重载铁路轨枕混凝土耐磨性影响因素的研究.docx

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1、近年来，随着货运铁路运输的飞速发展，世界各国都在持续不断地提高火车轴重以扩大铁路运输能力，降低铁路运输成本与能耗，提高货运铁路的经济与社会效益。其中，重载铁路由于自身具有长编组、大轴重和大运量等显著特点，重载铁路运输已成为世界铁路运输的重要发展方向。然而，由于重载铁路列车提速、轴重及运输量的增加，导致轨道结构承受着越来越大的载荷，以预应力混凝土轨枕为代表的铁路混凝土的承载能力也面临严重考验。为此，德国、美国和澳大利亚等国家纷纷提出了适用于重载铁路的混凝土轨枕设计要求2文献表明，部分学者对钢渣骨料、胶凝材料、高分子乳液等用于制备耐磨混凝土进行了初步研究&式目前，重载铁路混凝土轨枕的设计主要是从轨

2、枕受力和改变结构形式的角度来提高轨枕的服役寿命，缺乏对重载铁路混凝土轨枕用相关材料的性能研究。本文从混凝土材料角度出发，分别研究了矿渣粉掺量、浆骨比、聚合物乳液掺量、骨料类型和水泥类型对重载铁路轨枕混凝土耐磨性能的影响规律，以期为我国重载铁路用混凝土轨枕的应用研究提供参考。1、试验部分11原材料水泥：北京金隅P-O42.5水泥，比表面积342n?/kg；低热水泥为嘉华42.5低热硅酸盐水泥，高铁水泥为武汉理工大学高铁相硅酸盐水泥，超细水泥为浙江万宁超细硅酸盐水泥，自主研发水泥为项目组开发的新型硅酸盐水泥。矿粉：河北唐山S95矿渣粉，比表面积420m2kg.细骨料：河北石家庄分级河砂，按照102

3、0目、2040目、4070目和70-140目4个细度配制成细度模数为2.6的II区中砂，含泥量0.6%（质量分数），表观密度2640kgm）机骨料：石灰石为天津蓟县二级配碎石，最大粒径20mm,含泥量0.3%,表观密度2720kg,紧密空隙率39%；玄武岩、辉绿岩、花岗岩和钢渣石粗骨料均为二级配，最大粒径20mm。减水剂：河北三楷聚按酸系高性能减水剂。聚合物乳液：乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液。水：北京市海淀区自来水。水泥、矿渣粉和骨料的主要性能指标见表1表3。表1水泥的主要性能指标水泥类型3d抗压强度/MPa28d抗压强度/MPaMgO含/%SO?含碱含量/%烧失/%金隅水泥35.358.41.0

4、92.520.433.96低热水泥32.845.02.173.470.623.04高铁水泥31.554.51.212.050.380.66超细水泥41.661.81.452.460.562.10自主研发水泥45.377.70.852.960.591.60表2矿流粉的主要性能指标7d活性指数28d活性指数MgO含so3碱含烧失7810610.02.200.480.40表3不同类型骨料的性能测试结果品种压碎指标值/%洛杉矶磨耗/%坚固性/%石灰石720.81玄武石516.51辉绿岩315.11-+4-1UU-I化X石314.1O钢渣石311.8O注：骨料粒径均为520mm01.2配合比设计试验设计

5、C60预应力轨枕用混凝土为基准配合比。通过调整矿渣粉用量为0%、5%、10%、15%和20%；调整胶骨比为0.26、0.25、0.23、0.22和0.21；调整聚合物乳液用量为0%、2%、4乐6%和8%；分别采用石灰岩、辉绿岩、玄武岩、花岗岩和钢渣石5种骨料；分别采用普通硅酸盐水泥、低热水泥、高铁水泥、超细水泥和自主研发水泥，进行各因素对轨枕混凝土耐磨性能的影响研究。试验混凝土维勃稠度控制在（202）s左右，由减水剂进行调节，混凝土水胶比为0.27,砂率为34%,养护龄期为3d和28d。具体配合比见表4。表4混凝土配合比编号水泥/(kf1/m3)/(kf1m,)竭皆料/(1m3)相骨料/(kg

6、n,)矿清粉掺/%股骨比R合，乳液掺/%僧科类奴水泥类取A-1O1213O-A-22412135-一A-348121310-一一A-472121315一-一一A-596121320一一一一B-1961213-0.26一-B-2926321226-0.25-B-3886391239-0.23一-B-4B-5C-1C-2C-3C-4C-5D-1E-3E-4E-536208484848484848484848484848484843333333333333333313养护制度试件成型后，在温度为20的环境中停放2h,将带模具的试件放入蒸汽养护箱中，设置温度2h升高至45,恒温养护6h后，将温度在2h

7、降至室温。脱模后，在标准养护室养护至试验龄期。14试验方法抗压强度试验：采用精度等级为I级的YAw-6206型全自动压力试验机，参照GB/T50081-2019普通混凝土力学性能试验方法标准中的规定进行。耐磨试验：混凝土耐磨试件尺寸为15OnImXI50mmX70mm,参照JTGE302005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程中的规定进行。2结果与讨论2.1矿渣粉掺量对轨枕混凝土耐磨性能的影响试验对比研究了不同矿渣粉掺量对轨枕混凝土耐磨性的影响，试验结果见表5,趋势图如图1所示。Ooooooo0987654Ed工麻醺田彝30A-1A-2A-3A-4A-5样品编号(NE)x)/M湿微感ISW册54

8、321098762222221.1.1.1.1.5表5不同掺量矿渣粉对轨枕混凝土性能影响的试验结果编号矿渣粉掺量/%抗压强度/MPa单位面积磨耗量/(kgr2)3d28d3d28dA-1O55.681.71.941.63A-2555.281.82.142.79A-31052.382.92.262.24A-41550.884.41.991.70A-52045.387.22.201.93图1不同掺量矿渣粉对轨枕混凝土性能的影响。由表5、图1可以看出，3d龄期时，随着矿渣粉掺量的增加，混凝土的早期强度逐渐降低，早期磨耗值先增长后降低，矿渣粉存在最佳掺量；混凝土早期强度略有降低，是因为水泥和矿渣粉早期

9、水化程度差距大，矿渣粉主要是作为一种细填料发挥作用，因此不同掺量矿渣粉对早期混凝土密实度的影响存在明显差异.28d龄期时，随着矿渣粉的进一步水化，矿渣粉作为细填料又优化了水泥-矿渣粉体系的混凝土密实度；随着矿渣粉掺量的增加，混凝土强度逐渐增高，磨耗值先增长后降低，矿渣粉掺量为15%时混凝土的耐磨性能与纯水泥的基准组基本一致。2.2胶骨比对轨枕混凝土耐磨性能的影响试验对比研究了不同胶骨比对轨枕用混凝土耐磨性的影响，试验结果见表6,趋势图如图2所示。由表6、图2可以看出，3d和28d龄期时，随着胶骨比的增加，混凝土的强度呈减小趋势，磨耗值先增长后降低再增长，胶骨比存在最佳值。骨料对混凝土耐磨性的影

10、响不仅在于其自身的强度，还在于其与水泥石的界面质量。胶凝材料的量太少或太多，都会影响骨料与水泥石界面的粘结。由试验结果可以看出，胶骨比为0.22时轨枕混凝土的耐磨性能最好。表6不同股骨比对轨枕混凝土性能影响的试验结果编号胶骨比抗压强度/MPa单位面积磨耗量/(kgr2)3d28d3d28dB-10.2639.478.01.731.42B-20.2538.779.31.661.55B-30.2342.281.01.251.23B-40.2241.380.21.801.91B-50.2140.280.51.431.38908070Bdw麻客图后60504030(eE/)、剌址微器fiw册10987

11、654322211111111B-1B-2B-3B-4B-5样品编号图2不同股骨比对轨枕混凝土性能的影响2.3聚合物乳液掺量对轨枕混凝土耐磨性能的影响试验对比研究了不同掺量聚合物乳液对轨枕用混凝土耐磨性的影响，试验结果见表7,趋势图如图3所示。由表7、图3可以看出，3d和28d龄期时，随着聚合物乳液掺量的增加，混凝土的强度逐渐降低，磨耗值先降低再增长，聚合物乳液掺量存在最佳值。聚合物乳液可以加强水泥石与集料的界面粘结力，减少混凝土自身内部缺陷，使混凝土耐磨性得到改善，但同时掺加聚合物乳液会一定程度上降低混凝土的强度，又不利于混凝土的耐磨性。由试验结果可以看出，聚合物乳液掺量为6%时轨枕混凝土的

12、耐磨性能最好。表7不同聚合物乳液掺量对轨枕混凝土性能影响的试验结果编号聚合物乳液掺量/%抗压强度/MPa单位面积磨耗量/(kgr2)3d28d3d28dC-1O42.179.31.831.22C-2238.975.61.741.18C-3436.471.81.781.12C-4634.568.21.420.86C-5833.467.61.841.21样品编号图3不同聚合物乳液掺量对轨枕混凝土性能的影响2.4骨料类型对轨枕混凝土耐磨性能的影响试验对比研究了不同骨料类型对轨枕用混凝土耐磨性的影响，试验结果见表8,趋势图如图4所示。由表8、图4可以看出，3d和28d龄期时，掺钢渣石的轨枕混凝土强度最

13、高，掺石灰岩、辉绿岩、玄武岩和花岗岩的轨枕混凝土强度基本一致。骨料的强度和耐磨性远优于胶凝材料，骨料硬度高、表面粗糙可以提升轨枕混凝土强度和水泥石与骨料界面的粘结力，进而可以提升混凝土的耐磨性。由试验结果可以看出，洛杉矶磨耗值最小、表面较粗糙的钢渣石提升轨枕混凝土耐磨性能最优，其次为花岗岩，而石灰岩、辉绿岩和玄武岩三者耐磨性能基本一致。表8不同骨料类型对轨枕混凝土性能影响的试验结果编号骨料类型抗压强度/MPa单位面积磨耗量/(kgm2)3d28d3d28dD-1石灰岩42.478.51.631.47D-2辉绿岩42.878.81.581.49D-3玄武岩43.279.41.631.46D-4-44-U1J1X1化凶后42.680.41.421.25D-5钢渣石49.485.21.020.902.5水泥类型对轨枕混凝土耐磨性能的影响试验对比研究了不同水泥类型对轨枕用混凝土耐磨性的影响，试验结果见表9,趋势图如图5所示。由表9、图5可以看出，3d和28d龄期时，掺高铁水泥和研发水泥的轨枕混凝土强度最高，掺普硅水泥、低热水泥和超细水泥的轨枕混凝土强度基本一致。作为胶结材料，水泥的矿物成分直接影响到水化产物的种类和相对含量，从而影响水泥石的结构，并直接影响混凝土的耐磨性。由试验结果可以看出，掺自主研发水泥和高铁水泥的