无砟轨道底座板混凝土结构耐久性能试验分析.pdf

文 章编 号 ：l 0 0 7 - 0 4 6 X ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 2 5 0 6 生态建材 无砟轨道底座板混凝土结构耐久性能试验分析 E x p e r i m e n t a l A n a l y s i s o f t h e D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e S t r u c t u r e o f B a l l a s t l e s s T r a c k B a s e P l a t e 张贤超 ，李 伟 ( 1 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ；2 山东高速青岛胶州湾大桥投资发展有限公司，山东胶州 2 6 6 3 0 0 ) 摘要 ： 关键词 结合石武客运专线，综合考虑坍落度 、力学性能、电通量等试验指标 ，优化配合比设计，采用 S E M 电镜 扫描、XRD物相分析等微观测试方法，研究无砟轨道底座板混凝土结构在酸雨和碳化耦合条件 下微观结 构的变化规律 ，分析其对混凝土性能产生的影响。试验结果表明：在酸雨和碳化侵蚀作用下，底座板混 凝土表层结构局部较疏松 ，孔隙增加 ，且随龄期增加 ，板状 C a ( OH) ，晶体含量逐渐减少，混凝土强度均 有所降低，降低最大值达 2 7 ；中性化深度也随侵蚀周期的增加而增大，且 T模式中性化深度最大。 无渣轨 道 ；酸 雨 ；碳化 ；微 观 分析 ；耦 合 作 用 中 图分 类 号 ：T U5 2 8 3 1 文 献 标 志码 ：A Ab s t r a c t ： C o mb i n e d wi t h S h i Wu P a s s e n g e r De d i c a t e d L i n e ， t h e i n d e x o f t h e s l u mp me c h a n i c a l p r o p e r t i e s e l e c t r i c fl u x t e s t i n d e x we r e c o n s i d e r e d a n d t h e mi x t u r e r a t i o o f d e s i g n we r e a l s o o p t i mi z e d Th e p a p e r i n v e s t i g a t e d t h e mi c r o s c o p i c s t r u c t u r a l S v a r i a t i o n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e f o r n o n b a l l a s t e d t r a c k b a s e p l a t e u n d e r t h e c o u p l i n g c o n d i t i o n s o f a c i d r a i n a n d c a r b o n i z a t i o n b y u s i n g mi c r o -t e s t i n g me t h o d s s u c h a s S EM a n d XRD， a n d t h e e f f e c t o f v a r i a t i o n o n c o n c r e t e p e r f o r ma n c e h a d a l s o b e e n a n a l y z e d Re s u l t s s h o we d t h a t wh e n t h e c o n c r e t e wa s e r o d e d i n c o u p l i n g c o n d i t i o n s o f a c i d r a i n a n d c a r b o n c o r r o s i o n ， C 4 0 h i g h p e r for ma n c e c o n c r e t e s p e c i me n s p r o d u c e d a c e r t a i n a mo u n t o f a c i c u l a r a n d c o l u mn a r e t t r i n g i t e ， t h e s u r f a c e s t r u c t u r e wa s l o o s e ， a n d p o r e i n c r e a s e d i n a d d i t i o n ， p l a t e Ca( 0H) 2 c r y s t a l c o n t e n t g r a d u a l l y d e c r e a s e d wi t h i n c r e a s i n g o f a g e， t h e c o n c r e t e s t r e n g t h d e c r e a s e d ， t h e ma x i mu m r e d u c i n g v a l u e r e a c h e d t o 2 7 ， wh a t S mo r e ， t h e d e p t h o f n e u t r a l i z a t i o n i n c r e a s e d wi t h a g e ， n e u t r a l i z a t i o n o f T mo d e wa s t h e d e e p e s t Ke y wo r d s ： No n b a l l a s t e d t r a c k： Ac i d r a i n ： Ca r b o n a t i o n ： Mi c r o s c o p i c a n a l y s i s ：Co u p l i n g e f f e c t 0 前 目 无砟轨道底座板作为无砟轨道系统的重要组成部分， 其工程质量的优劣对高速铁路运行工程中的舒适性、安全 性、耐久性和使用寿命均有较大影响。 1 试 验 1 1 原材料 水泥 ( C)：4 2 5 级普通硅酸盐水泥，水泥性能指标 见表 1 ；细集料 ( S )：湘江河砂，细度模数 2 6 ，符合 区级配要求；粗集料 ( G)：湘江河卵石，5 2 6 5 m m连 续级配，压碎指标为5 0 ；减水剂：WS N 一 3 0 型缓凝高效 减水剂，粉煤灰 ( F A)：黄埔电厂生产的 级粉煤灰， 主要物理性能见表 2 ；矿渣 ( S G)：产地山东恒润，主要 物理性能见表 2 ；化学试剂：H ， s O ( 浓度9 5 9 8 )、 H N O 3 ( 浓度 6 5 一 6 8 )、M g S O 4 、( N H 4 ) 2 S O 4 、C a S O 4 2 H 2 0 ( 均为分析纯 a n a l y t i c a l l y p u r e A P级 ，市售 )；水 ：自 来水。 表 1 水泥性能指标 2 2 0 1 3 粉煤灰 2 5 表 2 粉煤灰及矿渣物理性能 1 2 试验方案 1 2 1 配合比设计 依据科技基 ( 2 0 0 5 ) 1 0 1 号 客运专线高性能混凝土暂 行技术条件、T Z 2 1 0 -2 0 0 5 铁路混凝土工程施工技术 指南、T B 1 0 4 2 4 -2 0 0 3 铁路混凝土与砌体工程施工质 量验收标准等相关规定， 综合考察混凝土坍落度、2 8 d 和 5 6 d 抗压强度、2 8 d 和 5 6 d 劈裂抗拉强度、5 6 d 抗氯 离子渗透能力 ( 6 h库仑电量 ) 等评价指标，优选混凝土 配合比参数。 固定胶凝材料总用量为3 7 0 k g m 3 、砂率4 4 不变，变化水胶比为 0 3 5 、0 4 5和 0 5 5 ，集料最大粒径 2 6 5 m m，由减水剂控制坍落度为 ( 1 6 0 2 0 ) m m，不 同掺量 ( 0 、4 0 、5 0 、6 0 和 7 0 ) F A S G复合粉体 以优选出的掺量比例 ( F A ： S G = I ： 4 )等量取代水泥配制C 4 0 混凝土，以期获得和易性及均匀性良好、满足规范C 4 0 强 度等级要求及抗氯离子渗透能力良好的 C 4 0 高性能化混凝 土，并以此配合比配制 C 4 0 裔陛能化混凝土，见表3 、 表 4 。 表 3 C 4 0高性能化混凝土配合比 注：减水剂掺量为胶凝材料百分比，细集料用量均为 1 0 3 0 k g m ，粗集料用量均为 8 1 0 k g m 。 表 4 C 4 0高性能化混凝土耐蚀试验配合比 注： ( 1 )B7配比中 F AS G掺量 7 O ，F A： S G = I ： 4 。 ( 2 )减水剂掺量为胶凝材料百分比。 1 2 2 侵蚀试验模拟 在进行模拟酸雨侵蚀试验时，如果混凝土测试试件处 于饱水状态，则导致 c 0 有效扩散系数小， 难以侵入混凝 土中。鉴于采用酸雨、碳化交替作用于混凝土试块，由于 2 6 COAL AS H 2 2 01 3 混凝土受酸雨侵蚀和碳化作用机理不同，腐蚀后混凝土表 层结构的产物也不同，所以测试试件酸雨侵蚀与碳化的先 后顺序对测试结果的影响较大。为了探明这两种模式的先 后顺序对 C 4 0高性能化混凝土性能的影响规律，研究中分 4 种模式进行试验。 ( 1 )S T模式：先酸雨侵蚀再快速碳化模式。即：酸 雨侵蚀试验 2 0 次循环+ 7 d 碳化试验，记为 1 周期，共进 行 6 个周期。其中酸雨侵蚀试验时 1 次循环为喷淋 1 6 h + 自然放置 8 h 进行。 ( 2 ) T s 模式： 先快速碳化再酸雨侵蚀模式。即：7 d 碳化试验+酸雨侵蚀试验 2 0次循环，记为 1 周期，共进 行 6 个周期。其中酸雨侵蚀试验时 1 次循环为喷淋 1 6 h + 自然放置 8 h进行。 ( 3 ) s模式：模拟酸雨侵蚀试验，1次循环为喷淋 1 6 h +自然放置8 h 进行，分别进行2 O 次、 4 0次、6 0 次、 8 0次、1 0 0次和 1 2 0次循环，以进一步说明单因素对混 凝土耐久性能的影响规律。 ( 4 ) T模式：快速碳化试验，分别进行 7 d 、1 4 d 、 2 1 d 、2 8 d 、3 5 d和4 2 d 试验，以进一步说明单因素对混 凝土耐久性能的影响。 试验每进行 1 周期，分别测试试件的抗压强度、中性 化深度、内部 p H值。 1 2 3 微观结构试验 ( 1 )电镜扫描试验：将进行中性化深度的试件，在其 劈开断面上取一定大小块状砂浆样品，浸泡于无水乙醇中， 电镜扫描前再将样品取出使其干燥。试验采用日本电子 株式会社 ( J E O L) 公司生产的J S M一 6 3 6 0 L V型扫描电子显 微镜 ( S c a n n i n g E l e c t r o n Mi c r o s c o p e ，简称 S E M)观察样 品微观形貌。仪器加速电压为 2 0 k v 。 ( 2 ) X R D分析： 将进行中性化深度的试件，在其劈 开断面上取一定大小浆体薄片，磨细过 8 0 i n 筛，收集此 粉末进行 X R D分析。仪器条件：2 5 m A ，4 0 k V ，c u靶。 2 性能研究 2 1 抗压强度结果与分析 由表5 分析可知，在酸雨和碳化双重侵蚀作用下，不 管是s T模式还是 T s 模式， 在试验初期，混凝土试件抗压 强度均逐步增长，主要是因为模拟酸雨溶液中的侵蚀离子 H + 和 s 0 4 一 与 C a ( O H ) 作用生成 C a S O 2 H 2 O，此阶段 C a S O 4 2 H ， O晶体仅仅起密实填充作用，使混凝土内部孑 L 隙 减小，混凝土试件强度有所增长；而碳化同样可使混凝土 试块更加密实，提高其抗压强度。侵蚀中后期，随着干湿 循环次数增加，H + 和 S 0 z 一 侵蚀进一步深入，c 0 ， 也进一 步消耗 C a ( O H ) ， ，当混凝土试块内部 p H值下降到一定程 度时，碱性水化产物开始分解、溶出，造成溶蚀破坏，同 时生成的 C a S O 4 2 H ， O也逐渐增多，干燥时在孔隙中结晶 膨胀，产生的膨胀压将对混凝土强度带来影响，试验中表 现出后期混凝土抗压强度下降的趋势。其中 B 0混凝土抗 压强度在 T s 模式下有继续上升的趋势。 表 5 各模式侵蚀后混凝土抗压强度值 MP a 注： ( 1 )T O表示侵蚀周期为 0 ，即标养 2 8 d时的抗压强度。 ( 2 )T i( _1 -6 )表示第 i 周期。 2 2 中性化深度结果与分析 不同侵蚀制度 s T 、T s 、s 、T模式，C 4 0高性能化混 凝土和基准混凝土各进行 6 个周期循环试验。中性化深度 值试验结果见表 6 。由表 6可知：先碳化时，C O ， 扩散到 混凝土内部与水结合形成碳酸，并与 C a ( O H ) ， 、水化硅酸 钙反应，使混凝土中性化发展迅速；酸雨溶液中的侵蚀离 子 H + 侵入混凝土后，进一步与C a ( O H ) ， 发生反应，加速了 其中性化进程，所以先碳化后酸雨侵蚀的混凝土试件中性 化深度大 ；而先酸雨后碳化的试件，C a ( O H ) ， 与酸雨溶液 中的 s O z 一 反应生成石膏，干湿交替时结晶膨胀填充混凝 土孔隙通道，碳化时C 0 ， 很难扩散进入，且酸雨溶液使混 凝土试件内部孔隙湿度增大，对 c O ： 的扩散速度起阻碍作 用，所以先酸雨后碳化的混凝土中性化深度较小。我们将 通过受侵蚀混凝土微观结构变化做具体分析【 2 l 。 2 _3 电镜扫描 ( S E M ) 结果与分析 目前国内外对于混凝土的碳化已开展了大量的试验研 究。混凝土的中性化问题，主要是由碳化引起，酸雨贡献 不大。因此，在混凝土碳化研究基础上，主要考虑酸雨侵 蚀对混凝土中性化的影响，对先酸雨后碳化 ( s T) 侵蚀后 混凝士试块表层进行取样，进行微观 S E M，开展 s T模式 下混凝土不同侵蚀龄期的内部形貌和孔缝研究分析。 2 2 0 1 3 粉煤灰 2 7 2 4 X 一 衍射 ( X R D) 结果及分析 为了分析混凝土试件在酸雨和碳化耦合作用后的侵蚀 产物，探讨对混凝土试件性能产生影响的原因，在 S E M的 试验基础上，选择 s T模式下的混凝土试块压碎，于0 5 m m部位取样，干燥粉磨过 8 0 i n 筛后进行 X R D分析。 分析结果如图 3 所示。 B1 S T6 Bl S T3 Bl S T1 B1 标养 2 8 d b ： C a ( OH ) 2 c ： C a C O3 a h I 已 E e J J I I b - a i c e 1b a 一 一 b b c 一 b P p P h iI d I ： C a 3 a 以 乙 h J L 。 一i | a | I i f _ 。- ， -_- L l 0 2 0 _j U 4 O 5 o 6 o 7 U 2 0 ( 。 ) ( b) C 4 0高性能化混凝土 XR D 图 3 S T模式侵蚀后混凝土的 X R D图 从图 3可以看出，试件经先酸雨后碳化侵蚀循环后， 试件中有 C a C O ， 生成，且 C 4 0 高性能化混凝土试件 C a C O ， 的生成量大大高于基准混凝土试件，试件侵蚀后并未发现 有 C a S 0 4 2 H ， O的生成 ， C a C O 是主要的生成产物 ；基准混 凝土在侵蚀全过程均有产物 C a ( O H ) ， ，C 4 0高性能化混凝 土从侵蚀第一周期起并未发现产物 C a ( O H ) ， ，表明试件表 层碱性环境已被破坏I 6 】 。因此，模拟酸雨喷淋和快速碳化 侵蚀作用下，试件的中性化主要是碳化所引起，模拟酸雨 喷淋对混凝土的中性化贡献不大，侵蚀后混凝土的性能主 要受影响碳化速度的各种因素的影响7 1。 3 结 论 ( 1 )酸雨和碳化侵蚀后混凝土抗压强度均大于初始 强度；抗压强度变化较基准混凝土更为敏感，在侵蚀前期 强度值逐步上升，侵蚀后期则呈下降趋势，但强度值均 3 3 _ 3 M P a ， 满足无砟轨道底座板混凝土强度要求。 ( 2 ) 基准混凝土在整个侵蚀龄期内，可见一定量针状 和柱状的钙矾石生成，表层结构局部较疏松；随龄期增加 板状 C a ( O H ) ， 晶体含量逐渐减少，侵蚀后期试件表层絮凝 状产物结构开始模糊，呈溶蚀现象；C 4 0高性能化混凝土 随着侵蚀周期的增加， 试件表层絮凝状产物和板状C a ( O H ) ， 晶体逐渐减少直至消失，结构变得疏松，孔隙增加，侵蚀 6 个周期后，无产物形貌特征。 ( 3 ) 经酸雨和碳化侵蚀循环后 ，混凝土试件中有 C a C O 生成，且 C 4 0高性能化混凝土试件中C a C O 的生成 量大大高于基准 昆凝土试件 ，试件侵蚀后并未发现有 C a S Q 2 H ， O的生成，C a C O 是主要的生成产物；基准混凝 土在侵蚀全过程均有产物 C a ( O H ) ， ，C 4 0高性能化混凝土 从侵蚀第一周期起并未发现产物 C a ( O H ) ， ，表明试件表层 碱性环境已被破坏。因此，模拟酸雨喷淋和快速碳化侵蚀 作用下，试件的中性化主要是碳化所引起，模拟酸雨喷淋 对混凝土的中性化贡献不大，侵蚀后混凝土的性能主要受 影响碳化速度的各种因素的影响。 参考文献 1 杨静 混凝土的碳化机理及其影响因素 J 混凝土， 1 9 9 6 ( 6 ) ： 2 3 - 2 8 2 HOUS T Y F ， WI T T MAN N F H I n fl u e n c e o f p o r o s i t y a n d wa t e r c o n t e n t o n t h e d i f f us i v i t y of CO2 a n d 02 t h r o u g h h y d r a t e d c e me n t p a s t e J Ce me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 4 ， 2 4 ( 6 ) ： l l 6 5 l 1 7 6 3 P AR R OT T L J ， KI L L O H D C C a r b o n a t i o n i n a 3 6 y e a r o l d ， i n - s i t u c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 8 9 ， 1 9 ( 4 ) ： 6 4 9 - 6 5 6 4 P AP AD AKI S V G， VOYE NAS C G F u n d a me n t a l mo d e l i n g a n d e x p e r i me n t a l i n v e s t i g a t i o n o f c o n c r e t e c a r b o n a t i o n J AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 1 ( 8 8 ) ： 3 6 3 - 3 7 3 5 】KA N A Z U T ， MA T S U MU R A T ， NI S H I U C H I L e t a 1 E f f e c t o f s i mu l a t e d a c i d o n d e t e r i o r a t i o n o f c o n c r e t e E J Wa t e r ， Ai r ， a n d S o i l P o l l u t i o n ， 2 0 0 1 ， 1 3 0 ( 1 - 4 ) ： 1 4 8 1 - 1 4 8 6 6 廉慧珍， 童 良， 陈恩义 建筑材料物相研 究基础 M 北京： 清华大学 出版社， 1 9 9 6 7 CE U KE L AI RE L D E f f e c t s o f h y d r o c h l o r i c a c i d o n mo r t a r J 】 C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 2 ， 2 2 ( 5 ) ： 9 0 3 9 1 4 作者简介：张贤超( 1 9 8 5 一) ， 男， 硕士研究生， 从事新型建筑材料研究 E ma i l ：z x c h a o 0 5 2 1 l 6 3 c o rn。李伟硕士学位 ，通讯地址 ： 青岛市苗岭 路2 9 号山东高速大厦l 8 O 8 房间 ，邮编： 2 6 6 0 6 1 E - m a i l ： 4 0 5 1 5 8 1 1 6 3 c o rn 收稿 日期： 2 0 1 2年 9月 4日 2 2 0 1 3 粉煤灰 2 9 加 勋 X 如 龇 加 3 l 8 T T r S l L ： 一 牙