蒸汽养护对高速铁路轨道板混凝土渗透性的影响.pdf

第 9卷第 3期 2 0 1 2年 6月 铁道科学与工程学报 J OURNAL OF RAI L W A Y SCl ENCE AND ENGI NE ERI NG Vo 1 9 NO 3 J u n e 2 01 2 蒸汽养护对高速铁路轨道板混凝土渗透性的影响 赵健 。 谭盐宾 ， 李化建 ， 谢永江 。 易忠来 一 ( 1 西南交通大学 土木工程学院， 四川 成都 6 1 0 0 3 1 ； 2 中国铁道科学研 究院 北京 1 0 0 0 8 1 ； 3 高速铁路轨道技 术国家重点实验室 北京 1 0 0 0 8 1 ) 摘要： 为探明蒸汽养护对采用水泥 一矿渣粉复合胶凝材料的轨道板混凝土渗透性的影响规律， 研究了不同养护条件下 ( 蒸汽养护和标准养护) 轨道板混凝土表面吸水率和抗氯离子渗透性能( 6 h电通量和氯离子扩散系数) ， 并分析 了不同蒸 汽养护最高恒温温度对复合胶凝材料水化程度的影响。试验结果表 明： 蒸汽养护能有效提 高轨道板混凝土材料早期 ( 2 8 d ) 和后期( 5 6 d ) 抗水渗透能力， 而对其抗氯离子渗透能力的改善作用则主要表现在早期， 对混凝土后期抗氯离子渗透 能力影响不明显； 在对复合胶凝材料水化程度的影响方面， 蒸汽养护会显著加快水泥 一矿渣粉复合胶凝材料体系的水化进 程， 有利于提高水化产物密实度， 蒸汽养护最高恒温不超过 6 0对提高水泥基胶凝材料抗渗性更加有利。 关键词： 蒸汽养护； 轨道板混凝土； 渗透性； 化学结合水 中图分类号： T U 5 2 8 0 l 文献标志码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 0 8 0 5 I n f l u e n c e o f s t e a m c u r i n g o n t h e p e r me a b i l i t y o f t r a c k s l a b c o n c r e t e o f h i g h s p e e d r a i l wa y Z H A O J i a n ， T A N Y a n b i n ，L I H u a - j i a n 。 ， X I E Y o n g - j i a n g ， Y I Z h o n g 1 a i ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g Un i v e r s i ty ，C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ； 2 C h i n a A c a d e m y o f R a i l w a y S c i e n c e ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ； 3 S t a t e K e y b o r a t o r y f o r T r a c k T e c h n o l o g y o f Hi s hS p e e d R r a i l w a y ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T o u n c o v e r t h e i n fl u e n c e o f s t e a m - c u ri n g o n t h e p e r me a b i l i t y o f t r a c k s l a b c o n c r e t e w h i c h b a s e d o n c e me n ts l a g c o mp o un d c e me n t i t i o u s ma t e ria l s，t h e s u r f a c e a b s o r pt i o n r a t e a n d c h l o rid e p e r me a b i l i t y r e s i s t a n c e ( 6 h c h a r g e p a s s e d a n d c h l o ri d e i o n s m i g r a t i o n c o e ffic i e n t )o f t r a c k s l ab c o n c r e t e u n d e r d i f f e r e n t c u ri n g c o n d i - t i o n s ( s t e a mc u ri n g a n d s t a n d a r d c u ri n g )w e r e s t u d i e d ， a n d t h e e ff e c t o f d i f f e r e n t s t e a mc u ri n g t e m p e r a t u r e o n t h e h y d r a t i o n de g r e e o f c o mp o u n d c e me n t i t i o u s ma t e ria l s wa s a l s o s t u d i e dT h e r e s u l t s s ho w t h a t s t e a m c u rin g i s p r o p i t i o u s t o i n c r e a s e t h e w a t e r p e r m e a b i l i t y r e s i s t a n c e o f t r a c k s l a b c o n c r e t e b o t h i n e a r l y a g e ( 2 8 d )a n d l a t e a g e ( 5 6 d ) F o r c h l o ri d e p e r m e a b i l i t y r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e ，s t e a mc u ri n g c a n e n h a n c e t h e e a r l y c h l o ri d e p e r - me a b i l i t y r e s i s t a n c e，b u t h a s s l i g h t l y e f f e c t a t l a t e a g e S t e a m c u ring c a n p r o mo t e t h e h y d r a t e p r o c e s s o f c e me n t s l a g c o mp o un d c e me n t i t i o u s ma t e rials r e ma r k a b l y，a n d i t i s p r o p i t i o u s t o i n c r e a s e t h e d e n s i t y o f h y d r a t i o n pr o d u c t i o n a n d mo r e b e n e fit f o r t h e i n c r e a s e o f i mp e r me a b i l i t y o f c o mp o u n d c e me nt i t i o u s ma t e ria l s wh e n t h e hi g h e s t c u rin g t e mp e r a t u r e b e l o w 6 0 o C Ke y wo r d s：s t e a m c u rin g； t r a c k s l a b c o n c r e t e； p e rm e a bi l i t y； no ne v a p o r a b l e wa t e r 收稿 日期 ： 2 0 1 2- 0 31 2 基金项 目： 国家重点基础研究发展计划( “ 9 7 3 ” 计划 ) 项 目( 2 0 1 0 C B 7 3 6 1 0 2 ) ； 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 9 0 8 2 2 9 ) 作者简介 ： 赵健( 1 9 7 6一) ， 男 ， 安徽安庆人， 博 士， 高级工程师 ， 从事道路与铁道工程研究 第 3期 赵健， 等： 蒸汽养护对高速铁路轨道板混凝土渗透性的影响 9 我国高速铁路建设特点之一是在线路设计上 多采用以桥代路的方式， 主体混凝土结构则大量应 用混凝土预制构件 ， 如箱 梁、 T梁 、 轨枕和轨道板 等 ， 其均采用蒸汽养护。其 中， 对于箱梁、 T梁和轨 枕等传统预制混凝土结构， 国内已有较多人员对其 蒸气养护制度 以及蒸气养护对预制混凝土结构性 能的影响进行了研究 ， 但轨道板这种新型结构 形式由于在国内出现时间较短， 尚未见到有关其蒸 气养护性能的研究报道。轨道板在高速铁路无砟 轨道结构中处于最顶层 ， 其服役环境完全暴露于大 气环境中， 其还需承受上部列车动荷载作用， 在动 荷载和自 然环境条件双重作用下， 轨道板对其组成 混凝土材料性能提出了很高的要求 ， 尤其是高速铁 路轨道板混凝土设计使用寿命 为 6 0年 ， 更是对 其耐久性能提出了严格要求 。混凝土 的渗透性对 混凝土耐久性起着重要的作用， 因为渗透性控制着 水分渗入的速率 ， 同时也控制着混凝土受热或受冻 时水的移动 J 。诸如混凝土 的冻融破 坏、 钢筋锈 蚀、 碱骨料反应破坏和硫酸盐侵蚀破坏等均是在水 分的存在下发生的 ， 可以说混凝土渗透性直接 关系这混凝土耐久性。因此 ， 针对轨道板混凝土所 用复合胶凝材料体系研究其渗透性能对于提高轨 道板混凝土耐久性具有重要意义。 1 试验及测试方法 1 1 原材料 水泥为北京琉璃河水泥厂 P 0 4 2 5级水泥 ， 其性能指标见表 1 。矿渣粉为首钢嘉华 $ 9 5级磨 细矿渣粉， 性能指标见表 1 。砂为河北卢龙天然河 砂， 细度模数为 2 7 ； 碎石为天津蓟县产 2种连续 级配碎石， 其最大粒径分别为 1 0 m m和 2 0 m m。 减水剂为天津雍阳低引气型聚羧酸减水剂 ， 型号为 U N F一5 A S T， 减水率为 2 9 。 1 2 试验配合比 轨道板混凝土配合 比见表 2 ， 设计强度等级为 C 5 5 ， 分别采用标准养护和蒸汽养护 2种方式。 表 1 水泥与矿渣粉的物理化学指标 Ta b l e 1 P h y s i c a l a n d c h e mi c al v alu e o f c e me n t a n d s l a g 注： 蒸养制度为 2 O静停 3 h ， 升温4 h ( 最高温4 6) ， 恒温6 h ， 降温 3 h ( 降低到 2 0) 。 表 3 水泥净浆配合比 Ta b l e 3 Mi x p r o p o r t i o n o f p a s t e g 1 3 测试方法 ( 1 ) 混凝土表面吸水率试验参照 水运工程混 凝土施工规程 ( 脚 2 7 0 _ _ 9 8 ) 中混凝土吸水率测 试方法进行 。 ( 2 ) 混凝土 6 h电通量和氯离子扩散系数试验 参照 普通混凝土长期性 能和耐久性 能试验方法 标准 ( G BT 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ) 中电通 量法和 R C M 法进行 。 ( 3 ) 化学结合水试验则在规定水化龄期时将硬 化水泥试样取出， 用铁锤打碎后， 加入无水乙醇终止 水化， 并在无水乙醇存在的条件下在玛瑙研钵中将 试样磨细至全部通过孑 L 径为 0 0 8 m I i 1 的方孔筛， 然 后称取 1 - 2 g 磨细样品， 并放置于烘箱( 1 0 5 o C) 中 烘干2 4 h 至恒重， 取出再放入 1 0 0 0 高温炉中恒温 1 h ， 冷却后称质量。化学结合水量 W 按下式计 算 ： 钾 = ( 1 0 0 一Y lZ it r ) 一y i O 0 0 。 一 。 一 式 中： G。 为试样 在 1 0 5烘干至恒质 量时的质 1 0 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 2年6月 量 ， g ； G 0 0 0 为试样在 1 0 0 0 o C煅烧 1 h后 的质量 ， g ； Y 为胶凝材料各组分的质量分数 ， ； 为胶凝 材料各组分的烧失量， 。 ( 4 ) 标准养护指混凝土成型 2 4 h拆模后 即移 入温度 2 02 c C， 相对湿度大于 9 5 的标准养护 室内进行养护 ； 蒸汽养护则在混凝土成型后 即按设 定蒸汽养护制度进行蒸汽养护至 1 6 h ， 然后 ， 脱模 移入温度为( 2 02 )c lC、 相对湿度大于 9 5 的标 准养护室内进行养护。化学结合水用水泥净浆配 合比见表 3 ， 采用标准 2 0养护和 3种温度蒸汽 养护 ， 蒸汽养护恒温温度分别为 4 O ， 6 O和 8 0。 2 试验结果及分析 2 1 蒸汽养护对轨道板混凝土表面吸水率的影响 对于采用 图 1和图 2所示 的试件尺寸分别为 1 0 0 m m1 0 0 m m1 0 0 m m和尺寸 5 0 0 m m5 0 0 m m3 0 0 m m的混凝土模拟板上钻芯试样 的吸水 率。由图 1 和图2可以看出： 不论是混凝土试件 ， 还 2 2 2 O 1 8 冰1 6 粹1 4 L2 1 0 O8 0 6 ( ) 2 8 d 0 4 8 1 2 l 6 2 0 2 4 2 8 时间 h 是从混凝土模拟板上钻芯取样试件， 蒸汽养护条件 下混凝土各龄期表面吸水率均低于标准养护混凝 土， 说明蒸汽养护对改善混凝土表面渗透性是有利 的 ， 即可提高混凝土抗水渗透能力。另外 ， 结果也反 映出混凝土模拟板钻芯试样吸水率高于混凝土试 件 ， 但 2种养护方式下混凝土表面吸水率变化呈相 同趋势。相同混凝土同时成型的试件 出现这样 的差 异 ， 这可能是在钻芯过程中对试样表面造成了破坏。 2 2 蒸汽养护对轨道板混凝土抗氯离子渗透性能 的影响 表 4所示是不同养护方式下轨道板混凝土抗 氯离子渗透测试结果。试验结果表明， 蒸汽养护对 轨道板混凝土 2 8 d抗氯离子渗透性能有一定程度 的影响 ， 蒸汽养护混凝土 2 8 d电通量较标 准养 护 混凝 土 低 9 4 C ， 氯 离 子 扩 散 系 数 则 低 0 9 1 0 m s ， 降低幅度分别为 1 0 和 2 1 ； 而到 5 6 d时， 蒸汽养护混凝土和标准养护混凝土这 2项指 标测试值则基本相同， 变化幅度低于 4 。 龄期 d ： ( a ) 2 8 ； ( b ) 5 6 图 1 蒸汽养护对混凝土表面吸水率的影响( 混凝土试件) F i g 1 E ff e c t o f s t e a mc u r i n g o n t h e s u rf a c e a b s o r p t i o n r a t e o f c o n c r e t e ( c o n c r e t e s a m p l e ) 。 2 1 te d 一 一 一 齿期 h 龄期 d ： ( a ) 2 8 ； 图2 蒸汽养护对混凝土表面吸水率的影响( 模拟板钻芯试样) F i g 2 E ff e c t o f s t e a mc u r i n g o n t h e s u r f a c e a b s o rpt i o n r a t e o f c o n c r e t e ( s am p l e o f a n a l o g u e s l a b ) 6 4 2 O 8 6 4 2 D 8 = ! 加 、 瓣 第 3期 赵健 ， 等： 蒸汽养护对高速铁路轨道板混凝土渗透性的影响 I I 表4 养护方式对混凝土抗渗性的影响 Ta b l e 4 E ff e c t o f c u ri n g me t h o d o n t h e i mp e r me a b i l i t y of c o n c r e t e g 一 般而言， 蒸汽养护会降低 昆 凝土抗氯离子渗 透能力 ： D e t w i l e r等人 研 究发现 ， 在较高温度 下 养护波特兰水泥混凝土 ， 会降低其对氯离子渗透的 抵抗力。彭波- 8 通过研究 发现 ： 与标准养护 混凝 土相比， 蒸养后纯水泥混凝土 、 掺矿渣粉混凝土及 掺粉煤灰混凝 土的氯离子扩散 系数均有所增 加。 前述研究中采用的蒸汽养护恒温温度一般较高 ， 蒸 汽养护在加速混凝 土强度发展 的同时对其孔结构 有粗化作用， 从而导致其抗氯离子渗透能力下降。 本试验中蒸汽养护最高温度为 4 6 ， 混凝土在蒸 养升温前进行 3 h常温静停 ， 对 于水胶 比很低 的轨 道板混凝土而言 ， 其 自身强度发展速率原本就高于 相同强度等级且也采用蒸汽养护的箱梁混凝土 ， 在 蒸汽养护温度升高到 4 6时其已经形成一定结构 强度 ， 蒸汽养护对混凝土的不利作用得到一定程度 抑制 ； 另一方面 ， 研究表明 J ， 矿渣粉的微集料效 应有利于水泥水化产物的扩散 ， 对微观孔结构的优 化有改善作用 ， 同时其二次水化作用在蒸汽养护作 用下也得到加速， 进而形成低钙硅 比的 CSH 凝胶 ， 有利于混凝土 内部孔结构的细化 ， 可在一定 程度上抵消蒸汽养护给 昆 凝土性能带来的负作用。 2 3 蒸汽养护对水化进程的影响 图 3所示是采用与轨道板混凝 土相同胶凝材 料组成比例的净浆在不 同恒温条件下的化学结合 水测试结果。结果表明： 蒸汽养护对水泥 一矿渣粉 复合胶凝材料早期水化进程有显著的促进作用 ， 而 对胶凝 材料后 期水化 程度 影响较 小 ； 在 2 8 d 前， 随着蒸汽养护恒温最高温度增加， 复合胶凝材 料化学结合水量大幅提高， 且龄期越早其增长幅度 越大 ； 而不同养护温度下胶凝材料 5 6 d化学结合 水量与2 8 d 相比未有显著增， 这与蒋正武等 。 。 的 研究结果相同。由图 3还可看出 ， 蒸汽养护最高恒 温温度为 6 0和4 O 时复合胶凝材料化学结合 水量并未有 显著差别 ， 但 当最高恒温温度 上升到 8 0 c I = 时， 则复合胶凝材料各 龄期化学结合水量较 4 0。 I 二 和 6 O时均高出约 1 5 。虽然化学结合水 量越大意味着胶凝材料水化程度越高， 但这并不表 示蒸汽养护温度越高 ， 胶凝材料性能越好。研究表 明 ， 蒸汽养护温度越高 ， 对水 泥基胶凝材料微观 孔结构越不利， 会增加 5 0 2 0 0 n m有害孔 和大于 2 0 0 n m多害孔 的含量 ， 这对水泥基材料抗渗性是 不利的。同时 ， 研究表明 ， 当蒸汽养护温度超过 7 O时 ， 水泥基 混凝 土材料发生延迟钙矾石破坏 的概率也会大大增加 ， 会导致水泥石 内部微裂纹的 产生， 降低水泥石 的抗 渗性能。因此 ， 在满足水泥 基胶凝材料早期性能要求的前提下 ， 应尽可能选择 低的蒸汽养护温度， 这也是 铁路混凝土耐久性设 计规范 规定 混凝 土养护期 间芯部温度不宜大 于 6 0的原因之一 。 龄期 d 图3 养护温度对水泥 一矿渣粉浆体化学结合水量的影响 Fi g 3 E ff e c t o f c u ri n g t e mp e r a t u r e o n n o ne v a p o r a b l e w a t e r o f c e me n ts l a g p a s t e 养护温度 图4 不同养护温度下化学结合水量变化拟合曲线 F i g 4 F i t t i n g c u r v e f o r n o n e v a p o r a b l e w a t e r c h a n g i n g a n - d e r d i ff e r e n t c u ri n g t e mp e r a t u r e 对不同最高养护恒温温度下胶凝材料化学结 合水量变化趋势进行了拟合， 结果见图4 。由拟合 公式的斜率可以看到， 越是在水化早期， 拟合公式 斜率越大； 而随龄期增加， 从 1 d 到2 8 d ， 斜率以近 1 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 2年6月 4 0 的幅度递减； 2 8 5 6 d 龄期斜率下降幅度则为 1 5 。拟合公式 中斜率反映 了水泥 一矿渣粉复合 胶凝材料体系随养护温度增加水化程度的增加幅 度 ， 斜率越大 ， 说明水化程度增长越快 ； 反之 ， 说 明 水化程度增长慢 。 3 结论及建议 ( 1 ) 试验采用蒸汽养护制度对轨道板混凝土 早期和后期表面抗水渗透能力均有明显改善作用 ； 但对其抗氯离子渗透能力的改善作用则主要体现 在早期 ， 而对后期抗氯离子渗透能力影响不明显 。 ( 2 ) 蒸汽养护可显著 加快水泥 一矿渣粉复合 胶凝材料体系的水化程度 ， 但从改善其抗渗性和耐 久性角度出发 ， 在满足轨道板混凝土材料早期性能 要求的前提下 ， 宜将蒸汽养护温度控制在 6 O以 内， 这也与 铁路混凝土耐久性设计规范 所规定 混凝土养护温度控制值相一致。 轨道板作为高速铁路无砟轨道结构的重要构 件 ， 直接承受列车动荷载， 其性能直接关 系整个无 砟轨道结构的使用寿命 。本文对轨道板混凝土的 抗渗性与蒸汽养护的关系进行了初步研究 ， 但这仅 是轨道板混凝土耐久性指标中的一部分 ， 建议进一 步加强对蒸汽养护 与轨道板混凝土其他耐久性的 相关性研究工作。 参考文献： 1 李益进 铁路预应力桥梁超细粉煤灰高性能混凝土的 研究与应用 D 长沙： 中南大学 ， 2 0 0 5 L I Y i - j i n S t u d y a n d a p p l i c a t i o n o f h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e c o n t a i n i n g u l t r a fi n e fl y a s h d e s i g n e d f o r r a i l w a y p r e s t r e s s e d b ri d g e g i r d e r s D C h a n g s h a ：C e n t r a l S o u t h Un i v e rsi t y，2 0 0 5 2 李敏霞 大型混凝土箱梁蒸汽养护工艺与温度场研究 D 西安： 西安建筑科技大学， 2 0 0 6 L I Mi n x i a，S t u d y o n t he c u rin g t e c hn o l o g y a nd t e mpe r a t u r e fi e l d o f l a r g e s i z e c o n c r e t e gi r d e r D X i a n ： X i a n U n i v e rsi t y o f Ar c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y， 2 0 0 6 3 T B 1 0 0 0 5 -2 0 1 0 ， 铁路混凝土结构耐久性设计规范 S T B 1 0 0 0 5 - 2 0 1 0， C o d e for d u r a b i l i t y d e s i gn o n c o n c r e t e s t r u c t u r e o f r ail w a y S 4 西德尼 明德斯 ， J 佛朗西斯 杨 混凝土 M 北 京： 化学工业出版社， 2 0 0 4 ： 4 2 0 S i d n e y Mi n d e s s ， J F r anc i s Y o n g C o n c r e t e M B e i j i n g ： Ch e mi c a l I nd u s t r y Pr es s 20 0 4： 42 0 5 库马 梅塔， 保罗 J M 蒙特罗 混凝土微观结构、 性 能和材料 M3 北京 ： 中国电力出版社， 2 0 0 8 ( 9 ) ： 7 8 1 l 7 Me h t a P K，Mo n t e i r o P J MCo n c r e t e mi c r o s t ruc t u r e， p r o p e r t i e s and ma t e ri a l s M C h i n a E l e c t ri c P o w e r P r e s s ， 2 0 0 8 ( 9 ) ： 7 81 1 7 6 王冲， 蒲心诚 超低水胶比水泥浆材料的水化进程测 试 J 材料科学与工程学报， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 8 5 28 5 7 WANG C h o n g ，P U Xi n - c h e n g Me asu r e me n t o f h y d r a t i o n p r o g r e s s o f c e me n t p a s t e ma t e ri als w i t h e x t r e mel o w W B J J o u mal o f M a t e ri al s S c i e n c eE n g i n e e ri n g ， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 8 5 28 5 7 7 D e t w i l e r R J ，K j e U s e n K 0，G j o r v 0 D R e s i s i t a n c e t o c h l o rid e i n t rus i o n o f c o n c r e t e c u r e d a t d i f f e r e n t t e mper a t u r e s J A C I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 1 9 9 1 ( 1 ) ： 1 92 4 8 彭波 蒸养制度对高强混凝土性能的影响 D 武 汉： 武汉理工大学， 2 0 0 7 P ENG Bo I n fl u e n c e o f s t e a m c u rin g s y s t e m o n p e r f o rm a n c e o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e D Wu h a n ： Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy ，2 0 0 7 9 E k o l u S O R o l e o f h e a t c u ri n g i n c o n c r e t e d u r abi l i t y e ff e c t s o f l i t h i u m s a l t s a n d c h l o ri d e i n gre s s o n d e l a y e d e t t r i n gi t e f o rma t i o n R P o r t l and C e m e n t A s s o c i a t i o n ， S e ri al No 2 8 6 9： 3 2 0 0 4 1 O 蒋正武， 徐海源， 王培铭， 等 蒸养条件下复合胶凝材 料水化过程 J 硅酸盐学报， 2 0 1 0 ( 9 ) ： 1 7 0 21 7 0 6 J I A NG Z h e n g W U，X U Ha i y u a n ，WANG P e i - mi n g ， e t al ，Hy d r a t i o n p r o c e s s o f c o mp o u nd c e me n t i t i o us ma t e r i a l s u n d e r s t e a m c u ri n g c o n d i t i o n J J o u r n a l o f T h e C h i n e s e C e r a m i c S o c i e t y ， 2 0 1 0 ( 9 ) ： 1 7 0 21 7 0 6