无砟轨道双块式轨枕C60高性能混凝土配合比设计研究

摘要：通过对铁路隧道无砟轨道双块式轨枕采用C60高性能混凝土配合比进行试验选择，试验采用0.25，0.3，0.35不同水胶比，不同的配合比3d，7d，28d，56d龄期混凝土强度、电通量等试验参数的对比，确定了水胶比为0.3理论配合比满足混凝土的实际要求，通过现场实际试验及生产检验，混凝土的各项指标均符合要求，研究结果可为类似工程提供参考借鉴。

关键词：无砟轨道 双块式轨枕 混凝土配合比

中图分类号： TV331 文献标识码： A

1 前言

随着国家经济发展的需要和基础建设的大规模推进，越来越多的铁路正在如火如荼的建设中，长大铁路隧道也随着工程规模和线路运营速度的提高不断涌现，在长大隧道中无砟轨道正在大面积推广，为满足铁路运营速度不断提高的要求和降低后期线路的维护成本，无砟轨道轨枕采用的混凝土强度要求也越来越高，在实际工程建设过程中对于采用高强度混凝土的配合比的要求也越来越高，实际生产过程中需要结合不同的区域、不同的粗细骨料来源，进行试验研究，寻找出来源广泛、性价比高、强度满足要求的最佳混凝土配合比。

高性能混凝土对材料的要求主要体现在，水泥通常使用硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥；混凝土强度上限随骨料的强度成正比例提高。外加剂能满足工作性要求提高混凝土强度；掺和料可以获得较高的活性系数，提高耐久性[4]。

2 原材料

2.1 水泥

依据《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》（铁建设[2005]160号）中相关规定[5]，确定水泥的技术要求如下：

表1 水泥的技术要求

客运专线双块式无砟轨道施工技术引进国内之初，国外有关专家一再强调双块式混凝土轨枕应采用硅酸盐水泥进行制造，其原因是硅酸盐水泥具有硬化速度快，早期强度高、水化热高等特点，通过对国内大型水泥厂的调查情况看，国内只有少数厂家生产该种水泥，且生产成本高，价格昂贵，不适合国情，另外对混凝土耐久性也存在一定影响。结合工程经验，并对轨枕场周边大型水泥厂分布情况进行调查，确定抽取山西榆次某大型水泥厂生产的52.5级普通硅酸盐水泥进行技术指标分析，检验结果满足表1要求。

2.2 骨料

粗骨料及细骨料的材料材质、粒径、含泥量、氯化物含量等均需符合《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》（铁建设[2005]160号）的规定。

经详细调查轨枕场周边多处碎石场，并对岩石母材和碎石进行了取样，经试验，吕梁市离石区方山县某碎石厂岩石抗压强度与混凝土抗压强度等级之比≮1.5，碎石压碎指标为6%，符合压碎指标≤10%的规定，进一步取样分析，其它各项指标也都符合要求。

细骨料选用轨枕场附近砂场的天然水洗河砂，河砂种类为中粗砂，在含泥量超标的情况下，对河砂采取增加清洗次数的措施，取样结果满足要求。

2.3 掺和料

2.4 外加剂

混凝土中合理掺入具有减水率高、坍落度损失小的外加剂，能明显改善或提高混凝土耐久性，并能在施工过程中改善混凝土的和易性，降低泌水率，目前常用的外加剂为聚羧酸减水剂，经调查并取样试验后确定采用山西运城某减水剂厂生的高效减水剂，该减水剂除减水率不小于25%，收缩率比不大于110%。另外，该减水剂中还添加了适量的早强成份和引气成分，适合双块式轨枕要求脱模时间短的工艺要求，同时适合高性能混凝土的拌制要求。

3 配合比初步设计

双块式轨枕设计强度等级为C60，属高强混凝土，结合近年来逐步推广的高性能混凝土，双块式轨枕混凝土按照高强高性能混凝土进行设计。

3.1理论配合比设计

①配制强度

根据《普通混凝土配合比设计规程》[6] 混凝土配制强度按下式计算：

fcu，0≥fcu，k+1.645σ

式中

fcu，0――混凝土配制强度（MPa）；

fcu，k――混凝土立方体抗压强度标准值（MPa）；

σ――混凝土强度标准差（MPa）；

经计算，双块式轨枕配制强度约为70MPa。

②确定水胶比

据已知条件计算，水胶比为：

W0/J=（αa×rc×fce，g）/（fcu，0+αa×αb ×rc×fce，g） 式中

W0/J――水胶比；

αa、αb――回归系数，由于采用碎石，分别取0.46、0.07；

rc――结合水泥28天抗压强度实测值，水泥富余系数取值1.0；

fce，g――水泥强度等级值（MPa），本例中为52.5。

经计算，并结合双块式轨枕生产线配备高频振动设备的特点，将双块式轨枕混凝土水胶比确定为0.29。

③确定每立方米砼水的用量

mwa=mw0（1-β）

式中

mwa―掺外加剂混凝土每立方米混凝土用水量（kg）

mw0―未掺外加剂混凝土每立方米混凝土用水量（kg）

β―外加剂减水率（%）。

经计算，实际用水量为131kg/m3。

④计算胶凝材料用量

J=W0÷W0/J

式中

J―胶凝材料用量（kg）；

W0―水的用量（kg）；

W0/J―水胶比。

经计算得出胶凝材料用量为452kg/m3。

⑤确定砂率值Sp

砂率采用下式进行计算：

Sp =[50（5/D + √5/D） + K]×100%

式中Sp --砂率；

D―集料最大粒径，D=20mm；

K―砂子富余系数，K=2～5；

对于本工程D=20mm，K=5，

则Sp =50（5/20+ √5/20）+5=39%

⑥计算砂用量S

混凝土假定重量mcp取2450kg/m3。故

S=（mcp-w0-J-0.008×J×WJJHGUL）×Sp

=728（kg/m3）

⑦计算石子总用量G、小石子用量G小和大石子用量G大

G=G小+G大

G= mcp-w0-J-0.008×J×WJJHGUL-S

=1140（kg/m3）

G小=0.4×G

=0.4×1140

=456（kg/m3）

G大=0.6×G

=0.6×1140

=684（kg/m3）

水胶比为0.29的混凝土理论配合比为：

同理，水胶比为0.35的混凝土理论配合比为：

同理，水胶比为0.35的混凝土理论配合比为：

3.2 原材料的选用

①使用材料情况

按照多年工程经验，水泥选用工程所在地某公司生产的P.O52.5普通硅酸盐水泥进行检验，结果为：水泥中的游离氧化钙含量0.4%，有害碱性物质含量0.46%，熟料的C3A含量6%，水泥比表面积328m2/kg，氯化物含量0.04%，符合技术条件和有关规范要求。

细骨料选用当地细度模数为2.8，含泥量不大于1.4%（按质量计）的中砂。

粉煤灰选用F―Ⅰ级粉煤灰，按30%的掺量添加。

在试验中对多个厂家外加剂进行试验对比，对坍落度损失小，减水率高、抗压强度高的减水剂入选原材料采购范围。

②耐久性指标复核

水胶比≯0.55，实际水胶比为0.26，符合要求；

胶凝材料用量为462kg/m3，符合350～500kg/m3要求；

水泥、粉煤灰、外加剂以及水的总碱含量为2.2kg/m3，含量小于3.0mg/L，符合要求；

水泥、砂、碎石、粉煤灰、外加剂以及水的氯离子含量占胶凝材料百分数为0.03%，小于0.1%，符合要求；

拌合物性能试验结果：

维勃稠度19s，满足10～30s要求；

混凝土性能试验：

3.3 试验结果及分析

①试验内容

试验内容主要包括三个配合比试件的电通量、抗冻等级、抗压强度等。

② 试验数据及分析

三个配合比试件的56d电通量在545左右，满足要求。 28d抗冻等级F值为300。

③ 抗压强度

抗压强度值主要包括三个配合比的3d，7d，28d，56d抗压强度值。

图1 不同配合比抗压强度曲线

从图中可知：不同的水胶比对应的抗压强度总体规律是一致的，即随着时间的延长，抗压强度呈现增长趋势。随着水胶比的增大抗压强度呈现降低趋势，早期强度和后期强度均呈现统一的规律。

4 主要结论

①双块式轨枕C60高性能混凝土的配合比设计采用0.30的水胶比，经过理论计算和现场试验，满足要求。

②根据生产实际确定的粗细骨料、掺和料、外加剂等的材料性能满足高性能混凝土要求。

③影响C60高性能混凝土强度的重要因素是水灰比。通过理论计算和实际试验确定配合比，同时综合考虑混凝土配合比设计的目标和经济性，是进行混凝土配合比设计优化的有效途径和方法。

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