侵蝕抑制材料對高速鐵路無砟軌道現澆混凝土抗凍融性能影響及作用機制

劉光嚴 穆松 蔡景順 諶睿 王濤

1.江蘇省建筑科學研究院有限公司 高性能土木工程材料國家重點實驗室，南京 210008；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，南京 211103

近年來我國高速鐵路建設發展迅速，截至2021年底我國高速鐵路運營總里程已突破4 萬km，占世界高速鐵路總里程的近70%［1］。我國高速鐵路無砟軌道具有穩定性好、軌道平順性好、自重輕等優點，同時能避免高速行車產生的道砟飛濺，有利于保持路線穩定性［2］。無砟軌道包括預制混凝土構件和現澆混凝土兩部分［3］，軌道結構直接暴露于復雜的大氣環境中，經受外界環境因素作用，軌道混凝土的耐久性問題逐漸受到人們的重視［4-5］。我國北方地區每年冬季寒冷漫長、晝夜氣溫變化大，對混凝土結構的抗凍性能提出了較高的要求。混凝土凍融破壞會導致結構表面出現損傷、強度降低等，進一步產生表面粉化、裂縫擴展等現象［6-7］。工程實踐表明，部分地區無砟軌道現澆混凝土使用過程中出現了凍融破壞的問題，有的區域出現嚴重粉化和鋼筋外露的現象。隨著我國北方地區沈白、哈伊等高速鐵路的建設，開展高速鐵路無砟軌道現澆混凝土抗凍性能研究、提升無砟軌道現澆混凝土抗凍性能，對于延長結構使用壽命、減少后期維護和節約成本具有重要意義。混凝土抗凍性能受到礦物摻和料［8］、水灰比［9］、含氣量［10］、外加劑［11］等多種因素的影響，鐵路行業標準TB 10005—2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》中規定了不同環境作用等級和使用年限條件下鐵路混凝土應滿足的抗凍性能指標和配合比參數。通過抑制混凝土吸水、降低混凝土飽水度，同樣可提升混凝土的抗凍性能［12］。文獻［13］對比了硅烷疏水處理對混凝土抗鹽凍性能的影響，疏水處理后混凝土鹽凍剝落質量降低了90%。文獻［14］通過試驗驗證內摻硅烷的方式同樣能有效提升混凝土抗凍耐久性。侵蝕抑制材料作為一種內摻型疏水材料，摻入到混凝土中后能與水泥水化產物反應生成納米顆粒，通過密實和疏水兩方面的效應提升混凝土抗侵蝕能力，減少混凝土內小孔數量，降低混凝土吸水率［15］。考慮侵蝕抑制材料可以提升混凝土的整體疏水性能，降低混凝土吸水率，對混凝土抗凍性能具有提升作用，因此可將侵蝕抑制材料應用到高速鐵路無砟軌道現澆混凝土中，提升混凝土抗凍性能。本文研究侵蝕抑制材料對無砟軌道現澆混凝土抗凍性能的影響，揭示侵蝕抑制材料對無砟軌道混凝土抗凍性能提升的作用機制。

1 原材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

本次試驗所使用膠凝材料的化學組成見表1。其中水泥為江南小野田公司生產的P·Ⅱ 52.5 水泥，比表面積為329 m2/kg，密度為3.13 g/cm3；粉煤灰比表面積為417 m2/kg，密度為2.18 g/cm3，燒失量為1.3%；礦渣粉比表面積為380 m2/kg，密度為2.97 g/cm3，燒失量為0.98%。

表1 膠凝材料化學組成 %

細骨料為河砂，細度模數為2.3，密度為2 630 kg/m3。粗骨料為玄武巖，分別是粒徑在5～16 mm 的小石子以及粒徑在16～25 mm 的大石子，兩種不同粒徑的粗骨料密度分別為2 860 kg/m3和2 870 kg/m3，泥塊含量分別為0.3%和0.2%。

減水劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的PCA 聚羧酸減水劑，固含量為11%。侵蝕抑制材料主要成分為有機羧酸酯聚合物，淡黃色液體，pH 值約為9，滿足JC/ T 2553—2019《混凝土抗侵蝕抑制劑》要求，摻量為10～40 kg/m3，等量取代拌和水摻入到混凝土中。

1.2 混凝土配合比

試驗成型無砟軌道現澆混凝土配合比見表2。其中第一組（CS0）為對照組，不使用侵蝕抑制材料，僅通過引氣劑提升混凝土抗凍性能；第二組至第四組分別使用10、20、40 kg/m3的侵蝕抑制材料，對比驗證使用不同摻量的侵蝕抑制材料后無砟軌道現澆混凝土抗凍性能的變化。

表2 混凝土配合比 kg·m-3

1.3 試驗方法

混凝土攪拌完成后，測試混凝土含氣量以及工作性能，同時篩出部分砂漿采用GERMANN 公司生產的AVA3000 新拌混凝土氣泡分析儀進行測試，該儀器能測試新拌混凝土內直徑在2 000 μm 范圍內的氣泡。完成含氣量和工作性能測試后成型吸水率試塊、抗壓強度試塊和凍融試塊。混凝土試件帶模養護24 h后脫模，并放入溫度為（20 ± 2）℃、相對濕度為95%的養護室中進行標準養護。

混凝土吸水率測試依據JC/ T 2553—2019 中的吸水率測試方法進行：混凝土脫模后標準養護3 d，然后取芯105 ℃干燥3 d，冷卻1 d 后測試混凝土吸水率。依據GB/ T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測試混凝土在不同齡期抗壓強度。依據GB/ T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的相關方法進行混凝土快速凍融試驗和單面鹽凍試驗。采用耐爾得公司生產的NELD?BS630硬化混凝土氣泡分析儀對硬化后混凝土氣泡特征進行測試，硬化氣泡測試采用直線導線法，掃描面積為80 mm × 80 mm。

2 試驗結果及分析

2.1 新拌混凝土氣泡特征

混凝土拌和過程中，使用不同摻量的侵蝕抑制材料對混凝土工作性能影響不明顯。混凝土含氣量測試結果見表3。可知，使用侵蝕抑制材料的混凝土，在不額外使用引氣劑的條件下，含氣量與空白組基本保持一致，但隨著侵蝕抑制材料使用量的增加，混凝土含氣量有降低的趨勢，當侵蝕抑制材料用量為40 kg/m3時，混凝土含氣量已經降低到3.3%。

表3 新拌混凝土含氣量 %

新拌混凝土內氣泡特征如圖1 所示。可知，在使用侵蝕抑制材料后混凝土內氣泡具有細化的趨勢，并且隨著摻量的增加，氣泡細化效果更加顯著。僅使用引氣劑條件下新拌混凝土［圖1（a）］內氣泡數量隨著直徑的減小而逐漸降低，其中直徑在1 000～2 000 μm的氣泡占氣泡總數量的35.9%，直徑在300 μm以上的氣泡占氣泡總數量的78.3%，較多的大氣泡不利于混凝土抗凍性能。在使用侵蝕抑制材料后，混凝土內氣泡直徑減小，當侵蝕抑制材料用量為10、20 kg/m3時，混凝土內氣泡最小直徑僅為75 um，相對于空白組125 μm 的最小直徑明顯降低，此時直徑在300 μm 以下的氣泡占氣泡總數量的78.2%和62.5%，表明侵蝕抑制材料具有細化混凝土內氣泡的效果。當侵蝕抑制材料摻量進一步提升后，其對混凝土內氣泡的優化作用并未體現，反而有劣化趨勢：一方面當侵蝕抑制材料用量為40 kg/m3時，對含氣量的提升作用減弱，此時混凝土含氣量僅為3.3%；另一方面混凝土內大氣泡數量增加，直徑在300 μm以下的氣泡占氣泡總數量的45.9%，此時新拌混凝土內以大氣泡為主。

圖1 不同組混凝土新拌氣泡特征

2.2 混凝土吸水率和抗壓強度

通過吸水率表征混凝土疏水性能的變化，吸水率測試結果見表4。可知，當侵蝕抑制材料摻量分別為10、20、40 kg/m3時混凝土吸水率分別降低了32.9%、38.7%、52.9%。侵蝕抑制材料的摻入導致混凝土具有一定的疏水特性，抑制水分向混凝土內部傳輸，從而減小混凝土吸水率。隨著侵蝕抑制材料摻量的增加，混凝土吸水率減小，表明混凝土的疏水性逐漸提升。混凝土吸水率的降低能有效抑制侵蝕性離子向混凝土內部擴散，同時凍結過程中混凝土內可凍水減少，將有助于混凝土抗凍性能的提升。

表4 混凝土吸水率

無砟軌道現澆混凝土在不同齡期的抗壓強度見圖2。可知：7 d 齡期時CS0 抗壓強度為62.1 MPa，CS1、CS2、CS4 三組混凝土抗壓強度分別為67.0、68.5、69.6 MPa。在摻入侵蝕抑制材料后混凝土抗壓強度均有不同程度的提升，并且隨著侵蝕抑制材料摻量的增加，混凝土抗壓強度提升幅度也逐漸增加，在28 d 齡期時呈現出相同的規律。在56 d 齡期時CS1、CS2 和CS4 三組混凝土抗壓強度相對于空白組分別提升了7.6%、8.9%、13.9%，這表明使用侵蝕抑制材料對混凝土抗壓強度具有提升效果。這是因為使用侵蝕抑制材料后，混凝土內部納米顆粒填充并優化了混凝土孔結構，從而使得混凝土強度增加［15］。此外在使用侵蝕抑制材料后混凝土含氣量也逐漸降低，這也是導致混凝土強度增加的一個原因。

圖2 混凝土不同齡期抗壓強度

2.3 混凝土抗凍性能

混凝土鹽凍循環過程中表面剝落物的質量和超聲波相對動彈性模量的變化見圖3。可知：①空白組混凝土在28次鹽凍循環完成后，表面剝落物的質量為40 g/m2，在摻入10、20、40 kg/m3的侵蝕抑制材料后混凝土表面剝落物的質量分別為44、21、138 g/m2。隨著摻量的增加混凝土表面剝落物的質量先降低后增加。侵蝕抑制材料摻量較少時對混凝土鹽凍性能影響較小，當摻量為20 kg/m3時混凝土表面剝落物的質量降低了47.7%，但隨著侵蝕抑制材料摻量增加混凝土抗鹽凍性能降低。②在84 次鹽凍循環完成后，CS0、CS1、CS2和CS4混凝土表面剝落物的質量分別為201、180、95、430 g/m2，使用不同摻量的侵蝕抑制材料后混凝土表面剝落物質量分別為空白組混凝土的89.6%、47.3%、213.9%。此時混凝土表面剝落物的質量變化規律與28次鹽凍后基本一致，隨侵蝕抑制材料摻量增加，混凝土抗鹽凍性能先增加后降低，當摻量為20 kg/m3時能顯著提升混凝土的抗鹽凍性能。因此，合適摻量的侵蝕抑制材料對混凝土的長期抗鹽凍性能具有明顯的提升作用。③在84 次鹽凍循環完成后，CS0、CS1、CS2和CS4混凝土試件的相對動彈性模量分別為101.5%、100.0%、95.5%、101.0%。不同組混凝土鹽凍后的相對動彈性模量變化并不顯著。這是由于在測試混凝土聲時過程中，超聲發射器和接收器均在試件中軸位置，鹽凍循環過程中該深度處混凝土并未發生明顯的損傷，因此測試混凝土相對動彈性模量并未發生明顯的改變。

圖3 混凝土鹽凍循環測試結果

混凝土快速凍融循環300次后的質量損失率和相對動彈性模量變化曲線見圖4。可知：在凍融循環完成后空白組混凝土質量損失率為0.7%，CS1、CS2 和CS4 混凝土的質量損失率分別為0.7%、0.5%、0.9%，此時混凝土的質量損失率變化規律與鹽凍后混凝土表面剝落物的質量變化規律基本一致：侵蝕抑制材料摻量較少時對混凝土抗凍性能影響較小；隨著侵蝕抑制材料摻量進一步增加，混凝土抗凍性能先增加后降低；當摻量為20 kg/m3時能顯著提升混凝土的抗凍性能。快速凍融循環完成后，空白組混凝土的相對動彈性模量為94.4%，而CS1、CS2、CS4 混凝土的相對動彈性模量分別為98.3%、98.9%、85.5%，其中在使用40 kg/m3侵蝕抑制材料后，混凝土的相對動彈性模量降低最為明顯，這與混凝土內部含氣量較低且氣泡尺寸增大有關，較低的含氣量導致了混凝土抗凍性能的劣化，表現為剝落質量的增加和相對動彈性模量的顯著降低。因此，合適摻量的侵蝕抑制材料對混凝土的抗鹽凍性能和抗快凍性能均有提升作用。

圖4 混凝土快速凍融循環測試結果

2.4 混凝土硬化氣泡測試

為了探究不同摻量侵蝕抑制材料對混凝土抗凍性能產生差異的原因，對不同混凝土的硬化氣泡特征進行測試分析。測試結果見圖5。可知：空白組混凝土平均氣泡間隔系數為327 μm，隨著侵蝕抑制材料摻量的增加，混凝土內平均氣泡間隔系數呈現出先降低后增加的趨勢。當侵蝕抑制材料摻量分別為10、20、40 kg/m3時，混凝土內平均氣泡間隔系數分別為281、256、369 μm。同時，空白組混凝土內部氣泡平均弦長為171 μm，氣泡比表面積為23.4 mm-1。使用侵蝕抑制材料后混凝土比表面積顯著增大的同時氣泡平均弦長明顯降低。當侵蝕抑制材料用量為10、20 kg/m3時，混凝土氣泡平均弦長為135、109 μm，而比表面積也相應增加為29.6、36.7 mm-1。

圖5 混凝土硬化氣泡圖像

經對比發現，在使用20 kg/m3的侵蝕抑制材料材時混凝土平均氣泡間隔系數相對于空白組降低了21.7%，比表面積增加了56.8%。硬化混凝土內氣泡比表面積顯著增大和氣泡平均弦長明顯降低，表明混凝土內氣泡具有變小的趨勢，同時混凝土內氣泡分布更加均勻，證明侵蝕抑制材料具有細化混凝土內氣泡的作用。平均氣泡間隔系數減小和氣泡比表面積增大有利于混凝土抗凍性的提升，這一結果與新拌混凝土氣泡測試結果、抗凍性能測試結果相一致。

3 結論

1）侵蝕抑制材料能有效降低無砟軌道現澆混凝土的吸水率，同時提升混凝土的抗壓強度。當侵蝕抑制材料摻量為20 kg/m3時混凝土吸水率相對于空白組降低了38.7%。

2）隨著侵蝕抑制材料摻量的增加無砟軌道混凝土抗凍性能呈現出先增加后降低的趨勢。侵蝕抑制材料摻量為20 kg/m3時對無砟軌道現澆混凝土抗凍性能的提升最為顯著，84 次鹽凍循環后混凝土表面剝落物的質量降低了52.7%，300 次快速凍融循環后質量損失率僅為0.5%。

3）侵蝕抑制材料具有細化混凝土內氣泡的效果，硬化后無砟軌道現澆混凝土內氣泡直徑減小，分布更加均勻。當侵蝕抑制材料用量為在20 kg/m3時，硬化混凝土內平均氣泡間隔系數為256 μm，相對于僅使用引氣劑混凝土降低了21.7%。