高寒地區(qū)鐵路客運(yùn)專線CRTSI型軌道板CA砂漿配合比制配關(guān)鍵技術(shù)

楊昌芝

【摘要】本文結(jié)合哈齊客運(yùn)專線CA砂漿制配方案，來(lái)介紹CRTSI型軌道板CA砂漿在高寒地區(qū)鐵路施工中的應(yīng)用，為以后類似工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】高寒 鐵路 CRTSI型軌道板 CA砂漿 配合比 制配技術(shù)

【分類號(hào)】：U213.244

1 引言

CA砂漿作為單元板式無(wú)砟軌道的關(guān)鍵材料之一，砂漿層對(duì)板式無(wú)砟軌道的主要作用是：具有一定強(qiáng)度支撐軌道板、后灌砂漿有利于調(diào)整軌道板安裝精度、緩沖高速列車荷載提供一定彈性。通過(guò)多年研究、運(yùn)用，我國(guó)已掌握了板式無(wú)砟軌道充填層砂漿技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)高速鐵路CRTSI型軌道板應(yīng)用里程已達(dá)到3 500 km以上。我國(guó)緯度跨度大，南北方氣候差異明顯，不同的氣候條件對(duì)無(wú)砟軌道充填層砂漿的性能指標(biāo)及施工工藝有著特殊要求，尤其在東北嚴(yán)寒地區(qū)，冬夏凍融交替，晝夜溫差較大，無(wú)砟軌道耐久性能等對(duì)CA砂漿層性能質(zhì)量要求更高。

2工程概況

哈齊客運(yùn)專線位于黑龍江省西南部（北緯44～48度之間），起于哈爾濱站，止于齊齊哈爾南站，線路全長(zhǎng)280.879 km，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km。沿線大部屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季漫長(zhǎng)寒冷、夏季多雨涼爽、春季干旱多風(fēng)、秋季暫短霜早。由于沿線最冷月平均氣溫均低于-15℃，極端最低溫度-36.7～-39.3℃，項(xiàng)目區(qū)冬、夏最大溫差高達(dá)50℃以上，最大季節(jié)凍土深度189～272 cm，按對(duì)鐵路工程影響的氣候分區(qū)，均屬嚴(yán)寒地區(qū)。哈齊客運(yùn)專線區(qū)間正線均采用CRTSI型板式無(wú)砟軌道。砂漿層采用無(wú)紡布灌筑袋灌筑，理論設(shè)計(jì)厚度為50 mm，驗(yàn)標(biāo)規(guī)定按照40-60 mm控制。

3適應(yīng)寒冷地區(qū)的CA砂漿配比設(shè)計(jì)

3.1 CA砂漿凍脹機(jī)理

CA砂漿由干粉料、乳化瀝青（A乳液）、聚合物（P）乳液、水、各種外加劑等原材料組成，為有機(jī)與無(wú)機(jī)相復(fù)合的結(jié)構(gòu)功能材料，通常認(rèn)為凍害主要是由CA砂漿的不勻質(zhì)組織結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)中存在的游離水在溫度降低時(shí)結(jié)冰產(chǎn)生的冰晶壓力使砂漿遭受凍脹破壞，砂漿的抗凍性能與其內(nèi)部氣泡結(jié)構(gòu)也密切相關(guān)。相關(guān)研究表明，纖維的加入降低了砂漿內(nèi)部孔隙數(shù)量，減少水泥乳化瀝青砂漿內(nèi)部的含水率，同時(shí)也減少了凍融循環(huán)過(guò)程中外部水分的滲入，由此提高了凍融循環(huán)后砂漿的相對(duì)動(dòng)彈模量；纖維與砂漿中的膠凝材料以及瀝青均具有良好的粘結(jié)性，纖維在砂漿體系中的破壞是拉斷破壞，不是拔出破壞，而纖維有一定的延伸率和較高的抗拉強(qiáng)度，因此在凍融循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)砂漿表面體系中孔隙水變?yōu)樾”Фa(chǎn)生膨脹壓，導(dǎo)致砂漿表面結(jié)構(gòu)破壞時(shí)首先是纖維的拉伸變形，應(yīng)力的吸收，等到纖維的拉斷后砂漿才開始損壞，表現(xiàn)為剝落或者碎裂等，因而凍融循環(huán)后砂漿的質(zhì)量損失率顯著降低。纖維作為混凝土的一種加材料，它對(duì)基體本身力學(xué)性能方面影響不大，其主要作用是改善混凝土耐久性提高一定的抗凍性。

3.2確定配合比

在砂漿配合比設(shè)計(jì)時(shí)，調(diào)整各材料摻加量，采取引入微氣泡，組織結(jié)構(gòu)致密化，降低透水率，減少干燥收縮，增強(qiáng)抗裂性等措施，并將含氣量、比表面積和氣泡間隔系數(shù)作為主要控制參數(shù)，主要在引氣

劑摻入量上經(jīng)反復(fù)試配、檢測(cè)，配制適應(yīng)寒冷地區(qū)CA砂漿。哈齊線CA砂漿采用了干粉料配合比形式，將砂漿組成中所需的水泥、砂和其它固態(tài)組分材料，采用干粉混合工藝與設(shè)備，工廠化生產(chǎn)干料，再加入乳化瀝青、聚合物乳液、消泡劑、引氣劑、水，砂漿車拌制。

本項(xiàng)目擬在前期（哈大線）嚴(yán)寒地區(qū)砂漿研發(fā)和工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，調(diào)整水泥乳化瀝青砂漿的配比以及復(fù)配技術(shù)，最終制備出適用于高寒地區(qū)的低成本、高性能的環(huán)境友好型水泥乳化瀝青砂漿。配制出理論配合比，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)引氣劑和用水量微調(diào)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)配基本配合比（見表3-1），檢測(cè)砂漿含氣量8.4%，流動(dòng)度，表面密度，1d、7 d、28 d強(qiáng)度，彈性模量等指標(biāo)均滿足寒冷地區(qū)要求。

4高寒地區(qū)水泥乳化瀝青砂漿的工藝化試驗(yàn)

為了推進(jìn)水泥乳化瀝青砂漿的工程化試驗(yàn)，在相關(guān)廠家進(jìn)行了乳化瀝青、干粉料等原材料工業(yè)化生產(chǎn)，為工藝性試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

4.1乳化瀝青工業(yè)化生產(chǎn)

中石化的協(xié)調(diào)下在安達(dá)乳化瀝青廠進(jìn)行了乳化瀝青的工業(yè)化生產(chǎn)，見圖4-1。

通過(guò)瀝青溫度調(diào)節(jié)、皂液pH調(diào)節(jié)、瀝青泵定子與轉(zhuǎn)子間隙以及皂液泵壓力的調(diào)節(jié)等措施，進(jìn)行了乳化瀝青的試生產(chǎn)。對(duì)調(diào)試后制得的乳化瀝青性能進(jìn)行了測(cè)試，并將結(jié)果與試驗(yàn)室生產(chǎn)的乳化瀝青性能進(jìn)行了比較，結(jié)果見表4-1。

通過(guò)表4-1中室內(nèi)生產(chǎn)與工業(yè)大生產(chǎn)乳化瀝青的性能比較可得：在相同的乳化劑配合比下，工業(yè)生產(chǎn)制得的乳化瀝青與室內(nèi)樣相比，其恩氏粘度明顯增大、篩上剩余量由0.01%降低為0、1d與5d的貯存穩(wěn)定性也明顯改善，這表明兩者吻合性較好，且工業(yè)生產(chǎn)的乳化瀝青性能略優(yōu)于試驗(yàn)室生產(chǎn)的。能夠較好的實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，滿足工程施工的需要。

4.2干粉料制備的工業(yè)化生產(chǎn)

為了實(shí)現(xiàn)聚丙烯纖維在水泥乳化瀝青砂漿體系中的均勻分散，在制備水泥乳化瀝青砂漿之前將纖維與水泥和細(xì)骨料等粉體材料先預(yù)混合制備出干粉料，在纖維與分體材料混合過(guò)程中，通過(guò)干粉攪拌罐內(nèi)攪拌葉片的高速剪切將成束的纖維分散成單根的狀態(tài)，這樣有效的減少、甚至杜絕了纖維在砂漿制備過(guò)程中的結(jié)團(tuán)問(wèn)題，有效地保證了水泥乳化瀝青砂漿高性能。

通過(guò)以上乳化瀝青、干粉料的工程化調(diào)試生產(chǎn)，基本掌握了其質(zhì)量控制措施，為研制的高寒地區(qū)水泥乳化瀝青砂漿的工程化試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

4.2.1不同種類纖維對(duì)砂漿性能的影響研究

在試驗(yàn)過(guò)程中固定聚合物乳液摻量為水泥膠凝材料質(zhì)量的15%、纖維摻量為干粉材料質(zhì)量的0.8‰，采用試驗(yàn)室的中型攪拌機(jī)進(jìn)行了不同纖維砂漿的制備以及性能測(cè)試，結(jié)果見表4-2。

通過(guò)高速攪拌后各種纖維雖然能較好的以單根的形式分散在水泥乳化瀝青砂漿漿體中，但由于玻璃纖維、礦物質(zhì)纖維自身具有較高的強(qiáng)度，其分散在新拌制漿體中的纖維彼此交錯(cuò)以三維立體的方式存在，使得原本“細(xì)膩”的砂漿變得“粗糙”，改變了砂漿的流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)砂漿的可工作性能等產(chǎn)生了不利影響。木質(zhì)素纖維具有較強(qiáng)的吸水、保水能力，吸水能力強(qiáng)使得砂漿拌和用水明顯提高，而保水能力強(qiáng)則延緩了水泥乳化瀝青砂漿體系中乳化瀝青的破乳時(shí)間，從而使得添加木質(zhì)素纖維制得的砂漿早期抗壓強(qiáng)度發(fā)展緩慢，不利于工程施工進(jìn)度。聚丙烯腈纖維在高速攪拌過(guò)程中，分散的纖維之間容易打結(jié)成團(tuán)，這樣就成為水泥乳化瀝青砂漿體系新增的缺陷，會(huì)對(duì)力學(xué)性能以及耐久性能等產(chǎn)生不利影響。由此初步選定聚丙烯纖維作為試驗(yàn)研究用纖維。

4.2.2不同纖維摻量水泥乳化瀝青砂漿性能研究

在選定聚丙烯纖維作為砂漿改性劑后，進(jìn)行了不同摻量聚丙烯纖維水泥乳化瀝青砂漿性能測(cè)試，纖維摻加量分別為水泥等膠凝材料和細(xì)骨料質(zhì)量之和的0.4‰、0.8‰以及1.2‰。

不同纖維摻量水泥乳化瀝青砂漿抗凍性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)：隨著纖維摻量的增大，凍融循環(huán)后砂漿的相對(duì)動(dòng)彈模量逐漸的提高，砂漿的質(zhì)量損失率也顯著降低，由此表明纖維的添加可以較好的改善砂漿的抗凍性。

通過(guò)以上摻加纖維前后制得水泥乳化瀝青砂漿可工作性能、力學(xué)性能以及抗凍性能等測(cè)試結(jié)果分析，適當(dāng)?shù)睦w維添加不僅不會(huì)影響砂漿的基本性能，而且會(huì)較好的改善砂漿的抗凍性能，進(jìn)而提高砂漿的耐久性能。結(jié)合砂漿的抗凍性能測(cè)試結(jié)果，本研究中纖維的摻量定為干粉料質(zhì)量的0.8 ‰。

4.3高寒地區(qū)水泥乳化瀝青砂漿工藝性試驗(yàn)

4.3.1.原材料、設(shè)備以及場(chǎng)地

哈齊客專項(xiàng)目部配合鐵科院進(jìn)行了工藝性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的建設(shè)，提供了水泥乳化瀝青砂漿攪拌車以及相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備，組織試驗(yàn)人員進(jìn)行砂漿性能測(cè)試、灌注以及揭板檢查等。

4.3.2砂漿攪拌及性能測(cè)試

準(zhǔn)備工作就緒后，啟動(dòng)攪拌系統(tǒng)電源，在慢速攪拌（30±5rpm）下依次加入乳化瀝青、聚合乳液、水、消泡劑，間隔0.5分鐘待液料攪拌均勻后，提高攪拌速度至80±5rpm，依次加入干粉料、引氣劑等，加料結(jié)束后高速攪拌（115±5rpm）2～4分鐘。高速攪拌結(jié)束后，將攪拌速度調(diào)節(jié)至30±5rpm，從攪拌罐內(nèi)取樣進(jìn)行砂漿溫度、流動(dòng)度、含氣量等測(cè)試，合格后進(jìn)行灌注。

4.3.3砂漿的灌注以及成型

在砂漿流動(dòng)度、含氣量調(diào)整合適后，將砂漿由中轉(zhuǎn)罐注入灌注漏斗，然后通過(guò)管道與灌注袋連接進(jìn)行灌注，不得從攪拌灌注車上直接通過(guò)灌注軟管與灌注袋相連。水泥乳化瀝青砂漿灌注過(guò)程中，嚴(yán)禁踩踏軌道板，觀察軌道板有無(wú)拱起、上浮現(xiàn)象，并按規(guī)定制作砂漿性能試驗(yàn)試件。如發(fā)生灌注袋破損水泥乳化瀝青砂漿溢出情況，用夾具或廢棉紗、細(xì)骨料及水泥等進(jìn)行防漏。

確認(rèn)灌注袋的灌注情況，灌注作業(yè)結(jié)束后，在灌注口處多留一些水泥乳化瀝青砂漿（補(bǔ)充用），將灌注漏斗的軟管卸下，用繩子扎緊灌注口，并用木板等使灌注口處的砂漿斜立起來(lái)，同時(shí)確認(rèn)灌注袋的端角部的張力狀態(tài)及支撐螺栓的浮起狀態(tài)。每個(gè)灌注袋應(yīng)一次連續(xù)灌注完成。水泥乳化瀝青砂漿的灌注應(yīng)充分飽滿。

灌注后，邊確認(rèn)水泥乳化瀝青砂漿的凝固情況，邊進(jìn)行補(bǔ)漿。在凝固之前，將灌注口內(nèi)的水泥乳化瀝青砂漿擠入灌注袋，擠入的砂漿量視定位螺栓的浮起狀態(tài)等決定。灌注口的水泥乳化瀝青砂漿不足時(shí)，需進(jìn)行補(bǔ)充灌注。水泥乳化瀝青砂漿擠入結(jié)束后，用夾具等封住灌注口。袋口用支撐物傾斜放置。在灌注結(jié)束后0.5～1小時(shí)擠壓灌注袋口余下的砂漿，以確保砂漿充填飽滿，擠壓程度視支撐螺栓的松動(dòng)情況而定。

在灌注的同時(shí)進(jìn)行了水泥乳化瀝青砂漿力學(xué)性能試件、抗凍融試件以及耐候試件的成型，用于長(zhǎng)期留置并進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，其中一部分試件放置在鐵路沿線，與墊層砂漿在相同的氣候條件下自然存放；另一部分砂漿試件放置在試驗(yàn)室自然養(yǎng)護(hù)。在同齡期下對(duì)兩種養(yǎng)護(hù)條件下的砂漿試件進(jìn)行外觀、性能等的對(duì)比分析測(cè)試，考察氣候環(huán)境條件對(duì)砂漿性能的影響，見圖4-6。

4.3.4砂漿揭板檢查

在水泥乳化瀝青砂漿抗壓強(qiáng)度大于0.1MPa后進(jìn)行支撐螺栓的拆除，然后保持軌道板依靠自重對(duì)墊層砂漿施壓大于半小時(shí)后進(jìn)行揭板檢查，結(jié)果見圖4-7

以上配合比制得的砂漿表面以及斷面情況良好，表明砂漿攪拌車工況良好，各種原材料性能滿足砂漿配制要求。能夠配制出施工性能良好的水泥乳化瀝青砂漿，基本達(dá)到了工藝性試驗(yàn)的目的。

4.3.5砂漿性能檢測(cè)結(jié)果

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)成型的水泥乳化瀝青砂漿試件進(jìn)行了跟蹤檢測(cè)，制得砂漿性能測(cè)試結(jié)果符合要求：各種原材料制得的水泥乳化瀝青砂漿具有好的可工作性能、力學(xué)性能以及耐久性能，能夠滿足現(xiàn)行《客運(yùn)專線鐵路CRTS I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)）以及《客運(yùn)專線鐵路CRTS I型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件—嚴(yán)寒地區(qū)補(bǔ)充規(guī)定》（科技基[2009]77號(hào)）的要求。

4.4小結(jié)

工藝性試驗(yàn)結(jié)果表明研制的摻入干粉料的聚丙烯纖維、以及原材料工廠化制備工藝的水泥乳化瀝青砂漿施工效果良好、力學(xué)性能以及耐久性能均滿足技術(shù)條件要求，達(dá)到了工藝性的預(yù)期效果，制備出了適用于高寒地區(qū)的低成本高性能CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)例，標(biāo)段內(nèi)灌筑的18022塊軌道板，檢測(cè)砂漿各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)定要求，揭板抽檢砂漿表觀、斷面材質(zhì)、氣泡均勻情況等，全部滿足高寒地區(qū)CA砂漿抗凍性要求，一次性通過(guò)建設(shè)單位組織的驗(yàn)收，取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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