國外板式軌道水泥乳化瀝青砂漿技術(shù)對比分析

邵丕彥，李海燕

(中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

板式無砟軌道是客運專線重要的軌道形式之一，由鋼軌、扣件、軌道板、水泥乳化瀝青砂漿層、底座、板間聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)(凸形擋臺、板間螺桿或板下凹槽)組成[1]。水泥乳化瀝青砂漿層是板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部份，其性能的好壞直接影響到板式無砟軌道的使用壽命、耐久性和維修工作量[2-3]。

目前，在國外，水泥乳化瀝青砂漿可分成兩類，日本多年研究采用的適用于單元板的CA砂漿和德國博格公司開發(fā)的適用于縱連板的BZ砂漿。本文將從原材料、配方組成、性能特點、施工工藝和維修技術(shù)等方面對兩種砂漿技術(shù)進行系統(tǒng)的研究，為我國自主創(chuàng)新研發(fā)板式無砟軌道的墊層材料提供參考和依據(jù)。

1 水泥乳化瀝青砂漿研發(fā)歷史

水泥乳化瀝青砂漿由乳化瀝青與水泥、細骨料、膨脹劑、消泡劑、鋁粉等成分組成，現(xiàn)場施工時，使用合適的攪拌設(shè)備、按一定的攪拌工藝、投料順序混合均勻，灌注到板下預(yù)設(shè)的縫隙中，固化后形成兼具強度和彈性的板下砂漿墊層。

水泥砂漿具有足夠的強度和耐久性，但缺乏彈性;瀝青是目前大量采用的筑路材料，具有較好的黏彈性，但強度較差，將水泥砂漿和瀝青結(jié)合在一起，就能夠同時滿足強度和彈性的要求，并且價格相對低廉[4]。為了使瀝青能與水泥砂漿體系相配合，就必須把瀝青制備成為水性體系(乳化瀝青)，然后再與水泥、細骨料等按一定的配方混合在一起，通過灌注、凝結(jié)和固化而成為一種有機無機復(fù)合材料(水泥乳化瀝青砂漿);其性能是各組分相互作用、相互影響的結(jié)果，而不是瀝青和水泥砂漿各自性能的簡單疊加。

正是基于上述原因，高速鐵路較發(fā)達的日本和德國兩國均選用水泥乳化瀝青砂漿作為其板式無砟軌道的墊層材料，并根據(jù)各自的設(shè)計理念和軌道結(jié)構(gòu)，分別研發(fā)了較低的彈性模量和抗壓強度的CA砂漿(Cement Asphalt Mortar)和較高的彈性模量和抗壓強度的BZ砂漿(Bitumen Zement Mortar)，并已應(yīng)用于實際工程。

日本板式無砟軌道和CA砂漿研發(fā)始于1965年，大范圍推廣應(yīng)用始于1975年開通運營的山陽新干線西段，至今在新干線上鋪設(shè)長度達2 600 km。經(jīng)過多年的研究與應(yīng)用實踐，形成了由整體式A型軌道板或框架軌道板、混凝土底座、CA砂漿墊層、凸形擋臺及周圍的填充樹脂、鋼軌扣件等構(gòu)成的兩種無砟軌道結(jié)構(gòu)，具有300 km/h高速鐵路的運營經(jīng)驗。取得了10多項專利技術(shù)，包括CA砂漿的組成、制備方法、性能及其改善方法、施工方法，用于制備CA砂漿的瀝青乳液，以及CA砂漿的修補材料與方法。在板式軌道結(jié)構(gòu)中采用CA砂漿為軌道提供彈性，填滿軌道板與混凝土底座的間隙，在下部結(jié)構(gòu)變形至某一限度時可進行修補，以保證軌道結(jié)構(gòu)的平順性。CA砂漿墊層的厚度一般在5 cm左右，可在4～10 cm的范圍內(nèi)調(diào)整。

日本CA砂漿的管理工作是由JRTT(日本鐵道建設(shè)工團)總負責(zé)。JRTT委托軌道公司組織CA砂漿的實施。其中乳化瀝青研發(fā)、生產(chǎn)由東亞道路公司和日產(chǎn)化學(xué)公司完成，其所有權(quán)屬于JRTT。CA砂漿的施工由乳化瀝青生產(chǎn)企業(yè)牽頭進行，培訓(xùn)工作由 JRTT負責(zé)組織。

博格板式軌道系統(tǒng)早在1977年就已鋪設(shè)在德國卡爾斯菲爾德，后經(jīng)博格公司研發(fā)而成。BZ砂漿的應(yīng)用始于1999年，首先，在德國客貨混運的卡爾斯魯厄至海德堡之間建成了一段735 m長的博格板式無砟軌道直線試驗段;而后，又在德國胡蘇姆附近的哈特施德特建成了第二條長度為285 m博格板式無砟軌道曲線示范段;在2006年開通運營的紐倫堡—英戈施塔特高速鐵路上鋪設(shè)了70 km博格板式無砟軌道。軌道結(jié)構(gòu)主要由防凍層、混凝土底座或水硬性支撐層、BZ砂漿墊層、由錨固鋼筋縱向連接的軌道板、鋼軌扣件等構(gòu)成。其中，BZ砂漿墊層的厚度一般在3 cm左右。

經(jīng)德國聯(lián)邦鐵路管理局(EBA)批準(zhǔn)許可，上述三個試驗段分別采用了 M50a、Hattstedt和01型砂漿三種不同配方的水泥瀝青砂漿。其中前兩種砂漿的性能是低強度和低模量(與日本CA砂漿相近)，01型砂漿提高了彈模和強度。在01型砂漿基礎(chǔ)上，經(jīng)過研究和調(diào)整，形成目前 BZ砂漿的配方、性能和施工工藝體系，見表1。

表1 BZ砂漿的應(yīng)用歷史

2 砂漿原材料及配方

CA砂漿由乳化瀝青、消泡劑、水、水泥、混合材、砂子、鋁粉、引氣劑、聚合物乳液等材料組成;BZ砂漿由乳化瀝青、消泡劑、水、水泥、砂子、填料、鋁粉、減水劑等材料組成。主要原材料的性能見表2～表3。

表2 砂漿用水泥及骨料的對比

對CA砂漿而言，針對使用地點的不同氣候條件和板型，分別提出了溫暖地區(qū)砂漿配方和寒冷地區(qū)砂漿配方，主體材料也有所變化。為了便于比較，根據(jù)基礎(chǔ)配方進行計算，與BZ砂漿的主體配比進行對照(見表4)。經(jīng)研究分析，兩種砂漿在原材料和配方上呈現(xiàn)以下特點，見表5。

CA砂漿對各種原材料的性能指標(biāo)進行了較詳細的規(guī)定和要求，可能和研究應(yīng)用的時間較長有關(guān)。CA砂漿對所用的乳化瀝青的離子性沒有明確規(guī)定，從提供的樣品來看，實際上使用陽離子型乳化瀝青對石料的黏接較好，可以有效地防止砂漿的分離，故砂漿配方中可以采用粒徑較大的砂子;BZ砂漿采用陰離子型乳化瀝青，對石料的黏接力較差，故要求砂子的粒徑較小，同時小粒徑成分的含量較高，必要時通過填料來進一步調(diào)整骨料級配。CA砂漿在制備過程中，將水泥、砂子等粉體材料單獨加入，BZ砂漿采取將各種粉體材料在工廠干燥后混合均勻制備成干料后再加入的方式。CA砂漿按使用地點環(huán)境、氣候條件的不同，分別研發(fā)出適應(yīng)多種條件的砂漿配方，基礎(chǔ)配方分為溫暖地區(qū)配方和寒冷地區(qū)的配方。其主要區(qū)別是，寒冷地區(qū)的砂漿配方中用聚合物乳液等進行改性，以提高包括抗凍性在內(nèi)的砂漿綜合性能。BZ砂漿目前還沒有針對不同的氣候使用條件提出不同的砂漿配方。

表4 砂漿主體配方的對比

表5 砂漿原材料和配方特點的分析

由于對砂漿的力學(xué)性能要求不同，CA砂漿中水泥用量較少，瀝青用量較多;BZ砂漿中水泥用量較多，瀝青用量較少。相比而言，BZ砂漿的瀝青/水泥比較低，因而材料成本相對較低。

3 砂漿的性能

水泥乳化瀝青砂漿作為板式無砟軌道的墊層材料，必須具備良好的施工性能、物理性能、力學(xué)性能和耐久性能。由于兩種砂漿均采用現(xiàn)場配制，砂漿的性能受施工溫度的影響較大，故對砂漿的溫度規(guī)定了一定的范圍;由于灌注施工，要求砂漿具有較好的流動性;為了填充飽滿，要求砂漿具有一定的膨脹率;為了保證砂漿的密實性，需要對砂漿的密度和含氣量進行控制;作為板式軌道的墊層材料，要求砂漿具有一定的承載強度，并要求具有較好的耐久性。兩種水泥乳化瀝青砂漿的性能指標(biāo)要求見表6。

表6 兩種砂漿的性能指標(biāo)要求對比

水泥乳化瀝青砂漿的主體原料是乳化瀝青、水泥和砂子，由于乳化瀝青在公路建設(shè)中應(yīng)用時間最長，用量也最大，絕大部分的瀝青乳化劑是針對公路系統(tǒng)的應(yīng)用而進行開發(fā)的，因此，水泥乳化瀝青砂漿的性能指標(biāo)、檢測方法等一方面受到公路系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的影響;另一方面，也受到水泥砂漿、混凝土相關(guān)理念和標(biāo)準(zhǔn)的影響。相同的項目，由于設(shè)計理念和測試方法不同，對兩種砂漿的性能要求也有所不同，主要區(qū)別見表7。

表7 兩種砂漿的性能指標(biāo)特點分析

1)在力學(xué)性能方面，兩者的差別最大，成為各自的明顯特征。CA砂漿從彈性材料的角度出發(fā)，要求相對低強度和低模量，并采用聚合物材料的測試方法，加載速度為1 mm/min;BZ砂漿的前兩個試驗段配方也為低強度和低模量，為了兼顧砂漿的彈性，分別針對7 d和28 d提出了較大的抗折強度/抗壓強度比(0.6以上);從01型砂漿開始，要求相對高強度和高模量，去掉了抗折強度/抗壓強度比的要求，只對各齡期的抗折強度提出了要求，從計算結(jié)果來看，抗折強度/抗壓強度比已經(jīng)大為降低;測試方法上與水泥基材料類似，強度測試方法與水泥膠砂強度測試方法一致，彈性模量測試方式與混凝土彈性模量測試方法一致。

2)在流動度方面，CA砂漿采用 J型漏斗法，通過一定量的物料流出漏斗的時間來表征流動性。BZ砂漿以一定量的物料通過圓管后在玻璃板上的擴散直徑來表征流動性。為了滿足現(xiàn)場灌注的需要，兩者均要求可工作時間在30 min以上。

3)在含氣量方面，CA砂漿出于提高抗凍性以及降低成本的考慮，將體系中的氣泡含量控制在8%～12%的范圍內(nèi)，并通過實測密度和理論密度進行計算而得到。BZ砂漿主要考慮砂漿的密實性，要求含氣量在10%以下，通過規(guī)定的設(shè)備，采用加壓以水排氣的方法來測定。

4)在密度方面，由于CA砂漿的瀝青/水泥比較高(0.70以上)，故密度相對較低;BZ砂漿的瀝青/水泥比較低(0.35以上)，故密度相對較大。

5)在膨脹率方面，CA砂漿表征的是1 m3砂漿24 h后體積變化的百分比，BZ砂漿則是24 h前后體積的相對變化率。在填充密實的前提下，CA砂漿為防止過度膨脹造成軌道板浮起，規(guī)定了膨脹率的最大值，BZ砂漿由于在施工時采用扣壓的方式，沒有規(guī)定最大膨脹率。

6)在抗凍性方面，CA砂漿在抗凍性上參照了混凝土的快速凍融方法，但考慮到CA砂漿較低的導(dǎo)熱系數(shù)，將一次凍融循環(huán)時間由4 h延長為8 h，以便使砂漿中心溫度能夠達到規(guī)定的溫度要求;將試樣全部浸入水中進行凍融循環(huán)，用相對動彈模量變化率和質(zhì)量損失率表征抗凍性;BZ砂漿則采用鹽凍法進行凍融試驗，用相對動彈模量變化率和質(zhì)量損失率表征抗凍性。

7)在耐老化性方面，CA砂漿重點考慮的是砂漿裸露于自然條件下，抗折強度不因高溫、雨水和紫外線的共同作用而降低;在動態(tài)疲勞試驗方面，CA砂漿經(jīng)上千萬次動態(tài)疲勞試驗后，砂漿試樣表面無變化，塑形變形極小，故未將疲勞試驗作為考察指標(biāo)。BZ砂漿由于水泥乳化瀝青砂漿被封縫砂漿所包圍，且在德國軌道兩側(cè)用道砟堆填，墊層砂漿處于被封閉狀態(tài)，故參照公路系統(tǒng)的規(guī)范，僅從振動疲勞的角度加以觀察。

8)CA砂漿還參照混凝土相關(guān)規(guī)范，要求灌注后的砂漿不應(yīng)出現(xiàn)泛漿現(xiàn)象，防止出現(xiàn)離析而影響砂漿的性能。

4 施工裝備和施工工藝

兩種砂漿的施工裝備和施工工藝見表8。

表8 兩種砂漿的施工工藝

1)攪拌車走行方式

CA砂漿攪拌車采用輪軌方式走行，在線上直接灌注施工，線上施工不便時，可以將制備好的砂漿泵送至現(xiàn)場進行灌注。一般車上帶足一天施工的用料量，第二天在現(xiàn)場補給加料。車上有兩臺攪拌罐輪流進行砂漿制備，以滿足灌注施工的連續(xù)進行。材料投放時，乳化瀝青、水和砂子自動計量，水泥、膨脹劑、聚合物乳液、引氣劑等人工投放。

BZ砂漿攪拌車采用輪胎方式在施工便道上走行，距離近時直接灌注，距離遠時將攪拌好的砂漿通過中轉(zhuǎn)料斗運至現(xiàn)場進行灌注。材料供給既可現(xiàn)場加料，也可回到料場進行補充。砂漿制備時，所有材料都采用自動計量的方式進行投放。砂漿車只有一個攪拌罐，下面有容積較大的儲料斗，通過連續(xù)攪拌來實現(xiàn)連續(xù)灌注施工。

2)模板

CA砂漿在研究應(yīng)用初期以模板進行灌注，后來則主要采用灌注袋來進行施工，這樣可以省略模板的設(shè)置以及拆模后對砂漿邊角的切割處理等工序，不僅有利于提高施工效率，同時對提高砂漿的耐久性等方面也有益處。

BZ砂漿則通過水泥砂漿封縫來實現(xiàn)模板功能，施工完成后封縫砂漿環(huán)繞在水泥乳化瀝青砂漿墊層周圍，成為墊層的一部分。

3)灌注準(zhǔn)備

兩種砂漿在灌注前均需對板下塵土、雜物等進行清理。BZ砂漿施工還需對打毛后的軌道板和混凝土基床板進行預(yù)潤濕，以提高黏接力。

4)墊層厚度與對基床板的施工精度要求

CA砂漿墊層的厚度一般在5 cm左右，厚度范圍可在4～10 cm之間變化。因此，軌道的精度可以在一定的范圍內(nèi)通過改變墊層的厚度加以調(diào)整，對混凝土基床板的施工精度要求一般。

BZ砂漿厚度在3 cm左右，厚度較小，因此，BZ砂漿對混凝土基床板的施工精度要求較高。

5)工后變形的容忍度

CA砂漿施工遵從“自下而上”的施工方式，軌道精度可通過砂漿墊層和可調(diào)式填充墊板進行兩次調(diào)整，對砂漿的工后變形有一定的容忍度。

BZ砂漿秉承“自上而下”的施工理念，軌道精度僅通過砂漿墊層進行一次調(diào)整，對砂漿墊層工后變形容忍度一般。

6)泵送施工

線上施工不便或橋上施工時，CA砂漿可以就近攪拌配制，通過泵送進行灌注施工;BZ砂漿尚無泵送的施工經(jīng)驗。

7)料場設(shè)計

為了增加施工效率，提高施工速度，兩種砂漿的施工均需要在施工現(xiàn)場設(shè)立料場，為攪拌車及時提供原材料供應(yīng)，并進行施工設(shè)備的清洗等工作。施工環(huán)境、施工里程和進度、工作面的數(shù)量等，是影響料場設(shè)計的重要因素，決定了料場的規(guī)模、間隔和相關(guān)設(shè)備的類型。

8)環(huán)保措施

日本在多年的研究應(yīng)用CA砂漿的過程中，逐漸建立了針對水泥乳化瀝青砂漿廢棄物、洗滌水等的環(huán)保技術(shù)措施。從資料上看，BZ砂漿在應(yīng)用過程中尚未提及相應(yīng)的環(huán)保措施。

9)砂漿養(yǎng)護和后續(xù)施工

兩種砂漿都對特殊氣候條件下砂漿的初期養(yǎng)護、軌道板支撐的拆除、后續(xù)施工限制條件等提出了相應(yīng)的要求，以保證砂漿的質(zhì)量。

10)垂向定位

一般情況下，CA砂漿施工時僅對軌道板進行支撐，BZ砂漿施工時，為保證軌道的精度，在支撐的同時還需要壓緊軌道板，防止產(chǎn)生垂向位移。

11)縱、橫向定位

CA砂漿的軌道板由于采用了凸型擋臺而成為獨立的單元，軌道縱、橫向定位由圓柱形的凸型擋臺及其周邊的彈性樹脂來實現(xiàn)，因此不要求砂漿對軌道板提供摩擦力或黏接力;由于BZ砂漿的軌道板橫向位移由側(cè)向限位擋塊來控制，在縱向用錨固鋼筋使軌道板相互連接起來，要求砂漿對軌道板提供足夠的摩擦力或黏接力，防止軌道板在列車的作用下產(chǎn)生縱向滑移。

5 維修技術(shù)

CA砂漿在研制之初，就把可維修性作為水泥乳化瀝青砂漿應(yīng)用的主要原因之一，在長時間的推廣運用中，對水泥乳化瀝青砂漿在使用過程中產(chǎn)生的破損，在改進配方提高材料性能的同時，還通過維修實踐和研究分析，針對不同的破損程度和等級分別提出了不同的維修技術(shù)，包括維修機具、維修材料和維修工藝。

CA砂漿上的每塊軌道板相對獨立，砂漿在灌注袋內(nèi)，與軌道板無黏接，根據(jù)傷損情況可選用與砂漿彈性模量和抗壓強度相匹配的高分子樹脂材料通過灌注或充填等方式進行快速維修，或者抬起軌道板，將破損砂漿墊層取出，重新進行砂漿灌注。

BZ砂漿提出了重新灌注的維修工藝，維修時使用特制的索鋸將墊層鋸開，把預(yù)制板與路基分離，再用預(yù)埋在預(yù)制板的調(diào)高螺桿將預(yù)制板調(diào)到設(shè)計位置，然后重新灌注砂漿墊層。由于實際的運營時間較短，并沒有在實際的工程維修中應(yīng)用過。

6 結(jié)論和建議

1)由于設(shè)計理念和結(jié)構(gòu)的不同，兩種類型的砂漿在原材料構(gòu)成、配方比例、性能指標(biāo)、施工工藝等方面具有各自不同的特點，自成體系且不斷進行改進和發(fā)展。比較而言，CA砂漿通過40余年的研究和推廣應(yīng)用，在對實際通車運營效果進行分析、總結(jié)和研究的基礎(chǔ)上不斷改進，技術(shù)體系更加完善，砂漿配方相對穩(wěn)定。

2)在原材料方面，均要求進行規(guī)范化生產(chǎn)，使用廠制原材料。其中，CA砂漿根據(jù)使用環(huán)境氣候條件的不同，材料組成也有所變化。

3)在砂漿性能方面，CA砂漿以為軌道提供足夠的承載能力和一定的彈性為目的，BZ砂漿在承載的基礎(chǔ)上更側(cè)重軌道板與砂漿之間的半剛性連接。

4)在施工方面，以提高施工效率和保證砂漿質(zhì)量為目的，對施工成套設(shè)備、施工工藝等均有明確的要求，追求專業(yè)化、機械化施工。

5)在結(jié)構(gòu)方面，CA砂漿以每塊軌道板作為單元，通過設(shè)置凸型擋臺而各自獨立，允許砂漿和軌道板之間進行一定限度的縱向滑移;BZ砂漿以每塊軌道板作為灌注單元，軌道板之間通過縱向連接而成為一體，要求砂漿對軌道板提供一定的黏接和摩擦力，防止整體軌道板的滑移。

6)在耐久性和維修技術(shù)方面，CA砂漿經(jīng)受了多年的運營考驗并逐步完善了維修技術(shù)，維修工藝相對簡單;BZ砂漿還需在今后的運營過程中進一步考察其耐久性，對維修技術(shù)還需進行研發(fā)和實踐。

7)在經(jīng)濟性方面，BZ砂漿配方中乳化瀝青用量較少，砂漿墊層厚度較薄，相對用料量較少，砂漿的材料成本相對較低。

8)從技術(shù)的角度，如果降低砂漿配方中乳化瀝青的相對含量，CA砂漿就可轉(zhuǎn)變成為BZ砂漿。

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