機制砂在高性能混凝土軌枕中的應用研究

任陟成

（中鐵十四局集團房橋有限公司，北京102400）

1 引言

隨著天然砂資源的枯竭，國家限采政策陸續出臺，許多地區天然砂供應短缺，使用機制砂代替天然砂成為今后發展的趨勢[1]。鐵路高性能混凝土對混凝土的工作性能、力學性能、耐久性能都有嚴格的要求，機制砂能否作為細骨料在鐵路高性能混凝土中使用仍處于研究和探索階段[2]。為了研究機制砂在軌枕生產中應用的可行性，為機制砂混凝土的使用做好技術儲備，本文以高性能混凝土軌枕為載體展開試驗研究。

2 相關技術要求

2.1 軌枕用砂技術要求

軌枕用砂技術要求包括：（1）含泥量/石粉含量。天然砂：含泥量不應大于1.5%；機制砂：亞甲藍值MB＜0.5g/kg 時，石粉含量≤15.0%；0.5g/kg≤MB≤1.4g/kg 時，石粉含量≤5.0%；MB＞1.4g/kg 時，石粉含量≤2.0%。（2）堿活性：不應使用具有堿-碳酸鹽反應或砂漿棒膨脹率（快速法）大于等于0.2%的堿-硅酸鹽反應活性的骨料。（3）級配及細度模數要求：宜為II 區中砂，細度模數符合2.3～3.0，級配要求如表1 所示。

表1 砂的級配要求

2.2 軌枕技術要求

2.2.1 混凝土技術要求

混凝土技術要求包括：（1）混凝土中膠凝材料總量不超過500kg/m3；（2）混凝土內總堿含量不應大于3.0kg/m3；（3）混凝土氯離子含量不應大于膠凝材料總量的0.06%；（4）混凝土中三氧化硫含量不應大于膠凝材料總量的4.0%。

2.2.2 混凝土性能指標

混凝土性能指標包括：（1）工作性：混凝土增實因數在1.05～1.40；（2）力學性能：強度等級為C60，出池強度≥45MPa，出池彈性模量≥33.5GPa；28d 強度≥60MPa，28d 彈性模量≥36.0GPa[3]；（3）耐久性：混凝土電通量不應大于1200C；混凝土56d 氯離子擴散系數不大于8×10-12m2/s；混凝土抗凍試件在凍融循環300 次后，重量損失不大于5.0%，相對動彈性模量不應低于60%。

2.2.3 軌枕生產及性能要求

軌枕生產及性能要求包括：

1）養護要求：在溫度5～35℃的環境中靜停3h，升溫不少于1h，升溫速度不大于15℃/h，恒溫為10h，溫度48℃±2℃，降溫不少于1h，降溫速度不大于15℃/h，總養護時間不少于15h，出坑時的軌枕表面與外界環境溫度之差不大于15℃。

2）靜載抗裂要求：脫模后24～48h 進行靜載試驗，軌下荷載210kN，枕中荷載162kN，恒載180s，整個加載過程中用5 倍放大鏡觀測軌枕兩側受拉區未出現裂紋即為合格。

3）疲勞性能：齡期28d 后進行疲勞試驗，疲勞荷載下，循環加載200 萬次，卸荷回零后5min，受拉區下緣鋼絲處的殘余裂縫寬度不得大于0.05mm；疲勞破壞荷載以枕彎曲裂縫寬度達1.5mm 或出現斜裂縫時的荷載值。

3 原材料

原材料包括如下幾種：

1）水泥：采用北京金隅琉水環保科技有限公司生產的P·O 42.5 低堿水泥，基本性能如表2 所示。2）礦粉：采用河北銀水實業集團有限公司生產的S95 礦粉。3）河砂：采用行唐市新樂縣輝育沙廠生產的天然河砂，為II 區中砂，細度模數2.7，基本性能如表3 所示。

4）機制砂：采用阜平煜臻塬礦產品有限公司生產的細度模數2.7 的II 區中砂，基本性能如表3 所示。天然砂、機制砂的級配情況如圖1 所示，均符合II 區中砂的要求。

5）碎石：采用淶水利環礦業有限公司生產的5～20mm 連續級配碎石，巖石抗壓強度146MPa，無堿骨料反應。

6）減水劑：采用北京楊洋潤滑科技開發有限公司生產的聚羧酸高性能減水劑。

表2 水泥性能

表3 砂的性能

圖1 砂的級配曲線

4 混凝土試驗與軌枕試制

4.1 混凝土試驗

4.1.1 混凝土配合比及工作性能

以房橋公司軌枕生產用配合比為基礎進行試驗研究。表3 中HS 為軌枕生產用配合比，JZS-1 為機制砂等量替代河砂的配合比；JZS-2 為將機制砂中石粉等量替代礦粉，去除石粉后的機制砂等量替代河砂的配合比；JZS-3 為將機制砂中石粉等量替代水泥，去除石粉后的機制砂等量替代河砂的配合比；具體數據如表4 所示。

表4 混凝土配合比

各混凝土按配合比要求拌和。JZS-1 減水劑摻量為4.80kg/m3時，混凝土增實因數為1.37 大于HS 增實因數1.27，混凝土偏干，但符合TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》中增實因數1.05～1.40 要求。將摻量調節至5.52kg/m3時，該配比增實因數為1.26，與HS 配合比增實因數相當。JZS-2、JZS-3 增實因數與河砂混凝土相當，和易性較好。

4.1.2 力學性能

1）抗壓強度

混凝土試件成型后，按照圖2 進行蒸汽養護。蒸汽養護結束后將混凝土試件轉入標養室（溫度20℃±2℃，相對濕度≥95%）?；炷猎嚰鼾g期抗壓強度如圖3 所示。

由圖3 可知，JZS-1、JZS-2 出池、3d、7d、28d 強度略高于HS，56d 強度與HS 相差不大；JZS-3 出池、3d、7d、28d、56d 強度略低HS。JZS-1、JZS-2、JZS-3 3 組配合比均能滿足TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》及TB/T 2190—2013《混凝土枕》對軌枕出池強度不小于45MPa、28d 強度不小于60MPa 的要求。

圖2 混凝土蒸汽養護要求

圖3 混凝土試件抗壓強度

試驗結果分析：（1）JZS-1、JZS-2 在28d 齡期前強度略高于HS，一方面與機制砂顆粒形狀不規則，棱角多，比表面積大，早期與水泥反應更加充分有關，另一方面與石粉對水泥水化反應的促進作用有關。（2）JZS-3 各齡期強度略低于河砂，在于機制砂中的石粉取代水泥，相當于配比設計中變相減少了水泥用量，早期強度偏低，后期強度雖有增長，仍低于同齡期的HS。

2）彈性模量

混凝土試件彈性模量如圖4 所示。

圖4 混凝土試件彈性模量

由圖4 可知，JZS-1、JZS-2 出池、28d 彈性模量略高于HS，56d 彈性模量與HS 相差不大；JZS-3 出池、28d、56d 彈性模量略低HS。JZS-1、JZS-2、JZS-3 3 組配合比中最小出池彈性模量為35.5GPa，28d 彈性模量為40.5GPa，均能滿足TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》及TB/T 2190—2013《混凝土枕》中出池彈性模量不小于33.5GPa，28d 彈性模量不小于36.0MPa 的要求。

試驗結果分析：機制砂混凝土彈性模量與河砂混凝土彈性模量發展規律一致，均與混凝土強度成正比關系。

4.1.3 耐久性

根據TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》及TB/T 2190—2013《混凝土枕》，取56d 混凝土試件進行電通量、氯離子擴散系數、抗凍性（經過300 次反復凍融循環）檢測，試驗結果如表5 所示。

由表5 可知，機制砂混凝土電通量、氯離子擴散系數和抗凍性能均滿足TB/T 2190—2013《混凝土枕》中，電通量小于1 200C，氯離子擴散系數不大于8×10-12m2/s，經過300 次反復凍融循環相對動彈性模量不小于60%，質量損失不大于5%的技術要求。

表5 混凝土耐久性能

由混凝工作性能、力學性能、耐久性能試驗結果可知，JZS-1 混凝土增實因數偏大，經減水劑調整，混凝土工作性可滿足使用要求，該配比下混凝土強度、彈性模量比對應河砂配比高；JZS-2 增實因數與河砂混凝土相當，工作性好，不需要調整減水劑即能滿足使用要求，該配比下混凝土強度、彈性模量比對應河砂配比略高；JZS-3 混凝土增實因數與河砂混凝土相當，工作性好，不需要調整減水劑即能滿足使用要求，該配比下混凝土強度、彈性模量比對應河砂配比略低。JZS-1、JZS-2、JZS-3 耐久性指標均符合設計要求。對比3 組配合比方案，JZS-2 方案優于JZS-1、JZS-2 2 個方案。

4.2 軌枕試制與性能檢測

為了尋求符合機制砂混凝土軌枕生產的施工工藝，取HS、JZS-1、JZS-2 3 個配比方案進行軌枕試制。

4.2.1 生產工藝

河砂混凝土配合比采用房橋公司軌枕生產用配合比（HS），原材料與試驗用原材料一致，機制砂配合比采用JZS-1、JZS-2 2 種配合比方案。

以IIIa 型軌枕為例進行試制。主要生產步驟為：（1）模具清理，鋼絲下料、入模；（2）鋼絲張拉，箍筋安放；（3）混凝土拌和；（4）下灰布料，初次振動；（5）二次振動（加壓振）；（6）枕底清理；（7）蒸汽養護；（8）脫模、檢驗。軌枕生產工藝流程如圖5 所示。

圖5 軌枕生產流程圖

4.2.2 混凝土性能

現場試制結果與試驗室試驗結果一致。

4.2.3 結構性能

試制生產的機制砂混凝土軌枕表面光滑，無粘皮、麻面、蜂窩等質量缺陷，與河砂混凝土軌枕無明顯差別。

1）靜載抗裂性能

試驗設備：軌枕靜載試驗機、5 倍放大鏡。

試驗方法：試驗應在軌枕脫模后24～48h 進行。試壓時，軌枕位置放置準確。試驗過程中加載速度不大于1 000N/s 均勻加載，加載到30%～40%的檢驗荷載值時，對試驗狀態及支距尺寸（見圖6、圖7）進行檢查，確認正確后繼續加載至檢驗荷載，恒載180s，在整個加載過程中用5 倍放大鏡觀測軌枕兩側受拉區是否開裂，如發現非原始裂紋，按開裂鍵，即為該試驗點在該荷載值時開裂。

圖6 軌下靜載抗裂試驗

圖7 枕中靜載抗裂試驗

結果判定：枕中加載至162kN，軌下加載至210kN，恒載180s，整個加載過程中未出現裂紋即為合格。靜載合格繼續加載，直到軌枕表面出現裂紋時記錄破壞荷載。靜載試驗結果如表6 所示。

表6 軌枕靜載試驗結果

由表6 可知，機制砂軌枕靜載抗裂性能滿足設計要求。

2）疲勞抗裂性能

試驗設備：疲勞試驗機、20 倍放大鏡。

試驗方法：試驗應在混凝土28d 齡期后進行。疲勞荷載下，循環加載200 萬次，卸荷回零后5min，受拉區下緣鋼絲處的殘余裂縫寬度不得大于0.05mm；疲勞破壞荷載以枕彎曲裂縫寬度達1.5mm 或出現斜裂縫時的荷載值計。

疲勞荷載循環特征值

式中，Pmin為疲勞荷載的最小值，Pmax為疲勞荷載的最大值。IIIa型軌枕正彎矩最大值和最小值為230kN 和46kN，負彎矩最大值和最小值為180kN 和36kN。

結果判定：軌枕經疲勞試驗，殘余裂縫寬度不大于0.05mm；疲勞破壞強度不低于80%的設計破壞強度即為合格。疲勞試驗結果如表7 所示。

由表7 可知，經200 萬次疲勞加載，機制砂混凝土軌枕的疲勞抗裂性能與河砂混凝土軌枕的疲勞性能差別不大，均能滿足TB/T 2190—2013《混凝土枕》的要求。

表7 軌枕疲勞試驗結果

5 結論

機制砂混凝土試驗表明：（1）采用機制砂試配的高性能混凝土滿足軌枕生產要求。（2）機制砂顆粒形狀不規則，棱角多，比表面積大，前期水化反應更加充分。機制砂等量替代河砂配制的混凝土在28d 齡期前強度、彈性模量高于河砂混凝土。（3）機制砂混凝土彈性模量發展規律與河砂混凝土一致，均與混凝土強度成正比關系。（4）機制砂等量替代河砂配合比方案混凝土增實因數偏大，經減水劑調整，混凝土工作性可滿足使用要求，施工生產順暢。（5）將機制砂中的石粉等量替代礦粉，去除石粉后的機制砂等量替代河砂的配合比方案，混凝土狀態好、性能穩定、可操作性強，生產順暢，優于其他方案。

機制砂軌枕試制與性能試驗表明：（1）機制砂混凝土軌枕可采用河砂混凝土軌枕的施工工藝；（2）機制砂混凝土軌枕表面光滑，強度指標、靜載抗裂性能、疲勞性能均能滿足設計要求。