混凝土轨枕耐久性的提高

【摘 要】通过对轨枕混凝土的病害机理分析，从改进生产工艺和优化混凝土配合比两方面提出了改善混凝土轨枕耐久性的基本设计思路，采用复合外加剂和较大掺量掺合料配制的混凝土，能大幅度提高混凝土的抗氯离子渗透和抗盐结晶腐蚀性能，并使轨枕的静载抗裂和抗疲劳性能有所提高。

【关键词】混凝土轨枕；耐久性；工艺改进；关键技术

前言

结构在服役过程中，混凝土的劣化是一个不可逆的过程。由于尚无可靠理论支持混凝土劣化过程的模拟分析，无法对混凝土的寿命作出准确的评估。因此，目前耐久性设计的主要目的在于采用一定的配制技术延缓混凝土在特定环境条件下的劣化速度，与结构寿命周期的定量化设计尚有一定差距。

1 轨枕混凝土的劣化机理

裂缝是混凝土轨枕的主要病害。从裂缝的位置和形态分析，混凝土劣化是裂缝产生的主要原因之一。轨枕混凝土劣化的主要原因是客车排污和货车（盐车、罐车等）遗洒的化学物质引发的钢筋锈蚀和盐结晶破坏。

1.1 钢筋锈蚀

混凝土硬化后，受混凝土包裹的钢筋表面被氧化形成与钢筋吸附牢固的致密钝化膜，当穿过保护层到达钢筋表面的Cl －积累到一定浓度时可使钢筋钝化膜破坏。钢筋锈蚀首先是钝化膜的腐蚀过程，然后才是脱钝钢筋的电化学腐蚀过程。

钢筋钝化膜的腐蚀一方面与Cl －有很强的穿透氧化膜的能力有关，且渗透压的存在会使穿透加速；另一方面Cl －进入氧化膜内层（铁与氧化物界面）后生成易溶的FeCl2,使氧化膜局部溶解,形成坑蚀现象。如果Cl －沿钢筋长度方向广泛存在，点蚀坑就会扩大、合并，从而发生大面积的腐蚀。

脱钝后混凝土中钢筋的锈蚀是一个电化学过程，锈蚀产物 的体积一般可达2～4倍钢筋腐蚀量。锈蚀产物的体积膨胀将使钢筋周围的混凝土处于复杂的应力状态，以至发生开裂。混凝土的开裂为水和空气的进入提供了便利，促使钢筋更快锈蚀。

1.2 盐结晶

混凝土具有多孔的特性，孔与孔之间、孔与环境之间通过毛细孔相连。

混凝土毛细孔和空隙中的盐主要有两个来源：一方面，残存于混凝土表面的盐类在环境水的溶解下通过吸附和渗透进入混凝土内部；另一方面，环境中的有害离子进入混凝土内部后与水泥水化产物发生反应，生成盐（此种途径的混凝土腐蚀有时被称作化学腐蚀）。

当混凝土低湿度服役时，滞留于毛细孔和空隙中的盐溶液在失水过程中浓度增高直至饱和结晶。盐结晶腐蚀的初期，结晶应力的释放过程表现为空隙中空气的压缩过程。结晶体填充于混凝土空隙中。宏观表现为混凝土表层硬度提高。随着环境干湿的交替进行，在盐溶液补给充分的条件下，空隙中的结晶体成长发育，当空隙中的空气被压缩到一定程度 不足以承担全部的结晶应力时，混凝土开始参与工作。然而混凝土的抗拉能力是有限的，结晶应力最终使得混凝土局部微裂。盐结晶过程的持续进行，使微裂缝积累和发展成为裂缝，混凝土产生由表及里的块状剥落。

2 混凝土轨枕的耐久性设计

从混凝土的劣化机理分析可以看出，轨枕抵抗环境侵蚀的关键在于保护层混凝土的质量，降低介质的侵入速率。因此，通过采用优化的配合比技术，合理的生产工艺获得均匀致密的混凝土是混凝土轨枕耐久性设计的主要途径。

我国的混凝土轨枕通常采用机组流水法生产。主要工艺过程为：预应力钢丝一次张拉干硬性混凝土入模两次振实蒸汽养护脱模机整体脱模。早年，为了提高生产效率，曾采用80℃的蒸汽进行混凝土早期养护。在认识到高温养护给混凝土质量带来的弊端后，普遍大幅降低了养护温度，虽然如此，目前仍然普遍采用接近60℃的蒸汽进行养护。有研究认为60℃的蒸汽养护会使混凝土内毛细孔变粗，薄弱面产生微裂缝。因此，降低早期养护温度是提高混凝土质量的一个重要措施。

因此，混凝土轨枕的耐久性设计应从几个方面进行考虑和实现：

2.1 改进生产工艺措施，采用低塑性混凝土生产轨枕，并降低轨枕的早期养护温度。

2.2 优化混凝土配合比，改善混凝土孔结构，降低Cl －的渗透能力，提高混凝土抗盐结晶腐蚀能力。

2.3 在以上研究的基础上，进行轨枕的静载抗裂和疲劳性能检验。

3 高耐久性混凝土轨枕的研制

3.1 工艺措施的改进思路

3.1.1 采用低塑性混凝土生产轨枕

配制坍落度为10～30mm的低塑性混凝土生产轨枕，如单纯依靠加大高效减水剂的用量以增加混凝土的流动性是不经济的。可采用复合外加剂和掺合料进行配合比优化，这样不仅不会增加成本，甚至可以节约成本。

与干硬性混凝土相比，低塑性混凝土用于机组流水法生产工艺时不仅可以取消混凝土的加压振实工序，而且可以缩短混凝土的普振时间，既改善了劳动环境，又降低了劳动强度。

3.1.2 降低轨枕的早期养护温度

胶材用量为480kg/m3,坍落度为13mm的混凝土立方体试件，置于轨枕养护池，蒸汽温度由60℃ 降为55℃时，达到脱模强度（C60混凝土的75%）所需的恒温时间将延长2～3小时，这个时间在目前普遍采用单班制生产的情况下并不影响轨枕的产量。

装满带模轨枕的蒸汽养护池（容积约350m3），采取保温而非蒸汽养护时，测试结果显示，池内温度最高可达45～48℃（测试期间的室内温度为24～29℃）。 说明在气温较高的夏季生产轨枕时，完全可以采取保温养护代替蒸汽养护，从而改善混凝土质量。

3.2 轨枕混凝土配合比的优化

采用活性矿物掺合料配制混凝土，提高混凝土抗Cl －渗透性能和抗盐结晶腐蚀性能，是混凝土技术发展的一个重要方向。矿物掺合料的应用不仅能节约水泥，降低混凝土水化热温升，而且由于掺合料的形态效应、微集料效应和火山灰效应能起到改善混凝土的微观性能的作用， 高品质掺合料能使混凝土中的毛细孔数量减少，孔隙、孔径变小，孔隙率降低，密实度提高。目前，矿物掺合料应用最为广泛的是粉煤灰和矿渣粉。

轨枕混凝土中使用掺合料，需要解决的是掺量问题。参考国内外文献的成果介绍，优质粉煤灰在预应力结构中的掺量以不超过30%为宜，矿渣粉可掺到30%～50%甚至70%。

本文所涉及的粉煤灰（FA）均指需水量比小于95%的Ⅰ级灰。矿渣粉（Slag）均指符合GB/T18046《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》标准要求的S95级磨细水淬矿渣。配制水泥混凝土时采用萘系高效减水剂，配制掺合料混凝土时采用自主研制的专用复合外加剂。

3.2.1 混凝土抗Cl －渗透性能

为了考察混凝土的抗Cl －渗透能力，在保持480kg/m3胶材总量不变的基础上，分别以30%粉煤灰及30%、40%、50%矿渣粉替代等质量的水泥，以用水量调整拌合物坍落度为20mm±10mm成型混凝土试件，一部分试件用于测定混凝土的抗压强度，另一部分试件用于测定混凝土的电通量。从图1可看出，被测试件的抗压强度均满足C60混凝土的设计要求。图2为试件56天和90天龄期的电通量试验结果。试验结果表明，一定数量和品质的粉煤灰或矿渣粉能有效地提高混凝土的抗Cl －渗透能力，相同掺量（30%的粉煤灰）较矿渣粉具有更明显的效果。

3.2.2 混凝土抗盐结晶腐蚀性能

将新拌混凝土通过5mm筛后,取砂浆,参照GB2420《水泥抗硫酸盐侵蚀快速试验方法》制作10mm×10mm×60mm的试件，将砂浆试件分别浸泡于浓度为3%的NaCl溶液和蒸馏水中,分别测28d、56d和90d试验砂浆的抗折强度，以腐蚀系数（试件在腐蚀液与蒸馏水中的强度比）评价胶砂的抗盐结晶腐蚀性能。

在28d和56d龄期时，五种配合比的砂浆试件腐蚀系数均在1.05左右，砂浆试件表面没有剥落现象；在90d龄期时，纯水泥砂浆试件腐蚀系数降为0.76，侵蚀溶液中的砂浆试件表面剥落明显，而掺有粉煤灰和矿渣粉的砂浆试件腐蚀系数在1.0左右。试件表面局部轻微剥蚀。说明掺合料有效的减缓了砂浆试件的腐蚀速度。

3.3 高耐久性混凝土轨枕的结构性能

从实际经验中所知在试验结果中，粉煤灰和矿渣粉混凝土轨枕的抗裂性和抗疲劳性能均较纯水泥混凝土轨枕有所提高，且有较小的残余裂缝宽度，说明粉煤灰和矿渣粉细化了混凝土的孔结构，提高了混凝土的韧性，使混凝土的荷载效应更加合理。

4 结论与建议

4.1 通过优化混凝土配合比，采用以优质粉煤灰、矿渣粉和专用复合外加剂配制的混凝土能较大幅度地提高轨枕的抗Cl －渗透性能和抗盐结晶腐蚀性能，并使轨枕的结构性能有所提高。

4.2 塑性混凝土比干硬性混凝土具有更好的均匀性，轨枕的保温养护能有效降低蒸汽养护给混土带来的损伤。建议新建和有条件的轨枕厂在工艺设计和改造时宜采用塑性混凝土进行生产，并采取保温措施，养护也可采用低温度的蒸汽进行保温养护。

4.3 通过材料和工艺措施提高混凝土轨枕的耐久性是轨枕耐久性设计的一个重要方面。应继续开展轨枕耐久性设计研究，以利于提高混凝土轨枕的质量。

参考文献

[1]张誉，蒋利学等，混凝土结构耐久性概论，上海科学技术出版社，2003

[2]郭成举 混凝土的物理与化学，中国铁道出版社，2004

[3]仲新华 高速铁路C60高性能混凝土试验研究，铁道科学研究院，2004年2月