研究探索：无砟轨道双块式轨枕早强矿物掺合料配方研发及性能研究
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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第2期
无砟轨道双块式轨枕早强矿物掺合料配方研发及性能研究
朱本谦，刘勇，唐金爽，朱修昆，杨泽波，陈清蓉
［摘 要］研究了硫酸钠、硫氰酸钠、三乙醇胺早强组分对早强矿物掺合料胶砂性能影响，参照 TB/T 3397—2015《CRTS 双块式无砟轨道混凝土轨枕》确定三种早强矿物掺合料配方，探究三种早强矿物掺合料对砂浆水化热、净浆温度变化、混凝土强度及电通量影响，结果表明：单掺 5% 硫酸钠、单掺 1% 硫氰酸钠、1% 硫酸钠与 0.05% 三乙醇胺复掺配制三种早强矿物掺合料，其胶砂活性均满足标准要求；并能够显著提升砂浆水化热、提前净浆温峰时间；按照 15% 胶凝材料取代全部粉煤灰及部分水泥后，均降低了混凝土 56d 电通量，且其混凝土 12h 蒸汽养护脱模强度分别提升了 14%、20.9%、27.9%。
［关键词］轨枕；早强；矿物掺合料；混凝土；耐久性
0 引言
高速度、高密度、长距离跨线运输是我国高速铁路的主要运营特点，无砟轨道使得铁路系统具有结构连续、平顺、稳定、耐久和少维修的性能，满足了行车安全、乘车舒适和准点行车的要求，近些年在全国各地得到了大力推广应用[1]
作为铁道轨道系统极为重要的承力部件——轨枕，也逐渐由整体式发展为双块式，双块式轨枕包括两块分别位于轨枕两端、表面平整的混凝土块，两混凝土块之间用钢筋桁架连接，在混凝土表面设置有与其固定连接的绝缘片，具有高平顺性和高可靠性的特点[2]；双块式轨枕一般采用预制的方式进行生产，混凝土采用蒸汽养护或自然养护，其强度等级为C60，脱模强度不低于40MPa，且抗冻性及电通量亦需满足相关要求[3]。为此，双块式轨枕生产企业在进行配合比设计时，普遍采用高胶凝材料用量、低矿物掺合料掺量、低水胶比的理念[4]，其中矿物掺合料多为粉煤灰，其在体系中掺量低于10%，降低混凝土早期强度有限，对混凝土后期耐久性的提升效果亦有限[5]。另外，在冬季气温较低时，为提升轨枕混凝土脱模强度，会选择在混凝土中添加早强外加剂，该类早强外加剂早强效果有限，还有可能存在养护后期强度倒缩、轨枕表面返碱、钢筋锈蚀等弊端[6]
为了解决双块式轨枕在生产中存在的脱模强度不足、矿物掺合料掺量低、使用早强外加剂后期强度倒缩等问题，本试验采用超细PO52.5水泥、矿粉、硅灰为主材，搭配不同有机、无机复合早强组分，制备了早强矿物掺合料，其技术指标符合TB/T 3397—2015《CRTS 双块式无砟轨道混凝土轨枕》的规定。研究了此早强矿物掺合料对砂浆、净浆水化热的影响，测试了掺入掺合料的轨枕混凝土的各项性能。制备的早强矿物掺合料不仅大幅度提升了轨枕混凝土脱模强度，且后期强度亦未下降，而且改善了混凝土的耐久性，为早强矿物掺合料在轨枕混凝土中的应用提供了理论依据。
1 试验
1.1 原材料
1.1.1 胶砂试验原材料
水泥：抚顺水泥有限公司PI42.5基准水泥、湖北亚东水泥有限公司超细PO52.5水泥。PO52.5水泥经过超细粉磨制备，比表面积505kg/m，中位径8.2m。
矿粉：S95级，武汉武新新型建材有限公司。
硅灰：SiO含量不低于90%，山西阳泉耐火材料厂。
硫氰酸钠（NS）：国药集团化学试剂有限公司，分析纯。
硫酸钠、三乙醇胺（TEA）：成都市科隆化学品有限公司，分析纯。
标准砂：厦门艾思欧标准砂，每袋净含量为(1350± 5)g。
1.1.2 砂浆、净浆水化热原材料
早强矿物掺合料：采用1.1.1节中的材料按照研发的配方配制三种早强矿物掺合料。
中砂：厦门艾思欧标准中砂。
I42.5基准水泥：抚顺水泥有限公司。
1.1.3 混凝土原材料
O52.5水泥：湖北亚东水泥有限公司。
粉煤灰：Ⅱ级，湖北能源集团鄂州发电有限公司。
细骨料：河砂Ⅱ区中砂（细度模数2.7），含泥量0.2%。
粗骨料：5～20mm连续级配碎石，压碎值6.3%，针片状颗粒2.2%。
减水剂：武汉三源特种建材有限责任公司，固含量 24%，减水率28%。
拌和水：自来水。
部分材料化学成分见表 1。
1.2 试验方法
早强矿物掺合料配方研发时，以超细P·O52.5水泥、矿粉、硅灰为主材，搭配不同有机、无机复合早强组分（硫酸钠、硫氰酸钠、三乙醇胺），配制早强矿物掺合料，按照10%掺量取代基准水泥，进行水泥胶砂试验；研究早强矿物掺合料对砂浆、净浆水化热影响时，三种不同配方早强矿物掺合料按照10%取代基准水泥；研究早强矿物掺合料对混凝土性能影响时，三种不同配方早强矿物掺合料按照15%取代C60轨枕混凝土中全部粉煤灰及部分水泥。
水泥胶砂试验依据GB/T 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》进行；砂浆水化热依据GB/T 12959—2008《水泥水化热测定方法》进行；净浆水化热依据JC/T 60014—2022《地下工程混凝土结构自防水技术规范》进行；混凝土试验参照 GB 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》中描述的方法搅拌与成型。采用蒸汽养护方式，过程如下列连续的4个步骤：（1）静置，在室温下静停3h；（2）升温，在2h内升温至40℃（升温速率15℃/h）；（3）恒温，在(40±2)℃恒温5h；（4）降温，在2h内降温至混凝土样品表面温度与环境温度差15℃（降温速率15℃/h）。蒸汽养护后，拆模、编号，在标准养护室内养护到设计龄期，分别检测12h蒸养抗压强度、28d、56d抗压强度及56d电通量。抗压强度试块尺寸为150mm×150mm×150mm，电通量试块尺寸为φ100mm×50mm。
2 结果与讨论
2.1 早强矿物掺合料配方研发
为使得早强矿物掺合料各项性能满足TB/T 3397—2015《CRTS 双块式无砟轨道混凝土轨枕》中的要求，选择超细PO52.5水泥作为早期强度活性组分，矿粉作为后期强度活性组分，硅灰作为高温活性组分，以这三种材料为主要材料，分别内掺无机早强组分硫氰酸钠与硫酸钠，研究两者单掺对早强矿物掺合料胶砂活性影响；选定无机早强组分后，外掺有机早强组分三乙醇胺，研究有机、无机早强组分复配后对早强矿物掺合料胶砂活性影响。
2.2 硫酸钠对早强矿物掺合料胶砂活性影响
固定超细PO52.5水泥、矿粉掺量分别为50%、25%，硫酸钠掺量（内掺）按照0%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%设置，其余组分为硅灰，配制早强矿物掺合料，并按照10%取代基准水泥进行胶砂试验，其试验结果见图1。由图1可知，随硫酸钠掺量增加，1d胶砂活性先升高后降低，在掺量为6%时达到最大（130%），且掺量达到5%及以上时，1d胶砂活性均满足TB/T 3397—2015（1d胶砂活性高于125%）的要求；28d胶砂活性则随硫酸钠掺量增加而不断下降，在掺量达到6%时，降低至100%以下，此时已不能满足TB/T 3397—2015（28d胶砂活性高于100%）的要求；所有配方中仅硫酸钠掺量为5%时，胶砂活性满足标准要求，但是此时体系中SO含量为3.41%，超出标准（3.0%）规定，故硫酸钠作为早强组分的体系不能满足标准要求；这主要是因为硫酸盐主要通过盐效应提高水泥浆体中的离子强度，与CA反应生产水化硫铝酸钙晶体，两种方式提高早期强度，其早强效果与SO含量关系密切，SO含量低时，早强效果不明显，含量高时，由于SO的膨胀属性，导致后期强度倒缩[7]
2.3 硫氰酸钠对早强矿物掺合料胶砂活性影响
固定超细PO52.5水泥、矿粉掺量分别为50%、25%，硫氰酸钠掺量（内掺）按照0%、0.2%、0.5%、0.7%、1%、2%、3%、4%、5%设置，其余组分为硅灰，配制早强矿物掺合料，并按照10%取代基准水泥进行胶砂试验，其试验结果见图2。由图2可知，随硫氰酸钠掺量增加，1d胶砂活性先升高后降低，在掺量为4%时达到最大（137%），且掺量达到1%及以上时，1d胶砂活性均满足标准要求；28d胶砂活性则随硫氰酸钠掺量增加而不断下降，但均高于100%。其原因主要是，硫氰酸钠中硫氰酸根离子属性为软碱，具有电负性小，对价电子的约束松弛，极化性大，容易氧化的特点[8]；其极化作用能够同时促进CS、CA及CAF的早期水化，在相同水化时间内生成更多的C-S-H和Aft等水化产物，提高早期强度[9]
2.4 硫氰酸钠与三异醇胺复掺对早强矿物掺合料胶砂活性影响
为进一步研究有机、无机组分复配对胶砂活性影响，并结合成本考虑，固定超细PO52.5水泥、矿粉、硫氰酸钠掺量分别为50%、25%、1%，三乙醇胺掺量（外掺）按照0%、0.03%、0.05%、0.07%、0.1%、0.3%、0.5%设置，其余组分为硅灰，配制早强矿物掺合料，并按照10%取代基准水泥进行胶砂试验，其试验结果见图3。
由图3可知，随三乙醇胺掺量增加，1d胶砂活性先升高，后略降低，逐渐趋于平稳，在掺量为0.1%时达到最大（140%），且所有试验组胶砂活性均满足标准要求；28d胶砂活性则随三乙醇胺掺量增加而不断下降，但均高于100%。与单掺硫氰酸钠体系相比，三乙醇胺掺量为0.05%时，其1d胶砂活性即与硫氰酸钠最高试验组相当，表明三乙醇胺与硫氰酸钠复掺对早期强度具有显著的提升效果。其主要原因可能是，三乙醇胺具有乳化作用，在水泥浆体中掺入三乙醇胺后，三乙醇胺分子吸附于水泥颗粒的表面，形成一层带电的亲水膜，降低溶液的表面张力，加速水对水泥颗粒的润湿和渗透，使水泥颗粒可以更好地与水接触，加强因水化作用而引起的固相体体积膨胀，使水泥颗粒的胶化层不断剥落，从而促进水泥颗粒的水解[10]。两者复掺后一方面相互促进了与水泥颗粒的接触，另一方面加强了水泥颗粒各矿相的溶解水化，起到了叠加效应。
结合硫酸钠、硫氰酸钠及其与三乙醇胺复配对早强矿物掺合料胶砂性能影响试验数据，选择三个早强矿物掺合料配方进行性能研究试验，三个配方分别为超细PO52.5水泥:矿粉:硅灰:硫酸钠= 50:25:20:5，记为5% NaSO + 0% TEA；PO52.5水泥:矿粉:硅灰:硫氰酸钠= 50:25:24:1，记为1% NaSCN + 0% TEA；PO52.5水泥:矿粉:硅灰:硫氰酸钠:三乙醇胺= 50:25:24:1: 0.05，记为1% NaSCN + 0.05% TEA。
2.5 早强矿物掺合料性能研究
2.5.1 早强矿物掺合料对砂浆水化热影响
三种不同配方早强矿物掺合料取代基准水泥砂浆水化热试验结果见图4。由图4可知，10h前掺早强矿物掺合料试验组水化热均低于对照组，10h后，试验组水化热高于对照组。这主要是因为，早强矿物掺合料中有部分组分早期无水化活性，等量取代水泥后，早期主要发挥稀释作用，导致10h前水化热降低。各试验组24h累计水化热数据表明：单掺硫酸钠与单掺硫氰酸钠体系累计水化热相差不大，且较对照组提升约12%；双掺硫氰酸钠与三乙醇胺试验组累计水化热较对照组提升约21%，三种配方变化规律与胶砂数据基本吻合。
2.5.2 早强矿物掺合料对净浆温度影响
三种不同配方早强矿物掺合料取代基准水泥净浆温升试验结果见图5。由图5可知，掺早强矿物掺合料试验组，前12h温度均高于对照组，且不同配方早强掺合料试验组最高温度基本相同；同时各试验组温峰的出现时间均有所提前，硫酸钠体系仅提前25min，硫氰酸钠及其与三乙醇胺复配体系提前80min；表明硫氰酸钠体系的早强效果更优于硫酸钠体系。
2.5.3 早强矿物掺合料对混凝土性能影响
以C60混凝土配方为基准，采用三种不同配方早强矿物掺合料按照15%胶凝材料掺量取代全部粉煤灰及部分水泥，基准混凝土配合比（kg/m）为：m（水泥）: m（粉煤灰）: m（砂）: m（石）: m（水）: m（减水剂）= 432:48:635:1200:135:5.8；掺早强矿物掺合料配合比（kg/m）为m（水泥）: m（早强矿物掺合料）: m（砂）: m（石）: m（水）: m（减水剂）= 408:72:635:1200: 135:5.8。相关试验数据见表 2，由表 2可知，未掺加早强矿物掺合料的混凝土12h蒸汽养护强度只有43MPa，而三种不同配方（单掺硫酸钠、单掺硫氰酸钠、硫氰酸钠与三乙醇胺复掺）早强矿物掺合料取代粉煤灰及部分水泥后，混凝土12h蒸汽养护强度达到了49MPa、52MPa、55MPa，分别提高了14%、20.9%、27.9%。对混凝土早期脱模强度提升效果以硫氰酸钠与三乙醇胺复配效果最优，单掺硫酸钠效果最差，所有试验组后期强度也明显高于基准组。其原因主要是，早强矿物掺合料中早强组分能够通过加速CA的水化在熟料矿物表面吸附形成络合物、同水化产物Ca(OH)形成络合物等方式提升早期强度[11]，而早强矿物掺合料中的矿粉、硅灰相比于粉煤灰而言具有更高的活性，在水化后期仍能够进行二次水化，确保后期强度仍有所提升。
掺加早强矿物掺合料后，均降低了混凝土56d电通量，且单掺硫氰酸钠试验组效果最优，硫氰酸钠与三乙醇胺复掺试验组效果次之，单掺硫酸钠试验效果最差。其原因在于，三种早强矿物掺合料中的矿粉和硅灰具有填充密实效应，改善了混凝土内部孔结构，延长了毛细管通道，阻止了可能形成的渗透通道，从而增强了混凝土抗氯离子渗透性能，降低了电通量；而硫酸钠作为早强组分，其主要通过在早期生成钙矾石的方式提升早期强度，与C-S-H凝胶相比，钙矾石的稳定性欠佳，随着龄期的增加，体系的密实度有所降低，故而其电通量改善效果在三种早强掺合料配方中最差；与单掺硫氰酸钠体系相比，硫氰酸钠与三乙醇胺复配其早期强度发展更加迅猛，短时间内生成的大量水化产物，颗粒尺寸大，导致界面过渡区孔隙率升高，降低了体系抗氯离子渗透性能，增加了56d电通量。
3 结论
（1）硫氰酸钠作为早强组分时，其掺量为1%时，早强矿物掺合料胶砂活性即满足TB/T 3397—2015《CRTS 双块式无砟轨道混凝土轨枕》要求，但1d胶砂活性仅与标准要求持平，复配0.05%三乙醇胺后，效果大幅度提升，1d胶砂活性超出标准要求10%；硫酸钠作为早强组分，能够满足标准胶砂活性要求，但其SO含量超标，不宜用于配制早强矿物掺合料；
（2）单掺硫酸钠、单掺硫氰酸钠及硫氰酸钠与三乙醇胺复配早强矿物掺合料取代10%基准水泥后，24h砂浆水化热较对照组分别提升12%、12%、21%；净浆温峰时间分别提前25min、80min、80min；
（3）单掺硫酸钠、单掺硫氰酸钠及硫氰酸钠与三乙醇胺复配早强矿物掺合料按照15%胶凝材料取代全部粉煤灰及部分水泥后，其混凝土12h蒸汽养护脱模强度分别提升了14%、20.9%、27.9%，同时均降低了混凝土56d电通量。
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供稿人：朱本谦，刘勇
编辑员：李海亮
审核人：孙继成，宁夏
【标准规范】
【会议培训】
第十届全国建筑固废和余泥渣土处理及资源化利用大会暨中国砂石协会建筑固废利用分会年会
2025第二十一届全国商品混凝土可持续发展论坛暨2025中国商品混凝土年会
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[绿满庭院]《HJ建筑围护结构自保温技术体系》推广等
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