聚合物乳液對軌枕用混凝土耐磨性能的影響

王月華 翁智財 劉子科 胡建偉 謝永江 何龍 蔣睿

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081）

鐵路分為客運鐵路和貨運鐵路兩大類別，由于運輸目的不同要求亦不同。對于貨運鐵路，尤其是重載鐵路貨運要求提高鐵路混凝土軌枕與鋼軌的連接性能，主要包括提高混凝土軌枕承軌面的耐磨性能和混凝土軌枕的耐久性能［1-2］。摻聚合物乳液是提高水泥基材料與骨料黏結強度行之有效的方法，而水泥基材料與骨料黏結強度的提高能夠有效提升混凝土的耐磨性能［3-5］。聚合物乳液的種類、摻量均會改變水泥基材料與骨料的黏結強度［6］。目前，聚合物乳液摻量對水泥基材料和骨料黏結強度的影響試驗主要在高溫、凍融和水養條件下進行，而對于聚合物乳液的摻量及其與不同骨料的組合對混凝土軌枕耐磨性能的影響研究不多。本文通過摻加聚合物乳液與5種巖性粗骨料制備軌枕用混凝土，研究提高混凝土軌枕耐磨性能的最佳配合比，為新型耐磨混凝土軌枕制備提供新途徑。

1 室內試驗

1.1 原材料及配合比

水泥為北京金隅P·O 42.5水泥，比表面積342 m2/kg。礦粉為河北唐山生產的S95礦渣粉。細骨料為河北石家莊分級河砂，按照10～20 目，20～40 目，40～70 目和70～140 目4 個細度配制成細度模數2.6 的Ⅱ區中砂，含泥量0.6%，表觀密度2 640 kg/m3。石灰石粗骨料為天津薊縣二級配碎石，最大粒徑20 mm，含泥量0.3%，表觀密度2 720 kg/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配，最大粒徑20 mm；減水劑為聚羧酸系高性能減水劑。乳液有4 種，分別為乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液（Vinyl Acetate-ethylene Copolymer Emulsion，簡稱VAE），蒸發殘留物含量50%，推薦摻量4%；丁苯乳液，蒸發殘留物含量50%，推薦摻量6%；苯丙乳液，蒸發殘留物含量50%，推薦摻量6%；丙烯酸乳液，蒸發殘留物含量50%，推薦摻量6%。其中水泥、礦渣粉和粗骨料性能試驗結果見表1—表3。

表1 水泥性能試驗結果

表2 礦渣粉性能試驗結果%

表3 粗骨料性能試驗結果

1.2 配合比設計

以C60預應力軌枕用混凝土的配合比為基準配合比，單摻聚合物乳液或雙摻聚合物乳液與不同巖性粗骨料對混凝土和混凝土軌枕實體的耐磨性能進行測試。具體步驟：①選擇不同種類聚合物乳液，分析常用摻量下單摻不同種類聚合物乳液對混凝土耐磨性能的影響，確定最佳聚合物乳液；②分別摻加0，2%，4%，6%，8%和10%的最佳聚合物乳液，分析聚合物乳液摻量對混凝土耐磨性能的影響，確定最佳摻量；③采用最佳聚合物乳液摻量，對比分析石灰巖、輝綠巖、玄武巖、花崗巖和鋼渣石5種粗骨料對混凝土耐磨性能的影響，確定最佳骨料；④最佳聚合物乳液摻量不變，分別摻加0，10%，30%，50%，70%和100%的最佳骨料，分析骨料摻量對混凝土耐磨性能的影響，確定雙摻聚合物乳液和骨料時混凝土的最佳配合比；⑤優選3組耐磨性能較好混凝土的配合比制備混凝土軌枕，進行承軌面耐磨性能測試。

試驗混凝土水膠比為0.27，砂率為34%，通過調節減水劑用量將維勃稠度控制在（20 ± 2）s。混凝土配合比具體見表4—表7。表7 中V6%+G30%表示VAE摻量6%，鋼渣石摻量30%，其他以此類推。

表4 單摻不同聚合物乳液時混凝土配合比 kg·m-3

表5 單摻不同摻量VAE時混凝土配合比 kg·m-3

表6 雙摻VAE和不同巖性粗骨料時混凝土配合比 kg·m-3

表7 雙摻VAE與鋼渣石時混凝土配合比 kg·m-3

1.3 養護制度

1）混凝土試件。混凝土試件成型后，在溫度20 ℃的環境中停放2 h，將帶模具的試件放入蒸汽養護箱中，2 h升溫至45 ℃，恒溫養護6 h后，降溫2 h至室溫。混凝土試件脫模后在標準養護室養護至試驗齡期。

2）混凝土軌枕試件。混凝土裝入軌枕試模振搗成型后，廠區（20±5）℃環境中靜停3 h，帶模放入養護池中，2 h 升溫至45 ℃，恒溫持續5 h，降溫2 h 至室溫，混凝土軌枕脫模，存放至試驗齡期。

1.4 試驗方法

1）混凝土抗壓強度試驗。抗壓強度測試采用精度等級為Ⅰ級的YAW-6206 型全自動壓力試驗機，遵照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。

2）混凝土耐磨試驗。混凝土耐磨試件尺寸為150 mm（長）×150 mm（寬）×70 mm（高），遵照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》進行。

3）混凝土軌枕耐磨試驗。遵照北美鐵路工程和維 修 協 會（American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association，AREMA）第二部分第六項的規定對軌枕承軌面進行100萬次磨損試驗。采用27.5°加載架68 kg/m 鋼軌，施加289.1 kN 的荷載，垂向荷載為144.6 kN，橫向荷載為75.2 kN。

2 結果與討論

2.1 不同聚合物乳液對混凝土耐磨性能的影響

單摻不同聚合物乳液時混凝土試驗結果見表8。可見：①在相同齡期條件下，摻加不同種類聚合物乳液時混凝土的抗壓強度有不同幅度的降低，降幅由大到小依次為丁苯乳液＞苯丙乳液＞丙烯酸乳液＞VAE；②在相同齡期條件下，摻加不同種類聚合物乳液時混凝土的單位面積磨耗量有不同程度的減少，減幅由大到小依次為VAE＞苯丙乳液＞丙烯酸乳液＞丁苯乳液。綜合兩者來看，摻加VAE 時混凝土抗壓強度降幅最小，單位面積磨耗量也最小，故選用VAE 進一步研究聚合物乳液摻量對混凝土耐磨性能的影響。

表8 單摻不同聚合物乳液時混凝土試驗結果

2.2 VAE摻量對混凝土耐磨性能的影響

單摻不同摻量VAE時混凝土試驗結果見表9。可見：①相同齡期條件下隨著VAE 摻量增加混凝土抗壓強度均逐漸降低；②相同齡期條件下混凝土的單位面積磨耗量先減小后增大，VAE 摻量6%時單位面積磨耗量達到最小值。這是因為VAE 屬于小分子材料，易滲入混凝土內部，填充水泥等膠凝材料和骨料之間的空隙，并與水泥水化產物結成一體，提高混凝土密實性。隨著VAE 摻量增加，這種填充膠結作用越來越顯著，但當VAE 摻量過大時混凝土內部結構受到損傷，空隙反而增多，會降低混凝土密實性。

表9 單摻不同摻量VAE時混凝土試驗結果

2.3 雙摻VAE與不同巖性粗骨料對混凝土耐磨性能的影響

雙摻VAE 與不同巖性粗骨料時混凝土試驗結果見表10。可見：①相同齡期條件下摻鋼渣石的混凝土強度最高，摻石灰巖、輝綠巖、玄武巖和花崗巖的混凝土強度基本一致。②相同齡期條件下摻鋼渣石的混凝土單位面積磨耗量最小，摻花崗巖的混凝土單位面積磨耗量次之，摻石灰巖、輝綠巖和玄武巖的混凝土單位面積磨耗量相差不大。由此可以看出，采用硬度高、表面粗糙骨料可以提升混凝土強度，以及水泥石與骨料界面的黏結力，進而提升混凝土耐磨性能。因此，提升混凝土耐磨性能最好選用洛杉磯磨耗損失最小、表面較粗糙的鋼渣石。

表10 雙摻VAE與不同巖性粗骨料時混凝土試驗結果

2.4 雙摻VAE與不同摻量鋼渣石對混凝土耐磨性能的影響

摻量6%的VAE和不同摻量的鋼渣石雙摻時混凝土試驗結果見表11。可見：①相同齡期條件下雙摻VAE 與不同摻量鋼渣石時混凝土的抗壓強度與不摻時基本一致，說明二者組合可以有效確保混凝土的抗壓強度；②隨著鋼渣石摻量增加，對抗壓強度的提升效果越來越明顯，但是單位面積磨耗量先減小后增大，鋼渣石摻量為50%時混凝土耐磨性能最佳。

表11 雙摻VAE和不同摻量鋼渣石時混凝土試驗結果

2.5 混凝土軌枕耐磨試驗

VAE 摻量取6%，鋼渣石摻量分別取30%，50%，70%，制備混凝土軌枕，養護至28 d進行混凝土軌枕耐磨試驗，見圖1。100萬次循環疲勞荷載后軌枕承軌面磨損情況見圖2。

圖1 混凝土軌枕耐磨試驗

圖2 100萬次循環疲勞荷載后軌枕承軌面磨損情況

混凝土軌枕承軌面明顯磨損痕跡的條數和深度見表12。由圖2和表12可見：雙摻VAE和鋼渣石有益于提升承軌面的耐磨性能，鋼渣石摻量為50%時承軌面的耐磨性能最佳。

表12 混凝土軌枕承軌面明顯磨損痕跡的條數和深度

3 結論

1）單摻一定比例的苯丙、丁苯等聚合物乳液可有效改善混凝土內部微觀結構，提高混凝土的耐磨性能，但也會在一定程度上降低混凝土的抗壓強度。單摻VAE 對混凝土耐磨性能的提升效果比其他聚合物乳液好，其最佳摻量為6%。

2）雙摻VAE 與鋼渣石、石灰巖、輝綠巖、玄武巖、花崗巖等粗骨料可進一步提升混凝土的耐磨性能。鋼渣石表面粗糙且強度較大，其與VAE 雙摻對混凝土耐磨性能的提升效果比其他骨料好。鋼渣石摻量50%時混凝土軌枕承軌面的耐磨性能最佳。