(fù)摻配制三種早強礦物摻合料,其膠砂活性均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;并能夠顯著提升砂漿水化熱、提前凈漿溫峰時間;按照 15% 膠凝材料取代全部粉煤灰及部分水泥后,均降低了混凝土 56d 電通量,且其混凝土 12h 蒸汽養(yǎng)護脫模強度分別提升了 14%、20.9%、27.9%。

[關(guān)鍵詞]軌枕;早強;礦物摻合料;混凝土;耐久性

0 引言

高速度、高密度、長距離跨線運輸是我國高速鐵路的主要運營特點,無砟軌道使得鐵路系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)連續(xù)、平順、穩(wěn)定、耐久和少維修的性能,滿足了行車安全、乘車舒適和準(zhǔn)點行車的要求,近些年在全國各地得到了大力推廣應(yīng)用[1]

作為鐵道軌道系統(tǒng)極為重要的承力部件——軌枕,也逐漸由整體式發(fā)展為雙塊式,雙塊式軌枕包括兩塊分別位于軌枕兩端、表面平整的混凝土塊,兩混凝土塊之間用鋼筋桁架連接,在混凝土表面設(shè)置有與其固定連接的絕緣片,具有高平順性和高可靠性的特點[2];雙塊式軌枕一般采用預(yù)制的方式進行生產(chǎn),混凝土采用蒸汽養(yǎng)護或自然養(yǎng)護,其強度等級為C60,脫模強度不低于40MPa,且抗凍性及電通量亦需滿足相關(guān)要求[3]。為此,雙塊式軌枕生產(chǎn)企業(yè)在進行配合比設(shè)計時,普遍采用高膠凝材料用量、低礦物摻合料摻量、低水膠比的理念[4],其中礦物摻合料多為粉煤灰,其在體系中摻量低于10%,降低混凝土早期強度有限,對混凝土后期耐久性的提升效果亦有限[5]。另外,在冬季氣溫較低時,為提升軌枕混凝土脫模強度,會選擇在混凝土中添加早強外加劑,該類早強外加劑早強效果有限,還有可能存在養(yǎng)護后期強度倒縮、軌枕表面返堿、鋼筋銹蝕等弊端[6]

為了解決雙塊式軌枕在生產(chǎn)中存在的脫模強度不足、礦物摻合料摻量低、使用早強外加劑后期強度倒縮等問題,本試驗采用超細(xì)PO52.5水泥、礦粉、硅灰為主材,搭配不同有機、無機復(fù)合早強組分,制備了早強礦物摻合料,其技術(shù)指標(biāo)符合TB/T 3397—2015《CRTS 雙塊式無砟軌道混凝土軌枕》的規(guī)定。研究了此早強礦物摻合料對砂漿、凈漿水化熱的影響,測試了摻入摻合料的軌枕混凝土的各項性能。制備的早強礦物摻合料不僅大幅度提升了軌枕混凝土脫模強度,且后期強度亦未下降,而且改善了混凝土的耐久性,為早強礦物摻合料在軌枕混凝土中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1 膠砂試驗原材料

水泥:撫順?biāo)嘤邢薰綪I42.5基準(zhǔn)水泥、湖北亞東水泥有限公司超細(xì)PO52.5水泥。PO52.5水泥經(jīng)過超細(xì)粉磨制備,比表面積505kg/m,中位徑8.2m。

礦粉:S95級,武漢武新新型建材有限公司。

硅灰:SiO含量不低于90%,山西陽泉耐火材料廠。

硫氰酸鈉(NS):國藥集團化學(xué)試劑有限公司,分析純。

硫酸鈉、三乙醇胺(TEA):成都市科隆化學(xué)品有限公司,分析純。

標(biāo)準(zhǔn)砂:廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂,每袋凈含量為(1350± 5)g。

1.1.2 砂漿、凈漿水化熱原材料

早強礦物摻合料:采用1.1.1節(jié)中的材料按照研發(fā)的配方配制三種早強礦物摻合料。

中砂:廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)中砂。

I42.5基準(zhǔn)水泥:撫順?biāo)嘤邢薰尽?/span>

1.1.3 混凝土原材料

O52.5水泥:湖北亞東水泥有限公司。

粉煤灰:Ⅱ級,湖北能源集團鄂州發(fā)電有限公司。

細(xì)骨料:河砂Ⅱ區(qū)中砂(細(xì)度模數(shù)2.7),含泥量0.2%。

粗骨料:5~20mm連續(xù)級配碎石,壓碎值6.3%,針片狀顆粒2.2%。

減水劑:武漢三源特種建材有限責(zé)任公司,固含量 24%,減水率28%。

拌和水:自來水。

部分材料化學(xué)成分見表 1。

1.2 試驗方法

早強礦物摻合料配方研發(fā)時,以超細(xì)P·O52.5水泥、礦粉、硅灰為主材,搭配不同有機、無機復(fù)合早強組分(硫酸鈉、硫氰酸鈉、三乙醇胺),配制早強礦物摻合料,按照10%摻量取代基準(zhǔn)水泥,進行水泥膠砂試驗;研究早強礦物摻合料對砂漿、凈漿水化熱影響時,三種不同配方早強礦物摻合料按照10%取代基準(zhǔn)水泥;研究早強礦物摻合料對混凝土性能影響時,三種不同配方早強礦物摻合料按照15%取代C60軌枕混凝土中全部粉煤灰及部分水泥。

水泥膠砂試驗依據(jù)GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的?;郀t礦渣粉》進行;砂漿水化熱依據(jù)GB/T 12959—2008《水泥水化熱測定方法》進行;凈漿水化熱依據(jù)JC/T 60014—2022《地下工程混凝土結(jié)構(gòu)自防水技術(shù)規(guī)范》進行;混凝土試驗參照 GB 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中描述的方法攪拌與成型。采用蒸汽養(yǎng)護方式,過程如下列連續(xù)的4個步驟:(1)靜置,在室溫下靜停3h;(2)升溫,在2h內(nèi)升溫至40℃(升溫速率15℃/h);(3)恒溫,在(40±2)℃恒溫5h;(4)降溫,在2h內(nèi)降溫至混凝土樣品表面溫度與環(huán)境溫度差15℃(降溫速率15℃/h)。蒸汽養(yǎng)護后,拆模、編號,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護到設(shè)計齡期,分別檢測12h蒸養(yǎng)抗壓強度、28d、56d抗壓強度及56d電通量??箟簭姸仍噳K尺寸為150mm×150mm×150mm,電通量試塊尺寸為φ100mm×50mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 早強礦物摻合料配方研發(fā)

為使得早強礦物摻合料各項性能滿足TB/T 3397—2015《CRTS 雙塊式無砟軌道混凝土軌枕》中的要求,選擇超細(xì)PO52.5水泥作為早期強度活性組分,礦粉作為后期強度活性組分,硅灰作為高溫活性組分,以這三種材料為主要材料,分別內(nèi)摻無機早強組分硫氰酸鈉與硫酸鈉,研究兩者單摻對早強礦物摻合料膠砂活性影響;選定無機早強組分后,外摻有機早強組分三乙醇胺,研究有機、無機早強組分復(fù)配后對早強礦物摻合料膠砂活性影響。

2.2 硫酸鈉對早強礦物摻合料膠砂活性影響

固定超細(xì)PO52.5水泥、礦粉摻量分別為50%、25%,硫酸鈉摻量(內(nèi)摻)按照0%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%設(shè)置,其余組分為硅灰,配制早強礦物摻合料,并按照10%取代基準(zhǔn)水泥進行膠砂試驗,其試驗結(jié)果見圖1。由圖1可知,隨硫酸鈉摻量增加,1d膠砂活性先升高后降低,在摻量為6%時達到最大(130%),且摻量達到5%及以上時,1d膠砂活性均滿足TB/T 3397—2015(1d膠砂活性高于125%)的要求;28d膠砂活性則隨硫酸鈉摻量增加而不斷下降,在摻量達到6%時,降低至100%以下,此時已不能滿足TB/T 3397—2015(28d膠砂活性高于100%)的要求;所有配方中僅硫酸鈉摻量為5%時,膠砂活性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,但是此時體系中SO含量為3.41%,超出標(biāo)準(zhǔn)(3.0%)規(guī)定,故硫酸鈉作為早強組分的體系不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;這主要是因為硫酸鹽主要通過鹽效應(yīng)提高水泥漿體中的離子強度,與CA反應(yīng)生產(chǎn)水化硫鋁酸鈣晶體,兩種方式提高早期強度,其早強效果與SO含量關(guān)系密切,SO含量低時,早強效果不明顯,含量高時,由于SO的膨脹屬性,導(dǎo)致后期強度倒縮[7]

2.3 硫氰酸鈉對早強礦物摻合料膠砂活性影響

固定超細(xì)PO52.5水泥、礦粉摻量分別為50%、25%,硫氰酸鈉摻量(內(nèi)摻)按照0%、0.2%、0.5%、0.7%、1%、2%、3%、4%、5%設(shè)置,其余組分為硅灰,配制早強礦物摻合料,并按照10%取代基準(zhǔn)水泥進行膠砂試驗,其試驗結(jié)果見圖2。由圖2可知,隨硫氰酸鈉摻量增加,1d膠砂活性先升高后降低,在摻量為4%時達到最大(137%),且摻量達到1%及以上時,1d膠砂活性均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;28d膠砂活性則隨硫氰酸鈉摻量增加而不斷下降,但均高于100%。其原因主要是,硫氰酸鈉中硫氰酸根離子屬性為軟堿,具有電負(fù)性小,對價電子的約束松弛,極化性大,容易氧化的特點[8];其極化作用能夠同時促進CS、CA及CAF的早期水化,在相同水化時間內(nèi)生成更多的C-S-H和Aft等水化產(chǎn)物,提高早期強度[9]

2.4 硫氰酸鈉與三異醇胺復(fù)摻對早強礦物摻合料膠砂活性影響

為進一步研究有機、無機組分復(fù)配對膠砂活性影響,并結(jié)合成本考慮,固定超細(xì)PO52.5水泥、礦粉、硫氰酸鈉摻量分別為50%、25%、1%,三乙醇胺摻量(外摻)按照0%、0.03%、0.05%、0.07%、0.1%、0.3%、0.5%設(shè)置,其余組分為硅灰,配制早強礦物摻合料,并按照10%取代基準(zhǔn)水泥進行膠砂試驗,其試驗結(jié)果見圖3。

由圖3可知,隨三乙醇胺摻量增加,1d膠砂活性先升高,后略降低,逐漸趨于平穩(wěn),在摻量為0.1%時達到最大(140%),且所有試驗組膠砂活性均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;28d膠砂活性則隨三乙醇胺摻量增加而不斷下降,但均高于100%。與單摻硫氰酸鈉體系相比,三乙醇胺摻量為0.05%時,其1d膠砂活性即與硫氰酸鈉最高試驗組相當(dāng),表明三乙醇胺與硫氰酸鈉復(fù)摻對早期強度具有顯著的提升效果。其主要原因可能是,三乙醇胺具有乳化作用,在水泥漿體中摻入三乙醇胺后,三乙醇胺分子吸附于水泥顆粒的表面,形成一層帶電的親水膜,降低溶液的表面張力,加速水對水泥顆粒的潤濕和滲透,使水泥顆粒可以更好地與水接觸,加強因水化作用而引起的固相體體積膨脹,使水泥顆粒的膠化層不斷剝落,從而促進水泥顆粒的水解[10]。兩者復(fù)摻后一方面相互促進了與水泥顆粒的接觸,另一方面加強了水泥顆粒各礦相的溶解水化,起到了疊加效應(yīng)。

結(jié)合硫酸鈉、硫氰酸鈉及其與三乙醇胺復(fù)配對早強礦物摻合料膠砂性能影響試驗數(shù)據(jù),選擇三個早強礦物摻合料配方進行性能研究試驗,三個配方分別為超細(xì)PO52.5水泥:礦粉:硅灰:硫酸鈉= 50:25:20:5,記為5% NaSO + 0% TEA;PO52.5水泥:礦粉:硅灰:硫氰酸鈉= 50:25:24:1,記為1% NaSCN + 0% TEA;PO52.5水泥:礦粉:硅灰:硫氰酸鈉:三乙醇胺= 50:25:24:1: 0.05,記為1% NaSCN + 0.05% TEA。

2.5 早強礦物摻合料性能研究

2.5.1 早強礦物摻合料對砂漿水化熱影響

三種不同配方早強礦物摻合料取代基準(zhǔn)水泥砂漿水化熱試驗結(jié)果見圖4。由圖4可知,10h前摻早強礦物摻合料試驗組水化熱均低于對照組,10h后,試驗組水化熱高于對照組。這主要是因為,早強礦物摻合料中有部分組分早期無水化活性,等量取代水泥后,早期主要發(fā)揮稀釋作用,導(dǎo)致10h前水化熱降低。各試驗組24h累計水化熱數(shù)據(jù)表明:單摻硫酸鈉與單摻硫氰酸鈉體系累計水化熱相差不大,且較對照組提升約12%;雙摻硫氰酸鈉與三乙醇胺試驗組累計水化熱較對照組提升約21%,三種配方變化規(guī)律與膠砂數(shù)據(jù)基本吻合。

2.5.2 早強礦物摻合料對凈漿溫度影響

三種不同配方早強礦物摻合料取代基準(zhǔn)水泥凈漿溫升試驗結(jié)果見圖5。由圖5可知,摻早強礦物摻合料試驗組,前12h溫度均高于對照組,且不同配方早強摻合料試驗組最高溫度基本相同;同時各試驗組溫峰的出現(xiàn)時間均有所提前,硫酸鈉體系僅提前25min,硫氰酸鈉及其與三乙醇胺復(fù)配體系提前80min;表明硫氰酸鈉體系的早強效果更優(yōu)于硫酸鈉體系。

2.5.3 早強礦物摻合料對混凝土性能影響

以C60混凝土配方為基準(zhǔn),采用三種不同配方早強礦物摻合料按照15%膠凝材料摻量取代全部粉煤灰及部分水泥,基準(zhǔn)混凝土配合比(kg/m)為:m(水泥): m(粉煤灰): m(砂): m(石): m(水): m(減水劑)= 432:48:635:1200:135:5.8;摻早強礦物摻合料配合比(kg/m)為m(水泥): m(早強礦物摻合料): m(砂): m(石): m(水): m(減水劑)= 408:72:635:1200: 135:5.8。相關(guān)試驗數(shù)據(jù)見表 2,由表 2可知,未摻加早強礦物摻合料的混凝土12h蒸汽養(yǎng)護強度只有43MPa,而三種不同配方(單摻硫酸鈉、單摻硫氰酸鈉、硫氰酸鈉與三乙醇胺復(fù)摻)早強礦物摻合料取代粉煤灰及部分水泥后,混凝土12h蒸汽養(yǎng)護強度達到了49MPa、52MPa、55MPa,分別提高了14%、20.9%、27.9%。對混凝土早期脫模強度提升效果以硫氰酸鈉與三乙醇胺復(fù)配效果最優(yōu),單摻硫酸鈉效果最差,所有試驗組后期強度也明顯高于基準(zhǔn)組。其原因主要是,早強礦物摻合料中早強組分能夠通過加速CA的水化在熟料礦物表面吸附形成絡(luò)合物、同水化產(chǎn)物Ca(OH)形成絡(luò)合物等方式提升早期強度[11],而早強礦物摻合料中的礦粉、硅灰相比于粉煤灰而言具有更高的活性,在水化后期仍能夠進行二次水化,確保后期強度仍有所提升。

摻加早強礦物摻合料后,均降低了混凝土56d電通量,且單摻硫氰酸鈉試驗組效果最優(yōu),硫氰酸鈉與三乙醇胺復(fù)摻試驗組效果次之,單摻硫酸鈉試驗效果最差。其原因在于,三種早強礦物摻合料中的礦粉和硅灰具有填充密實效應(yīng),改善了混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu),延長了毛細(xì)管通道,阻止了可能形成的滲透通道,從而增強了混凝土抗氯離子滲透性能,降低了電通量;而硫酸鈉作為早強組分,其主要通過在早期生成鈣礬石的方式提升早期強度,與C-S-H凝膠相比,鈣礬石的穩(wěn)定性欠佳,隨著齡期的增加,體系的密實度有所降低,故而其電通量改善效果在三種早強摻合料配方中最差;與單摻硫氰酸鈉體系相比,硫氰酸鈉與三乙醇胺復(fù)配其早期強度發(fā)展更加迅猛,短時間內(nèi)生成的大量水化產(chǎn)物,顆粒尺寸大,導(dǎo)致界面過渡區(qū)孔隙率升高,降低了體系抗氯離子滲透性能,增加了56d電通量。

3 結(jié)論

(1)硫氰酸鈉作為早強組分時,其摻量為1%時,早強礦物摻合料膠砂活性即滿足TB/T 3397—2015《CRTS 雙塊式無砟軌道混凝土軌枕》要求,但1d膠砂活性僅與標(biāo)準(zhǔn)要求持平,復(fù)配0.05%三乙醇胺后,效果大幅度提升,1d膠砂活性超出標(biāo)準(zhǔn)要求10%;硫酸鈉作為早強組分,能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)膠砂活性要求,但其SO含量超標(biāo),不宜用于配制早強礦物摻合料;

(2)單摻硫酸鈉、單摻硫氰酸鈉及硫氰酸鈉與三乙醇胺復(fù)配早強礦物摻合料取代10%基準(zhǔn)水泥后,24h砂漿水化熱較對照組分別提升12%、12%、21%;凈漿溫峰時間分別提前25min、80min、80min;

(3)單摻硫酸鈉、單摻硫氰酸鈉及硫氰酸鈉與三乙醇胺復(fù)配早強礦物摻合料按照15%膠凝材料取代全部粉煤灰及部分水泥后,其混凝土12h蒸汽養(yǎng)護脫模強度分別提升了14%、20.9%、27.9%,同時均降低了混凝土56d電通量。

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供稿人:朱本謙,劉勇

編輯員:李海亮

審核人:孫繼成,寧夏

【標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范】

《建筑固廢再生砂粉應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》行標(biāo)

《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術(shù)規(guī)程》CECS

《預(yù)拌混凝土使用說明書》團標(biāo)

《砂漿和混凝土用石屑》團標(biāo)

《預(yù)拌混凝土產(chǎn)品質(zhì)量追溯規(guī)范》團標(biāo)

【會議培訓(xùn)】

2025全國混凝土行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展與廢棄物資源再生技術(shù)交流大會

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2025第二十一屆全國商品混凝土可持續(xù)發(fā)展論壇暨2025中國商品混凝土年會

預(yù)拌(商品)混凝土應(yīng)用技術(shù)和工藝技能線上培訓(xùn)

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【期刊著作】

《新技術(shù)在混凝土中的應(yīng)用》圖書

《常見預(yù)拌混凝土質(zhì)量事故分析百例》圖書

《預(yù)拌混凝土企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化試驗室建設(shè)指南》圖書

混凝土技術(shù)發(fā)展中心(以下簡稱“中心”)隸屬建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所,主要職能是跟蹤分析和研究國內(nèi)外混凝土行業(yè)科技前沿動態(tài),為全國混凝土行業(yè)開展技術(shù)服務(wù)工作,包括出版技術(shù)期刊、研究制定標(biāo)準(zhǔn)、開展技術(shù)咨詢、舉辦技術(shù)會議、承擔(dān)行業(yè)培訓(xùn)、從事認(rèn)證評價和開發(fā)研究等,中心是建材情報所主要業(yè)務(wù)部門之一。中心擁有員工10人,其中博士3人,正高職稱3人,副高職稱4人。中心掛靠的行業(yè)協(xié)會分支機構(gòu)包括中國散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會混凝土專業(yè)委員會、中國散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會預(yù)制建筑產(chǎn)業(yè)專業(yè)委員會、中國砂石協(xié)會建筑固廢利用分會、建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所雙碳研究中心。依托中心成立的平臺有預(yù)拌混凝土質(zhì)量追溯公共服務(wù)平臺、混凝土行業(yè)數(shù)字化服務(wù)平臺、中國商品混凝土行業(yè)企業(yè)專家委員會(擁有200余名行業(yè)一線專家)、北京砼享未來工程技術(shù)研究院(會員制技術(shù)和管理服務(wù))。

中心每年參與多個混凝土技術(shù)咨詢和技術(shù)服務(wù)項目,包括雄安新區(qū)混凝土項目咨詢、河北省多個高速公路高性能混凝土技術(shù)咨詢、固廢基膠凝材料和再生復(fù)合摻合料研發(fā)和制備技術(shù),以及數(shù)十個混凝土企業(yè)的技術(shù)服務(wù)工作。開展預(yù)拌混凝土綠色產(chǎn)品認(rèn)證和科技成果評價工作。

咨詢電話:孫繼成 焦素芳 李海亮 13520073698 13521286915



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