铁路轨枕用混凝土基本知识概述

混凝土基础知识完整教程

第一节 概述

第二节 普通混凝土的组成材料 第三节 普通混凝土的技术性质 第四节 混凝土外加剂 第五节 混凝土的质量检验和评定 第六节 普通混凝土的配合比设计 第七节 高强高性能混凝土

第八节 系列轨枕、岔枕产品相关标准及规范

《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》（二00五年七月） 《预应力混凝土枕 Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅲ型》（TB/T2190-2002） 《铁路混凝土与砌体工程施工规范》（ TB10210-2001）

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第一节 概述

一、混凝土的分类

混凝土是指用胶凝材料将粗细骨料胶结成整体的复合固体材料的总称。混凝土的种类很多，分类方法也很多。

（一）按表观密度分类

1. 重混凝土：表观密度大于2600kg/m3的混凝土，常由重晶石和铁矿石配制而成。

2. 普通混凝土：表观密度为1950～2500kg/m3的水泥混凝土，主要以砂、石子和水泥配制而成，是土木工程中最常用的混凝土品种，我们轨枕用混凝土属于普通混凝土。

3. 轻混凝土：表观密度小于1950kg/m的混凝土，包括轻骨料混凝土、多孔混凝土和大孔混凝土等。 （二）按胶凝材料的品种分类

通常根据主要胶凝材料的品种，并以其名称命名，如水泥混凝土、石膏混凝土、水玻璃混凝土、硅酸盐混凝土、沥青混凝土、聚合物混凝土等等。有时也以加入的特种改性材料命名，如水泥混凝土中掺入钢纤维时，称为钢纤维混凝土；水泥混凝土中掺大量粉煤灰时则称为粉煤灰混凝土等等，轨枕用混凝土为水泥混凝土。

（三）按使用功能和特性分类

按使用部位、功能和特性通常可分为：结构混凝土、道路混凝土、水工混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土、防辐射混凝土、补偿收缩混凝土、防水混凝土、泵送混凝土、自密实混凝土、纤维混凝土、聚合物混凝土、高强混凝土、高性能混凝土等等，轨枕用混凝土设计强度等级为C60，为结构混凝土和高性能混凝土。

二、普通混凝土

普通混凝土是指以水泥为胶凝材料，砂子和石子为骨料，经加水搅拌、浇筑成型、凝结固化成具有一定强度的“人工石材”，即水泥混凝土，是目前工程上最大量使用的混凝土品种。“混凝土”一词通常可简作“砼”。

（一）普通混凝土的主要优点

1. 原材料来源丰富。混凝土中约70%以上的材料是砂石料，属地方性材料，可就地取材，避免远距离运输，因而价格低廉。

2. 施工方便。混凝土拌合物具有良好的流动性和可塑性，可根据工程需要浇筑成各种形状尺寸的构件及构筑物。既可现场浇筑成型，也可预制。

3. 性能可根据需要设计调整。通过调整各组成材料的品种和数量，特别是掺入不同外加剂和掺合料，

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可获得不同施工和易性、强度、耐久性或具有特殊性能的混凝土，满足工程上的不同要求。

4. 抗压强度高。混凝土的抗压强度一般在7.5～60MPa之间。当掺入高效减水剂和掺合料时，强度可达100MPa以上。而且，混凝土与钢筋具有良好的匹配性，浇筑成钢筋混凝土后，可以有效地改善抗拉强度低的缺陷，使混凝土能够应用于各种结构部位。

5. 耐久性好。原材料选择正确、配比合理、施工养护良好的混凝土具有优异的抗渗性、抗冻性和耐腐蚀性能，且对钢筋有保护作用，可保持混凝土结构长期使用性能稳定。 （二）普通混凝土存在的主要缺点

1. 自重大。1m3混凝土重约2400kg，故结构物自重较大，导致地基处理费用增加。 2. 抗拉强度低，抗裂性差。混凝土的抗拉强度一般只有抗压强度的1/10～1/20，易开裂。

3. 收缩变形大。水泥水化凝结硬化引起的自身收缩和干燥收缩达500×10m/m以上，易产生混凝土收缩裂缝。

（三）普通混凝土的基本要求

1. 满足便于搅拌、运输和浇捣密实的施工和易性。 2. 满足设计要求的强度等级。

3. 满足工程所处环境条件所必需的耐久性。

4. 满足上述三项要求的前提下，最大限度地降低水泥用量，节约成本，即经济合理性。

为了满足上述四项基本要求，就必须研究原材料性能，研究影响混凝土和易性、强度、耐久性、变形性能的主要因素；研究配合比设计原理、混凝土质量波动规律以及相关的铁路检验评定标准等等。

第二节 普通混凝土的组成材料

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混凝土的性能在很大程度上取决于组成材料的性能。因此必须根据工程性质、设计要求和施工现场条件合理选择原料的品种、质量和用量。要做到合理选择原材料，则首先必须了解组成材料的性质、作用原理和质量要求。 一、水泥

（一）水泥品种的选择

水泥品种的选择主要根据工程结构特点、工程所处环境及施工条件确定。如高温车间结构混凝土有耐热要求，一般宜选用耐热性好的矿渣水泥等等。通用硅酸盐水泥可分为六种，即硅酸盐水泥（P.I和P.II）,普通硅酸盐水泥（P.O），矿渣硅酸盐水泥（P.S.A和P.S.B），火山灰质量硅酸盐水泥（P.P），粉煤灰硅酸盐水泥（P.F）和复合硅酸盐水泥（P.C） 。 （二）水泥强度等级的选择

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水泥强度等级的选择原则为：混凝土设计强度等级越高，则水泥强度等级也宜越高；设计强度等级低，则水泥强度等级也相应低。例如：C40以下混凝土，一般选用强度等级32.5级；C45～C60混凝土一般选用42.5级；大于C60的高强混凝土，一般宜选用42.5级或更高强度等级的水泥；对于C15以下的混凝土，则宜选择强度等级为32.5级的水泥，并外掺粉煤灰等混合材料。目标是保证混凝土中有足够的水泥，既不过多，也不过少。因为水泥用量过多（低强水泥配制高强度混凝土），一方面成本增加。另一方面，混凝土收缩增大，对耐久性不利。水泥用量过少（高强水泥配制低强度混凝土），混凝土的粘聚性变差，不易获得均匀密实的混凝土，严重影响混凝土的耐久性。铁路轨枕用混凝土设计混凝土等级为C60，《预应力混凝土枕 Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅲ型》（TB/T2190-2002）要求采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，其强度等级不低于42.5，客运专线高性能混凝土暂行技术条件 [二00五年七月]要求胶凝材料中混合一定比例的矿粉或粉煤灰，并符合下表技术要求。

序号 1 2 3 4 5 6 比表面积 80μm方孔筛筛余 游离氧化钙含量 碱含量 熟料中的C3A含量 氯离子含量 项目 ≤350m3/kg ≤10.0% ≤1.0% ≤0.80% ≤8%，氯盐环境下≤10% 不宜大于0.10%(钢筋混凝土) ≤0.06%(预应力混凝土) 技术要求 二、细骨料

公称粒径在0.15～5.0mm之间的骨料称为细骨料，亦即砂。常用的细骨料有河砂、海砂、山砂和机制砂（有时也称为人工砂、加工砂）等。通常根据公称直径630um筛孔的累计筛余量分为Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区。配制混凝土时优先选用II区砂，当采用I区砂时，应提高砂率，并保持足够的水泥用量，满足混凝土的和易性；当采用III区砂时，应适当降低砂率；当采用特细砂时，应符合相应的规定。 细骨料的主要质量指标有：

1. 有害杂质含量。细骨料中的有害杂质主要包括两方面：①粘土和云母。它们粘附于砂表面或夹杂

其中，严重降低水泥与砂的粘结强度，从而降低混凝土的强度、抗渗性和抗冻性，增大混凝土的收缩。②有机质、硫化物及硫酸盐。它们对水泥有腐蚀作用，从而影响混凝土的性能。因此对有害杂质含量必须加以限制。《普通混凝土用砂、石质量标准及检验方法》（JGJ52-2006）中对有害杂质含量也作了相应规定见下表。其中云母含量不得大于2%，轻物质含量和硫化物及硫酸盐含量分别不得大于1%，含泥量及泥块含量的限值为：当小于C25时分别不大于5%和2%，当大于等于C60时，分别不大于2%和0.5%，C55-C60时不大于3.0%和1.0%。

项 目

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质量指标 云母含量（按质量计，%） 轻物质 硫化物与硫酸盐含量（按SO3质量计，%） ≤2.0 ≤1.0 ≤1.0 颜色不应深于标准色，当颜色深于标准色时有机物含量（用比色法试验） 应按水泥胶砂强度试验方法进行强度对比试验，抗压强度不应低于0.95。 而《铁路混凝土与砌体工程施工规范》 （TB10210-2001）中对天然砂中有害物质含量见下表。

项目 含泥量（按质量计，%） 块含量（按质重量计，%） 硫化物与硫酸盐含量（按SO3质量计，%） 云母含量（按质量计，%） 轻物质含量（比重小于2，如煤、贝壳等）（按重量计，%） 质量指标 C30 ≤5.0 ＜1.0 ＜1.0 ≤1.0 ≤1.0 C30-C50 ≤3.0 ＜0.5 ＜1.0 ≤1.0 ≤1.0 C55-C60 ＜2.0 ＜0.5 ＜0.5 ＜0.5 ≤1.0 颜色不应该深于标准色，当深于标准色时，有机物含量（比色法试验） 则应按水泥胶砂强度检验方法进行强度对比试验，抗压强度比不应低于0.95 客运专线高性能混凝土暂行技术条件 [二00五年七月]则对砂中的有害物质含量有更严格的规定，见下表

项目 含泥量（按质量计，%） 块含量（按质重量计，%） 硫化物与硫酸盐含量（按SO3质量计，%） 云母含量（按质量计，%） 氯离子含量（按质量计，%） 轻物质含量（按重量计，%） 质量指标 ＜C30 ≤3.0 ≤0.5 ≤0.5 ≤0.5 ＜0.02 ≤0.5 颜色不应该深于标准色，当深于标准色时，有机物含量（比色法试验） 则应按水泥胶砂强度检验方法进行强度对比试验，抗压强度比不应低于0.95 《预应力混凝土枕 Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅲ型》（TB/T2190-2002）规定，轨枕生产采用硬质洁净的天然砂，除含泥量不应大于1.5%外，其它技术标准应符合《铁路混凝土与砌体工程施工规范》（ TB10210-2001）。 此外，由于氯离子对钢筋有严重的腐蚀作用，当采用海砂配制钢筋混凝土时，海砂中氯离子含量要求小于0.06%（以干砂重计）；砂中的氯离子必须符合下表规定：对于钢筋混凝土用砂，氯离子含量不得大于0.06%(以干砂的质量百分率计)，对于预应力混凝土用砂，其氯离子含量不得大于0.02%(以干砂的质量百分率计)。另外海砂中的贝壳含量也应该符合以下规定：混凝土强度等级大于C40时，贝壳含量（按质量计）不大于3%，C35-C30时不大于5%，C25-C15时不大于8%。《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》（二00五年七月）规定不得使用海砂拌制混凝土。

2. 颗粒形状及表面特征。河砂和海砂经水流冲刷，颗粒多为近似球状，且表面少棱角、较光滑，配制

C30-C50 ≤2.5 C55-C60 ≤2.0 22

的混凝土流动性往往比山砂或机制砂好，但与水泥的粘结性能相对较差；山砂和机制砂表面较粗糙，多棱角，故混凝土拌合物流动性相对较差，但与水泥的粘结性能较好。水灰比相同时，山砂或机制砂配制的混凝土强度略高；而流动性相同时，因山砂和机制砂用水量较大，故混凝土强度相近。铁路轨枕一般要求采用天然河砂。

3. 坚固性。砂是由天然岩石经自然风化作用而成，机制砂也会含大量风化岩体，在冻融或干湿循环作用下有可能继续风化，因此对某些重要工程或特殊环境下工作的混凝土用砂，应做坚固性检验。如严寒地区室外工程，并处于湿潮或干湿交替状态下的混凝土，有腐蚀介质存在或处于水位升降区的混凝土等等。坚固性根据JGJ52-2006规定，采用硫酸钠溶液浸泡→烘干→浸泡循环试验法检验。测定5个循环后的重量损失率。指标应符合下表要求。

混凝土所处的环境条件及其性能要求 在严寒及寒冷地区室外使用并经常处于潮湿或干湿 交替状态下的混凝土，对于抗疲劳、耐磨、抗冲击要求的混凝土， 有腐蚀介质作用或经常处于水位变化区地下结构混凝土 其它条件下使用的混凝土 ≤10% ≤8% 5次循环后的质量损失 《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》 [二00五年七月]则对砂的坚固性有特殊要求，试样经5次循环后质量损失不超过8%。

4. 粗细程度与颗粒级配。砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒混合体平均粒径大小。通常用细度模数（Mx）表示，其值并不等于平均粒径，但能较准确反映砂的粗细程度。细度模数Mx越大，表示砂越粗，单位重量总表面积（或比表面积）越小；Mx越小，则砂比表面积越大。

砂的颗粒级配是指不同粒径的砂粒搭配比例。良好的级配指粗颗粒的空隙恰好由中颗粒填充，中颗粒的空隙恰好由细颗粒填充，如此逐级填充（如图4-1所示）使砂形成最密致的堆积状态，空隙率达到最小值，堆积密度达最大值。这样可达到节约水泥，提高混凝土综合性能的目标。因此，砂颗粒级配反映空隙率大小。

图4-1 砂颗粒级配示意图

（1）细度模数和颗粒级配的测定。砂的粗细程度和颗粒级配用方孔筛分析方法测定，用细度模数表示粗细，用级配区表示砂的级配。根据JGJ52-2006，筛分析是用一套连长为4.75，2.36，1.18，0.600，0.300，0.150，

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0.075mm的标准筛，将500克干砂由粗到细依次过筛（详见试验），称量各筛上的筛余量（g），计算各筛

上的分计筛余率（%），再计算累计筛余率（%）。和的计算关系见表4-3。（JGJ52采用的筛孔尺寸

为5.00、2.50、1.25、0.630、0.315及0.160mm。其测试和计算方法均相同，目前混凝土行业普遍采用该标准。）

表4-3 累计筛余与分计筛余计算关系 筛孔尺寸（mm） 4.75 2.36 1.18 0.600 0.300 0.150 底盘 筛余量（g） M1 M2 M3 M4 m5 m6 m低 分计筛余（%） 累计筛余（%） 细度模数根据下式计算（精确至0.01）：

（4-1）

根据细度模数Mx大小将砂按下列分类：

Mx＞3.7 特粗砂；Mx=3.1～3.7粗砂；Mx=3.0～2.3中砂；Mx=2.2～1.6细砂；Mx=1.5～0.7特细砂。 砂的颗粒级配根据0.600mm筛孔对应的累计筛余百分率A4，分成Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区三个级配区，见表4-4。级配良好的粗砂应落在Ⅰ区；级配良好的中砂应落在Ⅱ区；细砂则在Ⅲ区。实际使用的砂颗粒级配可能不完全符合要求，除了公称直径5mm和0.630mm对应的累计筛余率外，其余各档允许有5%的超界，当某一筛档累计筛余率超界5%以上时，说明砂级配很差，视作不合格。

以累计筛余百分率为纵坐标，筛孔尺寸为横坐标，根据表4-4的级区可绘制Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级配区的筛分曲线，如图4-2所示。在筛分曲线上可以直观地分析砂的颗粒级配优劣。

表4-4 砂的颗粒级配区范围 累计筛余（％） 筛孔尺寸（mm） Ⅰ 区 5.0 2.50 1.25 0.63 10～0 35～5 65～35 85～71 Ⅱ 区 10～0 25～0 50～10 70～41 Ⅲ 区 10～0 15～0 25～0 40～16 24

0.315 0.160 95～80 100～90 92～70 100～90 85～55 100～90

图4-2 砂级配曲线图

（2）砂的掺配使用。

配制普通混凝土的砂宜为中砂（Mx=2.3～3.0），Ⅱ级区。但实际工程中往往出现砂偏细或偏粗的情况。通常有两种处理方法：

① 当只有一种砂源时，对偏细砂适当减少砂用量，即降低砂率；对偏粗砂则适当增加砂用量，即增加砂率。

② 当粗砂和细砂可同时提供时，宜将细砂和粗砂按一定比例掺配使用，这样既可调整Mx，也可改善砂的级配，有利于节约水泥，提高混凝土性能。掺配比例可根据砂资源状况，粗细砂各自的细度模数及级配情况，通过试验和计算确定。

《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》（二00五年七月）规定，配件混凝土时宜优先选用细骨料，当采用粗级细骨料时，应适当的提高砂率，并保证足够的水泥或胶凝材料用量，以满足混凝土和和易性，当采用细级细骨料时，宜适当降低砂率。当所选用的细骨料级配不能符合级配区范围要求时，应采取经试验证明能确保工程质量的技术措施后，方允许使用。

5. 砂的含水状态。砂的含水状态有如下4种，如图4-4所示。

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图4-4 骨料含水状态示意图

① 绝干状态：砂粒内外不含任何水，我们试验室内在105±5℃条件下烘干说是这种状态。

② 气干状态：砂粒表面干燥，内部孔隙中部分含水。指室内或室外（天晴）空气平衡的含水状态，其含水量的大小与空气相对湿度和温度密切相关。铁路轨枕工程上通常采用气干状态计量砂用量。

③ 饱和面干状态：砂粒表面干燥，内部孔隙全部吸水饱和。水利工程上通常采用饱和面干状态计量砂用量。 ④ 湿润状态：砂粒内部吸水饱和，表面还含有部分表面水。施工现场，特别是雨后常出现此种状况，搅拌混凝土中计量砂用量时，要扣除砂中的含水量；我们在每天在做的试验室烘料的主要用途就是测量砂粒的实际含水量，以便在计量用水用量时，扣除砂中带入的水量，在我们轨枕质量控制中，下雨天施工计量一般要进行多次测量含水量。 三、粗骨料

颗粒粒径大于5mm的骨料为粗骨料。混凝土工程中常用的有碎石和卵石两大类。碎石为岩石（有时采用大块卵石，称为碎卵石）经破碎、筛分而得；卵石多为自然形成的河卵石经筛分而得。 粗骨料的主要技术指标有：

1. 有害杂质。与细骨料中的有害杂质一样，主要有粘土、硫化物及硫酸盐、有机物等。根据JGJ52-2006，其含量应符合下表的要求。

表4-7 碎石或卵石中技术指标 指标 项 目 ≧C60 含泥量（按质量计），% 粘土块含量（按质重量计），% 硫化物与硫酸盐含量（以SO3重量计），% 针片状（按质量计），% 0.5 0.2 1.0 8 C55-C30 1.0 0.5 1.0 15 ≤C25 2.0 0.7 1.0 25 颜色应不深于标准色,当颜色深于 有机物含量（用比色法试验） 标准色时,配制成混凝土进行强度 进行对比试验,抗压强度比不低于 0.95 在严寒及寒冷地区室外使用,并经常 处于潮湿状态下的混凝土,有腐蚀性 介质作用或经常处于水位变化地区 坚固性 地下结构或有抗疲劳,耐磨抗冲击等 要求的混凝土. 其它条件下的混凝土 ≤8 ≤12 26

2. 颗粒形态及表面特征。粗骨料的颗粒形状以近立方体或近球状体为最佳，但在岩石破碎生产碎石的过程中往往产生一定量的针、片状，使骨料的空隙率增大，并降低混凝土的强度，特别是抗折强度。针状是指长度大于该颗粒所属粒级平均粒径的2.4倍的颗粒；片状是指厚度小于平均粒径0.4倍的颗粒。各别类粗骨料针片状含量要符合上表要求。

粗骨料的表面特征指表面粗糙程度。碎石表面比卵石粗糙，且多棱角，因此，拌制的混凝土拌合物流动性较差，但与水泥粘结强度较高，配合比相同时，混凝土强度相对较高。卵石表面较光滑，少棱角，因此拌合物的流动性较好，但粘结性能较差，强度相对较低。但若保持流动性相同，由于卵石可比碎石少用适量水，因此卵石混凝土强度并不一定低。

3. 粗骨料最大粒径。混凝土所用粗骨料的公称粒级上限称为最大粒径。骨料粒径越大，其表面积越小，通常空隙率也相应减小，因此所需的水泥浆或砂浆数量也可相应减少，有利于节约水泥、降低成本，并改善混凝土性能。所以在条件许可的情况下，应尽量选得较大粒径的骨料。但在实际工程上，骨料最大粒径受到多种条件的限制：①最大粒径不得大于构件最小截面尺寸的1/4，同时不得大于钢筋净距的3/4。《铁路混凝土与砌体工程施工规范》（ TB10210-2001）规定，铁路混凝土用的粗骨料最大粒径不得大于板厚的1/2或结构截面最小尺寸的1/4，也不得大于钢筋最小净距的3/4，且不大于100mm。②对于混凝土实心板，最大粒径不宜超过板厚的1/3，且不得大于40mm。③对于泵送混凝土，当泵送高度在50m以下时，最大粒径与输送管内径之比，碎石不宜大于1:3；卵石不宜大于1:2.5。④对大体积混凝土（如混凝土坝或围堤）或疏筋混凝土，往往受到搅拌设备和运输、成型设备条件的限制。有时为了节省水泥，降低收缩，可在大体积混凝土中抛入大块石（或称毛石），常称作抛石混凝土。⑤《预应力混凝土枕 Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅲ型》（TB/T2190-2002）规定轨枕使用最大粒径为25mm的碎石或卵碎石。《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》（二00五年七月）规定粗骨料最大公称粒径不宜超过混凝土保护层厚度的2/3（大严重腐蚀环境中不宜超过钢筋的混凝土保护层厚度的1/2），且不得超过钢筋最小间距的3/4，配制强度等C50及以上混凝土时，粗骨料的最大公称粒径不应大于25mm。另外，由于粗骨料粒径越大，其表面存在的裂纹缺陷的可能性加大，配制高性能混凝土时，一般对最大粒径作限制。

4. 粗骨料的颗粒级配。石子的粒级分为连续粒级和单位级两种。连续粒级指5mm以上至最大粒径Dmmax，各粒级均占一定比例，且在一定范围内。单粒级指从1/2最大粒径开始至Dmax。单粒级用于组成具有要求级配的连续粒级，也可与连续粒级混合使用，以改善级配或配成较大密实度的连续粒级。单粒级一般不宜单独用来配制混凝土，如必须单独使用，则应作技术经济分析，并通过试验证明不影响混凝土的质量。

石子的级配与砂的级配一样，通过一套标准筛筛分试验，计算累计筛余率确定。根椐JGJ52-2006标准，碎石和卵石级配均应符合下表要求。

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表4-8 碎石或卵石的颗粒级配范围 公 称 累计筛余（％） 方孔筛筛孔尺寸（mm） 2.36 95～100 95～100 95～100 95～100 95～100 － 4.75 80～100 85～100 90～100 90～100 90～100 95～100 95～100 95～100 － 9.50 0～15 30～60 40～80 － 70～90 75～90 85～100 － 95～100 － 16.0 0 19.0 26.5 31.5 37.5 53.0 63.0 75.0 90 － － － － － － － － 级配粒 级 情况 （mm） 5～10 5～16 0～10 0 － － － － － － － 5～20 连续粒级 5～25 － 30～70 － 0～10 0 － － － － － － － 15～45 30～65 0～5 0 － － － － － 5～31.5 － 0～5 0 － － － － 5～40 － － － 0～5 0 － － － 10～20 16～31.5 单粒级 20～40 31.5～63 40～80 － － 85～100 － 95～100 － 0～15 0 － － － － － － － － 80～100 － 95～100 － 0～10 0 － － － － － － － 75～100 － 0～10 45～75 70～100 0 － 0～10 30～60 － － － － － － 0 0～10 － － － － － － 5. 粗骨料的强度。根据GB/T14685和JGJ52规定，碎石和卵石的强度可用岩石的抗压强度或压碎值指标两种方法表示。

岩石的抗压强度采用

50mm×50mm的圆柱体或边长为50mm的立方体试样测定。一般要求其抗压强度

大于配制混凝土强度的1.2倍，且不小于45MPa（饱水）。

根据GB/T14685，压碎值指标是将9.5～19mm的石子m克，装入专用试样筒中，施加200KN的荷载，卸载后用孔径2.36mm的筛子筛去被压碎的细粒，称量筛余，计作m1，则压碎值指标Q按下式计算：

（4-2）

压碎值越小，表示石子强度越高，反之亦然。各类别骨料的压碎值指标应符合表4－7的要求。

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当混凝土的强度大于或等于C60时,应进行岩石抗压强度检验,岩石强度一般由生产单位提供,工程中可采用压碎值指标进行质量控制,碎石的压碎指标值宜符合下表的规定。

岩石品种 混凝土强度等级 C60-C40 沉积岩 ≤C35 C60-C40 变质岩或深成的火成岩 ≤C35 C60-C40 喷出的火成岩 ≤C35 ≤30 ≤20 ≤13 ≤16 ≤12 碎石压碎指标值% ≤10 沉积岩包括石灰岩、砂岩等，变质岩包括片麻岩、石英岩等，深成的火成岩包括花岗岩、正长岩、闪长岩和橄榄岩等，喷出的火成岩包括玄武岩和辉绿岩等。

卵石的强度可用压碎指标值表示，其压碎指标应符合下表的规定

混凝土强度等级 压碎指标值% C60-C40 ≤12 ≤C35 ≤16 6．粗骨料的坚固性。粗骨料的坚固性指标与砂相似，各类别骨料的质量损失应符合上述相关表的要求。

四、拌合用水

根据《混凝土拌合用水标准》（JGJ63—2006）的规定，凡符合国家标准的生活饮用水，均可拌制各种混凝土。混凝土拌合用水水质应符合下表要求。 项目 PH值 不溶物（mg/L） 可溶物（mg/L） CL-（mg/L） SO42-（mg/L） 碱含量（mg/L） 预应力混凝土 ≧5.0 ≤2000 ≤2000 ≤500 ≤600 ≤1500 钢筋混凝土 ≧4.5 ≤2000 ≤5000 ≤1000 ≤2000 ≤1500 素混凝土 ≧4.5 ≤5000 ≤10000 ≤3500 ≤2700 ≤1500

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对于设计使用年限100年的混凝土结构，氯离子含量不得超过500 mg/L，对于使用钢丝或经热处理钢筋的预应力混凝土，氯离子含量不得超过350mg/L,。地表水、地下水、再生水的放射性应符合国家现行标准《生活饮用水标准》（GB5749）规定，被检验水样应与饮用水进行水泥凝结时间对比试验,对比试验的水泥初凝时间差及终凝时间差均不应大于30分钟；被检验用水应与饮用水进行水泥胶砂强度对比试验，被检验水样配制的水泥胶砂3天及28天强度不应低于饮用水配制水泥胶砂强度3天及28天强度的90%。

混凝土用水不应有漂浮明显的油脂及泡沫，不应有明显的颜色及异味；未经处理的海水严禁用于钢筋和预应力混凝土；混凝土的养护用水可不检验不溶物及可溶物，其它检验项目应符合上述表的规定。混凝土混凝土养护用水可不检验水泥凝结时间差和水泥胶砂强度。

第三节 普通混凝土的技术性质

一、新拌混凝土的性能 （一）混凝土的和易性 1．和易性的概念。

新拌混凝土的和易性，也称工作性，是指拌合物易于搅拌、运输、浇捣成型，并获得质量均匀密实的混凝土的一项综合技术性能。通常用流动性、粘聚性和保水性三项内容表示。流动性是指拌合物在自重或外力作用下产生流动的难易程度；粘聚性是指拌合物各组成材料之间不产生分层离析现象；保水性是指拌合物不产生严重的泌水现象。

通常情况下，混凝土拌合物的流动性越大，则保水性和粘聚性越差，反之亦然，相互之间存在一定矛盾。和易性良好的混凝土是指既具有满足施工要求的流动性，又具有良好的粘聚性和保水性。因此，不能简单地将流动性大的混凝土称之为和易性好，或者流动性减小说成和易性变差。良好的和易性既是施工的要求也是获得质量均匀密实混凝土的基本保证。 2．和易性的测试和评定。

混凝土拌合物和易性是一项极其复杂的综合指标，到目前为止全世界尚无能够全面反映混凝土和易性的测定方法，通常通过测定流动性，再辅以其他直观观察或经验综合评定混凝土和易性。流动性的测定方法有坍落度法、维勃稠度法、探针法、斜槽法、流出时间法和凯利球法等十多种，对普通混凝土而言，最常用的是坍落度法和维勃稠度法。轨枕用混凝土属于干硬性混凝土，通常使用跳桌增实法进行测试。 （1）坍落度法：将搅拌好的混凝土分三层装入坍落度筒中（见图4-5a），每层插捣25次，抹平后垂直提起坍落度筒，混凝土则在自重作用下坍落，以坍落高度（单位mm）代表混凝土的流动性。坍落度越大，则流动性越好。

粘聚性通过观察坍落度测试后混凝土所保持的形状，或侧面用捣棒敲击后的形状判定，如图4-5所示。当坍落度筒一提起即出现图中（c）或（d）形状，表示粘聚性不良；敲击后出现（b）状，则粘聚性好；敲击后出现（c）状，则粘聚性欠佳；敲击后出现（d）状，则粘聚性不良。

保水性是以水或稀浆从底部析出的量大小评定（见图4-5b）。析出量大，保水性差，严重时粗骨料表面稀浆流失而裸露。析出量小则保水性好。

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图4-5 混凝土拌合物和易性测定

根据坍落度值大小将混凝土分为四类： ① 大流动性混凝土：坍落度≥160mm； ② 流动性混凝土：坍落度100～150mm； ③ 塑性混凝土：坍落度10～90mm； ④ 干硬性混凝土：坍落度<10mm 坍落度法测定混凝土和易性的适用条件为： a. 粗骨料最大粒径≤40mm； b. 坍落度≥10mm。

对坍落度小于10mm的干硬性混凝土，坍落度值已不能准确反映其流动性大小。如当两种混凝土坍落度均为零时，但在振捣器作用下的流动性可能完全不同。故一般采用维勃稠度法测定，轨枕用干硬性混凝土用跳桌增实法进行测试。

（2）维勃稠度法：坍落度法的测试原理是混凝土在自重作用下坍落，而维勃稠度法则是在坍落度筒提起后，施加一个振动外力，测试混凝土在外力作用下完全填满面板所需时间（单位：秒）代表混凝土流动性。时间越短，流动性越好；时间越长，流动性越差。见示意图4-6。

图4-6 维勃稠度试验仪

1. 容器；2. 坍落度筒；3. 圆盘；4. 滑棒；5. 套筒；6.13. 螺栓；7. 漏斗；

8. 支柱；9. 定位螺丝；10. 荷重；11. 元宝螺丝；12. 旋转架

（3）跳桌增实法：以绝对体积300ml的混凝土拌合物，经跳桌增实后的密度表征其稠度的方法。其增实因数指理想密实状态下的拌合物密度与拌合物经跳桌增实后的密度之比。其示意图如下：

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普通混凝土拌合物按跳桌增实法测定的稠度分为四个等级，如下表。

等级 K0 K1 K2 K3 名称 干硬性混凝土 干稠混凝土 塑性混凝土 流态混凝土 JH（mm） 240-220 219-200 199-180 ＜180 JC 1.400-1.305 1.300-1.185 1.180-1.055 ≤1.050 （4）坍落度的选择原则：实际施工时采用的坍落度大小根据下列条件选择。

① 构件截面尺寸大小：截面尺寸大，易于振捣成型，坍落度适当选小些，反之亦然。 ② 钢筋疏密：钢筋较密，则坍落度选大些。反之亦然。

③ 捣实方式：人工捣实，则坍落度选大些。机械振捣则选小些。

④ 运输距离：从搅拌机出口至浇捣现场运输距离较远时，应考虑途中坍落度损失，坍落度宜适当选大些，特别是商品混凝土。

⑤ 气候条件：气温高、空气相对湿度小时，因水泥水化速度加快及水份挥发加速，坍落度损失大，坍落度宜选大些，反之亦然。

一般情况下，坍落度可按表4-11选用。

表4-11 混凝土浇筑时的坍落度（mm） 构件种类 基础或地面等的垫层、无配筋的大体积结构（挡土墙、基础等）或配筋稀疏的结构 板、梁和大型及中型截面的柱子等 配筋密列的结构（薄壁、斗仓、简仓、细柱等） 配筋特密的结构 坍落度 10～30 30～50 50～70 70～90 3．影响和易性的主要因素。 （1）单位用水量

单位用水量是混凝土流动性的决定因素。用水量增大，流动性随之增大。但用水量大带来的不利影响

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高效减水剂；聚羧酸系高分子聚合物系减水剂等。

（二）早强剂

早强剂是指能加速混凝土早期强度发展的外加剂。主要作用机理是加速水泥水化速度，加速水化产物的早期结晶和沉淀。主要功能是缩短混凝土施工养护期，加快施工进度，提高模板的周转率。主要适用于有早强要求的混凝土工程及低温、负温施工混凝土、有防冻要求的混凝土、预制构件、蒸汽养护等等。早强剂的主要品种有氯盐、硫酸盐和有机胺三大类，但更多使用的是它们的复合早强剂。

1．氯化钙早强剂。氯盐类早强剂主要有CaCl2、NaCl、KCl、AlCl3和FeCl3等。工程上最常用的是CaCl2，为白色粉末，适宜掺量0.5%～3%。由于Cl-对钢筋有腐蚀作用，故钢筋混凝土中掺量应控制在1%以内。CaCl2早强剂能使混凝土3天强度提高50%～100%，7天强度提高20%～40%，但后期强度不一定提高，甚至可能低于基准混凝土。此外，氯盐类早强剂对混凝土耐久性有一定影响，因此CaCl2早强剂及氯盐复合早强剂不得在下列工程中使用：

（1）环境相对湿度大于8%、水位升降区、露天结构或经常受水淋的结构。主要是防止泛卤。

（2）镀锌钢材或铝铁相接触部位及有外露钢筋埋件而无防护措施的结构。 （3）含有酸碱或硫酸盐侵蚀介质中使用的结构。 （4）环境温度高于60℃的结构。

（5）使用冷拉钢筋或冷拔低碳钢丝的结构。

（6）给排水构筑物、薄壁构件、中级和重级吊车、屋架、落锤或锻锤基础。 （7）预应力混凝土结构。

（8）含有活性骨料的混凝土结构。 （9）电力设施系统混凝土结构。

此外，为消除CaCl2对钢筋的锈蚀作用，通常要求与阻锈剂亚硝酸钠复合使用。 2．硫酸盐类早强剂。硫酸盐类早强剂主要有硫酸钠（即元明粉，俗称芒硝）、硫代硫酸

钠、硫酸钙、硫酸铝及硫酸铝钾（即明矾）等。建筑工程中最常用的为硫酸钠早强剂。 硫酸钠为白色粉末，适宜掺量为0.5%～2.0%；早强效果不及CaCl2。对矿渣水泥混凝土早强效果较显著，但后期强度略有下降。硫酸钠早强剂在预应力混凝土结构中的掺量不得大于1%；潮湿环境中的钢筋混凝土结构中掺量不得大于1.5%；严格控制最大掺量，超掺可导致混凝土后期膨胀开裂，强度下降；混凝土表面起“白霜”，影响外观和表面装饰。此外，硫酸钠早强剂不得用于下列工程：

（1）与镀锌钢材或铝铁相接触部位的结构及外露钢筋预埋件而无防护措施的结构。 （2）使用直流电源的工厂及电气化运输设施的钢筋混凝土结构。 （3）含有活性骨料的混凝土结构。

3．有机胺类早强剂。有机胺类早强剂主要有三乙醇胺、三异醇胺等。工程上最常用的为三乙醇胺。三乙醇胺为无色或淡黄色油状液体，呈碱性，易溶于水。三乙醇胺的掺量极微，一般为水泥重的0.02%～0.05%，虽然早强效果不及CaCl2，但后期强度不下降并略有提高，且无其他影响混凝土耐久性的不利作用。但掺量不宜超过0.1%，否则可能导致混凝土后期强度下降。掺用时可将三乙醇胺先用水按一定比例稀释，以便于准确计量。此外，为改善三乙醇胺的早强效果，通常与其他早强剂复合使用。

4．复合早强剂。为了克服单一早强剂存在的各种不足，发挥各自特点，通常将三乙醇胺、硫酸钠、氯化钙、氯化钠、石膏及其他外加剂复配组成复合早强剂效果大大改善，有时可产生超叠加作用。常用配方有：

（1）三乙醇胺0.02%～0.05%+NaCl0.5%。

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（2）三乙醇胺0.02%～0.05%+NaCl0.3～0.5%+亚硝酸钠1%～2%。

（3）三乙醇胺0.02%～0.05%+生石膏2%+亚硝酸钠1%。

（4）硫酸钠+亚硝酸钠+氯化钙+氯化钠＝（1%～1.5%）+（1%～3%）+（0.3%～0.5%）+（0.3%～0.5%）。

（5）硫酸钠+NaCl=（0.5%～1.5%）+（0.3%～0.5%）。 （6）硫酸钠+亚硝酸钠＝（0.5%～1.5%）+1.0%。 （7）硫酸钠+三乙醇胺＝（0.5%～1.5%）+0.05%。

（8）硫酸钠+三乙醇胺+石膏＝（1%～1.5%）+2%+（0.03%～0.05%）。 （9）CaCl2+亚硝酸钠＝（0.5%～3.5%）+1%。

三GB8078-1997《混凝土外加剂》对外加剂质量指标的规定见下表（只列普通减水剂、高效减水剂早强减水引气剂四种）

试验项目 普通减水剂 一等品 减水率%，≧ 泌水率比%，≤ 含气量，% 凝结时间差 初凝 终凝 1d 抗压强度比%， 3d 7d 28d 收缩率比%不大于 相对耐久性指标%，200次,不小于 对钢筋的锈蚀作用 注: 1除含气量外,表中所列数据为掺加外加剂混凝土与基准混凝土的差值。 2凝结时间指标“-”表示提前，“+”表示延缓。 3相对耐久性指标一栏中，“200次≧60或80”表示将28天龄期的掺外加剂混凝土试验件冻融循环200次后，动弹性模量保留值≧80%或≧60。 4对于可以用高频振捣排除的，由外加剂所引入的气泡产品，允许用高频振捣，达到某类型性能指标要求的外加剂，可按本表进行命名和分类，但须在产品说明书包装上注明“用于高频振捣的XX剂”。 四 外加剂在铁路轨枕工程中的应用

1 TB10210《铁路混凝土与砌体工程施工规范》规定，外加剂在掺用之前应该经试验，以确定其性质、有效物质含量、溶液配制方法和最佳掺量。当混凝土中掺用含氯盐类外加剂时，氯离子的含量（按水泥重量百分率计）应符合以下规定： （1）混凝土结构中不大于1.8%。

（2）处于干燥环境、常年有水或埋于地下的钢筋混凝土结构中不得大于0.3%。

（3）处于干湿交替状态或常空气相对湿度大于80的钢筋混凝土结构中，不得大于0.12%。

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应说明对钢筋有无锈蚀危害 --- --- --- --- --- --- 80 60 28d 135 135 135 135 --- 115 115 110 --- 110 110 105 140 130 125 120 130 120 115 110 140 130 115 105 130 120 110 100 115 110 100 --- 110 8 95 ≤3 合格品 5 100 ≤4 高效减水剂 一等品 12 90 ≤3 合格品 10 95 ≤4 早强减水剂 一等品 8 95 ≤3 合格品 5 100 ≤4 引气减水剂 一等品 10 70 ＞3 合格品 10 80 ＞3 -90~+120 -90~+120 -90~+90 -90~+120 （4）钢筋混凝土桥跨结构和预应力混凝土结构中，不得掺用含有氯盐外加剂。

第五节 混凝土的质量检验和评定

一、混凝土质量波动的原因

在混凝土施工过程中，原材料、施工养护、试验条件、气候因素的变化，均可能造成混凝土质量的波动，影响到混凝土的和易性、强度及耐久性。由于强度是混凝土的主要技术指标，其他性能可从强度得到间接反映，故以强度为例分析波动的因素。 （一）原材料的质量波动

原材料的质量波动主要有：砂细度模数和级配的波动；粗骨料最大粒径和级配的波动；骨料含泥量的波动；骨料含水量的波动；水泥强度（不同批或不同厂家的实际强度可能不同）的波动；外加剂质量的波动（如液体材料的含固量、减水剂的减水率等）等等。所有这些质量波动，均将影响混凝土的强度。在现场施工或预拌工厂生产混凝土时，必须对原材料的质量加以严格控制，及时检测并加以调整，尽可能减少原材料质量波动对混凝土质量的影响。 （二）施工养护引起的混凝土质量波动

混凝土的质量波动与施工养护有着十分紧密的关系。如混凝土搅拌时间长短；计量时未根据砂石含水量变动及时调整配合比；运输时间过长引起分层、析水；振捣时间过长或不足；浇水养护时间，或者未能根据气温和湿度变化及时调整保温保湿措施等等。 （三）试验条件变化引起的混凝土质量波动

试验条件的变化主要指取样代表性，成型质量（特别是不同人员操作时），试件的养护条件变化，试验机自身误差以及试验人员操作的熟练程度等等。 二、混凝土质量（强度）波动的规律

在正常的原材料供应和施工条件下，混凝土的强度有时偏高，有时偏低，但总是在配制强度的附近波动，质量控制越严，施工管理水平越高，则波动的幅度越小；反之，则波动的幅度越大。通过大量的数理统计分析和工程实践证明，混凝土的质量波动符合正态分布规律，正态分布曲线见图4-19。

图4-19 正态分布曲线

正态分布的特点：

1．曲线形态呈钟型，在对称轴的两侧曲线上各有一个拐点。拐点至对称轴的距离等于1个标准差 。 2．曲线以平均强度为对称轴两边对称。即小于平均强度和大于平均强度出现的概率相等。平均强度值附近的概率（峰值）最高。离对称轴越远，出现的概率越小。 3．曲线与横座标之间围成的面积为总概率，即100%。

4．曲线越窄、越高，相应的标准差值（拐点离对称距离）也越小，表明强度越集中于平均强度附近，

40

混凝土匀质性好，质量波动小，施工管理水平高。若曲线宽且矮，相应的标准差越大，说明强度离散大、匀质性差、施工管理水平差。因此从概率分布曲线可以比较直观地分析混凝土质量波动的情况。 三、混凝土强度的匀质性评定

混凝土强度的均匀性，通常采用数理统计方法加以评定，主要评定参数有： （一）强度平均值

混凝土强度平均值按下式计算：

（4-17）

式中，N为该批混凝土试件立方体抗压强度的总组数；为第i组试件的强度值。理论上，平均强度

与该批混凝土的配制强度相等，它只反映该批混凝土强度的总平均值，而不能反映混凝土强度的波动情况。例如平均强度20MPa，可以由15 MPa、20 MPa、25MPa求得，也可以由18 MPa、20 MPa、22MPa求得，虽然平均值相等，但它们的均匀性显然后者优于前者。

（二）标准差

混凝土强度标准差按下式计算：

（4-18）

由正态分布曲线可知，标准差在数值上等于拐点至对称轴的距离。其值越小，反映混凝土质量波动越小，均匀性越好。对平均强度相同的混凝土而言，标准差 能确切反映混凝土质量的均匀性，但当平均强度不等时，并不确切。例如平均强度分别为20MPa和50MPa的混凝土，当 均等于5MPa时，对前者来说波动已很大，而对后者来说波动并不算大。因此，对不同强度等级的混凝土单用标准差值尚难以评判其匀质性，宜采用变异系数加以评定。 （三）变异系数Cv

变异系数Cv根据下式计算：

（4-19）

变异系数亦即为标准差与平均强度的比值，实际上反映相对于平均强度而言的变异程度。其值越小，

说明混凝土质量越均匀，波动越小。如上例中，前者的Cv＝5/20＝0.25；后者的Cv＝5/50＝0.1。显而易见，后者质量均匀性好，施工管理水平高。根据GBJ107—87中规定，混凝土的生产质量水平，可根据不同强度等级，在统计同期内混凝土强度的标准差和试件强度不低于设计等级的百分率来评定。并将混凝土生产单位质量管理水平划分为“优良”、“一般”及“差”三个等级。见表4-20。

41

表4-20 混凝土生产质量水平 生产质量水平 评定指标 强度等级生产单位 预拌混凝土和预制混凝土构件厂 混凝土强度标准差σ（MPa） 集中搅拌混凝土的施工现场 强度等于或高于要求强度等级的预拌混凝土厂和预制构件厂及百分率P（％） 集中搅拌的施工现场 ＜优良 ≥＜一般 ≥＜差 ≥C20 C20 C20 C20 C20 C20 ≤≤≤≤＞＞3.0 3.5 4.0 ≤≤≤5.0 4.0 5.0 ≤＞＞3.5 4.0 4.5 ≥95 5.5 4.5 5.5 ≤85 ≥85 （四）强度保证率（P%）

根据数理统计的概念，强度保证率指混凝土强度总体中大于设计强度等级的概率，亦即混凝土强度大于设计等级的组数占总组数的百分率。可根据正态分布的概率函数计算求得：

（4-20）

式中：

P——强度保证率；

t——概率度，或称为保证率系数，根据下式计算:

（4-21）

式中：

——混凝土设计强度等级。

根据t值，可计算强度保证率P。由于计算比较复杂，一般可根据表4-21直接查取P值。

表4-21 不同t值的强度保证率P值 t P（%） t P（%） 0.00 50.0 1.645 95.0 0.50 0.80 0.84 1.00 1.04 1.20 1.28 1.40 1.50 69.2 78.8 80.0 84.1 85.1 88.5 90.0 91.9 93.5 1.70 1.75 1.81 1.88 1.96 2.00 2.05 2.33 2.50 95.5 96.0 96.5 97.0 97.5 97.7 98.0 99.0 99.4 1.60 94.5 3.00 99.87 42

（五）混凝土的配制强度

从上述分析可知，如果混凝土的平均强度与设计强度等级相等，强度保证率系数t=0，此时保证率为50%，亦即只有50%的混凝土强度大于等于设计强度等级，工程质量难以保证。因此，必须适当提高混凝土的配制强度，以提高保证率。这里指的配制强度实际上等于混凝土的平均强度。根据我国JGJ55—2000的规定，混凝土强度保证率必须达到95%以上，此时对应的保证率系数t=1.645，由下式得：

（4-22）

式中：

——混凝土的配制强度（MPa）；

——当生产单位或施工单位具有统计资料时，可根据实际情况自行控制取值，但强度等级小于等于C25时，不应小于2.5MPa；当强度等级≥C30时，不应小于3.0 MPa；当无统计资料和经验时，可参考下表4-22取值。

表4-22 标准差的取值表 混凝土设计强度等级 （MPa） ＜C20 4.0 C20～C50 5.0 ＞C50 6.0 四、混凝土强度检验评定标准

1．当混凝土的生产条件在较长时间内能保持一致，且同一品种混凝土的强度变异性能保持稳定时，应由连续的三组试件代表一个验收批，其强度应同时符合下列要求：

（4-23） （4-24）

当混凝土强度等级不高于C20时，尚应符合下式要求：

（4-25）

当混凝土强度等级高于C20时，尚应符合下式要求：

（4-26）

式中：

——同一验收批混凝土强度的平均值（N/mm2）； ——设计的混凝土强度的标准值（N/mm2）； ——验收批混凝土强度的标准差（N/mm2）； ——同一验收批混凝土强度的最小值（N/mm2）。

验收批混凝土强度的标准差，应根据前一检验期内同一品种混凝土试件的强度数据，按下式确定：

43

（4-27）

式中：

——前一检验期内第i验收批混凝土试件中强度的最大值与最小值之差； m——前一检验期内验收批总批数。

2．当混凝土的生产条件不能满足上述条件的规定时，或在前一检验期内的同一品种混凝土没有足够的强度数据用以确定验收批混凝土强度标准差时，应由不少于10组的试件代表一个验收批，其强度应同时符合下列要求：

（4-28） （4-29）

式中：

——验收批混凝土强度的标准差（N/mm），当——合格判定系数。按下表取值。

表4-23 合格判定系数 试件组数 合下列要求：

（4-30）

式中：

——验收批混凝土强度的标准差（N/mm），当——合格判定系数。按下表取值。

表4-23 合格判定系数 试件组数 10～14 1.7 0.9 15～24 1.65 0.85 ≥25 1.60 22

的计算值小于0.06时，取=0.06；

10～14 1.7 0.9 15～24 1.65 0.85 ≥25 1.60 3．对零星生产的预制构件或现场搅拌批量不大的混凝土，可采用非统计方法评定，验收批强度必须同时符

（4-31）

的计算值小于0.06时，取=0.06；

3．对零星生产的预制构件或现场搅拌批量不大的混凝土，可采用非统计方法评定，验收批强度必须同时符合下列要求：

（4-30）

（4-31）

44

4．当对混凝土的试件强度代表性有怀疑时，可采用从结构、构件中钻取芯样或其他非破损检验方法，对结

构、构件中的混凝土强度进行推定，作为是否应进行处理的依据。

五 铁路轨枕混凝土强度检验评定 1标准差已知方法检验

当混凝土的原材料、生产工艺及施工管理水平在较长的时间内能保持一致，且同一品种混凝土的强度变异性又能保持稳定时，宜采用标准差已知方法检验混凝土强度。此时应取连续四组试件组成一个验收批，其强度应同时满足下列要求

M1fcu≧fcu,k+0.8σ0, f1cu,min≧fcu,k-0.85σ0, f1cu,min≧0.85fcu,k

公式中m1fcu 同一验收批4组混凝土试件的抗压强度平均值（N/mm2） fcu,k,混凝土立方体试件抗压强度标准值；

σ0，前一个检验期内同一品种混凝土试件的抗压强度标准差，可按下式计算：

ficu,min，同一验收批4组混凝土试件抗压强度中的最小值；

前一个检验期（检验期限不应超过三个月，且在该期间内的验收批总数不应少于12批，或试件总组数不少于48组）内的同一品种混凝土试件的抗压强度标准差可以按上式计算。 2标准差未知方法检验

当混凝土的原材料、生产工艺及施工管理水平在较长时间内不能保持一致，且同一品牌混凝土的强度变异性又不能保持稳定时；或在前一个检验期内的同类混凝土没有足够数据能确定验收批混凝土试件的抗压强度标准差时，应采用标准差未知方法检验混凝土强度。此时应由5组或5组以上的试件组成一下验收批，其强度应同时满足下列要求：

m2fcu≧fcu,k+0.95sfcu f2cu,min≧fcu,k-A.B

公式中，m2fcu是指同一验收批5组或5组以上混凝土试件的抗压强度平均值； sfcu指同一验收批5组或5组以上混凝土试件抗压强度标准差； f2cu,min指同一验收批5组或5组以上混凝土试件抗压强度中的最小值； A、B是指混凝土强度检验系数，可以按下表取用 混凝土强度检验系数A

试件组数 45 5-9 10-19 ≧20 值 混凝土强度检验系数B值 3小样本方法检验

A 强度等级 B 0.35 ＜C20 3.5 1.10 C20-C40 4.5 1.20 ＞C40 5.5 采用小样本方法检验混凝土强度时，应由2-4个试件组成一个验收批，其强度应同时满足下述的要求：

m3fcu≧fcu,k+C f3cu,min≧fcu,k-D

公式中，m3fcu指同一验收批2-4组混凝土试件的抗压强度平均值； f3cu,min指同一验收批2-4组混凝土试件抗压强度中的最小值； C、D指混凝土强度检验系数，可以按下表取用，

混凝土强度等级 C D 4混凝土强度的合格判定

当混凝土强度经检验能分别满足上述要求时，判定为该批混凝土强度评定为合格，当不能满足上述要求时，则此批混凝土强度评定为不合格；当对验收批混凝土试件的强度代表性有怀疑时，可从结构或构件中钻取试件或采用非破损检测方法，按有关标准的规定对混凝土强度进行评定。

＜C20 3.6 2.4 C20-C40 4.7 3.1 ＞C40 5.8 3.9 第六节 普通混凝土的配合比设计

一、混凝土配合比设计基本要求

混凝土配合比是指1m3混凝土中各组成材料的用量，或各组成材料之重量比。配合比设计的目的是为满足以下四项基本要求： 1．满足施工要求的和易性。

2．满足设计的强度等级，并具有95%的保证率。 3．满足工程所处环境对混凝土的耐久性要求。 4．经济合理，最大限度节约水泥，降低混凝土成本。 二、混凝土配合比设计中的三个基本参数

为了达到混凝土配合设计的四项基本要求，关键是要控制好水灰比（W/C）、单位用水量（W0）和砂率（Sp）三个基本参数。这三个基本参数的确定原则如下： 1．水灰比。

水灰比根据设计要求的混凝土强度和耐久性确定。确定原则为：在满足混凝土设计强度和耐久性的基础上，选用较大水灰比，以节约水泥，降低混凝土成本。 2．单位用水量。

单位用水量主要根据坍落度要求和粗骨料品种、最大粒径确定。确定原则为：在满足施工和易性的基础上，尽量选用较小的单位用水量，以节约水泥。因为当W/C一定时，用水量越大，所需水泥用量也越大。 3．砂率。

合理砂率的确定原则为：砂子的用量填满石子的空隙略有富余。砂率对混凝土和易性、强度和耐久性影响很大，也直接影响水泥用量，故应尽可能选用最优砂率，并根据砂子细度模数、坍落度要求等加以调整，有条件时宜通过试验确定。 三、混凝土配合比设计方法和原理

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混凝土配合比设计的基本方法有两种：一是体积法（又称绝对体积法）；二是重量法（又称假定表观密度法），基本原理如下：

1. 体积法基本原理。体积法的基本原理为混凝土的总体积等于砂子、石子、水、水泥体积及混凝土中所含的少量空气体积之总和。若以Vh、Vc、Vw、Vs、Vg、Vk分别表示混凝土、水泥、水、砂、石子、空气的体积，则有：

（4-32）

若以C0、W0、S0、G0分别表示1m3混凝土中水泥、水、砂、石子的用量（kg），以别表示水、水泥的密度和砂、石子的表观密度（g/cm3），10

、

、

、

分

表示混凝土中空气体积，则上式可改为：

（4-33）

式中，

为混凝土含气量百分率（%），在不使用引气型外加剂时，可取

=1。

2. 重量法基本原理。重量法基本原理为混凝土的总重量等于各组成材料重量之和。当混凝土所用原材料和三项基本参数确定后，混凝土的表观密度（即1m3混凝土的重量）接近某一定值。若预先能假定出混凝土表观密度，则有：

（4-34）

式中

为1m3为混凝土的重量（kg），即混凝土的表观密度。可根据原材料、和易性、强度等级等信息

在2350～2450kg/m3之间选用。

混凝土配合比设计中砂、石料用量指的是干燥状态下的重量。水工、港工、交通系统常采用饱和面干状态下的重量。

四、混凝土配合比设计步骤

混凝土配合比设计步骤为：首先根据原始技术资料计算“初步计算配合比”；然后经试配调整获得满足和易性要求的“基准配合比”；再经强度和耐久性检验定出满足设计要求、施工要求和经济合理的“试验室配合比”；最后根据施工现场砂、石料的含水率换算成“施工配合比”。 （一）初步计算配合比计算步骤 1．计算混凝土配制强度（

）。

（4-35）

2．根据配制强度和耐久性要求计算水灰比（W/C）。 （1）根据强度要求计算水灰比。

由式：，则有：

（2）根据耐久性要求查表4-18，得最大水灰比限值。

（3）比较强度要求水灰比和耐久性要求水灰比，取两者中的最小值。

3．根据施工要求的坍落度和骨料品种、粒径、由表4-12选取每立方米混凝土的用水量（W0）。 4．计算每立方米混凝土的水泥用量（C0）。 （1）计算水泥用量：

5．确定合理砂率（Sp）。

（2）查表4-18，复核是否满足耐久性要求的最小水泥用量，取两者中的较大值。

47

（1）可根据骨料品种、粒径及W/C查表4-13选取。实际选用时可采用内插法，并根据附加说明进行修正。

（2）在有条件时，可通过试验确定最优砂率。

6．计算砂、石用量（S0、G0），并确定初步计算配合比。 （1）重量法：

（4-36）

（2）体积法：

（4-37）

（3）配合比的表达方式：

① 根据上述方法求得的C0、W0、S0、G0，直接以每立方米混凝土材料的用量（kg）表示。 ② 根据各材料用量间的比例关系表示：C0：S0：G0＝1：S0/C0：G0/C0，再加上W/C值。 （二）基准配合比和试验室配合比的确定

初步计算配合比是根据经验公式和经验图表估算而得，因此不一定符合实际情况，必经通过试拌验证。当不符合设计要求时，需通过调整使和易性满足施工要求，使W/C满足强度和耐久性要求。

1．和易性调整——确定基准配合比。根据初步计算配合比配成混凝土拌合物，先测定混凝土坍落度，同时观察粘聚性和保水性。如不符合要求，按下列原则进行调整：

（1）当坍落度小于设计要求时，可在保持水灰比不变的情况下，增加用水量和相应的水泥用量（水泥浆）。

（2）当坍落度大于设计要求时，可在保持砂率不变的情况下，增加砂、石用量（相当于减少水泥浆用量）。

（3）当粘聚性和保水性不良时（通常是砂率不足），可适当增加砂用量，即增大砂率。 （4）当拌合物显得砂浆量过多时，可单独加入适量石子，即降低砂率。 在混凝土和易性满足要求后，测定拌合物的实际表观密度（料用量——即基准配合比： 令：A＝C拌+W拌+S拌+G拌 则有：

），并按下式计算每1m3混凝土的各材

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（4-38）

式中：

A——试拌调整后，各材料的实际总用量（kg）； ——混凝土的实测表观密度（kg/m3）；

C拌、W拌、S拌、G拌——试拌调整后，水泥、水、砂子、石子实际拌合用量（kg）； Cj、Wj、Sj、Gj——基准配合比中1m3混凝土的各材料用量（kg）。

如果初步计算配合比和易性完全满足要求而无需调整，也必须测定实际混凝土拌合物的表观密度，并利用上式计算Cj、Wj、Sj、Gj。否则将出现“负方”或“超方”现象。亦即初步计算1m3混凝土，在实际拌制时，少于或多于1m3。当混凝土表观密度实测值与计算值之差的绝对值不超过计算值的2%时，则初步计算配合比即为基准配合比，无需调整。

2．强度和耐久性复核——确定试验室配合比。根据和易性满足要求的基准配合比和水灰比，配制一组混凝土试件；并保持用水量不变，水灰比分别增加和减少0.05再配制二组混凝土试件，用水量应与基准配合比相同，砂率可分别增加和减少1%。制作混凝土强度试件时，应同时检验混凝土拌合物的流动性、粘聚性、保水性和表观密度，并以此结果代表相应配合比的混凝土拌合物的性能。

三组试件经标准养护28天，测定抗压强度，以三组试件的强度和相应灰水比作图，确定与配制强度相对应的灰水比，并重新计算水泥和砂石用量。当对混凝土的抗渗、抗冻等耐久性指标有要求时，则制作相应试件进行检验。强度和耐久性均合格的水灰比对应的配合比，称为混凝土试验室配合比。计作C、W、S、G。

其它事项这里不再作详述，具体事例可以查看相关的参考书。

第七节 高强高性能混凝土

根据《高强混凝土结构技术规程》（CECS104：99），将强度等级大于等于C50的混凝土称为高强混凝土；将具有良好的施工和易性和优异耐久性，且均匀密实的混凝土称为高性能混凝土；同时具有上述各性能的混凝土称为高强高性能混凝土；而《普通混凝土配合比设计规范》（JGJ55－2000）中则将强度等级大于等于C60的混凝土称为高强混凝土；《混凝土结构设计规范》（GB50010－2002）则未明确区分普通混凝土或高强混凝土，只规定了钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15，混凝土强度范围从C15～C80。综合国内外对高强混凝土的研究和应用实践，以及现代混凝土技术的发展，将大于等于C60的混凝土称为高强度混凝土是比较合理的。

获得高强高性能混凝土的最有效途径主要有掺高性能混凝土外加剂和活性掺合料，并同时采用高强度等级的水泥和优质骨料。对于具有特殊要求的混凝土，还可掺用纤维材料提高抗拉、抗弯性能和冲击韧性；也可掺用聚合物等提高密实度和耐磨性。常用的外加剂有高效减水剂、高效泵送剂、高性能引气剂、防水剂和其它特种外加剂。常用的活性混合材料有Ⅰ级粉煤灰或超细磨粉煤灰、磨细矿粉、沸石粉、偏高岭土、硅粉等，有时也可掺适量超细磨石灰石粉或石英粉。常用的纤维材料有钢纤维、聚酯纤维和玻璃纤维等。

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一、高强高性能混凝土的原材料 （一）水泥

水泥的品种通常选用硅酸盐水泥和普通水泥，也可采用矿渣水泥等。强度等级选择一般为：C50～C80混凝土宜用强度等级42.5；C80以上选用更高强度的水泥。1m混凝土中的水泥用量要控制在500kg以内，且尽可能降低水泥用量。水泥和矿物掺合料的总量不应大于600kg/m3。 （二）掺合料

1．硅粉：它是生产硅铁时产生的烟灰，故也称硅灰，是高强混凝土配制中应用最早、技术最成熟、应用较多的一种掺合料。硅粉中活性SiO2含量达90%以上，比表面积达18000m2/kg，火山灰活性高，且能填充水泥的空隙，从而极大地提高混凝土密实度和强度。硅灰的适宜掺量为水泥用量的5%～10%。 研究结果表明，硅粉对提高混凝土强度十分显著，当外掺6～8%的硅灰时，混凝土强度一般可提高20%以上，同时可提高混凝土的抗渗、抗冻、耐磨、耐碱－骨料反应等耐久性能。但硅灰对混凝土也带来不利影响，如增大混凝土的收缩值、降低混凝土的抗裂性、减小混凝土流动性、加速混凝土的坍落度损失等。《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》中对硅灰的技术要求见下表。

3

序号 1 2 3 4 5 6 7 名称 烧失量，% 氯离子含量，% SiO2含量，% 比表面积，m2/kg 需水量比，% 含水率，% 活性指数，%，28d 技术要求 ≤6 不宜大于0.02 ≧85 ≧18000 ≤125 ≤3.0 ≧85 2．磨细矿渣：通常将矿渣磨细到比表面积350-500m2/kg，从而具有优异的早期强度和耐久性。掺量一般控制在20%～50%之间。矿粉的细度越大，其活性越高，增强作用越显著，但粉磨成本也大大增加。与硅粉相比，增强作用略逊，但其它性能优于硅粉。《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》中对矿渣粉的的技术要求见下表。 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 名称 MgO含量，% SO3含量，% 烧失量，% 氯离子含量，% 比表面积，m2/kg 需水量比，% 含水率，% 活性指数，%，28d 技术要求 ≤14 ≤4 ≤3 ≤0.02 350-500 ≤100 ≤1 ≧95 3．粉煤灰：一般选用I级灰，利用其内含的玻璃微珠润滑作用，降低水灰比，以及细粉末填充效应和火山灰活性效应，提高混凝土强度和改善综合性能。掺量一般控制在20%～30%之间。I级粉煤灰的作用效果与矿粉相似，且抗裂性优于矿粉。《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》中对粉煤灰的的技术要求见下表。 序号 名称 技术要求 50

C50以下混凝土 1 2 3 4 5 6 7 （三）外加剂

细度，% 氯离子含量，% 需水量，% 烧失量，% 含水量，% SO3含量，% CaO含量，% ≤105 ≤5 ≤20 C50及以上混凝土 ≤12 不宜大于0.02 ≤100 ≤3 ≤1.0(干排灰) ≤3.0 ≤10（对于硫酸盐侵蚀环境） 高效减水剂（或泵送剂）是高强高性能混凝土最常用的外加剂品种，减水率一般要求大于20%，以最大限度降低水灰比，提高强度。为改善混凝土的施工和易性及提供其它特殊性能，也可同时掺入引气剂、缓凝剂、防水剂、膨胀剂、防冻剂等。掺量可根据不同品种和要求根据需要选用。 （四）砂、石料

一般宜选用级配良好的中砂，细度模数宜大于2.6。含泥量不应大于1.5%，当配制C70以上混凝土，含泥量不应大于1.0%。有害杂质控制在国家标准以内。

石子宜选用碎石，最大骨料粒径一般不宜大于25mm，强度宜大于混凝土强度的1.20倍。对强度等级大于C80的混凝土，最大粒径不宜大于20mm。针片状含量不宜大于5%，含泥量不应大1.0%，对强度等级大于C100的混凝土，含泥量不应大于0.5%。 二、高强高性能混凝土的配合比设计

高强高性能混凝土配合比设计理论尚不完善，一般可尊循下列原则进行。 （一）水灰比W/C

普通混凝土配合比设计中的鲍罗米公式对C60以上的混凝土已不尽适用，但水灰比仍是决定混凝土强度的主要因素，目前尚无完善的公式可供选用，故配合比设计时通常根据设计强度等级、原材料和经验选定水灰比。

（二）用水量和水泥用量

普通水泥中用水量根据坍落度要求、骨料品种、粒径选择。高强度高性能混凝土可参考执行，当由此确定的用水量导致水泥或胶凝材料总用量过大时，可通过调整减水剂品种或掺量来降低用水量或胶凝材料用量。也可以根据强度和耐久性要求，首先确定水泥或胶凝材料用量，再由水灰比计算用水量，当流动性不能满足设计要求时，再通过调整减水剂品种或掺量加以调整。 （三）砂率

对泵送高强混凝土，砂率的选用要考虑可泵性要求，一般为34%～44%，在满足施工工艺和施工和易性要求时，砂率宜尽量选小些，以降低水泥用量。从原则上来说，砂率宜通过试验确定最优砂率。 （四）高效减水剂

高效减水剂的品种选择原则，除了考虑减水率大小外，尚要考虑对混凝土坍落度损失、保水性和粘聚性的影响，更要考虑对强度、耐久性和收缩的影响。

减水剂的掺量可根据减水率的要求，在允许掺量范围内，通过试验确定。但一般不宜因减水的需要而超量掺用。 （五）掺合料

其掺量通常根据混凝土性能要求和掺合料品种性能，结合原有试验资料和经验选择并通过试验确定。 其他设计计算步骤与普通混凝土基本相同。 三、高强高性能混凝土的主要技术性质

1．高强混凝土的早期强度高，但后期强度增长率一般不及普通混凝土。故不能用普通混凝土的龄期—强度关系式（或图表），由早期强度推算后期强度。如C60～C80混凝土，3天强度约为28天的60%～

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70%；7天强度约为28天的80%～90%。

2．高强高性能混凝土由于非常致密，故抗渗、抗冻、抗碳化、抗腐蚀等耐久性指标均十分优异，可极大地提高混凝土结构物的使用年限。

3．由于混凝土强度高，因此构件截面尺寸可大大减小，从而改变“肥梁胖柱”的现状，减轻建筑物自重，简化地基处理，并使高强钢筋的应用和效能得以充分利用。

4．高强混凝土的弹性模量高，徐变小，可大大提高构筑物的结构刚度。特别是对预应力混凝土结构，可大大减小预应力损失。

5．高强混凝土的抗拉强度增长幅度往往小于抗压强度，即拉压比相对较低，且随着强度等级提高，脆性增大，韧性下降。

6．高强混凝土的水泥用量较大，故水化热大，自收缩大，干缩也较大，较易产生裂逢。 四、高强高性能混凝土的应用

高强高性能混凝土作为建设部推广应用的十大新技术之一，是建设工程发展的必然趋势。发达国家早在20世纪50年代即已开始研究应用。我国约在20世纪80年代初首先在轨枕和预应力桥梁中得到应用。高层建筑中应用则始于80年代末，进入21世纪以来，研究和应用增加，北京、上海、广州、深圳等许多大中城市已建起了多幢高强高性能混凝土建筑。

随着国民经济的发展，高强高性能混凝土在建筑、道路、桥梁、港口、海洋、大跨度及预应力结构、高耸建筑物等工程中的应用将越来越广泛，强度等级也将不断提高，C50～C80的混凝土将普遍得到使用，C80以上的混凝土将在一定范围内得到应用。

第八节 系列轨枕、岔枕产品技术要求

一 简述

1铁路轨道概述

轨道是行车的基础，是铁路运输的重要技术设备之一，它由钢轨（含道岔）、轨枕、联接零件（鱼尾板、扣件等）、道床等主要部件所组成，它的作用是引导车辆运行，将车轮传来的集中荷载传布于路基或桥隧建筑物上。

铺设混凝土轨枕轨道道床横断面尺寸如下图所示。

轨道是一个复杂的工程结构物，就其荷载而言，在机车车辆的作用下，它不但承受多种垂直力，还要承受横向水平力和纵向水平力，既有静荷载，也有动荷载，垂直力的主要组成部分是机车车辆的静荷载，而当列车在轨道上运行时，由于簧上结构和簧下结构作复杂的空间振动，使作用于轨道的垂直力有所增加。这些垂直力在列车运行中是时刻变化的，有时互相抵消，有时互相叠加，最大值可达静荷载的一倍，并与行车的速度有直接的关系。横向水平力主要是由机车车辆通过曲线时而产生，它包括机车车辆的固定轴通过曲线时的导向力、轮轨间的摩擦力、未被平衡的离心力的水平分力以及列车运行时因摇摆及作蛇形运行时所产生的惯性力的水平部分，其值大小与曲线半径大小、机车车辆类型有关，曲线地段通常为轮重的50%以下，直线地段给为轮重的10-15%。纵向水平力主要包括因钢轨温度变化而引起的纵向拉力或压力，列车在坡道上行驶时机车车辆重量的纵向水平分力、列车运行中及在加速或减速时所产生的纵向水平分力。综合上述可以看出，作用在轨道上的荷载具有不稳定性和重复性，其值很难用简单办法做精确计算。从轨道构成的材料来看，既有金属材料钢筋，民有松散汪易稳定的碎石，以及混凝土轨枕，它们做为一个整体，

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发挥其各自的工作职能，既互相配合，又相互影响，共同完成列车运行对轨道提出的各项工作。各个方向的荷载，绝大部分是通过机车车辆的轮传给钢轨，轮子的集中荷载被分配到轨枕，轨枕又将荷载分布到道床，然后到路基，其荷载传递关系如下图示。

N=7000~9000kg/cm2q1=72kg/cm2q2=1.5~3.0 kg/cm2q3=0.-1.0kg/cm2

因此作为行车的基础设施，轨道必须足够的强度、耐久性和弹性，以承受各种荷载并保持轨道的方向、位置和轨距，以保证列车的高速、平稳、安全运行。 2轨道结构技术发展简况

随着科学技术的发展，轨道的结构形式和轨道材料也发生着巨大的发展，促进了铁路事业的发展。目前铁路上最常的轨枕道结构形式通常有以下几种。

（1）普通轨道结构形式：是目前最常用的一种轨道形式，其特点是由钢轨和轨枕通过扣件联结，组成框架埋置于道碴盒内，实现对轨道的各项功能的要求，其实特点是铺设与维修养护较为方便。

（2）宽枕轨道结构：多用于客站站场、隧道等，由于宽枕可将道床全部覆盖，因此可以减少道床污染，也可以减少枕下压力，故易于清扫和增加线路的稳定性，减少了维修量。

（3）整体道床：目前很多客运专线和地铁线路多属于此类结构，特点是在坚实的基础上直接浇注混凝土以取代道碴层，其综合效益较高，但施工方法和施工质量要求较高。

（4）大板式结构：这是近几年新发展的一种轨枕形式，它采用预制技术制成宽度与一般轨枕相同（2 .5m~2.6m），长度相当于8~10根轨枕或更长的轨枕间距的双向预应力大板，铺设在有缓冲层的路基上。 3轨枕材料 （1）钢轨

钢轨的功能在于支持并引导机车车辆的运动，直接承受来自于车轮和其它方面的力并传给轨枕，同时为车轮的流动提供阴力最小的表面，在电气化铁路或者自动闭塞区段，钢轨还兼供轨道电路之用，钢轨一般要求具有足够的强度、韧性和耐磨性能。钢轨的类型以每米大致重量公斤表示，目前线路上常用的有50、60、75kg/m等。从钢轨对轨枕的作用状态方面来说，由于轨端接缝的存在，列车通过时发生较大的冲击和振动，影响德国的平顺性的舒适度，并使道床松散，这样既降低了钢轨的使用寿命，又恶化了轨枕的工作条件，加大了冲击荷载，导致轨枕早期失效，因此现在的无缝钢轨技术是轨道现代化的一项重大技术措施。 （2）轨枕

轨枕的作用在于承受来自于钢轨各方向的力，并弹性地传力于道床，有效地保持轨道的轨距、方向和位置。目前线路上用的大部分的轨枕为混凝土枕，一般按使用部位分为普通用轨、岔枕和桥枕等。木枕是各国铁路最早使用的轨枕，干线用木枕尺寸一般为2500×220×160mm，木枕的优点是弹性和绝缘性能良好，加工、运输、铺设、养护方便，但是木枕使用寿命短、维修工作量大、木材资源有缺乏等，故很难适应现代化铁路的需要，使用数量日益减少。混凝土枕的研究始于上个世纪，早期研制的目前是为了节约木材，由于当时的技术有限，所以当时为普通混凝土结构，因此抗裂性能差，没有得到发展。二战后，随着预应力钢高强钢丝发展和高标号水泥相继研制成功，预应力技术在理论方面和实践方面都取得了突破性进展，因而混凝土枕技术进行了新时期。在轨道结构中由混凝土枕和钢轨组成的框架具有较高的道床阻力，因而对线路

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的稳定性十分有利。但是混凝土枕也存在一定的缺点，与木枕相比弹性差、在同样的荷载作用下单根混凝土枕所受作用力较木枕大25%左右，冲击作用也比木枕大，增加了对钢轨的损伤。国中预应力混凝土枕的发展起始于1953年，1958年从匈牙利引进轨枕生产技术，并大批量生产。据不完全统计目前我国混凝土枕生产线近100条，年生产能力达3000余万根，产品主要有Ⅰ型（79型）、Ⅱ型（包括YⅡ-F、新Ⅱ、Ⅱ桥等）、Ⅲ型（包括ⅢA、ⅢB、Ⅲ桥等）、轨道板（包括京津客运专线用搏格板等）、雷达2000（日本板式）等。 （3）扣件

扣件的功能是将钢轨与轨枕可靠地联接，用以阻止钢轨相对于轨枕的纵、横向移动，持久地保持其稳固的位置，并在动力作用下，发挥其缓冲减震作用，因此要求扣件有一定的强度、耐久性和弹性，在电气化铁路和自动闭塞区段还要满足绝缘性要求。另外扣件设计还应力求结构简单、零件少、易于安装和拆换等特点，反映这些要求的指标有：扣压力、弹程、节点静刚度、节点动刚度、抗倾翻、调高量、调距量、绝缘性等。混凝土枕由于重量大、刚度大的特点，对扣件性能要求较高，对其扣压力、弹性、和可调性均有较严格的要求。混凝土枕扣件，按其结构可分为弹条扣件、扣板式扣件、弹片式扣件三种；按扣件本身弹性可分为刚性扣件和弹性扣件；按混凝土轨枕有无挡肩分为有挡肩扣件和无挡肩扣件两种。中国混凝土枕扣件，在初期主要使用扣板式和弹片式两种。拱形弹片式扣件由于拱形弹片强度低，容易引起残余变形，甚至折断，故在中国铁路上已不再使用。而扣板式扣件由于采用扣板作扣压件，弹性不足，扣压力较低，在使用过程中容易松动，目前在中国铁路上已逐渐被弹条式扣件所代替。弹条式扣件采用弹条作为扣压件，利用材料的弯曲变形及扭转变形，又不存在断面的削弱问题，结构形式比较合理，故而已成为中国混凝土枕轨道的主型扣件。目前使用的主型扣件为弹条Ⅰ型扣件，随着重载高速铁路的发展，近年来又研制成功弹条Ⅱ，Ⅲ型扣件等。其中，Ⅲ型扣件为无螺栓无挡肩扣件。国际上混凝土枕轨道扣件比较有代表性的是英国的Pandrol扣件及瑞士的 Fist扣件，见下图示。这两种扣件都是无螺栓无挡肩的弹性扣件。Pandrol扣件用预埋在混凝土轨枕中的铸铁挡肩承受横向推力，并保持轨距，用弹条作扣压件扣压钢轨，并用尼龙块作绝缘部件；这种扣件自1963年问世以来，效果良好，已有许多国家推广使用。Fist扣件则是通过预理在混凝土轨枕中的栓钉把弹条紧紧地扣压在钢轨底部顶面上，使用方便，扣压力强，深受各方面的欢迎。

Pandrol扣件

Fist扣件

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二 轨枕设计

我国的轨枕设计荷载采用《铁路轨道强度检算法》，轨枕是是轨道结构重要组成部分，从荷载方面来说，运行列车的荷载和速度、钢轨的刚度和技术状态，以及道床支承情况等都直接影响轨枕的受力状态。轨枕强度计算就是运用力学理论，分析轨道各组成部分在列车作用下所产生的应力和变形，考虑到轨道是一个复杂的工程结构物，为使轨道力学分析不过于繁琐复杂，对轨道受力情况和力的传递方式做一些简化假设，使整个计算过程简单易行。如用一个当量静荷载来描述车轮对轨道的作用，作用于轨道上的荷载系符合力学的独立性作用原理，机车车辆对轨道的动力影响采用荷载系数α、β、f来表示。 1轨道基础参数

为了计算轨道强度，除做一些前提和假定条件外，反映轨道基础弹性特征的有三个系数，即C、D、μ， （1）道床系数C

假定轨枕是支承在弹性基础上的短梁，道床系数表示道床及中期的弹性特征，其定义为使道床顶面产生单位下沉必须施加于单位顶面上的压力，

C=q/y0=2*1000R/(l*b*O*yp)

式中：R为枕上压力（kN）,

l、b为轨枕底面的有效支承长度和宽度， yp为轨枕下断面处的下沉量，

O为轨枕的挠曲系数（由试验方法测定，混凝土枕O=1.0）,

道床系数C在不同线路、不同季节差别很大，为简化计算，对重型及特重型轨道规定采用60-80N/cm2/cm。 （2）钢轨支座刚度D

当钢轨受到荷载作用时，各支座都有不同程度的沉降，支座上的压力大，沉降也大，因此用D表示钢轨支点的弹性特征。其定义为使支座产生单位下沉所必需施加于支座上的压力，考虑到混凝土线路在钢轨以下设有不同材质的弹性垫板应一并考虑，表达式为： D=D1*D2/(D1+D2) D1为垫板刚度

D2为道床、路基刚度，D2=R/yp

由于轨下垫板材质不同,其D值也不同,根据我国测定资料的统计分析,对重型和特重型号轨道检算混凝土时D=700kN/cm。

（3）钢轨基础弹性模量μ

如果把钢轨看作是支承在连续弹性基础上的长梁时，μ值表示要使钢轨均匀地单位下沉，必须在钢轨基础上均匀施加压力，在数值上可看作相当于能引起单位下沉时的匀布荷载，此时基础反力也是μ，单位N/cm/cm，其表达式为：

μ=1000D/a

公式中，a为轨枕间距,cm 。 2枕上静压力R0计算

（1）当钢枕被视为一根支承在许多弹性点支座上的等截面连续长梁时的计算方法。如果在钢轨任意截面上作用一竖直荷载P,则钢轨将发生挠曲变形,如下图示:

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通过数学上的差分议程的解法,可求出连续梁中的任何截面上的变形、弯矩的枕上的压力。在计算枕上的压力时，将最大荷载置于轨枕顶面时即属最不利的最大值。其计算公式为：

R0=

?Poi?i

式中：Poi为第i个车轮作用在钢轨上的静轮载（kN）；

ηi指弹性点支座连续梁的支座下沉影响系数。其值与轨道刚比系数K和距离系数ζ有关。

K=Da3/24EJ

ζ=Xi/a

式中，D指钢轨支座刚度，a指轨枕间距，E指钢材的弹性模量，I指钢轨断面的惯性矩，Xi指第i个轮载到计算断面的距离。

（2）将钢轨视为连续弹性基础上的等截面无限长梁时的计算方法。

如果在钢轨的对称面上，作用着一个单独的集中竖起集中荷载P，则钢轨将发生挠曲变形，同上图所示，求其截面上的变形、弯矩和枕上压力，将按弹性曲线微分方程来求解，求枕上的压力计算公式如下：

K.aR0=2?Poi?i

式中，K指钢轨基础弹性模量与钢轨弯曲刚度的相对比值，

K=

3枕上动荷载Rd计算

列车在轨道运行中，轨枕既承受来自钢轨传递下来的静荷载之外，还将承受许多额外的附加荷载，其动荷载包含力的因素很多，也很复杂，常常变化不定，有时互相抵消，有时叠加在一起。我国制订的轨道强度计算法采用速度计算法，同时把列车通过曲线时的偏载力及横向水平力都以系数来表示。垂直动压力、偏载力和横向水平力综合统称为轨道的动荷载。计算枕上动压力Rd按下列公式计算：

Rd=R0(1+α+β)

式中α指速度系数（内燃机车为0.3V/100,电力机车为0.45V/100；蒸汽汽机车为0.6V/100）

β指偏载系数（简化计算公式β=0.002Δh, Δh为允许欠超高，I、II级线路为70mm，代入β=0.14）

4?4?(100E)I4荷载弯矩计算

在枕上荷载作用下，轨枕所承受的外弯矩（荷载弯矩）是与道床支承情况有直接关系。一般长度为2.5米的轨枕在几种典型支承情况下的荷载弯矩情况如下表。

序号 受力图形 轨下 枕中 1 1.259 0.274 2 1.430 0.800 56

3 1.384 0.391 4 1.009 -0.916 5 0.984 -1.037 上表五种支承图可视为轨枕在一个线路捣固周期内的变化过程，铁路轨枕施工规范中规定了“预铺道碴的中部宜拉成顶宽为60cm的凹槽，轨枕应在钢轨外侧50cm和内侧45cm范围内均匀捣固”。一般Ⅱ型轨枕铺设养护时，中部道床不掏空，枕底中部600mm内为浮碴，不得垫腰，道床不板结，这就是上表中的第一种状态。但是在列车运行的震动作用，两钢轨间的道碴发生坍塌，从而发生第二、三种的受力状态，继续发展，由于路基与道床的下沉，从而形成第四、五种受力状态。所以在轨枕的强度计算中，以第二种支承方式作为确定轨下截面弯矩，将第五种支承方式作为确定枕截面弯矩的图示，即轨下截面设计处弯矩为1.43tm，枕中截面设计处弯矩为-1.04tm。大量的试验表明，上述轨枕荷载弯矩的取值方法对一般地段、线路技术状态比较正常情况下是可行的，与实际相符，但对于诸如钢轨接头处，由于钢轨的冲击作用，则接头处的轨枕难以承受这一冲击作用，导致损伤率较高，在曲线段，轨枕不但要承受垂直荷载，还要承受轮轨横向力产生的弯矩和横向力，枕中截面的负弯矩将有较大幅度的增加。 三 轨枕产品工艺、技术要求 1产品情况

轨枕的外形一般如此下图所示（以Ⅲa为例）

相关特点：①预应力钢丝与混凝土之间的粘结握固达到传力之目的；②承轨槽坡度为120度，是成品脱模时所能接受的最大坡度。 2基本生产工艺

工艺布置和工艺布置见下页所示。①根据产品特点，要求的生产规模、工作条件，设计出最佳的轨枕生产线将会取得综合技术经济效益。关键的参数是工艺节奏时间，即钢模在某工序完成其作业所需要的时间，包括基本作业时间，辅助作业时间和等待、间断时间。基本作业时间指在该工序作业时的纯时间，辅助作

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