CN106336136B - 一种用于轨枕的具有减振功能的混凝土 - Google Patents

一种用于轨枕的具有减振功能的混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多孔碎石在制备具有减振功能的混凝土中的应用；所述多孔碎石选自多孔玄武岩碎石、多孔石灰岩碎石、多孔花岗岩碎石中的任一种或任意重量比的多种。本发明还提供一种以上述多孔碎石为粗骨料的混凝土组合物及其在制备预应力混凝土轨枕中的应用。所述混凝土组合物包括水泥100重量份，粉煤灰5‑50重量份，细骨料100‑200重量份，粗骨料200‑380重量份，粘度改性剂0.05‑2重量份，气孔细化剂0.05‑2重量份，减水剂0.8‑4.0重量份。本发明的混凝土组合物制备的新拌混凝土，硬化后内部孔隙分布合理，在满足强度要求的同时，具有高阻尼比，从而解决常规预应力混凝土轨枕减振效果不佳的问题。

Description

一种用于轨枕的具有减振功能的混凝土
技术领域
本发明属于水泥建筑材料领域，具体涉及一种用于制备客运或货运有砟铁路预应力轨枕的混凝土。本发明提供的混凝土能够提高预应力轨枕的减振性能。
背景技术
轨枕是建设有砟铁路的必要配件之一，其既要支承钢轨，又要保持钢轨的位置，还要把钢轨传递来的巨大压力再传递给道床。因此，轨枕必须具备一定的柔韧性和弹性：列车经过时，轨枕可以适当变形以缓冲压力；列车过后须尽可能恢复原状。根据材质，轨枕可以分为木轨枕、钢轨枕、预应力混凝土轨枕等；其中，预应力混凝土轨枕在我国应用最广泛。常规的，预应力混凝土轨枕的生产工艺流程为：安装套管箍筋→钢筋桁架入模→安装配件→混凝土浇筑、振动→清渣、清边→养护→脱模→产品检测→安装扣件→堆码→成品存储发运。
随着人们生活水平的提高，列车运行对沿线周边所产生的震动和噪声已逐步引起人们的关切；尤其是铁路网日益发达和国家加强加快铁路建设的现实情况下。对此，已有相关减振降噪措施在新建铁路或改造铁路时得到应用，如：安装声屏障、列车减振、采用减振钢轨、优化轮轨关系以及采用树脂轨枕等。与树脂轨枕相比，混凝土轨枕具有造价低、耐老化性能更好、寿命长等特点。因此，开发出减震性能优良的预应力混凝土轨枕，在实际应用中将具有广阔的前景。由于混凝土在预应力混凝土轨枕中占绝大部分的体积和重量，轨枕的减振性能实际上由混凝土的性质决定。
混凝土(也称水泥混凝土)，是以水泥、粉煤灰等作胶凝材料，砂、石作骨料，加或不加外加剂和掺合料，与水按一定比例配合，经搅拌、成型、养护而得的工程复合材料。其中，粒径大于5mm的碎石、碎卵石称为粗骨料，粒径小于5mm的天然砂或人工砂称为细骨料。碎石由天然岩石(主要选自玄武岩、石灰石、花岗岩等)破碎，筛分而得。由于混凝土轨枕需要承受列车经过时的巨大压力，一般都采用表观密度大的密实的碎石作为骨粗料，如表观密度3200-3300kg/m3的玄武岩。
现有技术为提高预应力混凝土轨枕减振性能，多采用在混凝土原料中添加橡胶粉的方法。如公开号为CN 104193258A(公开日2014年12月10日)、名称为“一种用于重载铁路轨枕的高强弹性混凝土”的中国发明专利申请中，公开了一种用于重载铁路轨枕的高强弹性混凝土，由水泥、橡胶粉及辅料与水混合搅拌制得；各成分所占重量份为：水泥：100份，橡胶粉：3～8份，粉煤灰：20～50份，硅灰：5～20份；细骨料：200～300份，粗骨料：250～300份，膨胀剂：5～15份，减水剂：1.0～2.0份，消泡剂：0.001份，水：40～60份；其中，粗骨料为粒径不大于20mm的石灰岩、玄武岩等，其中10～20mm部分不得少于25％。该混凝土具有高强度、高抗裂、抗冲击、高耐久等优点，其在45℃下蒸养3d强度≥95MPa，抗冲击次数≥3000次(ACI-544方法)。
我国有砟铁路仍然占铁路主导地位的情况下，研究和开发新的具有减振性能的混凝土具有重要意义。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明首先提供一种多孔碎石在制备具有减振功能的混凝土中的应用。以所述多孔碎石为粗骨料的混凝土，具有高阻尼比，从而解决常规预应力混凝土轨枕减振效果不佳的问题。
为了实现上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种多孔碎石在制备具有减振功能的混凝土中的应用；所述多孔碎石选自多孔玄武岩碎石、多孔石灰岩碎石、多孔花岗岩碎石中的任一种或任意重量比的多种。
优选的，所述多孔碎石选自多孔玄武岩；更优选表观密度2750-3050kg/m3的多孔玄武岩；进一步优选表观密度2950-3050kg/m3的多孔玄武岩。
还优选的，所述多孔碎石的粒径为5-20mm。
本发明还提供一种混凝土组合物，包括胶凝材料、细骨料、粗骨料、粘度改性剂、气孔细化剂和减水剂，其中胶凝材料包括水泥和粉煤灰；各原料的重量份为：
水泥：100重量份，粉煤灰：5-50重量份，细骨料：100-200重量份，粗骨料：200-380重量份，粘度改性剂：0.05-2重量份，气孔细化剂：0.05-2重量份，减水剂：0.8-4.0重量份；
其中，所述粗骨料由粒径5-10mm和10-20mm的多孔碎石连续级配得到。
优选的，所述混凝土组合物，各原料的重量份为：
水泥：100重量份，粉煤灰：15-30重量份，细骨料：130-170重量份，粗骨料：250-350重量份，粘度改性剂：0.1-0.15重量份，气孔细化剂：0.1-1.0重量份，减水剂：1.2-2.0重量份。
更优选的，所述混凝土组合物，各原料的重量份为：
水泥：100重量份，粉煤灰：19重量份，细骨料：159重量份，粗骨料：296重量份，粘度改性剂：0.12重量份，气孔细化剂：0.3重量份，减水剂：1.4重量份。
优选的，所述粒径5-10mm和10-20mm的多孔碎石各自独立地选自多孔玄武岩碎石、多孔石灰岩碎石、多孔花岗岩碎石中的任一种或任意重量比的多种。
更优选的，所述多孔碎石选自多孔玄武岩；进一步优选表观密度2750-3050kg/m3的多孔玄武岩；更进一步优选表观密度2950-3050kg/m3的多孔玄武岩。
所述粒径5-10mm和10-20mm的多孔碎石按照本领域常规的质量比混合。
优选的，所述细骨料选自多孔机制砂和天然河砂中的一种或任意重量比的两种。
优选的，所述粘度改性剂选自纤维素乙醚及其衍生物、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇中的一种或者任意重量比的多种。
更优选的，所述纤维素乙醚及其衍生物选自羧甲基纤维素、羟乙基纤维素醚和羟丙基甲基纤维素中的一种。
优选的，所述气孔细化剂选自烷基磺酸盐类引气剂、松香树脂类引气剂、三萜皂甙类引气剂中的任一种或任意重量比的多种。
优选的，所述减水剂选自聚羧酸减水剂、萘系减水剂、密胺系减水剂和氨基磺酸盐系减水剂中一种或任意重量比的多种。
优选的，所述水泥选自强度等级为42.5、52.5或62.5的普通硅酸盐水泥或早强硅酸盐水泥中的一种或任意重量比的多种。
本发明的另一目的，在于提供一种新拌混凝土，由上述混凝土组合物和水混合制备得到，其中以所述混凝土组合物中所述胶凝材料的重量为基准，水为所述胶凝材料重量的20％-30％。
本发明还提供上述新拌混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照重量配比准备所述混凝土组合物和水；
(2)将所述混凝土组合物和水一起加入搅拌设备中，搅拌45-150秒。
本发明所述新拌混凝土还可以通过如下方法制备：
(1)按照重量配比准备所述混凝土组合物和水；
(2)先将除减水剂外的所述混凝土组合物加入搅拌设备搅拌10-15秒，然后加入减水剂和水再搅拌30-135秒。
本发明还有一个目的，在于提供上述混凝土组合物、上述新拌混凝土或按照上述方法制备得到的新拌混凝土在制备预应力混凝土轨枕中的应用。
此外，本发明还提供一种预应力混凝土轨枕，以上述混凝土组合物为原料制备新拌混凝土，或者上述新拌混凝土，或者上述制备方法制备得到的新拌混凝土，经过本领域常规的工艺流程制备得到。
本发明说明书中所述的“重量份”是指各原料之间的质量配比关系，而不是一个确定的质量单位。根据实际应用情况，1重量份的质量可以是1kg，500g，1吨等等。
硬化混凝土的阻尼比是体现混凝土减振性能的重要参数，阻尼比越高，减振性能越好。在本领域，将该参数哪怕提高0.1个百分点都是很难实现的。本发明首次将高强多孔碎石作为粗骨料应用于混凝土，在不添加橡胶粉的情况下，制备得到的混凝土硬化后阻尼比在1.2以上(如下述实施例1-5)，相较采用普通致密的碎石作粗骨料的传统混凝土(阻尼比＜1.0)，阻尼比有了显著的提高，显示出了优越的减振性能。此外，所述气孔细化剂进一步细化分散混凝土浆料中的大气孔，使其形成独立微孔。上述组分共同作用，在保证混凝土力学性能和体积稳定性能的前提下，增加了混凝土内部微孔数量，从而可以有效吸收轨道的振动能量，并为轨枕混凝土中的自由水结晶膨胀提供应力释放空间，达到提高预应力混凝土轨枕抗冻与吸收振动能量的目的。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。
如无特别说明，以下实施例中所涉及到的试剂或原料均可以通过公开的商业渠道获得。其中，实施例1～3、对比例2～3所用的各原料为：
水泥：冀东P.O 52.5硅酸盐水泥；
粉煤灰：I级；
粗骨料：①多孔玄武岩碎石(表观密度3010kg/m3)，级配质量比为：5mm-10mm粒级：10mm-20mm粒级＝1：4，
②密实玄武岩碎石(表观密度3250kg/m3)，级配质量比为：5mm-10mm粒级：10mm-20mm粒级＝1：4，
③密实石灰岩碎石(表观密度2650kg/m3)，级配质量比为：5mm-10mm粒级：10mm-20mm粒级＝1：4；
细骨料：细度模数2.64的河砂；
粘度改性剂：羧甲基纤维素；
气孔细化剂：松香树脂类引气剂；
减水剂：标准型聚羧酸减水剂(江苏奥莱特公司)。
实施例1一种混凝土组合物及其制备的新拌混凝土
本实施例的混凝土组合物的组成见表1。
本实施例所述新拌混凝土，通过如下方法制备：
(1)以胶凝材料(水泥和粉煤灰)重量为基准，准备占其重量28％的水；
(2)将混凝土组合物和水都加入搅拌机中，搅拌120秒，即得。
对比例1一种混凝土组合物及其制备的新拌混凝土
对比例1的混凝土组合物的组成见表1；但是其中粗骨料全部为密实玄武岩碎石，其它原料的来源与实施例1相同。
对比例1的新拌混凝土，通过与实施例1相同的方法制备得到。
对比例2一种混凝土组合物及其制备的新拌混凝土
对比例2的混凝土组合物的组成见表1；但是其中粗骨料全部为密实石灰岩碎石，其它原料的来源与实施例1相同。
对比例2的新拌混凝土，通过与实施例1相同的方法制备得到。
对比例3～7一种混凝土组合物及其制备的新拌混凝土
对比例3～7的混凝土组合物的组成见表1，其中粗骨料组成与实施例1的相同。
对比例3～7的新拌混凝土，通过与实施例1相同的方法制备得到。
测试例1实施例1和对比例1～7的混凝土性能测试
按照TB/T2190-2013《混凝土枕》、TB/T 3275－2011《铁路混凝土》中规定的检测项目和试验方法对上述制备得到的混凝土进行测试，测定新拌混凝土含气量、养护28d龄期后测试硬化混凝土抗压强度、弹性模量和阻尼比。满足设计轨枕混凝土强度等级为C60的要求，为评价混凝土的减振性能，按悬臂法测试混凝土试件的阻尼比(阻尼比越大，说明混凝土减振性能越好)。
测试结果见表1。
表1实施例1和对比例1～7的混凝土组合物组成和相应混凝土性能
a:对比例1的粗骨料是密实玄武岩碎石，对比例2的粗骨料是密实石灰岩碎石；实施例1和对比例3-7的粗骨料都是多孔玄武岩碎石。
从表1示出：
1)实施例1和对比例1～5得到的混凝土，就强度、弹性模量等力学性能来说，都可以满足C60要求；但是不同配方的混凝土的阻尼比和含气量等减振性能有较大差异：
(1)对比例1和对比例2分别采用密实碎石(其中对比例1采用密实玄武岩碎石，对比例2采用密实石灰岩碎石)，且原料中没有粘度改性剂和气孔细化剂，尽管其它组分与实施例1相同，但是制得的混凝土的阻尼比仅分别为0.92和0.93，远低于实施例1的1.32(与该两个对比例比较，实施例1的阻尼比提高了约40％)；另外，对比例1和2的28天时的抗压强度也不及实施例1。说明多孔粗骨料以及粘度改性剂和气孔细化剂对提高混凝土的减振性能起到关键的作用，同时还能够提高混凝土的强度。
(2)对比例3采用了与实施例1相同的多孔粗骨料，其它原料的组成和配比与对比例1相同，但硬化混凝土的抗压强度和阻尼比较对比例1有了显著的提高(抗压强度：72.2MPa vs 69.8MPa，阻尼比：1.21％vs 0.91％)，说明多孔粗骨料对提高混凝土的减振性能和强度起到至关重要的作用。
(3)对比例4和5，虽然采用了与实施例1相同组成的多孔粗骨料，但是因为在粘度改性剂和气孔细化剂上的差异，其阻尼比都小于实施例1。而且对比例4和对比例3比较，虽然原料中增加了粘度改性剂，但是混凝土的阻尼比并没有变化；说明粘度改性剂本身对提高混凝土的减振性能没有明显的影响。而对比例5和对比例2比较，原料中增加了气孔细化剂，混凝土的阻尼比提高了将近0.1％(1.29％vs 1.21％)；说明气孔细化剂有一定的提高混凝土减振性能的作用。实施例1和对比例5比较，原料中同时具备粘度改性剂和气孔细化剂，阻尼比达到了1.3％以上。推测本发明的粘度改性剂和气孔细化剂协同作用，通过增加混凝土内微孔数量、细化大气泡、稳定微小气泡体系，从而提高混凝土的减振性能。
2)与实施例1比较，对比例6原料中采用了更大量的多孔粗骨料，虽然混凝土的阻尼比较实施例1高，但是混凝土的硬度达不到C60级。
3)对比例7的混凝土原料中多孔粗骨料用量少，导致硬化混凝土的阻尼比仅0.94％。
结论：
本发明实施例1的组合物，通过特定的多孔粗骨料和粘度改善剂、气孔细化剂等组分共同作用，使混凝土具有稳定的、足够数量的微小气泡，从而显著提高混凝土减振性能。
实施例2一种混凝土组合物及其制备的新拌混凝土
本实施例的混凝土组合物的组成见表2。
本实施例的所述新拌混凝土，通过如下方法制备：
(1)以水泥重量为基准，准备占其重量28％的水；
(2)先将除减水剂外的所述混凝土组合物加入搅拌设备搅拌15秒，然后加入减水剂和水再搅拌135秒，即得。
实施例3一种混凝土组合物及其制备的新拌混凝土
本实施例的混凝土组合物的组成见表2。
本实施例的所述新拌混凝土，通过与实施例2相同的方法制备得到，不同之处在于水的重量是水泥重量的50％。
实施例4一种混凝土组合物及其制备的新拌混凝土
本实施例的混凝土组合物的组成见表2。
本实施例的所述新拌混凝土，通过与实施例1相同的方法制备得到，不同之处在于水的重量是水泥重量的40％。
实施例5一种混凝土组合物及其制备的新拌混凝土
本实施例的混凝土组合物的组成见表2。
本实施例的所述新拌混凝土，通过与实施例2相同的方法制备得到，不同之处在于水的重量是水泥重量的45％。
测试例2实施例2-5的混凝土性能测试
按照测试例1相同的方法和步骤，测定实施例2-5的混凝土浆料得到的混凝土的性能。结果见表2。
表2实施例2-5的混凝土组合物组成和相应混凝土性能
表2示出的数据表明，实施例2-5的组合物得到的混凝土与实施例1一样，也具有优良的力学性能和减振性能。
总之，本发明提供了一种新的高阻尼比的混凝土组合物及其制备的混凝土。该混凝土应用于预应力混凝土轨枕中，可以显著提高轨枕的减振性能。

Claims (17)

1.一种混凝土组合物，包括胶凝材料、细骨料、粗骨料、粘度改性剂、气孔细化剂和减水剂，其中胶凝材料包括水泥和粉煤灰；各原料的重量份为：
水泥：100重量份，粉煤灰：5-50重量份，细骨料：100-200重量份，粗骨料：200-380重量份，粘度改性剂：0.05-2重量份，气孔细化剂：0.05-2重量份，减水剂：0.8-4.0重量份；
其中，所述粗骨料由粒径5-10mm和10-20mm的多孔碎石连续级配得到。
2.根据权利要求1所述的混凝土组合物，其特征在于，所述混凝土组合物，各原料的重量份为：
水泥：100重量份，粉煤灰：15-30重量份，细骨料：130-170重量份，粗骨料：250-350重量份，粘度改性剂：0.1-0.15重量份，气孔细化剂：0.1-1.0重量份，减水剂：1.2-2.0重量份。
3.根据权利要求2所述的混凝土组合物，其特征在于，所述混凝土组合物，各原料的重量份为：
水泥：100重量份，粉煤灰：19重量份，细骨料：159重量份，粗骨料：296重量份，粘度改性剂：0.12重量份，气孔细化剂：0.3重量份，减水剂：1.4重量份。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的混凝土组合物，其特征在于，所述粒径5-10mm和10-20mm的多孔碎石各自独立地选自多孔玄武岩碎石、多孔石灰岩碎石、多孔花岗岩碎石中的任一种或任意重量比的多种。
5.根据权利要求4所述的混凝土组合物，其特征在于，所述多孔碎石选自多孔玄武岩。
6.根据权利要求5所述的混凝土组合物，其特征在于，所述多孔玄武岩为表观密度2750-3050kg/m3的多孔玄武岩。
7.根据权利要求6所述的混凝土组合物，其特征在于，所述多孔玄武岩为表观密度2950-3050kg/m3的多孔玄武岩。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的混凝土组合物，其特征在于，所述细骨料选自多孔机制砂和天然河砂中的一种或任意重量比的两种。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的混凝土组合物，其特征在于，所述粘度改性剂选自纤维素乙醚及其衍生物、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇中的一种或者任意重量比的多种。
10.根据权利要求9所述的混凝土组合物，其特征在于，所述纤维素乙醚及其衍生物选自羧甲基纤维素、羟乙基纤维素醚和羟丙基甲基纤维素中的一种。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的混凝土组合物，其特征在于，所述气孔细化剂选自烷基磺酸盐类引气剂、松香树脂类引气剂、三萜皂甙类引气剂中的任一种或任意重量比的多种。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的混凝土组合物，其特征在于，所述减水剂选自聚羧酸减水剂、萘系减水剂、密胺系减水剂和氨基磺酸盐系减水剂中一种或任意重量比的多种。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的混凝土组合物，其特征在于，所述水泥选自强度等级为42.5、52.5或62.5的普通硅酸盐水泥或早强硅酸盐水泥中的一种或任意重量比的多种。
14.一种新拌混凝土，由权利要求1至13中任一项所述的混凝土组合物和水混合制备得到，其中以所述混凝土组合物中所述胶凝材料的重量为基准，水为所述胶凝材料重量的20％-30％。
15.权利要求14所述的新拌混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照重量配比准备所述混凝土组合物和水；
(2)将所述混凝土组合物和水一起加入搅拌设备中，搅拌45-150秒；
或者，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按照重量配比准备所述混凝土组合物和水；
(2)先将除减水剂外的所述混凝土组合物加入搅拌设备搅拌10-15秒，然后加入减水剂和水再搅拌30-135秒。
16.权利要求1至13中任一项所述混凝土组合物、权利要求14所述的新拌混凝土或按照权利要求15所述的制备方法制备得到的新拌混凝土在制备预应力混凝土轨枕中的应用。
17.一种预应力混凝土轨枕，以权利要求1至13中任一项所述的混凝土组合物为原料制备新拌混凝土，或者权利要求14所述的新拌混凝土，或者按照权利要求15所述的制备方法制备得到的新拌混凝土，经过本领域常规的工艺流程制备得到。
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