CN110395949A - 一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土及其制备方法，所述耐磨混凝土由以下质量份材料组成：高贝利特水泥350～600份，纳米成核剂0.5～10份，矿物掺合料0～100份，聚合物10～60份，细骨料500～800份，粗骨料1100～1400份，减水剂1～6份，水100～145份。依据本发明制备的重载铁路轨枕用混凝土内部孔隙结构细化、界面过渡区缺陷改善明显、密实性好，水泥水化产物与骨料界面的粘结性能明显提高，混凝土抗压强度、韧性和耐磨性能得到显著提高。

Description

一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土及其制备方法。
背景技术
重载运输成为世界铁路发展的重要方向之一，而铁路重载运输已被各个国家确认为铁路货运研发的主要目标。轨枕是轨道结构的关键部件，承受着来自钢轨的各向荷载并传递于道床，同时有效保持轨道的规矩、轴向等几何形态。其中，混凝土轨枕自重大、刚度高、保持轨道几何能力强，是重载铁路主要的轨枕类型。但随着重载铁路列车轴重及运输量的增加，重载列车长期冲击碾压混凝土轨枕，造成混凝土轨枕承轨台处出现磨耗现象。以北美重载铁路为例，单就混凝土轨枕的服役状态而言，轴重为29.8t～35.4t的重载铁路出现了比较严重的轨枕承轨台磨损现象。目前，对重载铁路混凝土轨枕的设计研究主要是从轨枕受力变化和结构组合形式的角度来提高重载混凝土轨枕的使用寿命，尚缺乏提升重载铁路混凝土轨枕用混凝土耐磨性能方面的相关研究。
专利申请号为201520037084.6的实用新型专利“一种重载铁路耐磨混凝土轨枕”，其所述轨枕挡肩混凝土原材料中加入了高耐磨材料颗粒、高耐磨无机纤维，高耐磨材料颗粒是碳化硅、氮化硅、氧化锆、α-氧化铝、碳化钨、碳化硼、氮化硼、高硬度石英砂中的一种或几种，高耐磨无机纤维是碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、钢纤维、玻璃纤维、钢纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维中的一种或几种，采用上述措施一定程度上提高了轨枕挡肩部分混凝土的强度和耐磨性，但没有改善轨枕承轨面混凝土的耐磨性，同时所选的高耐磨材料颗粒和高耐磨无机纤维价格昂贵，性价比低，不利于推广应用。
专利申请号为201410397789.9的发明专利“一种用于重载铁路轨枕的高强弹性混凝土”，其所述轨枕混凝土原材料中加入了橡胶粉，提高了混凝土的弹性、抗冲击力，但是橡胶粉与水泥浆体的相容性差，二者之间不能形成有效的粘结，致使混凝土的抗压强度、抗折强度、弹性模量均有所降低，从而不利于提高重载作用下轨枕的耐磨性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土及其制备方法。
针对既有重载铁路轨枕混凝土采用普通硅酸盐水泥为主要胶凝材料体系，存在硅酸三钙、铝酸三钙含量高，水泥早期水化反应快、水化产物生长粗大，在蒸汽热养护过程中混凝土不可避免产生热损伤，造成混凝土内部存在微结构缺陷，导致轨枕混凝土韧性差、耐磨性能降低的问题。本发明从轨枕混凝土的原材料组成和制备角度出发，提出了一种新型的重载铁路轨枕用耐磨混凝土及其制备方法。本发明主要利用高贝利特水泥主要矿物的水化特性密实增强孔隙结构作用，纳米成核剂的早期诱导增强作用，以及矿物掺合料的密实填充优化界面作用，使蒸汽养护条件下水泥水化进程和水化产物的数量发生改变，导致水泥水化产物所形成的微观结构更加致密，界面过渡区缺陷获得改善，显著提高混凝土的密实性和耐磨性。有效降低了蒸汽养护混凝土的微观缺陷，从而延长重载铁路混凝土轨枕服役时间，降低运营维护成本。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土，由以下质量份材料组成：高贝利特水泥350～600份，纳米成核剂0.5～10份，矿物掺合料0～100份，聚合物10～60份，细骨料500～800份，粗骨料1100～1400份，减水剂1～6份，水100～145份。
进一步的，所述高贝利特水泥为一种早期强度不低、后期强度可持续增长，主要组成矿物硅酸二钙含量大于50%、硅酸三钙含量小于25%，适用于蒸汽养护混凝土用特种硅酸盐水泥，标准养护条件下，3d抗压强度不低于30MPa，28d抗压强度不低于50MPa，90d抗压强度不低于80MPa；蒸汽养护条件下，12h抗压强度不低于48MPa，且蒸汽养护12h后转标准养护至28d抗压强度不低于80MPa。
进一步的，所述纳米成核剂为纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米硅酸钙、纳米硅铝酸钙、纳米硫铝酸钙、纳米硅酸钡、纳米铝酸钡、纳米硫铝酸钡一种或多种材料组成的纳米粒子粉体或纳米粒子悬浮液，纳米粒子粒径为10~1000纳米，更进一步纳米粒子粒径为30~400纳米。
进一步的，所述矿物掺合料为磨细矿渣粉、硅灰和偏高岭土的两种或三种矿物组成，进一步的，优选S95或S105级的磨细矿渣粉、粒径0.1~1μm的硅灰和粒径5~25μm的偏高岭土。
进一步的，所述聚合物为乙烯—乙酸乙烯酯共聚乳液、聚乙酸乙烯酯乳液、聚丙烯酸酯乳液、聚丙酸乙烯酯乳液、苯丙乳液中的一种或几种。
进一步的，所述细骨料为河砂或人工砂，细度模数为2.5～2.9。
进一步的，所述粗骨料为钢渣与质地坚硬的石灰岩、玄武岩、花岗岩的一种或几种岩石混合组成，粗骨料粒径5mm~20mm，粗骨料中钢渣比例不低于50%。
进一步的，所述减水剂为木质素磺酸钠盐减水剂、萘系高效减水剂、脂肪族高效减水剂、氨基高效减水剂、聚羧酸高效减水剂的一种。
一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土及其制备方法，包括以下步骤：
1）根据耐磨混凝土的组成比例，按质量份数称取的各组分原材料。
2）将细骨料、粗骨料、水泥、矿物掺合料投入搅拌机中搅拌均匀。
3）将纳米成核剂、聚合物、减水剂、水加入到搅拌机中搅拌均匀，然后将混凝土倒出装入钢试模进行成型。
4）将装有混凝土的钢模放置振动台上，振捣90s室内成型混凝土试件，将装有混凝土的钢模移至振动台处，振捣150s工厂预制成型混凝土轨枕。
5）室内成型混凝土试件振捣成型完成后，将带有试模的试件在室温条件下静停2h，然后放入蒸汽养护箱内，升温2h至45℃，保持45℃恒温6h，然后降温2h至室温，拆模，放置标准养护室，养护至28d龄期；工厂预制混凝土轨枕振捣成型完成后，将带有试模的轨枕在室温条件下静停2h，然后放入蒸汽养护池内，升温2h至45℃，保持45℃恒温6h，然后降温2h至室温，拆模，放置养护区，养护至28d龄期。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明通过采用高硅酸二钙含量、低铝酸三钙含量的贝利特硅酸盐水泥，大幅降低水泥水化产物生成钙矾石和氢氧化钙的数量，改善水泥水化产物内部和界面过渡区的微观缺陷，提高蒸养水泥水化产物微观结构的致密性，降低混凝土内部缺陷，从而提高了重载铁路轨枕用混凝土的密实性和耐磨性；
本发明通过掺入纳米成核剂，在无机纳米粒子的微晶诱发作用和晶核杂化作用下，促进了水泥早期水化产生的水化膜的破裂，加速水泥生成C-S-H凝胶，显著提高水泥的早期强度，有效改善水泥水化产物的孔隙结构和界面过渡区缺陷，提高混凝土的密实性和耐磨性；
本发明通过掺入偏高岭土、硅灰等矿物掺合料，利用偏高领土、硅灰的级配填充效应，细化了水泥石孔隙，此外，矿物掺合料的二次火山灰效应，消耗水泥水化生成氢氧化钙，改善了水泥浆体和集料界面，提升了混凝土的密实性；
本发明通过在粗骨料掺入一定量钢渣，提高粗骨料的品位，提升混凝土的耐磨性能，钢渣作为炼钢过程中的一种副产品，其主要矿物组成为具有水硬胶凝性的硅酸三钙、硅酸二钙及铁铝酸盐等活性矿物，具有水泥特性，能够显著改善骨料与水泥水化产物的界面；且钢渣颗粒具有强度高、表面粗糙、耐磨和耐久性好、容重大、稳定性好等优点，钢渣可作为替代价格昂贵的碳化硅、氮化硅、氧化锆等耐磨材料作为一种经济、环保型耐磨骨料；
本发明通过掺入聚合物，聚合物在水泥水化产物的周围形成空间连续的网状结构，改善了水泥水化产物与骨料的粘结性能，增强了混凝土的韧性，提升混凝土的耐磨性；
综上所述，采用上述的原材料和制备方法制得的混凝土，其内部孔隙结构细化、界面过渡区缺陷减少，水泥水化产物与骨料界面的粘结性能明显提高，混凝土变得更加致密、抗压强度、韧性和耐磨性能明显增强，从而有效提升了重载铁路轨枕用混凝土的耐磨性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土，由以下质量份材料制成：高贝利特水泥384份、纳米成核剂0.6份、矿物掺合料96份、聚合物28.8份、细骨料625份、粗骨料1230份、减水剂4.25份、水127份。
其中，高贝利特水泥中硅酸二钙含量为51%、硅酸三钙含量为21%，纳米成核剂为纳米硅酸钙和纳米铝酸钙组成的纳米粉体混合物，纳米粒子粒径为30-200纳米，矿物掺合料由S105磨细矿渣粉、粒径0.1~1μm的硅灰和粒径5~25μm偏高岭土三种矿物按7:2:1质量比组成，聚合物为乙烯—乙酸乙烯酯共聚乳液和聚丙烯酸酯乳液，细骨料为河砂，细度模数2.6，粗骨料为5-20mm的钢渣和玄武岩按4:6质量比组成，减水剂为萘系高效减水剂。
具体按照以下步骤制备：
按照配合比称取各原料，进行搅拌，搅拌时，首先将细骨料、粗骨料、水泥、矿物掺合料倒入搅拌机中搅拌均匀；然后将纳米成核剂、聚合物、减水剂、水加入到搅拌机中搅拌均匀，最后将混凝土倒出装入钢试模进行成型。
室内成型混凝土试件成型与养护工艺如下：
1）将装有混凝土的钢模放置振动台上，振捣90s；
2）对试件进行养护：振捣完成后，将带有试模的试件在室温条件下静停2h，然后放入蒸汽养护箱内，升温2h至45℃，保持45℃恒温6h，然后降温2h至室温，拆模，放置标准养护室，养护至28d龄期。
工厂预制混凝土轨枕成型与养护工艺如下：
1）将装有混凝土的钢模移至振动台处，振捣150s；
2）振捣完成后，将带有试模的轨枕在室温条件下静停2h，然后放入蒸汽养护池内，升温2h至45℃，保持45℃恒温6h，然后降温2h至室温，拆模，放置养护区，养护至28d龄期。
实施例2
一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土，由以下质量份材料制成：重载铁路轨枕混凝土专用水泥432份，纳米成核剂1.2份、矿物掺合料48份、聚合物24份，细骨料612份，粗骨料1243份，减水剂1.10份，水129份。
其中，高贝利特水泥的硅酸二钙含量为65%、硅酸三钙含量小于17%，纳米成核剂为纳米硅酸钡和纳米二氧化硅组成的纳米粉体混合物，纳米粒子粒径为80-400纳米，矿物掺合料由粒径0.1~1μm的硅灰和粒径5~25μm偏高岭土两种矿物按5:1质量比组成，聚合物为苯丙乳液和聚丙烯酸酯乳液，细骨料为河砂，细度模数2.9，粗骨料为5-20mm的钢渣和花岗岩按6:4质量比组成，减水剂为聚羧酸高效减水剂。
重载铁路轨枕用耐磨混凝土的制备步骤，室内混凝土试件和工厂混凝土轨枕的成型和养护工艺同实施例1。
实施例3
一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土，由以下质量份材料制成：重载铁路轨枕混凝土专用水泥465份，矿物掺合料15份、聚合物27份，纳米成核剂5份、细骨料645份，粗骨料1210份，减水剂1.05份，水125份。
其中，高贝利特水泥的硅酸二钙含量为71%、硅酸三钙含量小于14%，纳米成核剂为纳米硅酸钙和纳米二氧化硅组成的纳米粒子悬浮液，纳米粒子粒径为60-300纳米，矿物掺合料由粒径0.1~1μm的硅灰和粒径5~25μm偏高岭土两种矿物按2:1质量比组成，聚合物为乙烯—乙酸乙烯酯共聚乳液，细骨料为河砂，细度模数2.7，粗骨料全部由5-20mm钢渣组成，减水剂为聚羧酸高效减水剂。
重载铁路轨枕用耐磨混凝土的制备步骤，室内混凝土试件和工厂混凝土轨枕的成型和养护工艺同实施例1。
对比例
一种重载铁路轨枕用普通混凝土，由以下质量份材料制成：P·O42.5级硅酸盐水泥384份，矿物掺合料为S95磨细矿渣粉96份，细骨料为河砂625份，粗骨料为5-20mm玄武岩1230份，聚羧酸高效减水剂1.26份，水127.5份。
具体按照以下步骤制备：
按照配合比称取各原料，进行搅拌，搅拌时，首先将将细骨料、粗骨料、水泥、矿粉倒入搅拌机中搅拌均匀，然后将水、减水剂加入到搅拌机中搅拌均匀，最后将混凝土倒出装入钢试模。
室内成型混凝土试件成型与养护工艺如下：
1）将装有混凝土的钢模放置振动台上，振捣90s；
2）对试件进行养护：振捣完成后，将带有试模的试件在室温条件下静停2h，然后放入蒸汽养护箱内，升温2h至45℃，保持45℃恒温6h，然后降温2h至室温，拆模，放置标准养护室，养护至28d龄期。
工厂预制混凝土轨枕成型与养护工艺如下：
1）将装有混凝土的钢模移至振动台处，振捣150s；
2）振捣完成后，将带有试模的轨枕在室温条件下静停2h，然后放入蒸汽养护池内，升温2h至45℃，保持45℃恒温6h，然后降温2h至室温，拆模，放置养护区，养护至28d龄期。
对实施例1～3和对比例所制备出的重载铁路轨枕用混凝土试件及混凝土轨枕，按照JTG E30《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行混凝土试件的耐磨试验，按照GB/T500081《普通混凝土力学性能试验方法》进行混凝土试件的抗压强度试验，按照北美铁路工程和维修协会（AREMA）第二部分第六项试验侵蚀/磨损对重载铁路用轨枕进行承轨面磨损试验，其中垂向荷载为144.6kN、横向荷载为75.2kN。
实施例1~3和对比例所制备出的混凝土试件和混凝土轨枕的性能测试结果如表1所示。
表1 混凝土试件和混凝土轨枕的性能测试结果
项目 脱模抗压强度（MPa） 28d抗压强度（MPa） 磨耗值（kg/m<sup>2</sup>） 轨枕承轨面磨损深度（mm）
实施例1 44.2 80.4 0.63 0.38
实施例2 48.3 84.5 0.54 0.35
实施例3 52.1 96.2 0.25 0.23
对比例 43.9 78.8 1.52 0.72
由表1可知，本发明实施例1～3所制备得到的重载铁路轨枕用耐磨混凝土在耐磨方面显著优于对比例制备出的重载铁路轨枕用普通混凝土，说明本发明的重载铁路轨枕用耐磨混凝土采用上述原材料及制备方法使其具有上述显著的效果。
本发明提供了一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土制备方法，目的是提升重载铁路轨枕混凝土的耐磨性，应用于重载铁路实际工程。
本发明的保护范围并不限于上述实施例，其他与本发明实质相同的技术方案均属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土及其制备方法，其特征在于由以下质量份材料组成：高贝利特水泥350～600份，纳米成核剂0.5～10份，矿物掺合料0～100份，聚合物10～60份，细骨料500～800份，粗骨料1100～1400份，减水剂1～6份，水100～145份。
2.根据权利要求1中所述的一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土及其制备方法，其特征在于：所述高贝利特水泥为一种早期强度不低、后期强度可持续增长，主要组成矿物硅酸二钙含量大于50%、硅酸三钙含量小于25%，适用于蒸汽养护混凝土用特种硅酸盐水泥，标准养护条件下，3d抗压强度不低于30MPa，28d抗压强度不低于50MPa，90d抗压强度不低于80MPa；蒸汽养护条件下，12h抗压强度不低于48MPa，且蒸汽养护12h后转标准养护至28d抗压强度不低于80MPa。
3.根据权利要求1中所述的一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土及其制备方法，其特征在于：所述纳米成核剂为纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米硅酸钙、纳米硅铝酸钙、纳米硫铝酸钙、纳米硅酸钡、纳米铝酸钡、纳米硫铝酸钡一种或多种材料组成的纳米粒子粉体或纳米粒子悬浮液，纳米粒子粒径为10~1000纳米，更进一步纳米粒子粒径为30~400纳米。
4.根据权利要求1中所述的一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土及其制备方法，其特征在于：所述矿物掺合料为磨细矿渣粉、硅灰和偏高岭土的两种或三种矿物组成，进一步的，优选S95或S105级的磨细矿渣粉、粒径0.1~1μm的硅灰和粒径5~25μm的偏高岭土。
5.根据权利要求1中所述的一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土及其制备方法，其特征在于：所述聚合物为乙烯—乙酸乙烯酯共聚乳液、聚乙酸乙烯酯乳液、聚丙烯酸酯乳液、聚丙酸乙烯酯乳液、苯丙乳液中的一种或几种。
6.根据权利要求1中所述的一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土及其制备方法，其特征在于：所述细骨料为河砂或人工砂，细度模数为2.5～2.9。
7.根据权利要求1中所述的一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土及其制备方法，其特征在于：所述粗骨料为钢渣与质地坚硬的石灰岩、玄武岩、花岗岩的一种或几种岩石混合组成，粗骨料粒径5mm~20mm，粗骨料中钢渣比例不低于50%。
8.根据权利要求1中所述的一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土及其制备方法，其特征在于：所述减水剂为木质素磺酸钠盐减水剂、萘系高效减水剂、脂肪族高效减水剂、氨基高效减水剂、聚羧酸高效减水剂的一种。
9.根据权利要求1中所述的一种重载铁路轨枕用耐磨混凝土及其制备方法，其特征在于：①根据耐磨混凝土的组成比例，按质量份数称取的各组分原材料；②将细骨料、粗骨料、水泥、矿物掺合料投入搅拌机中搅拌均匀；③将纳米成核剂、聚合物、减水剂、水加入到搅拌机中搅拌均匀，然后将混凝土倒出装入钢试模进行成型；④将装有混凝土的钢模放置振动台上，振捣90s室内成型混凝土试件，将装有混凝土的钢模移至振动台处，振捣150s工厂预制成型混凝土轨枕；⑤室内成型混凝土试件振捣成型完成后，将带有试模的试件在室温条件下静停2h，然后放入蒸汽养护箱内，升温2h至45℃，保持45℃恒温6h，然后降温2h至室温，拆模，放置标准养护室，养护至28d龄期；工厂预制混凝土轨枕振捣成型完成后，将带有试模的轨枕在室温条件下静停2h，然后放入蒸汽养护池内，升温2h至45℃，保持45℃恒温6h，然后降温2h至室温，拆模，放置养护区，养护至28d龄期。
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