劉光嚴(yán) 穆松 蔡景順 諶睿 王濤

1.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司 高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shè)發(fā)展迅速，截至2021年底我國高速鐵路運(yùn)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(wěn)定性好、軌道平順性好、自重輕等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能避免高速行車產(chǎn)生的道砟飛濺，有利于保持路線穩(wěn)定性［2］。無砟軌道包括預(yù)制混凝土構(gòu)件和現(xiàn)澆混凝土兩部分［3］，軌道結(jié)構(gòu)直接暴露于復(fù)雜的大氣環(huán)境中，經(jīng)受外界環(huán)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(qū)每年冬季寒冷漫長、晝夜氣溫變化大，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性能提出了較高的要求?；炷羶鋈谄茐臅?huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)損傷、強(qiáng)度降低等，進(jìn)一步產(chǎn)生表面粉化、裂縫擴(kuò)展等現(xiàn)象［6-7］。工程實(shí)踐表明，部分地區(qū)無砟軌道現(xiàn)澆混凝土使用過程中出現(xiàn)了凍融破壞的問題，有的區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重粉化和鋼筋外露的現(xiàn)象。隨著我國北方地區(qū)沈白、哈伊等高速鐵路的建設(shè)，開展高速鐵路無砟軌道現(xiàn)澆混凝土抗凍性能研究、提升無砟軌道現(xiàn)澆混凝土抗凍性能，對(duì)于延長結(jié)構(gòu)使用壽命、減少后期維護(hù)和節(jié)約成本具有重要意義?；炷量箖鲂阅苁艿降V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(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定了不同環(huán)境作用等級(jí)和使用年限條件下鐵路混凝土應(yīng)滿足的抗凍性能指標(biāo)和配合比參數(shù)。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(xiàn)［13］對(duì)比了硅烷疏水處理對(duì)混凝土抗鹽凍性能的影響，疏水處理后混凝土鹽凍剝落質(zhì)量降低了90%。文獻(xiàn)［14］通過試驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)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(nèi)摻型疏水材料，摻入到混凝土中后能與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成納米顆粒，通過密實(shí)和疏水兩方面的效應(yīng)提升混凝土抗侵蝕能力，減少混凝土內(nèi)小孔數(shù)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(duì)混凝土抗凍性能具有提升作用，因此可將侵蝕抑制材料應(yīng)用到高速鐵路無砟軌道現(xiàn)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(duì)無砟軌道現(xiàn)澆混凝土抗凍性能的影響，揭示侵蝕抑制材料對(duì)無砟軌道混凝土抗凍性能提升的作用機(jī)制。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

本次試驗(yàn)所使用膠凝材料的化學(xué)組成見表1。其中水泥為江南小野田公司生產(chǎn)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(xué)組成 %

細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)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(chǎn)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(jī)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(yàn)成型無砟軌道現(xiàn)澆混凝土配合比見表2。其中第一組（CS0）為對(duì)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(duì)比驗(yàn)證使用不同摻量的侵蝕抑制材料后無砟軌道現(xiàn)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(yàn)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(shí)篩出部分砂漿采用GERMANN 公司生產(chǎn)的AVA3000 新拌混凝土氣泡分析儀進(jìn)行測試，該儀器能測試新拌混凝土內(nèi)直徑在2 000 μm 范圍內(nèi)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(qiáng)度試塊和凍融試塊。混凝土試件帶模養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，并放入溫度為（20 ± 2）℃、相對(duì)濕度為95%的養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

混凝土吸水率測試依據(jù)JC/ T 2553—2019 中的吸水率測試方法進(jìn)行：混凝土脫模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)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(jù)GB/ T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試混凝土在不同齡期抗壓強(qiáng)度。依據(jù)GB/ T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)方法進(jìn)行混凝土快速凍融試驗(yàn)和單面鹽凍試驗(yàn)。采用耐爾得公司生產(chǎn)的NELD?BS630硬化混凝土氣泡分析儀對(duì)硬化后混凝土氣泡特征進(jìn)行測試，硬化氣泡測試采用直線導(dǎo)線法，掃描面積為80 mm × 80 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)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(duì)混凝土工作性能影響不明顯?；炷梁瑲饬繙y試結(jié)果見表3?？芍?，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(shì)，當(dāng)侵蝕抑制材料用量為40 kg/m3時(shí)，混凝土含氣量已經(jīng)降低到3.3%。

表3 新拌混凝土含氣量 %

新拌混凝土內(nèi)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(nèi)氣泡具有細(xì)化的趨勢(shì)，并且隨著摻量的增加，氣泡細(xì)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(nèi)氣泡數(shù)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?xì)馀菘倲?shù)量的35.9%，直徑在300 μm以上的氣泡占?xì)馀菘倲?shù)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(nèi)氣泡直徑減小，當(dāng)侵蝕抑制材料用量為10、20 kg/m3時(shí)，混凝土內(nèi)氣泡最小直徑僅為75 um，相對(duì)于空白組125 μm 的最小直徑明顯降低，此時(shí)直徑在300 μm 以下的氣泡占?xì)馀菘倲?shù)量的78.2%和62.5%，表明侵蝕抑制材料具有細(xì)化混凝土內(nèi)氣泡的效果。當(dāng)侵蝕抑制材料摻量進(jìn)一步提升后，其對(duì)混凝土內(nèi)氣泡的優(yōu)化作用并未體現(xiàn)，反而有劣化趨勢(shì)：一方面當(dāng)侵蝕抑制材料用量為40 kg/m3時(shí)，對(duì)含氣量的提升作用減弱，此時(shí)混凝土含氣量僅為3.3%；另一方面混凝土內(nèi)大氣泡數(shù)量增加，直徑在300 μm以下的氣泡占?xì)馀菘倲?shù)量的45.9%，此時(shí)新拌混凝土內(nèi)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(qiáng)度

通過吸水率表征混凝土疏水性能的變化，吸水率測試結(jié)果見表4?？芍?，當(dāng)侵蝕抑制材料摻量分別為10、20、40 kg/m3時(shí)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(dǎo)致混凝土具有一定的疏水特性，抑制水分向混凝土內(nèi)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?；炷廖实慕档湍苡行б种魄治g性離子向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，同時(shí)凍結(jié)過程中混凝土內(nèi)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(xiàn)澆混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度見圖2?？芍? d 齡期時(shí)CS0 抗壓強(qiáng)度為62.1 MPa，CS1、CS2、CS4 三組混凝土抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度提升幅度也逐漸增加，在28 d 齡期時(shí)呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。在56 d 齡期時(shí)CS1、CS2 和CS4 三組混凝土抗壓強(qiáng)度相對(duì)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(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度具有提升效果。這是因?yàn)槭褂们治g抑制材料后，混凝土內(nèi)部納米顆粒填充并優(yōu)化了混凝土孔結(jié)構(gòu)，從而使得混凝土強(qiáng)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(dǎo)致混凝土強(qiáng)度增加的一個(gè)原因。

圖2 混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度

2.3 混凝土抗凍性能

混凝土鹽凍循環(huán)過程中表面剝落物的質(zhì)量和超聲波相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化見圖3?？芍孩倏瞻捉M混凝土在28次鹽凍循環(huán)完成后，表面剝落物的質(zhì)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(zhì)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(zhì)量先降低后增加。侵蝕抑制材料摻量較少時(shí)對(duì)混凝土鹽凍性能影響較小，當(dāng)摻量為20 kg/m3時(shí)混凝土表面剝落物的質(zhì)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(huán)完成后，CS0、CS1、CS2和CS4混凝土表面剝落物的質(zhì)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(zhì)量分別為空白組混凝土的89.6%、47.3%、213.9%。此時(shí)混凝土表面剝落物的質(zhì)量變化規(guī)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(dāng)摻量為20 kg/m3時(shí)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(duì)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(huán)完成后，CS0、CS1、CS2和CS4混凝土試件的相對(duì)動(dòng)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(duì)動(dòng)彈性模量變化并不顯著。這是由于在測試混凝土聲時(shí)過程中，超聲發(fā)射器和接收器均在試件中軸位置，鹽凍循環(huán)過程中該深度處混凝土并未發(fā)生明顯的損傷，因此測試混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量并未發(fā)生明顯的改變。

圖3 混凝土鹽凍循環(huán)測試結(jié)果

混凝土快速凍融循環(huán)300次后的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量變化曲線見圖4。可知：在凍融循環(huán)完成后空白組混凝土質(zhì)量損失率為0.7%，CS1、CS2 和CS4 混凝土的質(zhì)量損失率分別為0.7%、0.5%、0.9%，此時(shí)混凝土的質(zhì)量損失率變化規(guī)律與鹽凍后混凝土表面剝落物的質(zhì)量變化規(guī)律基本一致：侵蝕抑制材料摻量較少時(shí)對(duì)混凝土抗凍性能影響較??；隨著侵蝕抑制材料摻量進(jìn)一步增加，混凝土抗凍性能先增加后降低；當(dāng)摻量為20 kg/m3時(shí)能顯著提升混凝土的抗凍性能?？焖賰鋈谘h(huán)完成后，空白組混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量為94.4%，而CS1、CS2、CS4 混凝土的相對(duì)動(dòng)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(duì)動(dòng)彈性模量降低最為明顯，這與混凝土內(nèi)部含氣量較低且氣泡尺寸增大有關(guān)，較低的含氣量導(dǎo)致了混凝土抗凍性能的劣化，表現(xiàn)為剝落質(zhì)量的增加和相對(duì)動(dòng)彈性模量的顯著降低。因此，合適摻量的侵蝕抑制材料對(duì)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(huán)測試結(jié)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(duì)混凝土抗凍性能產(chǎn)生差異的原因，對(duì)不同混凝土的硬化氣泡特征進(jìn)行測試分析。測試結(jié)果見圖5?？芍嚎瞻捉M混凝土平均氣泡間隔系數(shù)為327 μm，隨著侵蝕抑制材料摻量的增加，混凝土內(nèi)平均氣泡間隔系數(shù)呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì)。當(dāng)侵蝕抑制材料摻量分別為10、20、40 kg/m3時(shí)，混凝土內(nèi)平均氣泡間隔系數(shù)分別為281、256、369 μm。同時(shí)，空白組混凝土內(nèi)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(shí)氣泡平均弦長明顯降低。當(dāng)侵蝕抑制材料用量為10、20 kg/m3時(shí)，混凝土氣泡平均弦長為135、109 μm，而比表面積也相應(yīng)增加為29.6、36.7 mm-1。

圖5 混凝土硬化氣泡圖像

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在使用20 kg/m3的侵蝕抑制材料材時(shí)混凝土平均氣泡間隔系數(shù)相對(duì)于空白組降低了21.7%，比表面積增加了56.8%。硬化混凝土內(nèi)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(nèi)氣泡具有變小的趨勢(shì)，同時(shí)混凝土內(nèi)氣泡分布更加均勻，證明侵蝕抑制材料具有細(xì)化混凝土內(nèi)氣泡的作用。平均氣泡間隔系數(shù)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(jié)果與新拌混凝土氣泡測試結(jié)果、抗凍性能測試結(jié)果相一致。

3 結(jié)論

1）侵蝕抑制材料能有效降低無砟軌道現(xiàn)澆混凝土的吸水率，同時(shí)提升混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)侵蝕抑制材料摻量為20 kg/m3時(shí)混凝土吸水率相對(duì)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(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。侵蝕抑制材料摻量為20 kg/m3時(shí)對(duì)無砟軌道現(xiàn)澆混凝土抗凍性能的提升最為顯著，84 次鹽凍循環(huán)后混凝土表面剝落物的質(zhì)量降低了52.7%，300 次快速凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率僅為0.5%。

3）侵蝕抑制材料具有細(xì)化混凝土內(nèi)氣泡的效果，硬化后無砟軌道現(xiàn)澆混凝土內(nèi)氣泡直徑減小，分布更加均勻。當(dāng)侵蝕抑制材料用量為在20 kg/m3時(shí)，硬化混凝土內(nèi)平均氣泡間隔系數(shù)為256 μm，相對(duì)于僅使用引氣劑混凝土降低了21.7%。