摘 要
高速铁路建设应用的双块式轨枕在生产过程中出现在规定的脱模时间内强度低的问题，而普通的矿物掺合料不能有效提高轨枕混凝土的早期强度，改善轨枕混凝土的整体性能。因此本课题利用硅灰、矿粉和多功能添加剂研发了一种轨枕混凝土专用的增强型复合掺合料。通过测试不同掺量硅灰对复合掺合料的需水量，活性指数等，确定硅灰掺量为40%时的最优复合掺合料配比。通过对比复合掺合料的掺量为0%、5%、10%时配制轨枕混凝土，测试混凝土的工作性能，脱模强度，电通量等性能指标。结果表明，掺量为10%的复合掺合料配置的轨枕混凝土脱模强度达到45.9MPa，28d抗压强度达到71.1MPa，56d电通量为696C，各项性能指标均满足标准，并且耐久性得到了较大程度的提高。
【关键词】掺合料、轨枕混凝土、脱模强度、电通量
1 绪论
1.1 课题背景
随着铁路技术的发展，重载、高速的要求日益提高，铁路线路也从原有的有砟向无砟转变，无砟混凝土轨枕的需求量也越来越大。轨枕是铁路轨道系统中十分重要的承力部件。由于大部分轨枕都是露天服役并且承受正、负双向力矩，因而也是轨道结构中最容易被破坏的构件。双块式无砟轨枕生产工艺简单、科学合理、经济实用，具有很高的推广实用价值。在实际的双块式轨枕制作到养护12h后脱模的过程中，早期强度不足的轨枕会出现掉角、裂缝等现象，不仅影响双块式轨枕的外观和尺寸稳定性，而且会影响轨枕在实际的应用时的耐久性，降低轨枕的寿命。
根据琚元元等[1]的研究发现，双块式轨枕的两侧挡肩在脱模时，振动时间和次数不一致，导致轨枕与一侧挡肩应力集中，在多次的脱模时。另一侧挡肩产生的瞬间冲击力通过轨枕作用于这一侧，而轨枕混凝土的抗折强度不足，使得轨枕与挡肩连接部位产生裂纹。要减少裂纹的产生，除了在脱模工艺上作出改进，还可以通过提高混凝土的早期强度，来减少脱模过程中因为无法承受瞬间应力集中而产生的裂纹。
随着混凝土在建筑、交通等领域应用的发展，掺合料的使用技术也得到了发展，利用硅灰、矿粉等掺合料内掺水泥已经成为普遍的做法，硅灰、矿粉等掺合料含有无定型硅，具有火山灰效应，虽然活性较低，但由于能够较长时间的发挥作用，可以有效的提高混凝土的后期强度。硅灰由于颗粒较细，比表面积大，表面能高，发生火山灰反应时，活性较高，利于促进生成水化C-S-H凝胶，对混凝土的早期强度有明显提高。综合利用两者的优良性能，就可以改善混凝土的结构和性能，使混凝土在具有较高的早期强度的同时，还能够保证后期强度的发展。
1.2 课题目的与意义
在目前国内高速铁路发展迅速，无砟轨道作为高速铁路选用的轨道类型正逐步进行推广应用，最为普遍的两种无砟轨道为板式无砟轨道和双块式无砟轨道。双块式轨道的轨枕制造工艺简单，轨枕的铺设方便，成本较低，而且轨道的整体稳定性很好，在高速铁路客运专线轨道的铺设中得到了广泛的应用。双块式混凝土轨枕是无砟轨道中固定钢轨的主要结构，质量和精度要求十分严格。目前，双块式无砟轨道技术在国内虽然有所应用，但在施工技术方面还有很多不足之处。轨枕混凝土属于干硬性混凝土，在早期脱模过程中经常会出现裂纹，原因在于双块式轨枕的几何结构设计上，在轨枕承轨面与挡肩处设计了一个圆弧型的凹槽，容易在此处造成应力集中，使轨枕在脱模时容易产生裂纹。
目前，在混凝土配制和拌和过程中，除了单掺粉煤灰、矿渣微粉或硅灰等掺和料的方式以外，也开始普遍采用两种或两种以上种类的掺和料按照一定比例复掺的方式，拌制混凝土[3]。市场上使用的掺合料能够满足大部分混凝土的要求。但对于轨枕混凝土早期强度不低于40MPa、1d活性指数≥125%，28d活性指数≥100%的要求并不符合。这种严格的指标是普通复合掺合料所不能满足的，因此研究一种专用增强型轨枕混凝土复合掺合料是必要的。
通过查阅相关文献资料及工程实践发现，大多数的轨枕裂纹的出现是由于混凝土早期强度不足，导致在反复脱模过程中应力集中从而产生裂纹。本课题开发一种轨枕增强型矿物掺合料，目的在于提高混凝土的早期强度，从而减少轨枕在脱模过程中的裂纹产生。通过试验方法测试掺入掺合料的轨枕混凝土的工作性能、物理性能和耐久性，发现研制的增强型矿物掺合料部分取代水泥掺入双块式轨枕混凝土后，不仅能增加混凝土早期强度和后期强度，特别是早期强度，而且能改善混凝土的耐久性，为掺合料在轨枕混凝土中的应用提供了理论依据。从而减少因裂纹产生引起的氯离子侵蚀和硫酸盐侵蚀，减轻混凝土的破坏，延长使用寿命，进一步降低轨枕混凝土成本，具有重要意义。
1.3 国内外研究现状
国内外很多学者和工程人员已经对双块式轨枕混凝土及复合掺和料进行了很多研究，并取得了一定的研究成果。
庞传涛等的研究结果表明，使用多种矿粉复合时，对混凝土的性能改进超过单一掺合料，并且掺合料的使用量并非越多越好，复合掺合料的使用量为水泥用量的30%时，能够增强混凝土的早期强度。但是，这种复合掺合料其活性指数较小，无法满足轨枕混凝土1d≥125%的活性指数。同时，这种复合掺合料对于混凝土早期强度提升虽然有效，但并不能满足双块式轨枕混凝土的早期强度不低于40Mpa的要求。
马保国等利用矿粉、高活性硅灰和功能型添加剂按照适宜的比例，并进行均匀分散混合，制备了增强型复合掺和料，并将此掺和料应用于轨枕混凝土中，促进了水泥的早期水化反应，提高了早期水化产物的质量和数量。增强型矿物掺合料提高了轨枕混凝土各龄期的抗压强度，降低了轨枕混凝土的电通量，改善了轨枕混凝土抗氯离子渗透性能。这种增强型的矿物掺合料将是我们参照的一个重要文献，并致力于发现一种性能更加优秀的复合增强型矿物掺合料。
何小芳等认为掺和料单掺时，对混凝土的性能改善单一。将不同种类的掺和料复配制成复合掺和料，能改善混凝土的多种性能。例如，使用粉煤灰和硅灰复合的掺和料，粉煤灰能起到改善混凝土工作性及降低水泥早期水化热的作用，避免由内外温差导致早期裂缝产生，而小于1微米的微细颗粒硅灰的掺入，良好的分散到混凝土体系中，根据颗粒级配效应，使混凝土体系更趋近于最密堆积状态，从而可以很好的降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的体积稳定性和耐久性。将多种矿物掺合料复掺后，各组分之间会产生物理及化学复合效应，外在表现为火山灰效应和微集料效应，对改善混凝土的抗渗透性、微孔结构和抗裂性能等均有良好的作用，从而提高混凝土的耐久性能。
近年来，许多学者探究了复合掺和料对混凝土各项性能的影响。张笑等研究结果表明，硅灰对于混凝土的后期强度发展有较好的作用，研究发现，当硅灰用量为胶凝材料总用量的10%时，对混凝土的后期强度提高效果最好，配制成的混凝土的28d抗压强度达到了92.7MPa。Murat等认为掺入硅灰提高了混凝土的早期抗压强度，但是降低了混凝土的长期抗压强度。Tahir·Gonen研究硅灰与粉煤灰复合掺合料对混凝土的机械性能的影响，结果表明，硅灰提高混凝土的抗压强度幅度最大。唐明等研究结果表明，在混凝土中掺入矿渣、粉煤灰和硅灰时，结果发现，单一使用某种掺合料对混凝土的性能改善不如同时使用多种掺合料。通过测试复合掺合料对于混凝土抗压强度和电通量的影响。通过线性回归法分析试验结果数据，对比分析后发现，使用粉煤灰与硅灰等量使用时，对于混凝土抗压强度和电通量的改善效果最好。周述光等[13]研究了使用掺合料对于混凝土集料性能的影响，结果发现，同时使用硅灰粉煤灰和引气剂能够减少硅酸盐碱集料反应，从而提高混凝土的耐久性能。
冯辉红等研究结果表明，在混凝土中使用硅灰时，由于硅灰的比表面积大，颗粒细小，在水泥水化过程中会吸附体系中的自由水，降低水泥的水化速率，使需水量明显增加。当制备水泥净浆试件中掺入硅灰时，水泥净浆会在较短的时间内变粘稠，当提高硅灰的掺量时，由于硅灰吸附水的速率变大，会使得水泥净浆更快速的变粘稠。单掺粉煤灰会降低水泥净浆的早期强度，因此，粉煤灰的掺量不宜过高，由试验结果知，掺量为15%时最佳；单掺硅灰能保证水泥净浆的早期强度，硅灰的最佳掺量为5%；而复掺则能提高水泥净浆的早期强度，复掺的最佳掺量比为10%粉煤灰与10%硅灰等量复合。粉煤灰、硅灰复掺比单掺能获得良好的微集料级配和较迅速地水化反应，弥补纯水泥石微结构的不足。
上述对于国内外混凝土复合矿物掺合料的研究表明，为了更有效的增强混凝土的性能，采用多种掺合料复合将是更有效的做法。通过查阅《TBT3397-2015CRTS双块式无砟轨道混凝土轨枕》标准得知，1d活性指数≥125%，28d活性指数≥100%，早期强度不低于40Mpa，氯离子含量≤0.06%，28d电通量低于1000C。因此，本课题研究的双块式轨枕混凝土专用增强型复合掺合料在必须满足上述所有标准外，还必须具有更加优越的性能。达到提高轨枕混凝土强度和改善耐久性的目的。
1.4 本课题的研究内容
随着铁路技术的发展，高速铁路安全、舒适、快速的运行，对路基的稳定性和轨道的平顺性提出了更高的要求，铁路线路也从现有的有砟向无砟转变。双块式无砟轨枕生产工艺简单、经济实用，在高速铁路的建设中得到了广泛应用。然而，双块式轨枕在生产过程中经常会出现在规定的时间脱模时强度低以致产生掉角、裂缝和后期的耐久性不良等问题。本课题旨在研究开发一种增强型复合矿物掺和料，测试其对水泥水化过程及轨枕混凝土性能的影响规律，达到提高轨枕混凝土强度和改善耐久性的目的。具体研究内容如下：
1、采用硅灰、矿粉等矿物外加剂及增强剂等化学外加剂按照不同比例配置复合掺和料，并试验掺和料的各项指标。
2、将1中确定的最佳组分的复合矿物掺和料按照不同比例内掺于轨枕混凝土中，研究掺和料对混凝土各项性能指标的影响规律。
3、掺和料的试验指标包括：需水量比、活性指数；混凝土各项指标包括：维勃稠度、早期强度、后期强度、电通量及体积稳定性。
2 试验原材料及试验方法
2.1 原材料
2.1.1 水泥
水泥采用武汉某水泥公司生产的P·O42.5级水泥，水泥的化学成分和性能指标分别见表2.1、表2.2。
表2.1 水泥的化学成分（质量份数%）
| 原材料 | SiO2 | Al2O3 | CaO | Fe2O3 | MgO | Na2O | K2O | SO3 | Cl- | 烧失量 |
| 水泥 | 23.5 | 4.97 | 63.9 | 3.06 | 1.75 | 0.02 | 0.36 | 1.06 | 0.01 | 1.37 |
表2.2水泥的物理力学性能
| 比表面积（m2/kg） | 安定性 | 凝结时间（min） | 抗折强度（MPa） | 抗压强度（MPa） | |||
| 初凝 | 终凝 | 3d | 28d | 3d | 28d | ||
| 341 | 合格 | 175 | 330 | 4.2 | 6.5 | 28.7 | 50.9 |
2.2.2 混凝土集料
混凝土细集料：采用II区中砂，细度模数2.72，连续级配，表观密度2696kg/m3，含泥量为0.83%；粗集料：采用碎石，粒径5~25mm，针片状颗粒含量3.9%，含泥量1.4%，压碎指标6.5%。
2.2.3 外加剂
外加剂采用华轩高新PC-733粉体聚羧酸减水剂及KH-407液体聚羧酸减水剂系列，见表2.3。
表2.3减水剂类型
| 类别 | 型号 | 固含量 | 减水率 |
| 粉状减水剂 | PC-733型聚羧酸 | —— | 32% |
| 液体减水剂 | KH-407型聚羧酸 | 23% | 32% |
2.2 试验方法
2.2.1 活性指数试验方法
按照《TBT 3397-2015 CRTS双块式无砟轨道混凝土轨枕》标准要求，制备受检胶砂试件与基准胶砂试件，复合掺合料的活性指数按GB/T-18046的规定进行检验。本试验活性指数是指在标准条件下养护至相同龄期的受检胶砂试件与基准胶砂试件的抗压强度之比，用百分数表示（精确至１％）。复合掺合料活性指数按公式（2.1）计算：
Ａ＝(Ｒt/Ｒ0)×100％ （2.1）
式中：Ａ—矿物惨合料的活性指数，％；
Ｒt—受检胶砂相应龄期的强度，MPa；
Ｒ0—基准胶砂相应龄期的强度，MPa。
2.2.2 烧失量
按照GB/T 176-2008标准进行测试。称取不用组别的掺合料约1g，放入已灼烧恒量的瓷坩埚中，将盖斜置于坩埚上，在室温下放入高温炉中，使高温炉均匀升温，当温度达到（950±25℃)时，保温15-20分钟，再取出坩埚置于干燥器中，冷却至室温，称量。反复灼烧，直至恒重。质量分数按下式计算：
Ωlol=(m0-m1)/m0×100% （2.2）
式中：Ωlol——烧失量的质量分数，%；
m0——试料的质量，g；
m1——灼烧后试料的质量，g。
2.2.3 拌合物工作性能
混凝土拌合物的工作性能包括坍落扩展度、和易性、泌水率等，因为轨枕混凝土属于早强自密实干硬性混凝土，坍落度很小或者没有坍落度，因此，常用增实因数法来表征轨枕混凝土的工作性能。增实因数法的试验方法参见GB/T 50080-2002的附录A。
2.2.4 物理性能
本试验中轨枕混凝土的物理性能主要指其抗压强度[15]，本课题中，通过测量不掺复合掺合料的混凝土与分别掺5%、10%增强型复合掺合料的混凝土的脱模、7d、28d的抗压强度。抗压强度测试方法按照GB/T 50081-2002要求，取出养护好的标准混凝土试块，将试件安放在试验机的下压板上，试件的中心与下压板的中心对准，开动试验机，在试验中应连续均匀的加荷，取每秒钟0.8~1.0MPa。实验结果按下式计算：
fcc=F/A （2.3）
式中 fcc——混凝土立方体试件的抗压强度，MPa；
F——试件破坏荷载，N；
A——试件承压面积，mm2。
2.2.5 耐久性
轨枕混凝土的耐久性能指标主要通过测试其56d电通量，用通过混凝土试件的电通量为来表示轨枕混凝土抗氯离子渗透性能。按照GB/T 50082的要求进行试验，并应满足现行行业标准《混凝土氯离子电通量测定仪》JG/T 261的有关规定。无砟轨道双块式轨枕混凝土的56d电通量应小于1000C。
电通量试验应采用直径（100±1）mm，高度（50±2）mm的圆柱体试件。试件的制作养护标准复合GB/T50082的第7.1.4的规定。试验前，应将试件进行真空饱水。先将试件放入真空容器中，启动真空泵，在5min内将真空容器内的绝对压强减少至（1-5）kPa,保持该真空度3h，然后在真空泵仍在运转的情况下注入足够的蒸馏水或去离子水，直至淹没试件，并在1h后恢复常压，继续浸泡（18±2）h。在真空饱水后，按照标准的7.2.3的要求继续进行试验。
3 复合掺合料研究及混凝土性能测试
3.1 掺合料研究
由于双块式轨枕混凝土要求较高，本课题研究开发的专用增强型复合矿物掺合料只能取代水泥用量的10%。因此，在测试复合掺合料的活性指数时，配置的标准水泥砂浆只能取代10%的水泥用量。同时，除活性指数之外，还要测试需水量和烧失量。
3.1.1 掺合料组分设计
马保国等利用矿粉、高活性硅灰和功能型添加剂按照适宜的比例，并进行均匀分散混合，制备了增强型复合掺和料，本试验改进了该掺合料组分设计，并决定采用表3.1的组分设计。
表3.1 复合掺和料配合比（g/kg）
| 组别 | 硅灰 | 矿粉 | 增强剂 | 激发剂 |
| CA1 | 200 | 720 | 80 | 0.5 |
| CA2 | 400 | 520 | 80 | 0.5 |
3.1.2 需水量测试
复合矿物掺合料的一个重要性能指标是需水量，其需水量比要≤105%，即硅灰在混凝土的掺量并非越大越好，在本掺合料试验中应有一个最佳掺量范围，因此需要测试硅灰对复合掺合料需水量的影响，具体试验结果数据见表3.2。
表3.2 硅灰掺量对复合掺合料需水量的影响
| 硅灰掺量% | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 |
| 需水量比% | 100 | 97 | 94 | 101 | 104 | 105 | 110 | 112 |
3.1.3 流动度测试
流动度测试按照GB/T50081-2002标准进行测试，流动度反映了复合掺合料对混凝土工作性能的影响。本试验中，测试了掺入不同掺量硅灰对水泥净浆的初始流动度和15min流动度的影响。具体试验结果见表3.3和图3.1。
表3.3 测试硅灰对复合掺和料流动度的影响
| 水泥/g | 矿粉/g | 硅灰/g | 减水剂掺量 | 水胶比 | 初始流动度 /mm | 15min流动度/mm |
| 300 | 0 | 0 | 1.0% | 0.29 | 250 | 165 |
| 270 | 30（0%） | 0（0%） | 1.0% | 0.29 | 225 | 155 |
| 270 | 28.5（95%） | 1.5（5%） | 1.0% | 0.29 | 235 | 185 |
| 270 | 27（90%） | 3（10%） | 1.0% | 0.29 | 230 | 180 |
| 270 | 25.5（85%） | 4.5（15%） | 1.0% | 0.29 | 285 | 155 |
| 270 | 24（80%） | 6（20%） | 1.0% | 0.29 | 290 | 210 |
| 270 | 22.5（75%） | 7.5（25%） | 1.0% | 0.29 | 270 | 205 |
| 270 | 21（70%） | 9（30%） | 1.0% | 0.29 | 290 | 195 |
| 270 | 19.5（65%） | 10.5（35%） | 1.0% | 0.29 | 295 | 195 |
| 270 | 18（60%） | 12（40%） | 1.0% | 0.29 | 300 | 220 |
| 270 | 16.5（55%） | 13.5（45%） | 1.0% | 0.29 | 295 | 230 |
| 270 | 15（50%） | 15（50%） | 1.0% | 0.29 | 280 | 180 |
图3.1 硅灰掺量与复合掺合料流动度的关系图
如图3.1所示，在硅灰掺量较低时初始流动度改变不明显，随着硅灰掺量的不断增大，流动度开始呈增大的趋势，当硅灰掺量达到20%时，再随着硅灰掺量的增大，流动度又开始明显减小。分析原因，在低掺量的时候，由于硅灰的粒径小，掺入时使新拌混凝土具有更好的集配。因此流动性在开始掺入时逐渐增大直到20%，之后，由于硅灰比表面积很大，与水结合形成富含硅的凝胶而吸收更多的水，使混凝土的流动性显著下降。
15min的流动性同样呈现先缓慢增大后急剧降低，且降低幅度大于初始流动度。分析原因是由于15min时，部分水泥开始水化，硅灰与水化的水泥产生的氢氧化钙反应生成CSH凝胶，从而降低了混凝土拌合物的流动度。
3.1.4 活性指数
复合掺合料的活性指数是判断掺合料性能的重要指标，按照轨枕混凝土的掺合料活性指数要求，1d活性指数不低于125%，28d活性指数不低于100%。在水泥中掺入硅灰有利于增加强度，提高掺合料的活性指数[16]。本试验中测试了掺入不同含量硅灰的掺合料的1d、28d活性指数，比较硅灰含量对复合掺合料性能的影响，具体试验数据见表3.4和图3.2。
表3.4测试硅灰对复合掺和料活性的影响
| 水泥/g | 矿粉/g | 硅灰/g | 外加剂/g | 标准砂/g | 水胶比 | 1d活性指数 % | 28 d活性指数 % |
| 450 | 0 | 0 | 0 | 1350 | 0.5 | / | / |
| 405 | （100%） | （0%） | 5 | 1350 | 0.5 | 120 | 94 |
| 405 | （95%） | （5%） | 5 | 1350 | 0.5 | 121 | 96 |
| 405 | （90%） | （10%） | 5 | 1350 | 0.5 | 122 | 97 |
| 405 | （85%） | （15%） | 5 | 1350 | 0.5 | 123 | 97 |
| 405 | （80%） | （20%） | 5 | 1350 | 0.5 | 125 | 100 |
| 405 | （75%） | （25%） | 5 | 1350 | 0.5 | 126 | 102 |
| 405 | （70%） | （30%） | 5 | 1350 | 0.5 | 128 | 106 |
| 405 | （65%） | （35%） | 5 | 1350 | 0.5 | 129 | 110 |
| 405 | （60%） | （40%） | 5 | 1350 | 0.5 | 128 | 113 |
| 405 | （55%） | （45%） | 5 | 1350 | 0.5 | 125 | 112 |
| 405 | （50%） | （50%） | 5 | 1350 | 0.5 | 126 | 108 |
图3.2 硅灰掺量与活性指数关系曲线图
由表3.4知，随着硅灰掺量的增加，1d活性指数逐渐增大，当硅灰掺量在35%时达到最大值，超过35%时，活性指数略有下降。28d活性指数同样呈现先增大后降低的趋势，综合发现当硅灰掺量为40%时，具有最大的28d活性指数。分析原因，硅灰由于比表面积很大，颗粒很小，掺入水泥中体现其填充效应，使得试件具有更好的集配。其次，硅灰的活性比水泥高，图3.2表现为硅灰掺量为0时强度最低，随着硅灰掺量的增加，砂浆中活性物质逐渐增多，宏观上砂浆抗压强度增大，表现为活性指数增大。当硅灰掺量达到35%时，具有最大的1d活性指数，当掺量超过35%时，硅灰的大比表面积开始发挥作用。要使硅灰润湿需要更多的水，从而使得水泥水化速率降低，1d活性指数开始下降。
28d活性指数的结果表明，在硅灰掺量较低时，随着硅灰掺量的增加，活性指数开始增大，说明硅灰对混凝土的后期强度有增强作用，这是由于硅灰与体系中的氢氧化钙发生的火山灰反应。但当硅灰掺量超过40%后，随着掺量的增加，活性指数开始下降。这是由于硅灰掺量的增大，需水量开始增大，消耗了更多的水，阻碍了水泥的水化。由于双块式轨枕混凝土要求28d活性指数不低于100%，即由表3.4知，硅灰在复合掺合料中的掺量应不低于20%。综合分析，为了使轨枕混凝土具有最大的活性指数，应该采取矿粉：硅灰=6:4的比例配置复合掺合料。
3.1.5 烧失量
掺合料的烧失量关系到轨枕混凝土的后期工作性能，是掺合料稳定性的指数。烧失量的测试方法应符合GB/T 176-2008的标准进行测试。具体试验结果见表3.5
表3.5 不同硅灰掺量的复合掺和料的烧失量
| 硅灰掺量% | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 |
| 烧失量% | 0.550 | 0.676 | 0.802 | 0.928 | 1.054 | 1.180 | 1.306 | 1.432 |
（其中复合掺和料中增强剂掺量为8%，激发剂掺量0.5‰，其余为矿粉）
由表3.5知，随着硅灰掺量的增加，烧失量也逐渐增加。分析结果，发现随着硅灰掺量的增加，掺合料经试验后损失的质量也逐渐增大，掺合料中除激发剂等不耐火组分会挥发外，即硅灰在高温炉中经900℃高温燃烧后会损失质量。不利于掺合料的稳定性，因此，硅灰的掺量不能过高。
3.2 混凝土性能测试
轨枕混凝土的强度要求为C60，配合比设计见表3.6。C1、C2分别表示复合掺合料取代5%、10%的水泥配置轨枕混凝土的配合比。康祥梅等[20]的研究优化了轨枕混凝土的配合比设计。
表3.6 双块式轨枕混凝土配合比（kg/m3）
| 组别 | P.O42.5水泥 | 复合掺和料 | 细度模数2.8的中砂 | 5-10mm碎石 | 10-20mm碎石 | 减水剂 |
| C0 | 470 | 0 | 645 | 360 | 839 | 4.7 |
| C1 | 446.5 | 23.5 | 645 | 360 | 839 | 4.7 |
| C2 | 423 | 47 | 645 | 360 | 839 | 4.7 |
| 注：水灰比先采用0.29，根据坍落度情况调整水灰比 | ||||||
3.2.1 工作性能
由于轨枕混凝土强度大，坍落度十分不明显，因此采用增实因数法。结果见图3.3，由图3.3知，复合掺合料取代水泥组分越多，增实因数越大。取代5%时，增实因数为1.19，取代10%时，增实因数为1.26。反映了掺入复合掺合料越多，混凝土坍落度越小。Duval等研究发现，在水灰比为0.35时，在停止搅拌后的0～50min内任何一个时间测得的坍落度都随着硅灰增加而增加。
图3.3 不同掺量的复合掺合料与增实因数的关系曲线图
3.2.2 抗压强度
不同组别的双块式轨枕混凝土在不同龄期时的抗压强度见表3.7。
表3.7 混凝土抗压强度
| 组别 | 脱模时抗压强度MPa | 7d抗压强度MPa | 28d抗压强度MPa |
| C0 | 38.8 | 50.2 | 62.3 |
| C1 | 40.6 | 55.3 | 65.4 |
| C2 | 45.9 | 59.8 | 71.1 |
图3.4 不同龄期的混凝土的抗压强度柱状图
由表3.7可知，没有掺入增强型复合掺合料的轨枕混凝土试样脱模强度只有38.8MPa，而掺入5%和10%增强型复合掺合料的轨枕混凝土脱模强度达到40.6、45.9MPa，分别提高了4.6%和18.3%。分析掺入增强型复合掺合料的轨枕混凝土，其早期强度提高的主要原因是硅灰的填充效应，使得轨枕混凝土集配更密实，混凝土的强度也就越高。而后期强度提高的原因主要是硅灰在体系中发生的火山灰效应使得体系中的水化产物更多，同时体系在加入矿粉，矿粉不仅具备填充效应与火山灰效应，而且矿粉中能够激发体系中SiO2的活性，与水泥水化产生的Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶，进一步提高了混凝土的抗压强度[21]。
3.2.3 耐久性
轨枕混凝土的耐久性能通常以测试其56d电通量为指标，通过测试三组试样的56d电通量，绘制成如下曲线。由图可以看出，随着增强型复合掺合料的掺量由0提高到10%，电通量呈下降趋势，且降幅十分明显。这表明，本课题研究的专用增强型复合掺合料能够有效的提高轨枕混凝土的耐久性。
图3.5 不同掺量复合掺合料的56d电通量规律折线图
分析掺入增强型复合掺合料提高轨枕混凝土耐久性的原因，原因在于新拌混凝土中多余的水分，在混凝土内部形成了孔隙和毛细管，留下了气体和液体侵蚀轨枕混凝土的通道。随着混凝土凝结硬化过程的发展，复合掺和料中粒径小于5微米的颗粒开始产生微集料填充效应，调整了轨枕混凝土内部孔隙结构分配，并降低了孔隙率，使氯离子的渗透路径减少，从而降低了氯离子侵蚀危害；此外，复合掺和料中的无定形火山灰活性成分与水泥水化产物Ca(OH)2反应，消耗了大量的游离Ca(OH)2，降低了轨枕混凝土骨料和水泥石之间（界面过渡区）的晶体尺寸和取向度，界面过渡区的孔隙率也相应降低，使混凝土内部结构更加致密，且水泥石间隙充满了火山灰活性水化反应产物，也减少了氯离子渗透路径，从而改善了轨枕混凝土的抗氯离子渗透性能[10]。
结论
（1）本课题研发的复合掺合料是硅灰、矿粉、增强剂按照1：1.3：0.2的比例，外加激发剂配制而成的无砟轨道双块式轨枕混凝土专用增强型复合掺合料。本课题研发的复合掺合料提高了轨枕混凝土的早期强度，降低了轨枕脱模是由于早期强度不够而产生的裂纹问题。
（2）按照轨枕混凝土的制作规范，当掺入增强型复合掺合料时，能够较大的提高轨枕混凝土的各龄期的强度，并且随着掺量的增大，提高程度越明显。同时，掺入掺合料还能明显降低56d电通量，提高轨枕混凝土的耐久性能。
（3）增强型复合掺合料的填充密实效应，不仅能够提高轨枕混凝土的后期强度，同时，阻碍了各种有害离子侵蚀混凝土的通道，提高混凝土的耐久性。其火山灰效应也能够加快水泥的水化反应过程，提高轨枕混凝土的早期强度。
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