高速鐵路雙塊式軌枕外觀質量優化技術

王明慧， 王 劍， 張 橋， 李開蘭， 孟慶斌, 劉偉幫

(1.渝萬鐵路有限責任公司，重慶 400014；2.中鐵上海工程局集團有限公司，上海 200436)

雙塊式軌枕在我國高速鐵路軌道結構施工中應用廣泛，其外觀質量不僅影響高鐵鐵路軌道結構美觀和平順性，還會導致雨水等滲入內部結構，對軌枕的結構穩定性產生影響，因此對高速鐵路軌枕外觀質量的優化技術研究十分必要。當前有關混凝土軌枕實體質量問題的研究均取得良好的效果[1-4]，但對其外觀質量的研究少見報道，本文以鄭萬鐵路重慶段軌枕廠預制軌枕為研究對象，針對軌枕存在的外觀問題進行了相關分析和試驗研究，有助于提升混凝土軌枕的外觀質量。

1 混凝土軌枕存在的外觀質量問題

1.1 麻面和粘皮

粘皮是指在軌枕生產的常溫養護作業中,軌枕外表面混凝土與模具內壁粘結, 脫模時軌枕外表局部混凝土從軌枕實體脫落而呈現出凹凸不平的結構層現象。麻面是指軌枕脫模后軌枕外表面混凝土呈現密集的細小孔洞,孔徑一般較小,同時麻面處的混凝土色澤與周圍混凝土有差異且無強度。混凝土軌枕外觀的粘皮和麻面現象如圖1所示，粘皮和麻面的存在使混凝土軌枕外表面變得更加粗糙。

圖1 混凝土軌枕外觀質量問題

1.2 氣孔和蜂窩

軌枕的氣孔與蜂窩是指軌枕在預制生產過程中受振搗工藝、澆筑厚度、養護條件、外加劑與水泥匹配特性等因素影響混凝土軌枕表面存在較深的半封閉的小孔腔或局部密集小孔群的現象。混凝土軌枕外觀的氣孔和蜂窩現象如圖1所示。

2 外觀質量缺陷成因分析

2.1 粘皮和麻面

(1)模具清理不干凈，噴涂的脫模劑不能作用到鋼模上，脫模時混凝土會粘結在模腔內形成粘皮。

(2)軌枕澆筑完成進入蒸汽養護池內靜停期間，小坍落度(≤80 mm)的C60級高性能軌枕混凝土在澆筑后水分蒸發過快，在構件表面形成脫水現象，會使已形成膠凝體的水泥不能充分水化，不能轉化為穩定的膠凝結構，進而導致其沒有足夠的粘結力，從而在混凝土表面形成片狀或粉狀的脫落。

2.2 氣孔和蜂窩

(1)原材料品質對氣孔和蜂窩現象的形成有很重要的影響，膠凝材料和外加劑成分的影響更加明顯。水泥比表面積越大，混凝土的用水量就越大，進而混凝土中自由水會增多，容易形成氣孔。粉煤灰細度越細，粉煤灰中的活性成分越容易與水泥中的Ca(OH)2結合，使混凝土的粘聚性、流動性及保水性越好。外加劑對氣泡產生直接影響因素是含氣量和減水率，減水劑的減水率與含氣量大致成正相關的關系，即隨含氣量的升高，減水劑的減水率也會提高。在混凝土中引氣還可增加混凝土的內聚性和物料間的潤滑作用，改善混凝土的離析和泌水，提高新拌混凝土的和易性；但含氣量太大，會導致混凝土的孔洞太多，使混凝土不夠密實，強度降低。

(2)在混凝土配合比設計中，砂率、外加劑和原材料性能等都與氣孔的產生密不可分。砂率的變動會使骨料的總表面積有顯著的變化，從而對混凝土的和易性有顯著影響。

(3)混凝土生產和澆筑工藝對氣孔產生也有直接影響，混凝土是否拌和均勻，澆筑時布料順序、振動頻率、振幅、振動時間與混凝性能匹配程度都與氣孔的狀態密不可分。

3 軌枕外觀質量優化技術

3.1 粘皮和麻面

3.1.1 模具表面優化

模具表面清理不到位直接影響軌枕混凝土的外觀，采用砂輪機打磨清理時易造成模具表面存在打磨痕跡，反映到軌枕混凝土外觀上則為粗糙面。結合現場設備工裝情況，經試驗發現采用高壓風刀吹洗后對局部污點采用刮刀清理、再用高壓風刀吹洗效果最佳。

3.1.2 養護優化

軌枕澆筑完成在養護池內靜停期間，為防止軌枕混凝土中的水分快速蒸發，需對入窯后靜停階段的軌枕混凝土進行保濕養護處理，通過對比在養護池內噴水霧與鋼模頂面、側面覆蓋經浸泡濕潤的土工布方式的潤濕效果，得出采用濕潤土工布效果較好。

3.2 氣泡和蜂窩

3.2.1 膠凝材料優選

混凝土膠凝材料中水泥的比表面積越大，混凝土的用水就會增加，混凝土中自由水會增多，水分蒸發后容易形成氣孔。水泥選用P.O52.5普通硅酸鹽水泥，比表面積控制在300～350 m2/kg之間，單摻礦物摻合料，水膠比不應大于0.35。

3.2.2 外加劑優選

外加劑對氣泡有直接影響的是含氣量和減水率指標，采用聚羧酸高性能減水劑，控制含氣量為2.5%、減水率為30%為宜。經過試驗綜合對比觀察分析，混凝土含氣量在2.0%～3.0%時效果良好。不同混凝土含氣量下的軌枕外觀情況如圖2所示。

圖2 不同含氣量下的軌枕外觀情況

3.2.3 混凝土性能參數優化

保持工藝參數不變的情況下，對混凝土不同含氣量和不同增實因數的外觀質量進行觀察對比，觀察記錄結果如表1所示。

表1 不同含氣量、增實因數軌枕外觀質量記錄

通過試驗觀察得出混凝土增實因數在1.06～1.07、混凝土含氣量在2.1%～2.5%時，軌枕表面基本無氣泡。

3.2.4 施工工藝優化

(1)振動時間的控制。振動方式采用高頻激振器振動臺。混凝土澆筑后需要嚴格監控振搗過程,如振搗時間不夠,混凝土內部還存在很多孔隙和氣泡,質量及外觀難以保證；如振搗時間過長,容易造成局部混凝土離析出現水波紋現象。試驗對比得出最終振動時間控制在160 s外觀情況較好。

(2)布料方式優化。軌枕支撐塊平均厚度在150 cm左右，屬于較薄的預制構件，通過分三次布料、兩次布料、一次布料的對比試驗，得出采用一次完全布料、振動頻率控制在50 Hz、振動時間為160 s，脫模后軌枕表面質量最佳，色澤白凈，基本無氣泡、無泌水現象。

(3)最佳脫模劑的選擇。脫模劑對混凝土最終的外觀質量有很大影響，脫模劑有兩大類：一類是親油性，例如機油、液壓油等；另一類是親水性，如水性脫模劑。通過對二者進行取樣，分別進行對比試驗。通過對柴油、機油(1∶1)、色拉油、水性脫模劑三種脫模材料的試驗驗證：柴油、機油混合油性脫模劑涂刷后涂層較厚，混凝土內氣泡難排出，因此，混凝土凝結硬化后會將其吸附到毛細孔中形成大量孔洞,且顏色灰暗；色拉油的流動性受溫度影響較大，使用過程中模具表面宜形成流動印記，混凝土外觀發黃；水性脫模劑是一種表面活性劑，與水有良好的相容性,使得氣泡在振搗中容易破裂,減少混凝土表面的氣孔，水性脫模劑調配按兌水比例1∶2時最優，脫模后軌枕外觀色澤白凈密實。使用不同性質脫模劑的軌枕外觀情況如圖3所示。

圖3 使用不同性質脫模劑的軌枕外觀情況

4 結論

通過對比分析試驗得出保證混凝土軌枕外觀質量的關鍵優化參數及工藝如下：

(1)膠凝材料采用P.O52.5普通硅酸鹽水泥，比表面積控制在300～350 m2/kg，單摻礦物材料，水膠比不應大于0.35。

(2)采用聚羧酸高性能減水劑，含氣量為2.5%、減水率為30%；混凝土增實因數控制在1.06～1.07，混凝土含氣量控制在2.1%～2.5%。

(3)澆筑時采用一次布料的方式，振動頻率為50 Hz、振動時間為160 s；脫模劑采用水性脫模劑。