水泥瀝青砂漿的材料性能及應(yīng)用研究

竹俊杰

(中鐵十六局第四工程有限公司，北京 101400)

1 背景及意義

目前針對(duì)CA砂漿材料領(lǐng)域的科研工作開(kāi)展較多，“十一五”科技支撐計(jì)劃和863課題已將高速鐵路無(wú)砟軌道用CA砂漿立項(xiàng)研究。但我國(guó)CA砂漿大部分研究集中在室內(nèi)試驗(yàn)階段，依托的工程實(shí)體運(yùn)營(yíng)時(shí)間較短，對(duì)研究成果的檢驗(yàn)還需要較長(zhǎng)的時(shí)間。同時(shí)，材料性能評(píng)價(jià)體系的研究工作中也缺乏強(qiáng)有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為依托，致使現(xiàn)階段我國(guó)可用于設(shè)計(jì)時(shí)速高達(dá)350km/h以上較為完備的CA砂漿工藝成套技術(shù)還不成熟，尤其砂漿配合比設(shè)計(jì)方法、性能評(píng)價(jià)、施工工藝等方面尚有不足，對(duì)高速鐵路CA砂漿現(xiàn)場(chǎng)施工工藝及質(zhì)量控制還沒(méi)有完善的標(biāo)準(zhǔn)，給我國(guó)高速鐵路大規(guī)模的建設(shè)造成一定的技術(shù)障礙。

2 無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)

滬昆鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)江西段站前工程HKJX－5標(biāo)段位于南昌市和高安市境內(nèi)，里程為 DK569+839.17～DK638+468.75，全長(zhǎng)68.62958千米，首件段 CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道起訖里程為DK587+575－DK590+637，全長(zhǎng)3.，062km，包括兩座特大橋，兩段路基，共計(jì)634塊CRTSⅡ型軌道板。

橋上CRTSⅡ無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿墊層、底座、側(cè)向擋塊、滑動(dòng)層、高強(qiáng)度擠塑板和限位板組成;路基上CRTSⅡ無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿墊層、支撐層和線(xiàn)間填筑物組成。橋上軌道總結(jié)構(gòu)高度679毫米(直線(xiàn)段)，路基上軌道總結(jié)構(gòu)高度779毫米(直線(xiàn)段)曲線(xiàn)段軌道總結(jié)構(gòu)高度根據(jù)超高的不同進(jìn)行計(jì)算。圖1和2是橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道橫斷面圖。

圖1 橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道橫斷面(超高=0)

圖2 橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道橫斷面(超高=175)

3 水泥乳化瀝青砂漿試配試驗(yàn)

3.1 原材料的選定

選定的原材料必須要與理論配合比的原材料相適應(yīng)，主要原材料如下:

⑴CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青:安徽中鐵工程材料科技有限公司生產(chǎn)，規(guī)格及型號(hào):AL－NS001;顆粒極性:陰性。

⑵CA砂漿用干料:安徽中鐵工程材料科技有限公司生產(chǎn)，規(guī)格及型號(hào):RP－Q2。

⑶CA砂漿用普通減水劑:安徽中鐵工程材料科技有限公司生產(chǎn)，規(guī)格及型號(hào):RAWY101。

⑷CA砂漿用消泡劑:河南道純化工技術(shù)有限公司生產(chǎn)，規(guī)格及型號(hào):DSP－010型。

⑸CA砂漿拌合用水:能飲用的自來(lái)水。

3.2 材料相容性檢驗(yàn)

對(duì)于水泥乳化瀝青砂漿來(lái)說(shuō)，各組分之間具有好的相容性是確保砂漿均勻性、穩(wěn)定性以及其他各項(xiàng)性能的前提。所以，在配制砂漿前，務(wù)必要對(duì)各個(gè)材料進(jìn)行相容性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)不合格的一律不能用來(lái)配制CA砂漿。

⑴水泥與乳化瀝青的相容性

水泥與乳化瀝青的相容性是配制水泥乳化瀝青砂漿的基礎(chǔ)，其不相容的表現(xiàn)形式主要有兩種，一是水泥和乳化瀝青剛剛拌合就破乳;二是拌合后雖然不很快破乳，但工作性能損失很快，拌合結(jié)束5分鐘后，砂漿變稠，擴(kuò)展度加速變小，流動(dòng)度過(guò)低。解決這兩者不相容的方法是變換水泥品種或者重新選擇乳化瀝青，直至達(dá)到相容的結(jié)果

⑵干料與各種外加劑的相容性

干料與外加劑的相容性檢驗(yàn)也是通過(guò)拌合試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。干料與外加劑的不相容表現(xiàn)為出機(jī)砂漿的擴(kuò)展度滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求，而30分鐘后砂漿的擴(kuò)展度大幅下降，達(dá)不到280毫米要求;或表現(xiàn)為砂漿嚴(yán)重離析、分層等。解決干料與各種外加劑的不相容應(yīng)從更換水泥品種、重新選擇外加劑品種或類(lèi)型等方面進(jìn)行。

3.3 配合比設(shè)計(jì)

完成了原材料的優(yōu)選和相容性檢驗(yàn)后，進(jìn)行水泥乳化瀝青砂漿的配合比設(shè)計(jì)工作。其內(nèi)容主要包括:砂漿配合比的初步確定，砂漿試拌、成型及其基本性能的檢測(cè);根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)初步配合比進(jìn)行調(diào)整;調(diào)整后的砂漿試拌、成型及其性能檢測(cè);當(dāng)砂漿的性能仍不符合指標(biāo)要求時(shí)，重復(fù)調(diào)整直至滿(mǎn)足砂漿的性能指標(biāo)要求;確定砂漿的最終配合比。

為保證CA砂漿的力學(xué)性能與耐久性能，在確定砂漿最終配合比時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足以下要求:

⑴水泥用量宜不小于400千克每立方米。

⑵乳化瀝青與水泥的比值宜不小于0.35。

⑶水灰比宜不大于0.58。

⑷CA砂漿設(shè)計(jì)厚度30毫米，性能滿(mǎn)足《客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》(科技基【2008】74號(hào))和驗(yàn)標(biāo)的要求。

⑸CA砂漿的最小抗壓強(qiáng)度達(dá)到1兆帕后方可拆除軌道板下面的精調(diào)校正裝置，最小強(qiáng)度達(dá)到3兆帕后方可承重。

3.4 正交設(shè)計(jì)試配方案

⑴正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原理

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種安排多因素試驗(yàn)的數(shù)學(xué)方法，此方法既科學(xué)又方便。對(duì)于諸如CA砂漿性能的變化規(guī)律或者最優(yōu)工藝條件的確定等這類(lèi)問(wèn)題，因?yàn)樯婕暗囊蛩乇姸?，試?yàn)周期長(zhǎng)，量測(cè)數(shù)據(jù)離散，試驗(yàn)工作繁重，采用正交設(shè)計(jì)來(lái)安排試驗(yàn)，只要做少量試驗(yàn)就可以得到正確的結(jié)論和好的效果，事半功倍。這種利用數(shù)學(xué)上的正交特性－具體的說(shuō)就是正確使用數(shù)學(xué)上的正交表來(lái)安排多因素試驗(yàn)和分析試驗(yàn)成果的一整套方法，稱(chēng)為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。他的特點(diǎn)就是采用最優(yōu)水平組合來(lái)代替全部的組合。

⑵試驗(yàn)方案

在原材料初步選定后，采用正交設(shè)計(jì)方法，分析各原材料摻量對(duì)CA砂漿性能(流動(dòng)度、含氣量、28天抗壓強(qiáng)度、28天彈性模量)的影響情況，以確定最優(yōu)配合比。對(duì)乳化瀝青(A)、干料(B)、水(C)消泡劑(D)、減水劑(E)4種原材料用量各取5個(gè)水平(表1)進(jìn)行正交設(shè)計(jì)。

表1 原材料用量的5個(gè)水平

⑶試配試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)試配試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，確定初始配合比為干料：乳化瀝青：減水劑：消泡劑：水 =1500：250：5.0：0.06：155，對(duì)初始配合比砂漿的性能進(jìn)行檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足相應(yīng)要求。

3.5 工藝性試驗(yàn)及配合比的確定

初始配合比砂漿配合比和攪拌工藝確定后，開(kāi)始在線(xiàn)外試驗(yàn)段進(jìn)行驗(yàn)證和灌注工藝試驗(yàn)、揭板試驗(yàn)。在試驗(yàn)中出現(xiàn)以下問(wèn)題:

⑴氣泡多。原因是消泡劑用量較少，CA砂漿攪拌車(chē)自動(dòng)計(jì)量的消泡劑難以在短時(shí)間內(nèi)充分與其他材料攪拌均勻。

⑵出現(xiàn)空洞的現(xiàn)象。是由于底座板潤(rùn)濕工作不到位引起的。如果底座板潤(rùn)濕不充分，由于底座板吸水，置換出底座板內(nèi)的氣泡在砂漿層就會(huì)產(chǎn)生空鼓、貫穿氣孔等缺陷;如果預(yù)濕過(guò)度，在軌道板底或者是底座板上殘留有明水，則容易造成砂漿泌水、瀝青析出等缺陷。

⑶砂漿表明局部發(fā)黑的現(xiàn)象。經(jīng)試驗(yàn)分析，其主要是砂漿原材、攪拌工藝引起的。

通過(guò)多次揭板試驗(yàn)不斷總結(jié)，最終確定了CA砂漿基本配合比為干料：乳化瀝青：減水劑：消泡劑：水 =1500：250：5.0 ～5.5(可調(diào))：0.05 ～0.07(可調(diào))：150 ～170(可調(diào))。

4 施工工藝

4.1 潤(rùn)濕工藝

⑴鋪板前潤(rùn)濕

為了保證砂漿與底座或支撐層有良好的粘結(jié)，鋪板前應(yīng)采用高壓水槍沖洗底座或支撐層，清除表面的浮漿與灰塵。

⑵封邊前潤(rùn)濕

經(jīng)線(xiàn)外試驗(yàn)段多次工藝試驗(yàn)，確定先潤(rùn)濕后封邊的工藝方案。軌道板灌注前2～4小時(shí)，根據(jù)天氣及底座板軌道板情況利用灑水車(chē)沖洗底座板及軌道板底2～3次，沖洗充分，確保底座板及軌道板底表面吸水飽和。封邊前采用高壓水槍充分沖洗軌道板底和底座板(支承層)表面，使其充分濕潤(rùn)，處于保水狀態(tài)，當(dāng)?shù)鬃蛑С袑影纪共黄接休^多積水時(shí)應(yīng)采用風(fēng)力滅火機(jī)將積水清除，利用干棉布左右移動(dòng)擦除板腔內(nèi)上下未吹除的明水，確保板腔內(nèi)無(wú)積水且處于飽和面干狀態(tài)。封邊完畢后應(yīng)對(duì)灌注口和觀(guān)察口進(jìn)行覆蓋，防止水分散失。

⑶灌注前濕潤(rùn)

在灌漿前及時(shí)觀(guān)察觀(guān)察口和灌注口觀(guān)察底座的濕潤(rùn)情況，如底座潮濕，則不需進(jìn)行濕潤(rùn);如底座干燥，則需再次進(jìn)行濕潤(rùn)。灌注砂漿前10分鐘再次檢查板腔潤(rùn)濕狀況，確認(rèn)其表面無(wú)殘留明水和霧化不徹底等現(xiàn)象。如發(fā)現(xiàn)局部有積水，則可采用風(fēng)力滅火機(jī)吹出或吹散積水。

4.2 CA砂漿配制

攪拌速度及時(shí)間則主要影響水泥乳化瀝青砂漿的含氣量、抗壓強(qiáng)度及彈性模量，通過(guò)多次試驗(yàn)，我們得到合理的投料順序和拌和方式如下:

⑴從水箱加水。

⑵從P乳劑箱加水。

⑶從A乳劑箱加乳化瀝青，停轉(zhuǎn)后迅速投入減水劑和消泡劑;低速攪拌，30轉(zhuǎn)每分鐘的速度攪拌30秒;螺旋泵投入干粉料;高速攪拌，以105轉(zhuǎn)每分鐘的速度攪拌120秒;減速至30轉(zhuǎn)每分鐘，攪拌90秒。

⑷CA砂漿出倉(cāng)。

砂漿攪拌車(chē)加料，定人定崗。加料前注意加料順序，并檢查各原材料的質(zhì)量、性能是否符合要求。

砂漿攪拌車(chē)的檢查。每天開(kāi)盤(pán)之前，應(yīng)對(duì)砂漿攪拌車(chē)進(jìn)行全面檢查，防止在施工過(guò)程中出現(xiàn)意外情況，保證攪拌灌注施工的順利進(jìn)行。砂漿車(chē)的計(jì)量系統(tǒng)，每周須進(jìn)行自校;砂漿車(chē)的攪拌主機(jī)與成品倉(cāng)應(yīng)及時(shí)清理剩余砂漿。

施工配合比的調(diào)整。施工配合比的調(diào)整范圍必須在基本配合比的允許范圍之內(nèi);施工配合比的調(diào)整應(yīng)根據(jù)原材料的性能、軌道板底座的類(lèi)別、板腔厚度、板腔溫度、濕潤(rùn)等情況來(lái)調(diào)整。

4.3 灌注工藝

為防止砂漿在運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生離析，砂漿在灌注前必須攪拌均勻。

灌注施工時(shí)先打開(kāi)中轉(zhuǎn)罐卸料閥門(mén)，待砂漿充滿(mǎn)灌注軟管后，再緩慢打開(kāi)灌注閥門(mén)，砂漿初流入時(shí)嚴(yán)格控制流速，防止大氣泡包裹在內(nèi)，逐漸增大流速直至灌注口砂漿面高出軌道板頂約15公分，此后隨時(shí)觀(guān)察灌注孔內(nèi)砂漿的液面高度，并控制流速維持砂漿面高度，進(jìn)行連續(xù)灌注，待四角排氣孔有砂漿均勻流出后及時(shí)關(guān)閉灌注閥門(mén)。直線(xiàn)板的灌注時(shí)間應(yīng)控制在3～4分鐘內(nèi)，曲線(xiàn)板的灌注時(shí)間應(yīng)控制在5分鐘±30秒內(nèi)。當(dāng)砂漿面高于軌道板頂面5～10公分且不能回落時(shí)，灌漿過(guò)程才可告結(jié)束。

砂漿灌注的節(jié)奏是慢→快→慢，切忌砂漿灌注過(guò)程中突然增加或減小砂漿的灌注流量。

當(dāng)砂漿從排氣孔溢出時(shí)，不要立即封堵，待積水充分排出，流出正常砂漿，且是滿(mǎn)斷面外溢時(shí)，用孔塞或海綿進(jìn)行封堵。采用帶閥門(mén)的灌注漏斗補(bǔ)灌精調(diào)爪處空腔，對(duì)空腔充分潤(rùn)濕并消除明水，利用封邊角鋼封邊并與底座板結(jié)合密貼。將砂漿灌入漏斗后，打開(kāi)閥門(mén)，軟管中氣體排除并流出均勻砂漿后，將軟管塞入空腔最內(nèi)部，使砂漿在空腔內(nèi)由內(nèi)向外流，排除內(nèi)部空氣消除空洞，慢慢移動(dòng)軟管，使空腔內(nèi)充填飽滿(mǎn)砂漿。將砂漿灌注至比軌道板底邊高出約5公分后停止灌注。軌道板相應(yīng)位置可粘貼膠帶避免污染軌道板。

灌注完成后，保持漿面高于軌道板底10公分。待砂漿失去流動(dòng)性后，掏出多余的砂漿，取出灌注PVC管，使砂漿面高于軌道板底5公分。

4.4 砂漿充填層施工中的常見(jiàn)質(zhì)量問(wèn)題

⑴飽滿(mǎn)度

技術(shù)要求:軌道板與底座板間隙的砂漿充填層灌注飽滿(mǎn)，排氣孔應(yīng)有砂漿排出;周邊和四個(gè)角應(yīng)與軌道板底面粘結(jié)密貼，不允許有裂縫或空洞。

不良現(xiàn)象:砂漿充填層的四個(gè)角空陷，周邊稀松不密實(shí)或與軌道板底面離縫。

可能原因:新拌砂漿的流動(dòng)度偏大或擴(kuò)展度偏小，灌注時(shí)四個(gè)角和周邊未充滿(mǎn);砂漿的膨脹率偏小，灌注后未漲滿(mǎn);砂漿灌注量不夠，未完全充滿(mǎn)(排氣孔未流出足夠的砂漿)灌注就停止了。

⑵密實(shí)度

技術(shù)要求:充填層密實(shí)，無(wú)孔徑達(dá)毫米級(jí)的大氣孔、表面無(wú)氣孔聚集層或尺寸大于20平方厘米的氣孔聚集區(qū);斷面無(wú)氣孔聚集區(qū)或裂縫。

不良現(xiàn)象:砂漿充填層表面有密集小氣泡層，斷面局部夾雜有個(gè)別大氣泡或細(xì)密氣泡聚集層。

可能原因:新拌砂漿含氣量和氣泡孔徑偏大;灌注時(shí)，砂漿流動(dòng)過(guò)程中夾入了較多的空氣;新拌砂漿的砂漿穩(wěn)定性差，氣泡不能穩(wěn)定存在;新拌砂漿的流動(dòng)度偏小。

⑶勻質(zhì)性

技術(shù)要求:砂漿充填層任何部位的密實(shí)度和顏色均勻一致。

不良現(xiàn)象:充填層表面有浮漿或泌水流痕或顏色較深;充填層底部有粗砂沉積。

可能原因:新拌砂漿穩(wěn)定性與勻質(zhì)性不良;新拌砂漿流動(dòng)度太小或擴(kuò)展度太大。

4.5 控制和提高工程質(zhì)量的基本原則

⑴務(wù)必嚴(yán)格按照國(guó)家現(xiàn)有的成熟的有關(guān)技術(shù)條件和規(guī)范精細(xì)施工;

⑵按照“暫行技術(shù)條件”要求檢驗(yàn)原材料質(zhì)量，不合格的原材料拒絕驗(yàn)收入庫(kù);

⑶務(wù)必嚴(yán)格按照經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)成功的基本配合比和攪拌工藝拌合砂漿;

⑷嚴(yán)格執(zhí)行“性能指標(biāo)不合格的砂漿決不灌注”的規(guī)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析CA砂漿拌合物的流變性能和粒子沉降規(guī)律，優(yōu)選出CA砂漿的主要原材料。結(jié)合滬昆客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)江西段首件工程，通過(guò)大量試驗(yàn)，采用正交設(shè)計(jì)方法，確定了CA砂漿最終配合比為:干料：乳化瀝青：減水劑：消泡劑：水=1500：250：5.0 ～5.5(可調(diào))：0.05 ～ 0.07(可調(diào))：150 ～170(可調(diào))。研究CA砂漿原材料的儲(chǔ)存與管理、軌道板精調(diào)完成后的封邊施工、底座板潤(rùn)濕，以及CA砂漿的灌注及養(yǎng)護(hù)等工藝;總結(jié)了砂漿充填層施工中的常見(jiàn)質(zhì)量問(wèn)題及防范措施，提出控制和提高工程質(zhì)量的基本原則。

文章在CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道施工方面做了大量工作，但是仍有不足之處，例如:每次在灌注軌道板前都要進(jìn)行野蠻的揭板試驗(yàn)，這種方法不但費(fèi)時(shí)費(fèi)工、無(wú)形中增加了成本，并且不能完全保證全部的灌漿都是成功的。所以迫切需要一種自動(dòng)化水平高，技術(shù)先進(jìn)，無(wú)損壞的檢測(cè)技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)每一塊板的灌漿情況

［1］鐵道部.客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路CRTSII型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件(科技基(2008)74號(hào)).北京中國(guó)鐵道出版社，2008.

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