一种用于严寒地区抗冰冻和动荷载耦合作用的充填层自密实混凝土的制作方法

本发明属土木工程材料技术领域，具体涉及一种用于严寒地区抗冰冻和动荷载作用条件下的高速铁路无砟轨道充填层自密实混凝土。

背景技术：

中国高速铁路在近十年发展迅速，截至2016年底，高速铁路总里程达2.2万公里，占世界总里程的65％，具有自主知识产权的CRTS III型板式无砟轨道结构已经逐渐发展成为中国高速铁路的主要轨道结构型式，其显著特点之一是采用自密实混凝土作为充填层材料，起支撑调整、限位控制的作用，对高速铁路列车运行的平顺性和安全性至关重要[1]。我国幅员辽阔，高速铁路技术的迅速发展使其逐渐延伸到中国东北、西北等季节性冰冻和盐冻地区。在这些地区，冬季平均气温可达-20℃，并持续数月[2]，同时我国高速铁路也已逐渐走出国门，特别是已经在俄罗斯修建莫咔高铁，这些地区气温极低。高速铁路轨道的很多关键混凝土部件，如自密实混凝土充填层，都会受到列车的动荷载和负温环境的冰冻作用，这种严酷环境条件将对高速铁路包括自密实混凝土充填层在内的部件的耐久性能造成影响。因此，非常有必要研发具有能够抵抗负温冰冻和列车动载耦合作用的充填层自密实混凝土。

目前，虽然有不少国内外学者对混凝土的抗冻性进行了大量研究，表明冻融循环作用对混凝土耐久性造成严重影响；在冰冻条件下，由于混凝土土内部水结冰填充孔隙，混凝土材料的静态力学性能虽能得到一定的提高[3-6]，但是在动荷载和冻融循环作用下，混凝土的力学性能会出现显著劣化[7-12]，比单一的冻融循环作用下的劣化速度要大。一些研究者也尝试采用掺加纤维、引气剂等方法来提高混凝土的抗冻融循环破坏的性能[13-14]，但效果还是有限；特别是，对于长时间冰冻-动荷载耦合作用下，混凝土耐久性能的研究还基本未见报道，从我国现有的实践来看，在冰冻-动载作用下混凝土在短时间内已发生了明显的表层剥落破坏(如图1)，如何提高严寒地区负温冰冻-列车动荷载作用下混凝土的耐久性能已成为我国高速铁路建设面临的一大挑战。

鉴于此，本发明拟在相关研究的基础上，针对高速铁路CRTSIII型板式无砟轨道结构特点和严寒地区服役环境条件，研发了一种用于具有优异的抗严寒地区冰冻和动荷载作用的充填层自密实混凝土。

主要参考文献

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技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种在严寒冰冻地区，具有优良的抵抗冰冻和动荷载耦合作用、满足高速铁路列车安全平稳运行的充填层自密实混凝土。

本发明一种用于严寒地区抗冰冻和动荷载耦合作用的充填层自密实混凝土，

所述充填层自密实混凝土56d的强度等级为C40；且56d抗折强度大于等于6.0MPa；

所述充填层自密实混凝土经300次冻融循环作用后，其抗压强度损失率小于等于25％、优选为小于等于22％；动弹模量损失率小于等于30％、优选为小于等于15％，质量损失率小于等于3％、优选为小于等于2.3％；所述300次冻融循环作用时，冰冻温度为-20℃；

所述充填层自密实混凝土经10万次冰冻疲劳试验后，其抗折强度损失率小于等于10％。

本发明一种用于严寒地区抗冰冻和动荷载耦合作用的充填层自密实混凝土，所述充填层自密实混凝土56d龄期的强度等级为C40，拌合物扩展度为600～660mm、T500时间为4～8s、J环高差小于20mm、含气量为5～9％。

作为优选方案，本发明一种用于严寒地区抗冰冻和动荷载耦合作用的充填层自密实混凝土，每立方混凝土所用原料为：

水泥340-360Kg，优选为350kg；

复合矿物掺合料 110-130Kg、优选为120kg；

变形调控组份 42-46Kg、优选为45kg；

和易性改善组份 5-7Kg、优选为6kg；

耐久性保障组份 4-6Kg、优选为5kg；

水 170-180Kg、优选为175kg；

河砂 830-870Kg、优选为850kg；

石灰石 800-830Kg；优选为810kg；

所述复合矿物掺合料由I级低钙粉煤灰、S95矿渣粉、偏高岭土复合组成；

所述变形调控组份由II型膨胀剂、聚氧乙烯烷基醚类减缩剂构成；

所述和易性改善组份由羧酸系高效减水剂、羧甲基纤维素、钙基蒙脱土构成；

所述耐久性保障组份由木质素、橡胶颗粒、引气剂、纳米硅质粉体组合而成。

采用上述技术方案的充填层自密实混凝土，根据充填层自密实混凝土拌合物工作性、变形性和耐久性等3方面要求出发，运用整体论方法，从原材料组成优化配伍与内部微细观结构抗力提升等角度，并结合试验测试结果，优选研发特性组分，借助“自密实”成型工艺技术，设计混凝土的集料相、浆体相以及集料一浆体界面过渡区相，从而实现混凝土抗冰冻和动荷载耦合作用性能的保障，由此发明适用于严寒地区抗冰冻-动荷载作用的充填层自密实混凝土。

作为优选方案，本发明一种用于严寒地区抗冰冻和动荷载耦合作用的充填层自密实混凝土，所述充填层自密实混凝土由浆体体系和集料体系组成，单方混凝土中浆体与集料体积比为0.37：0.40优选为0.38：0.62，所述浆体由水泥、复合矿物掺合料、变形调控组份、和易性改善组份、耐久性保障组份、水构成；集料体系由河砂和石灰石组成。

作为优选方案，本发明一种用于严寒地区抗冰冻和动荷载耦合作用的充填层自密实混凝土，

所述水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；

所述河砂为细度模数为2.5～3.0的II区级配的河砂；

所述石灰石的粒径为5～16mm。

作为优选方案，本发明一种用于严寒地区抗冰冻和动荷载耦合作用的充填层自密实混凝土，所述复合矿物掺合料由I级低钙粉煤灰、S95矿渣粉以及1000-1200目偏高岭土按质量比为40:40:20组成。

作为优选方案，本发明一种用于严寒地区抗冰冻和动荷载耦合作用的充填层自密实混凝土，所述变形调控组份由II型膨胀剂和聚氧乙烯烷基醚类减缩剂按质量比为98:2组成。

作为优选方案，本发明一种用于严寒地区抗冰冻和动荷载耦合作用的充填层自密实混凝土，所述和易性改善组份由减水率为35％的粉体型羧酸系高效减水剂、羧甲基纤维素、钙基蒙脱土按质量比为50:10:40组成。

作为优选方案，本发明一种用于严寒地区抗冰冻和动荷载耦合作用的充填层自密实混凝土，所述耐久性保障组份由木质素、100-120目废旧橡胶颗粒、引气剂、纳米硅质粉体按质量比为10:60:1:30组成。

本发明的应用方法：将各原材料按照配比称量好，将河砂、石灰石碎石、水泥、复合矿物掺合料、变形调控组份、和和易性改善组份、耐久性保障组份等干料投入强制式搅拌机中，预拌30秒，然后加入水等液态组分，继续搅拌约150秒，拌合物出机，检验拌合物的“自密实性”(包括坍落扩展度、T500时间、J环高差等)，确认满足相应的性能，然后成型相应的性能测试试件和进行相应的应用实践。

本发明是基于对冰冻和动荷载条件下混凝土材料损伤劣化机理的深刻认识，基于对混凝土材料的组成、结构与性能相互关系原理的剖析、结合各有机、无机组分在自密实混凝土这一特殊体系中的作用及相互关系，通过调整掺合料和外加剂掺量，并采用“自密实成型工艺”而不通过传统机械振捣密实工艺，使得各组分在系统中均匀分布，形成石灰石、砂组成的骨架支撑体系、硬化浆体的填充体系、微纳米级封闭孔隙的应力缓冲体系，优化了自密实混凝土组成和微观孔隙结构，从而获得具有优异施工工作性、较高力学强度、优异抗冰冻和动荷载欧合作用的充填层自密实混凝土，形成本发明。因而本发明的科学依据充分。

在研发该用于严寒地区抗冰冻和动荷载作用的充填层自密实混凝土的过程中，进行了大量的试验研究工作，通过对不同关键组分的调整，最终获得了具有目标性能的充填层自密实混凝土。结合如表1所示的典型试验配比，按照相关规范方法，制备相应试件，分别测试了强度(150mm×150mm×150mm立方体试件)、抗冻性能(100mm×100mm×300mm棱柱体试件(用于冻融循环试验、负温冰冻-动载疲劳试验和抗折强度试验)，基于试验分析比较了普通混凝土、传统型自密实混凝土、掺膨胀剂的自密实混凝土和本发明的充填层自密实混凝土的工作性能、抗压强度、冻融循环后的力学性能、冰冻疲劳后的力学性能；在此基础上获得本发明用于严寒地区抗冰冻和动荷载作用的充填层自密实混凝土的最佳原材料组成。因此，本发明具有充足的试验研究基础和依据，有效性和可行性好，有力地保证了充填层自密实混凝土的抗冰冻和动荷载耦合作有性能的显著提升。

为解决上述技术问题，本发明提供的充填层自密实混凝土，其特征是：由P.O 42.5普通硅酸盐水泥、复合矿物掺合料、变形调控组份、和和易性改善组份、耐久性保障组份、拌合水、细度模数为2.5～3.0的II区级配河砂、粒径在5～16mm之间的石灰石碎石等组份构成。每立方混凝土中材料用量为350kg水泥、120kg复合矿物掺合料、45kg变形调控组份、6kg和易性改善组份、5kg耐久性保障组份、175kg拌合水、850kg河砂和810kg石灰石碎石。本发明充填层自密实混凝土强度等级为C40(56d龄期)，拌合物扩展度在(630±30)mm、T500时间在(6±2)s、J-环高差小于20mm、含气量在(7±2)％之间。

本发明的优点和积极效果：

1.本发明提供的充填层自密实混凝土在满足拌和物工作性能和基本力学性能要求的同时，具有优异的抵抗冻融循环、冰冻和动荷载的性能，保证了高速铁路板式无砟轨道充填层在严寒和季节性冰冻地区的服役安全，延长了自密实充填层的服役寿命。

2.本发明提供的充填层自密实混凝土采用自密实成型工艺、施工工艺简单、操作方便、可靠性高、具有绿色和经济特点，综合效益好。

综上所示，本发明是一种能显著改善混凝土抗冰冻和动荷载耦合作用性能的自密实混凝土，能很好地满足在严寒和冰冻地区服役的高速铁路充填层的性能要求，具有很好的技术经济效应。

附图说明

图1为在冰冻-列车动载作用下运营4年的混凝土劣化照片。

图2为实施例所制备充填层自密实混凝土拌合物的(a)坍落扩展和(b)J环试验照片。

图3为具体实施方式所制备混凝土在冰冻条件下的疲劳加载照片及示意图。

图4为具体实施方式所制备混凝土冰冻疲劳的加载制度示意图。

图5为对比例所制备NC混凝土在常温(20℃)、冰冻(-20℃)和冰冻疲劳条件下的抗折应力应变曲线(注：应变ε受拉为正值，受压为负值)。

图6为对比例所制备SCC1混凝土在常温(20℃)、冰冻(-20℃)和冰冻疲劳条件下的抗折应力应变曲线(注：应变ε受拉为正值，受压为负值)。

图7为对比例所制备SCC2混凝土在常温(20℃)、冰冻(-20℃)和冰冻疲劳条件下的抗折应力应变曲线(注：应变ε受拉为正值，受压为负值)。

图8为本发明实施例所制备SCC3混凝土在常温(20℃)、冰冻(-20℃)和冰冻疲劳条件下的抗折应力应变曲线(注：应变ε受拉为正值，受压为负值)。

图9为对比例所制备NC混凝土经冻融循环后的应力应变曲线。

图10为对比例所制备SCC1混凝土经冻融循环后的应力应变曲线。

图11为对比例所制备SCC2混凝土经冻融循环后的应力应变曲线。

图12为本发明实施例所制备SCC3混凝土经冻融循环后的应力应变曲线。

图13为本发明具体实施方式中所得各标号混凝土经冻融循环后的动态弹性模量损失率图。

图14为本发明具体实施方式中所得各标号混凝土经冻融循环后的质量损失率图。

具体实施方式

以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。

本发明实施例和对比例中：

所述复合矿物掺合料为I级低钙粉煤灰、S95矿渣粉以及1000-1200目偏高岭土按质量比40:40:20构成；

所述变形调控组份由II型膨胀剂和聚氧乙烯烷基醚类减缩剂按质量比98:2构成；

所述和和易性改善组份由减水率为35％的羧酸系高效减水剂、羧甲基纤维素、钙基蒙脱土按比例50:10:40构成；

所述耐久性保障组份由木质素、100-120目废旧橡胶颗粒、引气剂、纳米硅质粉体按质量比10:60:1:30构成；

充填层自密实混凝土由浆体体系和集料体系组成，单方混凝土中浆体与集料体积比为0.38：0.62，浆体由水泥、复合矿物掺合料、变形调控组份、和易性改善组份、耐久性保障组份、拌合水构成；集料体系由优质II区河砂和5～16mm连续级配优质石灰石碎石组成。

按表1设定的成分配取实施例和对比例所用原料；采用NC、SCC1；SCC2、SCC3对其进行编号，其中NC为普通混凝土、SCC1为1号传统自密实混凝土、SCC2为2号掺膨胀剂的传统自密实混凝土、SCC3为本发明实施例所开发的充填层自密实混凝土，SCC4和SCC5为充填层混凝土的两组对比例。

表1不同混凝土的配合比示例(单位：kg/m³)

如表1所示，本实施例中，各混凝土试样组份参数选取均按设计强度等级均为C40进行，NC普通混凝土为正常泵送混凝土，设计坍落度为130±20mm，SCC1为传统的未考虑膨胀变形和抗冻耐久性要求的达到I级充填性能的自密实混凝土，SCC2为考虑膨胀变形但未考虑抗冻耐久性的达到I级充填层性能的自密实混凝土，基于充填层性能设计要求考虑竖向膨胀变形、抗冻耐久性要求而设计的SCC3～SCC5三组，其中SCC3为优选配比，每立方混凝土中材料用量为350kg水泥、120kg复合矿物掺合料、45kg变形调控组份、6kg和易性改善组份、5kg耐久性保障组份、(170-180)kg拌合水、860kg河砂和810kg石灰石碎石，SCC4和SCC5为对比例，考虑胶材、骨料数量以及关键组份材料的变化对性能的影响。本发明充填层自密实混凝土强度等级为C40(56d龄期)，拌合物扩展度在(630±30)mm、T500时间在(6±2)s、J-环高差小于20mm、含气量在(7±2)％之间。

其制备方法为：各个编号试样按30L的量准备原材料和及其他准备工作。

将河砂、石灰石碎石、水泥、复合矿物掺合料、变形调控组份、和和易性改善组份、耐久性保障组份等干料投入强制式搅拌机中，预拌30秒，然后加入水、减水剂等液态组分，继续搅拌约150秒，将搅拌均匀的拌合物出机，测试拌合物工作性能(包括“自密实性”)，满足工作性要求后，成型相应尺寸的试件。成型好的试件先在标准环境条件下静停养护24小时，然后拆模，并将试件移至标准养护室内，置于室内标准环境下养护至28d或56d，测试常温(20℃)下相应的混凝土抗压强度、抗折强度等指标。测试结果如表2所示。将相应试件饱水冰冻3d，取出测试冰冻和动荷载下的冻融循环和冰冻疲劳后的力学性能，测试结果如表3所示。充填层自密实混凝土拌合物照片如图2所示，各混凝土在冰冻条件下的疲劳加载照片((a)，(b))及示意图(c)如图3所示。混凝土冰冻疲劳的加载制度如图3所示，各混凝土在常温(20℃)、冰冻(-20℃)和冰冻疲劳条件下的抗折应力应变曲线如图5-8所示，各混凝土经不同冻融循环次数后的动态弹性模量损失率如图9-12所示，各混凝土经不同冻融循环次数后的质量损失率如图13所示。

表2所测上述各混凝土试样的拌合物性能和标养下56d强度结果

由表2中的结果可知，所制备的NC普通混凝土达到了设计坍落度和设计抗压强度等级要求，但由于没有掺膨胀组份，测试得到的竖向膨胀率为负，即表现为收缩。SCC1也满足设计所要求的拌合物和易性要求和抗压强度要求，但其竖向膨胀率也为负数，含气量仅为4.5％。SCC2满足设计的拌合物性能和抗压强度要求，竖向膨胀率为0.9％，含气量达5.6％。SCC3充填层试样的拌合物性能和抗压强度均满足设计要求，尤其是抗折强度达6.5MPa，高于其他组，且竖向膨胀率为0.7％，含气量为7.2％。而SCC4组由于膨胀组份掺量较低，且砂子含量较高等，使得其竖向膨胀率较小，而抗折强度也较低，SCC5组由于和和易性改善组份较少、用水量较大，且膨胀组份较多，使得其扩展度偏大、竖向膨胀率偏大，难以满足充填层浇筑施工质量要求。

表3所测上述各混凝土冻融循环和冰冻疲劳后的性能结果

表3测试得到的性能结果表明：NC、SCC1和SCC2组，经300次冻融循环作用后的抗压强度损失率大于25％，质量损失率也偏大，无法满足抵抗300次冻融循环作用的性能，SCC4和SCC5两组试样经300次冻融循环作用后的抗压强度损失率以及动态模量损失率也偏大，特别是经10万次冰冻-荷载耦合作用后的抗折强度损失率也大于10％，而采用本发明(SCC3配合比)的自密实混凝土经300次冻融循环后的强度损失率、动弹模量损失率、质量损失率，经10万次冰冻疲劳后的强度损失率均和明显好于普通混凝土和其他自密实混凝土，同时从所测的56天抗压强度来看，本发明的充填层自密实混凝土抗压强度、抗折强度可达40MPa和6.5MPa，满足高速铁路无砟轨道充填层自密实混凝土的强度要求，同时其还能很好地满足在严寒和冰冻地区服役的高速铁路充填层的性能要求。