低掺量超细粉末对无砟轨道板轨枕混凝土性能的影响.pdf

2 0 1 5年 第 5 期 (总 第 3 0 7 期 ) N u mb e r 5 i n 2 0 1 5 ( T o t a l N o 3 0 7) 混 凝 土 Co n c r e t e 混凝土制品 C0NCRE TE P R0DUCTS d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 5 5 0 2 0 1 5 0 5 0 3 4 低掺量超细粉末对无砟轨道板轨枕混凝 土性 能的影响 陈方颉 ， 马保 国。 谭 洪波 ( 武汉理工大学 硅酸盐材料工程国家重点实验室，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 为了减少 自然环境引起的无砟轨道板轨枕混凝土质量结构的破坏 ， 选用超细矿粉 、 硅灰取代 1 0 的水泥 ， 通过 K H 5表面 改性剂处理， 提高轨枕混凝土的早期后期抗压强度、 抗氯离子渗透性能和抗冻性。 结果表明： 不同比例的超细矿粉 、 硅灰混合， 取 代 1 0 的水泥用量， 并经过 K H 5 表面改性， 能使轨枕混凝土 1 d抗压强度提高 2 7 ， 2 8 d 抗压强度 1 4 6 ， 并显著提高轨枕混凝 土的抗氯离子渗透性能和抗冻性能。 关键词 ： 超细矿粉； 硅灰 ； 无砟轨道板 ； 混凝土 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 1 2 8 0 3 E ffe c t o f l o w d o s a g e s u p e r f i n e p o wd e r s o n t h e p r op e r t y o f b a l l a s t le s s t r a c k c on c r e t e C H E N F a n g j i e ， MA B a o g u o ， T A NHo n g b o ( S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f S i l i c a t e Ma t e r i a l s f o r A r c h i t e c t u r e s ， Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， Wu h a n 4 3 0 0 7 0， C h i n a ) Abs t ra c t ： I t s e l e c t e d s u p e r fin e s l a g p o wd e r a n d s i l i c a f ume a s c o n c r e t e a d mi x t u r e t o pr o t e c t t h e b a l l a s t l e s s c o n c r e t r a c k f r o m be i n g d a ma g e d b y n a t u r e e n v i r o n me n t 1 0 r e p l a c e me n t o f s u p e rfi n e s l a g p o wd e r a nd s i l i c a f u me wi th KH5 s u r f a c e mo d i fic a t i o n a g e nt c a n i n c r e a s e the e a d y a n d l a t e r c o mp r e s s i v e s t r e n g t h， and e n h a n c e the f r os t an d c h l orid e i o n pe r me a b i l i t y r e s i s t a n c e Th e r e s u l t s s h ow t h a t 1 0 r e p l a c e me n t o f s u p e r f i n e s l a g an d s i l i c a f u me mi x i n g i n d i f f e r e nt p r o p o r t i on wi th KH5 s u r f a c e mo d i fic a t i o n a g e n t c a n i n c r e a s e 1 d c o m p r e s s i v e s t r e ng t h 2 7 an d 2 8 d c o mp r e s s i v e s tre n g th 1 4 6 Th e f r os t r e s i s t anc e a n d r e s i s t a n c e toc h l or i d e i o n p e rm e a b i l i t y o f c o n c r e t e a r e a l s o e n h a n c e d Key wor ds： s u pe rfi n e s l a g； s i l i c a f u me； b a l l a s t l e s s t r a c k； c o n c r e 0 引言 随着近几年我国高速铁路建设的迅速发展 ， 无砟轨道 板轨枕的大量使用 ， 无砟轨道板轨枕混凝土技术得以迅速 发展 ， 适应不同环境条件且具有高耐久性的高性能轨枕混 凝土得 以广泛 的研究 。 轨枕混凝土是一种接受不稳定重 复载荷 的构件 ， 轨枕混凝土 的制造质量会极大 的影响轨枕 混凝土的使用安全及使用寿命 。 若轨 枕混凝 土制造不 良， 常年裸露在 自然环境下 ， 会引起混凝土疏松 、 剥落 、 龟裂等 现象 ， 使得轨枕 承载能力及保持 轨道状 态能力 大 幅度下 降， 严重影响其使用寿命及安全性 ， 从而影 响高速铁路运 行 的安全 。 为了减少由于无砟轨道板轨枕混凝土受 环境影响而 引起的质量及结构的破坏 ， 提高轨枕混凝土的质量及使用 寿命 ， 本研 究依 据 客运专 线高 性能 混凝 土暂 行技 术条 件 的技术指标要求 ， 选用超细矿粉、 硅灰两种超细矿物 质粉末作为轨枕混凝 土掺合料 ， 并用 K H 5表面改性剂对 两种矿物质粉末进行改性 ， 大幅度提高轨枕混凝土的抗压 强度 、 抗氯离子能力、 抗 冻性 ， 有效 延长其使用 寿命 ， 提高 其安全性。 1 试验原材料和试验方法 1 1 原材料 本试验采用矿粉为 自 制超细矿粉 ， 密度为 2 7 7 7 8 k g m 3 ， 比表面积为 6 2 1 2 m k g ， 硅灰 为甘 肃三远硅材料有 限公 司生产 的硅灰 ， 比表面积 为 1 8 3 2 0 m 。 所 采用 的水泥 为武汉亚东水泥有 限公 司生产 的洋 房牌 4 2 5级水 泥， 比 表面积为 3 4 1 m k g 。 原材料化学成分列于表 1 。 表 1 原料主要化学成分 本 试验 采 用 的细集 料为 细度模 数 为 2 6 5的 中砂 ， 粗集料 为粒 径 5 2 0 m m 连 续 级 配 的碎 石 。 试 验 所 用 收稿日期 ： 2 0 1 4 1 0 0 2 1 28 减水剂为巴斯夫( 中国) 有限公 司生产 的 2 6 5 1 F聚羧酸减 水剂。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2混 凝 土 配 合 比及 试 验 方 法 1 2 1 混凝土配合比 以水胶 比为 O 2 8 ， 不加矿物质粉末 的 A 0为基准混凝 土 ， 分别配制水胶 比为 0 2 8 ， 掺有 2 超细矿粉和 8 硅灰 的 A 1 混凝土 ； 掺有 5 超细矿粉和 5 硅灰 的 A 2混凝土 ； 掺有 8 超细矿粉和 2 硅 灰的 A 3混凝 土， 研究 超细矿物 质粉末及表面 改性剂对 轨枕混凝 土耐 久性 的影响 ， 掺有 K H 5表面改性剂的混凝土试块分别记做A 1 K、 A 2 K、 A 3 K。 依据配合 比水泥 4 2 3 k g ， 掺 合料 4 7 ， 砂 5 2 1 k g ， 粒径为 5 1 0 m m 石 3 3 7 k g ， 粒径为 1 0 - 2 0 mm石子 1 0 1 2 k g ， 减水 剂 4 7 k g ， 水灰 比0 2 8 。 各组具体混凝土配合比见表 3 。 1 2 2 试验方法 混凝土试块尺寸为 1 0 0 mm 1 0 0 m m 1 0 0 m m， 在振 捣台上振捣成型 ， 至于室温养护 ， 覆盖混凝 土保 湿膜 ， 2 4 h 后拆模 ， 一份试样用作测定 1 d强度 ， 另做两份在 2 5的 水中分别养护至 2 8 d 和 5 6 d 。 采用 G B T 5 0 0 8 0 -2 0 0 2 拌 合物维勃稠度试验方法 ， 测定混凝 土试样 的维勃稠度 。 采 用 A S T M C 1 2 0 2氯离子渗透快 速试验方法 ， 将 养护 5 6 d 的混凝土试样通过电通量测定仪测定 6 h电通量 ， 评 价混 凝土的抗氯离子渗透性 能。 采用 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9快速 冻融的试验方法 ， 将养 护至 2 8 d的混凝土试样 测定计算 冻性能。 2结果 与分析 2 1 超细矿粉和硅灰的表面改性剂需求量 A1 、 A 2 、 A 3为分别用 2 超细矿粉 和 8 硅灰 、 5 超细 矿粉和 5 硅灰 、 8 超细矿粉和 2 硅灰粉末替代 1 0 的水 泥产量 ， 由于超细矿物质粉末的掺人增加了混凝 土的需水 了， 为了保证在相 同水 胶 比下混凝土工作性 能相 同， 所 以 通过调节减水剂用量保证 A 1 、 A 2 、 A 3与空 白组 A 0具有 相同的维勃稠度 。 当超细矿物质粉末通过表面改性剂处理 后 ， 通过调节 K H 5的掺量保 证各组 混凝 土试样在相 同水 胶 比下 的工作性能与混凝土状态与 A 0保 持一致 ， 同时排 除减水剂 掺量对 不 同掺合 料 配合 比的影 响 ， 使 得 A 1 K、 A 2 K、 A 3 K与 A 0的维勃稠度保持一致 。 由下表可看 出， 当 2 超细矿粉 与 8 硅 灰替代 1 0 水 泥掺 人 混凝 土 时， 其 K H 5的需求量约为 0 4 ； 掺入 5 超细矿粉与 5 硅灰时 ， K H 5需求量约为 0 2 9 ； 掺人 8 超 细矿粉与 2 硅 灰时 ， K H 5需求量约为 0 2 1 ， 随着掺入硅灰 的 比例 的提 高 ， 表 面改性剂 K H 5的需求量逐 渐提高 ， 其原 因是 因为硅灰 的 比表面积比超细矿粉 大得 多， 所 以随着硅灰 的比例 提高 ， 达 到相同维勃稠度时所需要 的表面改性剂 K H 5的需求 量 3 0 0次冻融循环后试件 的相对动弹模量 ， 评价混凝土 的抗 逐渐增加。 表 2试验 混凝 土配合 比 由于超细矿粉与硅灰具有较大 的比表面积 ， 当其掺人 混凝土中时， 会增加混凝土的需水量 ， 减少混凝土坍落 度 J 。 表面改性剂 K H 5的引入 ， 可 以改变超细矿粉与硅灰 在混凝土 中分散度 ， 使其均匀 的分散混凝 土中 ， 同时 K H 5 能减少超细矿粉与硅灰 的需水量 。 2 2 超 细矿粉 和硅 灰对轨枕 混凝 土 力学性 能的影 响 由图 1 立方体试块 1 d抗压强度可 以看 出， 在 自然养 护条件下 ， 用 1 0 的超细矿物质粉末替代等量水泥 时 ， 1 d 抗压强度均有提高 ， 强度分别提高 3 0 6 、 2 5 8 、 2 3 8 。 这是 由于硅灰主要 成分为无定形 S i O ， 其颗粒极 细 ， 比较 面积大且活性很高 ， 能与水泥水化生成的 C a ( O H) 反应 ， 加剧 c s - H凝胶 的生成。 超细矿粉 的 Ca O和 A1 ： 0 的含 量较高， 也具有较高的活性， 两者均能提高混凝土的早期 强度 。 经过表面改性 剂 K H 5处理过后的超细矿粉 和硅灰 替代 1 0 的水泥用量时， 混凝 土试块强度分别提高 3 2 8 、 2 9 2 、 2 7 0 ， 混凝 土试块强度进一步提高 ， 这是 由于经表 面改性后的超细矿粉和硅灰 能在 混凝 土中更均匀 的分散 开来 ， 充分发挥其微填充效应。 无论是否经过 K H 5表面改 性 ， 混凝土试块的 1 d强度 ， 均 随着 硅灰所 占 比例的提高 而提高 ， 可见硅灰对轨枕混凝土 的早期强度的改善作用强 于超细矿粉。 如 苫、 隈幽 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 性的二次水化反应 ， 与浆 体和集料间的 C a ( O H) ： 反应生 成更加致密 的 C S H凝胶 ， 能够显著改善界面的缺陷。 日 越 憩 出 A0 A1 A1 K A2 A2 K A3 A3 K 图 2 立方体试块 2 8 d 抗压强度 2 3 超细矿粉和硅 灰对轨枕 混凝 土抗 氯 离子 性 能 的 影 响 由图 3可以看到， 在相同水胶 比下 和相 同维勃 稠度 的 情况下 ， 空白混凝土试样 的电通量值为 9 5 7 C， 远高于掺有 超细矿物粉末的混凝土试样。 其原因是 由于空 白混凝土试 样的空隙之间， 仅仅只依靠唯一的水泥颗粒来填充 ， 由于 水泥颗粒的粒径较大不足 以填充混凝土中较 细小 的空隙 ， 使得混凝土中不够致密 ， 因此混凝土的抗氯离子渗透性能 较差 。 当掺有超细矿粉和硅灰后 ， 混凝 土抗 氯离 子渗透 性能显著增强 ， 其原 因是由于超细矿粉与硅灰能够填充水 泥石与骨料界面之间的微小孔隙 ， 同时 由于超细矿粉与硅 灰的粒径分布不 同， 相互填充后会 出现超叠加效 应 ， 形 成 更致密的堆积体系 ， 而且超细矿粉与硅灰的二次水化反应 生成更多的 C S - H凝胶 ， 也能使混凝 土 的孔 隙率显 著降 低 ， 改善孔结构 ， 提高混凝土的抗氯离子渗透性能 j 。 圈 3混 凝土试 块 5 6 d电通量 由图3 还可以看出当硅灰掺量较高时， 其抗氯离子性 能更好 ， 同时经过表 面改性剂 K H 5处理后 的混凝 土试件 的抗氯离子性能要高于未经过表面改性 的混凝土试件 ， 其 原因也是 由于表面改性剂减少超细矿粉与硅灰在混凝土 中的团聚， 使其更均匀 的分散 ， 从 而增强其填充效应。 2 4超 细矿粉和硅灰对轨枕混凝土抗冻性的影响 表 3 超 细矿 物质粉 末及 表面 改性剂对 抗冻 性 的影响 1 3 0 由表 3可以看出 ： 掺有超细矿粉和硅灰 的混凝土试 块 经 3 0 0次冻融循环后 的相对动弹模量均 大于空 白混凝 土 试块 A 0 ； 除 A l 、 A l K组外 ， 掺有 经过 K H 5表面改性后 的 超细矿粉和硅灰的混凝土试块 的弹性模量均高 于未经过 K H 5表面改性过 的掺有超细矿粉和硅灰的混凝土试块 ； 掺 有超细矿粉和硅灰能减少混凝土试块 3 0 0次冻融循 环后 的质量损失 ， 同时经 K H 5表面改性后 ， 其质量损失进一步 减少 。 其原 因是因为超细矿粉和硅灰的微填充效应及火 山 灰效应使得混凝土的结构变得更加致密， 从而使得抗冻性 提高 ， 经过 K H 5表面改性剂处 理后 的超细矿 粉和硅灰 能在混凝土中更好 的分散开来 ， 使得其微填充效应及火 山 灰效应更加显著 ， 从而进一步提高混凝土试块的抗冻性。 3 结 论 ( 1 ) 用超细矿粉及硅灰替代 1 0 的水泥所制得的混凝 土试块 ， 1 d 抗压强度均 比不掺有超细矿粉及硅灰 的混凝 土试块提高 2 3 8 以上 ， 其中硅灰所 占比例越高 ， 其早 期 强度增加 的越多； 2 8 d抗压强度也较不掺有超细矿粉和硅 灰的混凝 土试块 高 1 0 以上 ； 经 K H 5表 面改性 剂处理后 的超细矿粉和硅灰可 以进一 步提高 昆 凝 土试块 的 1 d抗 压强度 、 2 8 d抗压强度。 ( 2 ) 用超细矿粉和硅灰替代 1 0 的水泥 ， 能大 幅度增 加混凝土的抗氯离子渗透性能 ， 其 中硅灰所 占比例越高 ， 其抗氯离子渗透性能越好 。 超细矿粉和硅灰能有效的提高 混凝土 的抗冻性 ， 减少冻融循环 3 0 0次后 的混凝土的质量 损失。 ( 3 ) 经 K H 5表面改性剂处理后的超细矿粉和硅灰 ， 能 使混凝土的抗氯离子渗透性能和抗冻性能进一步提高 。 参考文献： 1 李艳敏， 吴解放 磨细矿粉在 C R T S I I型板式无砟轨道板中的 试验应用r J 混凝土 ， 2 0 1 3 ( 2 ) ： 1 5 2 1 5 4 2 中国铁道部 铁路客运专线 C R T S I I型无砟轨道板混凝土规 范 s E 3杨文武， 郭立杰， 王璐 海工硅 灰混凝土抗冻性和抗氯离子渗 透性与孔结构的研究 J 大连 民族学 院学 报， 2 0 1 2 ， 1 4 ( 3 ) ： 2 4 72 50 1- 4 3 K O U B A A A， S N Y D E R M B As s e s s i n g f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e a g g r e g a t e s i n Mi n n e s o t a J 3 A m e ri c a n S o c i e t y o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 5 ( 4 ) 5 D E T Wl L E R R A C H E L J Us e o f s u p p l e m e n t a r y c e me n t i n g ma t e ria l s t o i n c r e a s e t h e r e s i s t a n c e to c h l o r i d e i o n pe n e a fi o n o f c o n c r e t e s c u r e d a t e l e v a t e d t e m p e r a t u r e s E J A C I Ma t e ri a l s J o u rna l ， 1 9 9 4 ( 1 ) 第一作者： 联系地址： 联 系电话 ： 陈方颉( 1 9 8 9 一) ， 男， 博士生。 1 3 4 7 7 O 3 9 3 9 9 料国家重点实验室( 4 3 ( 10 7 0 ) s 如 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m