高速鐵路支座砂漿耐久性能研究

張敬雷

（中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司，北京 密云 101500）

高速鐵路支座砂漿耐久性能研究

張敬雷

（中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司，北京 密云 101500）

以硫鋁酸鹽水泥和石英砂為基礎(chǔ)，通過優(yōu)化減水、緩凝及早強(qiáng)等多種功能外加劑的摻量，成功制備出可滿足高鐵專用要求的支座砂漿材料，對配制的高速鐵路專用支座砂漿進(jìn)行了耐久性研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，制備的高鐵支座砂漿具有優(yōu)異的抗水遷移能力和抗凍性能；制備的支座砂漿具有較好的抵抗干濕循環(huán)的性能。

高鐵；支座砂漿 耐久性能 毛細(xì)管吸水率 干濕循環(huán) 凍融循環(huán)

1.引言

近年來，我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)處于高速發(fā)展時(shí)期，有資料表明，2014年底我國高速鐵路總營業(yè)里程達(dá)到約16500公里，成為世界上高速鐵路投產(chǎn)運(yùn)營里程最長、在建規(guī)模最大的國家。高鐵的建設(shè)中少不了大量預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的施工。為了提高預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的制梁效率和質(zhì)量，高速鐵路建設(shè)會較多地采用工業(yè)化預(yù)制場集中進(jìn)行混凝土梁的預(yù)制，并采用架橋機(jī)架設(shè)[1][2]。在架設(shè)混凝土梁的過程中，起著承上啟下、保證橋梁安全的支座安裝材料就顯得尤為重要。這其中支座砂漿更是重中之重，主要起這幾個(gè)作用：1）連接上部結(jié)構(gòu)（箱梁）和下部結(jié)構(gòu)（承臺），使其成為一個(gè)整體構(gòu)件；2）錨固咬合螺栓；3）通過支座砂漿的灌注厚度來調(diào)整箱梁上下左右的施工誤差；4）承受整個(gè)箱梁及組成構(gòu)件的重量。因此，支座砂漿的質(zhì)量和性能將直接影響到整座橋梁的使用性和耐久性。

近年來，支座砂漿的研究開發(fā)相關(guān)報(bào)道主要集中在灌漿材料的配方研制和工作性、力學(xué)強(qiáng)度等方面[3-6]，對其耐久性探討的較少。本文以硫鋁酸鹽水泥和石英砂為基礎(chǔ)，通過優(yōu)化減水、緩凝及早強(qiáng)等多種功能外加劑的摻量，成功開發(fā)出可滿足高鐵專用要求的支座砂漿材料，重點(diǎn)對制備的高鐵專用支座砂漿進(jìn)行了耐久性研究，主要包括支座砂漿硬化后的毛細(xì)管吸水性能、干濕循環(huán)下力學(xué)性能的變化以及抗凍性能。

2.試驗(yàn)部分

2.1試驗(yàn)原材料

1）水泥：選用鄭州產(chǎn)的低堿度硫鋁酸鹽42.5R級水泥，其性能見表1。

2）砂子：選用用潔凈、粒徑優(yōu)良的石英砂，石英砂級配見表2。

3）其他功能外加劑：減水劑選用江蘇蘇博特公司產(chǎn)的粉狀聚羧酸減水劑；緩凝劑采用江蘇泰州產(chǎn)的硼酸鹽；早強(qiáng)劑采用河南藍(lán)翔化工公司產(chǎn)的碳酸鋰；膨脹劑采用UEA膨脹劑；消泡劑采用有機(jī)硅消泡劑。

4）拌合水采用自來水。

表1 硫鋁酸鹽42.5R級水泥的基本性能表2 石英砂級配

2.2支座砂漿的配合比

[3-6]的基礎(chǔ)上, 通過大量的配比試驗(yàn)，以硫鋁酸鹽水泥和石英砂為基礎(chǔ)，通過優(yōu)化減水、緩凝及早強(qiáng)等多種功能外加劑的摻量，制備出了滿足高鐵專用要求的支座砂漿材料，其配合比如表3 所示，所得支座砂漿的工作性能、力學(xué)性能如表4所示，均滿足鐵道部科學(xué)技術(shù)司文件《客運(yùn)專線橋梁盆式橡膠支座暫行技術(shù)條件》的性能要求。

表3 支座砂漿配比

表4 支座砂漿性能

2.3試驗(yàn)方法

1) 支座砂漿拌合及力學(xué)性能測試

支座砂漿拌合時(shí)，采用行星式水泥膠砂攪拌機(jī)攪拌，攪拌制度為：將水加入攪拌鍋內(nèi)，再加入支座砂漿干料，立即開動攪拌機(jī)慢速攪拌2min，然后再快速攪拌1min，最后再慢速攪拌1min。

抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度按照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行。將拌合好的支座砂漿倒入試模，不振動。長齡期強(qiáng)度試件是2h拆模后水養(yǎng)至相應(yīng)齡期；相對動彈模量的測試：選用非金屬超聲波儀測定支座砂漿的超聲波聲速，然后按照下列公式1.1計(jì)算相對動彈模量。其中：E為材料的動彈性模量；t為材料的聲時(shí)，t0為材料初始聲時(shí)，tt為齡期為t天后材料的聲時(shí)。

相對動彈模量

2）支座砂漿吸水率測試

毛細(xì)管吸附試驗(yàn)參照ASTM C1585 進(jìn)行，把養(yǎng)護(hù)到一定齡期的試塊放入50℃烘箱中，烘干至恒重，記錄試樣的質(zhì)量，精確到0.01 g，量取浸水面直徑和寬度，精確到0.1 mm。保留兩側(cè)面，其余面用石蠟材料密封，然后放入容器中，背水面表面覆蓋一塑料薄膜，試驗(yàn)在（20±1）℃溫度條件下進(jìn)行。測定0、1、2、4、6、12、24、56 h 時(shí)間的毛細(xì)管吸水量，然后用線性回歸分析的方法，對毛細(xì)管吸附量I 與s1/2時(shí)間進(jìn)行相關(guān)性分析，確定毛細(xì)管吸附率（mm/ s1/2）。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

3）支座砂漿干濕循環(huán)試驗(yàn)

成型40mm×40mm×160mm的支座砂漿試件，試件成型2h后拆模，試件標(biāo)養(yǎng)10d后進(jìn)行干濕循環(huán)，干濕循環(huán)方案為：50～60℃烘箱中養(yǎng)護(hù)4d，水養(yǎng)養(yǎng)護(hù)3d，每個(gè)周期為7d。試支座砂漿每個(gè)循環(huán)周期的抗壓和抗折強(qiáng)度，以及非加載狀態(tài)下支座砂漿相對動彈模量。

4）支座砂漿抗凍試驗(yàn)

成型100mm×100mm×400mm的支座砂漿試件，主要測試凍融循環(huán)過程中支座砂漿相對動彈性模量和質(zhì)量損失值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1支座砂漿毛細(xì)管吸水率測試

在支座砂漿材料中，水是諸多破壞因素的載體，因此表征水在支座砂漿中的遷移速率對混凝土耐久性的研究具有重要意義。目前表征水在水泥硬化體中的遷移速率主要有抗?jié)B等級和毛細(xì)管水吸附兩種方法，本文主要采用毛細(xì)管水吸附試驗(yàn)方法研究水介質(zhì)在支座砂漿中的滲透性能。

試驗(yàn)測試了支座砂漿齡期為 7d、28d、56d、90d的毛細(xì)管吸水率，試驗(yàn)結(jié)果如圖 2所示。從中可以看出，隨著齡期的增長，支座砂漿的毛細(xì)管吸水率逐漸降低，到56d時(shí)毛細(xì)管吸水率達(dá)到0.0638 mm/s1/2。與普通的C60混凝土相比，支座砂漿的毛細(xì)管吸水率明顯低很多。因此認(rèn)為，支座砂漿具有優(yōu)異的抗水遷移能力。

圖1 毛細(xì)管吸附試驗(yàn)示意圖

圖 2支座砂漿不同齡期時(shí)的毛細(xì)管吸水率

3.2干濕循環(huán)對支座砂漿強(qiáng)度的影響

干濕循環(huán)是導(dǎo)致水泥基材料結(jié)構(gòu)性能衰退最為嚴(yán)酷的環(huán)境條件之一，它能加速有害介質(zhì)如氯離子等入侵水泥基材料內(nèi)部的速率，還能通過引發(fā)內(nèi)部水分含量變化導(dǎo)致水泥基材料體積發(fā)生變化，最終導(dǎo)致材料過早被破壞[7]。因此，有必要對干濕循環(huán)條件下支座砂漿性能的變化開展研究。試驗(yàn)測試了支座砂漿每個(gè)干濕循環(huán)周期的抗壓和抗折強(qiáng)度，7d為一個(gè)循環(huán)周期，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

圖3 干濕循環(huán)對支座砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 干濕循環(huán)對支座砂漿抗折強(qiáng)度的影響

從試驗(yàn)結(jié)果可以得出，在干濕循環(huán)條件下，支座砂漿的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長后逐漸降低的趨勢，在 13次干濕循環(huán)周期內(nèi)，支座砂漿的抗壓強(qiáng)度都在 80MPa以上。從圖4試驗(yàn)結(jié)果可知，在干濕循環(huán)6次以內(nèi)時(shí)，支座砂漿抗折強(qiáng)度的變化幅度并不顯著；當(dāng)干濕循環(huán)大于 6次以后，支座砂漿抗折強(qiáng)度開始發(fā)生顯著的衰減，經(jīng)過10次干濕循環(huán)后，抗折強(qiáng)度低于10MPa。

3.3干濕循環(huán)對支座砂漿相對動彈模量的影響

測試了支座砂漿每個(gè)干濕循環(huán)周期的聲時(shí)變化，從而計(jì)算相對動彈模量的變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在干濕循環(huán)過程中支座砂漿的相對動彈模量經(jīng)歷了先增大后降低的趨勢，最后在經(jīng)過6次循環(huán)之后支座砂漿的相對動彈性模量基本穩(wěn)定在90%～95%。

圖5 干濕循環(huán)對支座砂漿相對動彈性模量的影響

3.4 支座砂漿抗凍性能研究

凍融循環(huán)是影響支座砂漿使用壽命與性能的一個(gè)非常重要的因素，因此抗凍性能是支座砂漿耐久性的重要指標(biāo)之一。試驗(yàn)測試了凍融循環(huán)過程中，支座砂漿質(zhì)量損失和相對動彈性模量，試驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 凍融循環(huán)對支座砂漿相對質(zhì)量的影響

圖7 凍融循環(huán)對支座砂漿相對動彈性模量的影響

從圖 6可得，在凍融循環(huán)過程中，支座砂漿試件在最初 50 次凍融循環(huán)中，質(zhì)量有略微增加。分析原因可能是，試件表面一些較大的有害封閉孔受到破壞變?yōu)榕c外界連通的孔，吸水從而使試件質(zhì)量略微增加。但隨著凍融循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行，支座砂漿試件表面開始剝落，從而導(dǎo)致質(zhì)量損失很快，但經(jīng)過 375次凍融循環(huán)后支座砂漿質(zhì)量損失僅為1.35%，說明了支座砂漿材料具有較好的抗凍性能。從圖7凍融循環(huán)對支座砂漿相對動彈性模量的影響試驗(yàn)結(jié)果中，可以看出，凍融循環(huán)過程中，支座砂漿的相對動彈模量變化不大，下降不是很明顯。經(jīng)過375次凍融循環(huán)后，相對動彈模量仍大于90%。綜上，支座砂漿材料具有較好的抗凍性能。

4 結(jié)語

1）開發(fā)的高鐵專用支座砂漿初始流動度值可達(dá)346mm，30min后流動度值可達(dá)254mm，2h 抗壓強(qiáng)度可達(dá) 27.6 MPa，24h抗折強(qiáng)度可達(dá) 12.3 MPa，28d 抗壓強(qiáng)度可達(dá) 83.2MPa，均滿足《客運(yùn)專線橋梁盆式橡膠支座暫行技術(shù)條件》的性能要求。

2）制備的高鐵支座砂漿具有優(yōu)異的抗水遷移能力，56d時(shí)毛細(xì)管吸水率僅為0.0638 mm/s1/2；該支座砂漿材料具有較好的抗凍性能，經(jīng)過375次凍融循環(huán)后支座砂漿質(zhì)量損失率僅為1.35%，相對動彈模量仍大于90%；

3）干濕循環(huán)對支座砂漿的抗壓強(qiáng)度、相對動彈性模量影響都會經(jīng)歷先增大后降低的趨勢，但當(dāng)干濕循環(huán)達(dá)到13次時(shí)，支座砂漿的抗壓強(qiáng)度仍在80MPa以上，相對動彈性模量基本穩(wěn)定在90%～95%；而抗折強(qiáng)度對干濕循環(huán)作用的反應(yīng)表現(xiàn)得不一樣，在干濕循環(huán)6次以內(nèi)時(shí)，支座砂漿抗折強(qiáng)度的變化幅度并不顯著，但當(dāng)干濕循環(huán)大于6次以后，支座砂漿抗折強(qiáng)度開始發(fā)生顯著的衰減，經(jīng)過10次干濕循環(huán)后，抗折強(qiáng)度低于10MPa。

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1007-6344（2015）02-0339-02