无砟轨道用混凝土防裂增强材料关键技术的研究与应用-申请书

铁道部科技研究开发项目申请书项目名称：无砟轨道工程用混凝土防裂增强材料的制备与应用关键技术研究申请单位：承担单位：南京工业大学山东铁正工程试验检测中心2010年1月8日无砟轨道工程用混凝土防裂增强材料的制备与应用关键技术研究一立项依据1.1研究背景高速铁路是指最高行车速度达到200km/h以上的铁路，是我国铁路发展的必然方向。铁路路线是铁路运输的重要基础设备之一，其建设质量直接影响到列车高速行车的安全性和舒适性。因此，高铁站前工程的主要要求是高精度(平顺性)、高稳定性和高耐久性，决定了高铁土木工程广泛采用桥梁、无砟轨道混凝土工程的特点。混凝土结构是高速铁路土木工程结构的主要形式，如轨道板、混凝土道床、道岔、混凝土底座、桥梁工程、隧道衬砌、地基桩、涵洞等均采用钢筋混凝土或素混凝土结构，混凝土材料的性能直接影响高铁土木工程的建设质量。因混凝土材料劣化引起铁路路线破坏现象极为普遍，已引起科技工作者的高度重视，1994年秋检结果显示，全国铁路桥梁有6137座存在不同程度的劣化，占当年铁路桥梁总数的18.8％；1997年调查发现，铁路隧道衬砌发生裂损数量占当年隧道总量的10％，衬砌漏水十分严重，导致钢轨锈蚀、道床翻浆、电力牵引设备漏电，危害列车运行；2006年底，全路线运营线路上共有桥梁43901座，劣化率达20.4％，共有隧道6495座，劣化率为64.8％，涵洞有142470座，劣化率为2.7％。因混凝土材料体积不稳定，产生各种收缩而引起的开裂往往是直接导致或者诱发、加速混凝土结构劣化破坏的重要原因。由于无砟轨道工程混凝土结构特点及对混凝土材料的特殊要求，使得高铁工程中混凝土收缩开裂问题更加突出，主要表现在：(1)轨道板、梁等预制混凝土构件的收缩开裂。预制构件要求混凝土强度发展快、等级高，如CRTSII型板混凝土一般采用C55混凝土，要求混凝土早期16h强度≥48MPa，28d混凝土抗压强度≥55MPa。为满足强度要求，往往需增加水泥用量、减小水泥颗粒细度，势必增大混凝土材料自收缩。对于大体积混凝土预制构件而言，其水化放热量大，后期温降收缩大，易使构件开裂，可能导致钢筋预应力松弛，影响构件强度及长期耐久性。(2)混凝土底座、道床的收缩开裂。混凝土底座常采用配筋混凝土道面板或素混凝土板，为大面积暴露的薄壁结构，受环境温度、湿度变化影响大，混凝土干燥收缩与温降收缩较大，易导致混凝土板开裂。同样，现场浇筑的双块式无砟轨道道床板是沿线路纵向连续的配筋混凝土结构，混凝土因水泥水化、干燥、降温等原因引起体积收缩所导致的开裂也较普遍。裂缝的产生会诱发钢筋锈蚀、加速外界有害介质对混凝土的侵蚀，损害结构的承载能力、使用功能与耐久性。若能控制现浇混凝土的开裂，发展现浇式无砟轨道技术，将大大提高施工进度、极大降低建设费用。(3)隧道衬砌的收缩开裂。隧道衬砌混凝土往往因其自身体积收缩而产生开裂，导致隧道漏水、加速混凝土腐蚀。(4)大体积现浇混凝土的收缩开裂。铁路桥梁的墩身、墩台、桥台等结构均使用大体积混凝土，由于水泥水化放热，大体积混凝土内部温升较高，在后期温降过程中，往往产生较大的温降收缩，导致混凝土结构开裂。主体结构100年的使用寿命成为高铁设计和质量控制的主要目标，而使用高性能混凝土材料是实现这一目标的重要手段。高性能混凝土不仅要求较好的强度和良好的工作性，还要求很好的体积稳定性(少收缩、少开裂)。随着现代混凝土技术的发展，强度与工作性能够较好的解决，但在实现体积稳定性，减少收缩开裂方面依然是一个十分困难的关键问题。为此，研究者们从材料选择、结构设计、施工工艺和养护技术等方面进行了研究，提出了不少有益方法，但仍难以妥善解决混凝土收缩开裂这一技术难题。利用膨胀组分如氧化钙、铝酸钙、硫铝酸钙或氧化镁等水化产生体积膨胀补偿混凝土材料的收缩以提高材料体积稳定性，是减少或避免收缩开裂的有效措施。目前使用最广泛的膨胀材料主要有氧化钙类和硫铝酸盐类膨胀剂，两者的膨胀源分别为氢氧化钙和钙矾石。这些传统膨胀材料存在一些不足：如钙矾石的形成需水量较大，湿养护要求较高；在高温、干燥的条件下物理化学稳定性较差，容易产生分解、重结晶等现象，导致应力松弛，膨胀不稳定；氢氧化钙、钙矾石主要在早期形成，膨胀主要集中在早期，对混凝土长期或后期收缩如大体积混凝土温降收缩的补偿不够等。由于以上不足，传统膨胀材料在水灰比低、湿养护较困难的无砟轨道混凝土底座、道床等结构中的应用受到限制。与传统的膨胀材料相比，氧化镁具有水化需水量少，水化产物氢氧化镁物理化学性质稳定，膨胀过程稳定且可调控的优点，因此在无砟轨道工程建设中具有广阔的应用前景。MgO的膨胀特性首次引起人们的关注是由于水泥中过量的死烧MgO水化产生过大的延迟性膨胀，导致水泥基材料开裂破坏。但是，若能控制MgO水化产生的膨胀，使其膨胀适当，则可利用其膨胀补偿水泥基材料的收缩。1980年，Mehta研究使用MgO作为混凝土膨胀添加剂，利用其水化产生的延迟性膨胀产生化学压应力补偿大体积混凝土的温降收缩产生的拉应力。但这一研究只停留在实验室，没有在实际工程中进行应用。我国于上世纪70年代初开始研究制备高镁水泥，利用其延迟膨胀补偿大体积混凝土温降收缩，简化温控措施，并发展了具有自主知识产权的MgO混凝土快速筑坝技术，并在一些水电工程中进行了成功的应用。最新研究表明MgO膨胀材料具有很好的补偿混凝土收缩和防裂功效，且其膨胀性能可调控。据此，可以根据无砟轨道混凝土工程的具体特点，开发相应的系列膨胀材料，满足混凝土收缩补偿需求，提高混凝土体积稳定性，防止混凝土开裂。为此，需进一步解决的问题有：(1)各种工程中混凝土材料的原材料、配合比、环境条件及结构形式等各不相同，使混凝土具有不同的收缩过程，需制备出具有不同膨胀性能的系列MgO膨胀材料；(2)生产MgO膨胀材料的原材料单一，受资源制约明显。以往主要采用高品位的菱镁矿来煅烧制备MgO膨胀材料，而这些高品位菱镁矿属于国家重点保护的稀缺资源，在钢铁、航空航天等其它重点领域也有重大需求。另一方面，当菱镁矿中氧化铁或石英等杂质较多时，就不适合于在上述领域中应用，因而被作为尾矿排放。据调查，开采菱镁矿时产生的大量尾矿废弃物，没有得到合理利用，不仅降低我国菱镁矿资源利用效率，而且占用大量耕地，污染环境。若能利用这些废弃尾矿制备MgO膨胀材料，不仅能够解决规模化生产MgO膨胀材料受菱镁矿资源制约的问题，而且能够提高我国镁矿资源的利用效率，节约资源，保护环境。此外，采用掺合料取代部分水泥，减少水泥用量，进而减少收缩也是常用的一种防裂方法。但是，掺合料过多会影响混凝土的强度，特别是早期强度。本项目拟针对高速铁路无砟轨道工程中混凝土开裂这一技术难题，利用工业废弃物菱镁矿尾矿、白云石和蛇纹石等原材料制备出膨胀过程可设计的MgO膨胀组分，并通过与粉煤灰、矿渣、煤矸石等工业废弃物进行颗粒级配和活性匹配的优化组合，制备出系列混凝土防裂增强材料。将混凝土防裂材料应用于高铁无砟轨道板、混凝土底座、道床、隧道衬砌等工程，防止混凝土开裂，提高高铁工程建设质量和耐久性。1.2研究意义目前，我国正以前所未有的巨大投资进行着空前规模的基础设施建设，国家投资数万亿元兴建铁路、公路、桥梁、港口、隧道等重大基础工程。混凝土是这些基础设施的主体，但由于所用混凝土组分复杂，胶凝材料用量大，水胶比小，导致了体积稳定性差、易开裂，从而产生了大量混凝土结构因过早开裂而导致耐久性下降的问题。这不仅给基建工程带来安全隐患，同时造成了资源与能源的极大浪费，造成了国家财富的巨大损失，为解决结构混凝土及混凝土结构的耐久性等相关问题，促进可持续发展，世界各国投入了大量的人力、物力进行了广泛的研究。本项目将研制环保的新型混凝土防裂增强材料并研究相应的施工技术，为解决无砟轨道工程混凝土开裂这一技术难题提供新的方法手段。混凝土防裂增强材料的使用将大大提高工程混凝土体积稳定性，防止混凝土收缩开裂，提高工程结构耐久性。研究将使无收缩或少收缩现浇式无砟轨道的施工技术成为可能，极大提高施工进度，降低工程投资，具有十分重大的经济意义。这一科学研究的开展将对进一步提升我国高铁建设水平，促进高铁建设自主知识产权的发展具有十分重要的意义。项目利用工业废弃物菱镁矿尾矿、粉煤灰、矿渣、煤矸石等制备防裂增强材料，将提高菱镁矿资源利用效率，促进资源的节约与节能减排。研究成果还可应用于我国其它重要的基建工程，应用前景十分广阔。通过项目实施，促进产、学、研结合，将促进大型产业链的形成。综上所述，该项目的实施既具有重要的学术价值，又具有重要的工程应用价值，社会与经济意义巨大。二研究内容与目标(1)防裂增强材料制备技术的研究MgO膨胀组分的制备技术：研究煅烧制度对MgO膨胀组分的矿物相组成、微观结构的影响，建立制备工艺参数与MgO膨胀组分矿物组成和结构的关系；研究材料结构与颗粒尺寸及养护环境条件对MgO膨胀组分水化、膨胀性能的影响，建立MgO膨胀组分组成、结构与膨胀性能之间的关系，揭示MgO膨胀组分性能调控机制；设计适用于规模化生产该材料的环保、高效、节能、自动化监控的回转窑，确定其制备工艺流程和相应的机械设备；研究工业窑炉煅烧温度测量与控制、生产控制、产品质量检验与控制技术，提出适宜的生产工艺。混凝土防裂增强材料的制备技术：研究以MgO作为主要组分、结合粉煤灰、矿渣、煤矸石等工业废弃物，对各组分的颗粒级配和活性匹配的优化组合配置出防裂增强材料。制定防裂增强材料产品技术指标、检验方法、检验规则与包装、储存及运输等。制定高铁无砟轨道工程用混凝土防裂增强材料产品标准。(2)防裂增强材料性能及其作用机理的研究研究系列防裂增强材料自身水化性能及其在水泥基材料中的水化作用机制；研究防裂增强材料对水泥基材料(水泥净浆、砂浆、混凝土)膨胀与力学性能的作用及其机理；研究防裂材料各组分相互作用及各组分对混凝土防裂、增强的机制；研究掺防裂增强材料对混凝土材料体积安定性的评估方法。(3)防裂增强材料对混凝土性能影响的研究研究防裂增强材料的各组分配比、掺量、养护温度、湿度等对混凝土体积变形、强度、抗渗性、抗冻性、抗腐蚀性等性能的影响规律；研究约束限制条件下防裂增强材料对混凝土性能的影响规律；研究防裂增强材料对新拌混凝土性能的影响规律，提出掺防裂增强材料混凝土配合比设计方法；根据具体工程混凝土配合比，研究掺防裂增强材料实际工程混凝土的性能，为工程应用奠定基础。(4)防裂增强材料在无砟轨道工程中的应用技术研究研究掺防裂增强材料混凝土的现场施工技术，研究搅拌方法、养护工艺等对混凝土性能的影响规律；研究无收缩或少收缩现浇式无砟轨道工艺技术及相应的新型养护技术；在京沪高铁或其它高铁工程中进行示范应用，现场实时监测防裂增强材料应用效果，研究现场评估测试方法；制定防裂增强材料施工及应用规范。三拟采取的研究方案与可行性分析3.1研究方案(1)MgO膨胀组分的制备与性能、结构的表征：采用菱镁矿尾矿、白云石、蛇纹石等作为原材料，在不同条件下煅烧制备系列MgO膨胀组分；研究煅烧条件对MgO组分微观结构的影响规律：采用N2吸附比表面积与孔结构快速测定仪(ASAP)测试MgO的比表面积与内孔结构；采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析仪(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)研究MgO的表面形貌、晶粒尺寸、晶体结构及缺陷；研究MgO组分的水化特性：采用柠檬酸法等方法测试MgO水化反应活性值；并采用综合差热分析仪(DSC-TG)测试MgO在水泥浆体中不同龄期的水化程度；研究MgO膨胀组分微观结构对其水化活性的影响规律，并确定影响其水化活性的关键结构参数。(2)研究通过优化组分配比、颗粒级配与活性匹配、活化辅助材料(粉煤灰、煤矸石、矿渣等固体废弃物)等方法配置系列防裂增强材料。(3)综合采用DSC-TG、XRD、SEM等手段跟踪研究防裂材料的水化过程、水化产物结构演变过程，并与浆体宏观体积膨胀关联，建立防裂材料在水泥基材料中的水化膨胀模型，阐明其膨胀机理，揭示防裂材料各组分间的相互作用及其作用机制；(4)研究防裂材料在水泥浆体、砂浆及混凝