重載鐵路軌枕混凝土耐磨性影響因素的研究

近年來(lái)，隨著貨運(yùn)鐵路運(yùn)輸?shù)娘w速發(fā)展，世界各國(guó)都在持續(xù)不斷地提高火車軸重以擴(kuò)大鐵路運(yùn)輸能力，降低鐵路運(yùn)輸成本與能耗，提高貨運(yùn)鐵路的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益[1]。其中，重載鐵路由于自身具有長(zhǎng)編組、大軸重和大運(yùn)量等顯著特點(diǎn)，重載鐵路運(yùn)輸已成為世界鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾l(fā)展方向。然而，由于重載鐵路列車提速、軸重及運(yùn)輸量的增加，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)承受著越來(lái)越大的載荷，以預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕為代表的鐵路混凝土的承載能力也面臨嚴(yán)重考驗(yàn)[2]。為此，德國(guó)、美國(guó)和澳大利亞等國(guó)家紛紛提出了適用于重載鐵路的混凝土軌枕設(shè)計(jì)要求[3-5]。文獻(xiàn)表明，部分學(xué)者對(duì)鋼渣骨料、膠凝材料、高分子乳液等用于制備耐磨混凝土進(jìn)行了初步研究[6-9]。目前，重載鐵路混凝土軌枕的設(shè)計(jì)主要是從軌枕受力和改變結(jié)構(gòu)形式的角度來(lái)提高軌枕的服役壽命，缺乏對(duì)重載鐵路混凝土軌枕用相關(guān)材料的性能研究。本文從混凝土材料角度出發(fā)，分別研究了礦渣粉摻量、漿骨比、聚合物乳液摻量、骨料類型和水泥類型對(duì)重載鐵路軌枕混凝土耐磨性能的影響規(guī)律，以期為我國(guó)重載鐵路用混凝土軌枕的應(yīng)用研究提供參考。

1、試驗(yàn)部分

1.1原材料水泥：北京金隅P·O42.5水泥，比表面積342m2/kg；低熱水泥為嘉華42.5低熱硅酸鹽水泥，高鐵水泥為武漢理工大學(xué)高鐵相硅酸鹽水泥，超細(xì)水泥為浙江萬(wàn)寧超細(xì)硅酸鹽水泥，自主研發(fā)水泥為項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)的新型硅酸鹽水泥。礦粉：河北唐山S95礦渣粉，比表面積420m2/kg。細(xì)骨料：河北石家莊分級(jí)河砂，按照10～20目、20～40目、40～70目和70～140目4個(gè)細(xì)度配制成細(xì)度模數(shù)為2.6的Ⅱ區(qū)中砂，含泥量0.6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），表觀密度2640kg/m3。粗骨料：石灰石為天津薊縣二級(jí)配碎石，最大粒徑20mm，含泥量0.3%，表觀密度2720kg/m3，緊密空隙率39%；玄武巖、輝綠巖、花崗巖和鋼渣石粗骨料均為二級(jí)配，最大粒徑20mm。減水劑：河北三楷聚羧酸系高性能減水劑。聚合物乳液：乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液。水：北京市海淀區(qū)自來(lái)水。水泥、礦渣粉和骨料的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1～表3。表1水泥的主要性能指標(biāo)表2礦渣粉的主要性能指標(biāo)%表3不同類型骨料的性能測(cè)試結(jié)果1.2配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)C60預(yù)應(yīng)力軌枕用混凝土為基準(zhǔn)配合比。通過(guò)調(diào)整礦渣粉用量為0%、5%、10%、15%和20%；調(diào)整膠骨比為0.26、0.25、0.23、0.22和0.21；調(diào)整聚合物乳液用量為0%、2%、4%、6%和8%；分別采用石灰?guī)r、輝綠巖、玄武巖、花崗巖和鋼渣石5種骨料；分別采用普通硅酸鹽水泥、低熱水泥、高鐵水泥、超細(xì)水泥和自主研發(fā)水泥，進(jìn)行各因素對(duì)軌枕混凝土耐磨性能的影響研究。試驗(yàn)混凝土維勃稠度控制在（20±2）s左右，由減水劑進(jìn)行調(diào)節(jié)，混凝土水膠比為0.27，砂率為34%，養(yǎng)護(hù)齡期為3d和28d。具體配合比見(jiàn)表4。表4混凝土配合比

1.3養(yǎng)護(hù)制度試件成型后，在溫度為20℃的環(huán)境中停放2h，將帶模具的試件放入蒸汽養(yǎng)護(hù)箱中，設(shè)置溫度2h升高至45℃，恒溫養(yǎng)護(hù)6h后，將溫度在2h降至室溫。脫模后，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期。1.4試驗(yàn)方法抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：采用精度等級(jí)為Ⅰ級(jí)的YAW-6206型全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，參照GB/T50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定進(jìn)行。耐磨試驗(yàn)：混凝土耐磨試件尺寸為150mm×150mm×70mm，參照J(rèn)TGE30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的規(guī)定進(jìn)行。2結(jié)果與討論

2.1礦渣粉摻量對(duì)軌枕混凝土耐磨性能的影響試驗(yàn)對(duì)比研究了不同礦渣粉摻量對(duì)軌枕混凝土耐磨性的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，趨勢(shì)圖如圖1所示。表5不同摻量礦渣粉對(duì)軌枕混凝土性能影響的試驗(yàn)結(jié)果

圖1不同摻量礦渣粉對(duì)軌枕混凝土性能的影響圖1不同摻量礦渣粉對(duì)軌枕混凝土性能的影響。由表5、圖1可以看出，3d齡期時(shí)，隨著礦渣粉摻量的增加，混凝土的早期強(qiáng)度逐漸降低，早期磨耗值先增長(zhǎng)后降低，礦渣粉存在最佳摻量；混凝土早期強(qiáng)度略有降低，是因?yàn)樗嗪偷V渣粉早期水化程度差距大，礦渣粉主要是作為一種細(xì)填料發(fā)揮作用，因此不同摻量礦渣粉對(duì)早期混凝土密實(shí)度的影響存在明顯差異。28d齡期時(shí)，隨著礦渣粉的進(jìn)一步水化，礦渣粉作為細(xì)填料又優(yōu)化了水泥-礦渣粉體系的混凝土密實(shí)度；隨著礦渣粉摻量的增加，混凝土強(qiáng)度逐漸增高，磨耗值先增長(zhǎng)后降低，礦渣粉摻量為15%時(shí)混凝土的耐磨性能與純水泥的基準(zhǔn)組基本一致。2.2膠骨比對(duì)軌枕混凝土耐磨性能的影響試驗(yàn)對(duì)比研究了不同膠骨比對(duì)軌枕用混凝土耐磨性的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，趨勢(shì)圖如圖2所示。由表6、圖2可以看出，3d和28d齡期時(shí)，隨著膠骨比的增加，混凝土的強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)，磨耗值先增長(zhǎng)后降低再增長(zhǎng)，膠骨比存在最佳值。骨料對(duì)混凝土耐磨性的影響不僅在于其自身的強(qiáng)度，還在于其與水泥石的界面質(zhì)量。膠凝材料的量太少或太多，都會(huì)影響骨料與水泥石界面的粘結(jié)。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，膠骨比為0.22時(shí)軌枕混凝土的耐磨性能最好。表6不同膠骨比對(duì)軌枕混凝土性能影響的試驗(yàn)結(jié)果

圖2不同膠骨比對(duì)軌枕混凝土性能的影響2.3聚合物乳液摻量對(duì)軌枕混凝土耐磨性能的影響試驗(yàn)對(duì)比研究了不同摻量聚合物乳液對(duì)軌枕用混凝土耐磨性的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7，趨勢(shì)圖如圖3所示。由表7、圖3可以看出，3d和28d齡期時(shí)，隨著聚合物乳液摻量的增加，混凝土的強(qiáng)度逐漸降低，磨耗值先降低再增長(zhǎng)，聚合物乳液摻量存在最佳值。聚合物乳液可以加強(qiáng)水泥石與集料的界面粘結(jié)力，減少混凝土自身內(nèi)部缺陷，使混凝土耐磨性得到改善，但同時(shí)摻加聚合物乳液會(huì)一定程度上降低混凝土的強(qiáng)度，又不利于混凝土的耐磨性。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，聚合物乳液摻量為6%時(shí)軌枕混凝土的耐磨性能最好。表7不同聚合物乳液摻量對(duì)軌枕混凝土性能影響的試驗(yàn)結(jié)果

圖3不同聚合物乳液摻量對(duì)軌枕混凝土性能的影響2.4骨料類型對(duì)軌枕混凝土耐磨性能的影響試驗(yàn)對(duì)比研究了不同骨料類型對(duì)軌枕用混凝土耐磨性的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8，趨勢(shì)圖如圖4所示。由表8、圖4可以看出，3d和28d齡期時(shí)，摻鋼渣石的軌枕混凝土強(qiáng)度最高，摻石灰?guī)r、輝綠巖、玄武巖和花崗巖的軌枕混凝土強(qiáng)度基本一致。骨料的強(qiáng)度和耐磨性遠(yuǎn)優(yōu)于膠凝材料，骨料硬度高、表面粗糙可以提升軌枕混凝土強(qiáng)度和水泥石與骨料界面的粘結(jié)力，進(jìn)而可以提升混凝土的耐磨性。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，洛杉磯磨耗值最小、表面較粗糙的鋼渣石提升軌枕混凝土耐磨性能最優(yōu)，其次為花崗巖，而石灰?guī)r、輝綠巖和玄武巖三者耐磨性能基本一致。表8不同骨料類型對(duì)軌枕混凝土性能影響的試驗(yàn)結(jié)果圖4不同骨料類型對(duì)軌枕混凝土性能的影響2.5水泥類型對(duì)軌枕混凝土耐磨性能的影響試驗(yàn)對(duì)比研究了不同水泥類型對(duì)軌枕用混凝土耐磨性的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9，趨勢(shì)圖如圖5所示。由表9、圖5可以看出，3d和28d齡期時(shí)，摻高鐵水泥和研發(fā)水泥的軌枕混凝土強(qiáng)度最高，摻普硅水泥、低熱水泥和超細(xì)水泥的軌枕混凝土強(qiáng)度基本一致。作為膠結(jié)材料，水泥的礦物成分直接影響到水化產(chǎn)物的種類和相對(duì)含量，從而影響水泥石的結(jié)構(gòu)，并直接影響混凝土的耐磨性。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摻自主研發(fā)水泥和高鐵水泥的軌枕混凝土耐磨性能提升最高，其次為低熱水泥，超細(xì)水泥和普硅水泥二者耐磨性能基本一致。表9不同水泥類型對(duì)軌枕混凝土性能影響的試驗(yàn)結(jié)果圖5不同水泥類型對(duì)軌枕混凝土性能的影響結(jié)論

（1）礦渣粉的摻入并不能提升軌枕混凝土的耐磨性，摻量不當(dāng)會(huì)降低軌枕混凝土的耐磨性。（2）隨著膠骨比的改變，混凝土的強(qiáng)度發(fā)生改變，骨料與水泥石界面結(jié)合質(zhì)量亦改變，當(dāng)二者達(dá)到最佳結(jié)合點(diǎn)時(shí)軌枕混凝土耐磨性可得到改善，試驗(yàn)結(jié)果顯示膠骨比為0.22時(shí)軌枕混凝土的耐磨性能最好。（3）聚合物的摻入可以顯著改善混凝土基體內(nèi)部界面區(qū)的粘結(jié)力，減少混凝土自身內(nèi)部缺陷，從而提升軌枕混凝土的耐磨性，聚合物乳液摻量為6%時(shí)軌枕混凝土的耐磨性能最好。（4）骨料在混凝土中起骨架作用，骨料硬度高可以提升混凝土耐磨性，骨料表面粗糙有利于提升水泥石和骨料界面的粘結(jié)力，進(jìn)而提升混凝土的耐磨性。所選的5種骨料中，洛杉磯磨耗值最小、界面粗糙的鋼渣石耐磨性最好，其次是花崗巖，石灰?guī)r、輝綠巖和玄武巖三者耐磨性能基本一致。（5）作為膠結(jié)材料，水泥的礦物成分直接影響到水化產(chǎn)物的種類和相對(duì)含量，從而影響水泥石的