高性能聚合物替換CRTSII型板式無砟軌道支承層內CA砂漿的可行性試驗研究

吳業(yè)平 侯梅英 趙世煜

摘 要：在高速鐵路病害項目整治研究過程中， CRTSⅡ 型板式無砟軌道支承層內CA砂漿修復在晚上天窗作業(yè)時間施工經常會出現(xiàn)問題，造成工況失敗，本文從替換使用CA砂漿施工的各種原因出發(fā)，對高性能聚合物材料進行的基本性能、力學性能和耐久性等方面進行試驗，具體闡述試驗內容和試驗方法，并跟CA砂漿的各項性能指標做比較，從理論層面確定高性能聚合物替換CA砂漿的可行性。為以后在高速鐵路病害整治修復項目施工過程中，提供高性能聚合物替換CRTSII型板式無砟軌道支承層內CA砂漿提供可行性的理論支持和經驗。

關鍵詞： 聚合物;CA砂漿;性能指標;可行性

1前言

自從我國修建高速鐵路以來，水泥石油乳化瀝青砂漿（簡稱CA砂漿）是CRTSⅡ 型板式無砟軌道支承層的重要組成部分，廣泛填充在軌道板和路基底座板（支承層）之間，起到填充、承載、傳遞應力的作用。我國第一條開通的武漢到廣州的武廣高速鐵路就大量使用了水泥石油乳化瀝青砂漿（簡稱CA砂漿）材料，武廣高鐵的運營證明它的意義和價值。但是我們知道水泥乳化瀝青砂漿為雙組份材料，現(xiàn)場施工時需要用干性的混和砂漿漿料和乳化瀝青乳液混合而成，由于高速鐵路前期施工不規(guī)范、缺乏經驗和環(huán)境影響及列車荷載作用等多種原因，造成CA砂漿層離縫、破損和脫空等病害現(xiàn)象嚴重，影響列車平穩(wěn)及安全，這是原因之一;而目前國內生產水泥乳化瀝青干料的廠家只有唐山盾石、北京麥可斯特、江蘇尼高、成都嘉新等幾家，做乳化瀝青的廠家有荷蘭殼牌、中石化、株洲時代等幾家，而國內外需求市場巨大，鑒于生產干料和乳化瀝青的廠家數(shù)量較少，材料采購困難，市售價格較高，造成CA砂漿成本高昂，這是原因之二;特別對于砂漿層病害嚴重的區(qū)域，普通的注漿加固已不能滿足病害整治要求，需要揭開軌道板，鑿除并重新澆筑砂漿層進行修復，而這兩組材料如果用到高速鐵路病害整治過程中，會由于材料的特殊性以及局限性，原始的水泥乳化瀝青砂漿材料不能直接應用在整治維修施工中，這是原因之三;最后，由于施工條件的變化，為了保證高速鐵路的正常運營，高速鐵路的線路維護時間段一般都是在天窗時間進行，病害整治施工的灌漿工藝與新線修建的有所不同，造成很多的失敗工況。 綜合上述原因，用高性能聚合物砂漿材料替換CRTSⅡ 型板式無砟軌道砂漿層的可行性試驗研究具有較大的經濟價值和工程意義。

2試驗材料檢測

2.1試驗基本材料性能檢測

高性能聚合物所采用的基本材料①水泥必須滿足普通硅酸鹽水泥應符合GB175的規(guī)定，特種水泥應符合GB 20472-2006的規(guī)定。②細骨料：使用河砂或機制砂，不可使用海砂，最大粒徑1.18mm，應符合GB/T 14684的規(guī)定。③聚合物乳液按DL/T 5126-2001中有關規(guī)定執(zhí)行。④其他減水劑應符合GB 8076-2008的規(guī)定。膨脹劑應符合GB/T 23439-2017的規(guī)定。保水劑應符合JC/T 2389-2017的規(guī)定。消泡劑宜采用有機硅類消泡劑產品，應符合GB/T 21089.1-2007的規(guī)定。試驗拌合用水應符合JGJ 63-2006的規(guī)定。

砂漿材料試驗檢測

本次試驗所制備的材料應滿足以下的性能指標要求。

聚合物砂漿和CA砂漿性能指標要求如下：

2.2 試驗特殊材料性能檢測

高性能聚合物需要使用的特殊添加材料①無機填料 需要滿足國家設計標準有關規(guī)定②聚丙烯纖維添加規(guī)格必須滿足國家標準要求，這些材料的使用量需要根據(jù)試驗比例進行添加和減少。試驗的組成材料均達到國家設計標準，滿足國家用途使用的材料。

3高性能聚合物與CA砂漿對比試驗

高性能聚合物砂漿材料更換CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層的配比試驗，主要包括高性能聚合物砂漿的基本性能試驗、力學性能試驗和耐久性性能試驗。其中CA砂漿采用新拌砂漿基本性能試驗、硬化砂漿的力學性能、耐久性能試驗測定。按照規(guī)定方法成型并養(yǎng)護的硬化砂漿試件進行力學性能試驗，主要包括：各齡期的抗壓和抗折強度試驗、粘結強度（28d）和彈性模量測定（28d）。按照規(guī)定方法成型并養(yǎng)護的硬化砂漿試件進行耐久性試驗，主要包括抗凍性試驗（28d）和抗疲勞試驗（28d）。

3.1基本性能試驗對比

按照《聚合物改性水泥砂漿試驗規(guī)程》（DLT5126-2001）的有關規(guī)定，制造成型的高性能聚合物試件成品，并按照CA砂漿的規(guī)程標準制造成型的CA砂漿試件成品。首先對基本材料進行以下基本性能系列試驗比較，①擴展度試驗：分兩組進行，試驗結果以水灰比及擴展度來表示。本次試驗是采用擴展度筒內徑為50mm，結果以垂直直徑5mm擴展度達到280mm的時間，試驗結果表明高性能聚合物的砂漿擴展度達到標準，即t280≤16s ，而CA砂漿的擴展度試驗則由于時間和溫度的限制，白天正常溫度情況下，擴展度達到標準，即t280≤16s 時間內，如果在特殊情況下進行，則出現(xiàn)不能滿足要求的情況出現(xiàn)。②流動度試驗測定對比，用流動度測定儀進行測定試驗，高性能聚合物砂漿緩慢而均勻地倒入漏斗，測量漏斗中聚合物砂漿流完所需的時間滿足性能指標要求60s內，而CA砂漿的流動度測定同樣出現(xiàn)白天正常溫度情況下，滿足性能指標要求，特殊情況下出現(xiàn)意外現(xiàn)象。：③分離度試驗測定，分別按照要求采用規(guī)定指定三個聚合物砂漿標準試件和CA砂漿標準試件，按下面的式子計算兩種不同砂漿的分離度：

結果表明聚合物砂漿和CA砂漿都能滿足小于3% 的要求。 ④凝結時間的測定試驗：參照DL/T5126-2001《聚合物改性水泥砂漿試驗規(guī)程》的規(guī)定執(zhí)行，凝結時間測定儀采用符合GB/T1346的要求，或技術參數(shù)符合該標準要求的凝結時間自動測定儀器，按DL/T5126-2001《聚合物改性水泥砂漿試驗規(guī)程》中砂漿的拌合方法的規(guī)定制備砂漿，拌料時只加水泥、聚合物乳液（膠粉）、水、添加劑，不加砂，制備聚合物改性水泥凈漿，放入恒濕養(yǎng)護箱內養(yǎng)護，然后記錄開始加拌合水的時間作為凝結時間的起始時間。凝結時間的測試：試件在濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至加拌合水后30min時開始第一次測定。測定時，從恒濕養(yǎng)護箱中取出圓模放到試針下，使試針與凈漿面接觸，擰緊螺絲1s-2s后突然放松，試針垂直自由沉入凈漿，觀察試針停止下沉時指針讀數(shù)。當試針沉至距底板2mm-3mm時，即為凈漿達到初凝狀態(tài);當下沉不超過1mm-0.5mm時為凈漿達到終凝狀態(tài)。由開始加拌合水至初凝、終凝狀態(tài)的時間分別為該凈漿的初凝時間和終凝時間，用小時（h）和分（min）表示。試驗表明滿足性能要求。CA砂漿的凈漿制備按照相關規(guī)定執(zhí)行，得出來初凝時間和終凝時間均長于高性能聚合物砂漿。：⑤含氣量的測定：采用含氣量測定儀分別注入聚合物砂漿和水泥瀝青砂漿，用刮平尺刮平，蓋上容器蓋，打開加水閥和排水閥，通過加水閥向容器內注水，當排水閥流出的水不含氣泡時，關閉加水閥和排水閥，注水時可將容器稍微傾斜，有利于空氣的排出，打開操作閥，待示值儀示值穩(wěn)定后，讀取含氣量。以兩次試驗的平均值作為測試結果，精確至0.1%。若兩次測量的誤差大于其平均值的10%，則需重新試驗。得出兩種不同性能的砂漿均滿足要求，高性能聚合物達到6%，而CA砂漿則是8%。

通過基本性能試驗對比，高性能聚合物砂漿在擴展度試驗、流動度試驗、分離度試驗中都要優(yōu)于CA砂漿試驗，而含氣量和凝結時間均小于CA砂漿。通過這些指標對比，我們得出在材料的基本性能方面聚合物砂漿要強于CA砂漿。

3.2力學性能試驗對比

3.2.1抗壓、抗折強度及彈性模量試驗

按照GB/T17671中第4條相關規(guī)定，分別對聚合物砂漿和CA砂漿進行試件成型、養(yǎng)護。CA砂漿采用國家相關規(guī)定標準進行成型養(yǎng)護。聚合物砂漿的抗壓、抗折強度試驗按GB17671相關規(guī)定執(zhí)行?？箟簭姸鹊募雍伤俣?0～500N/s，以保證試件在30～90s斷裂進行控制。聚合物砂漿的彈性模量試驗按GB/T 50081的相關規(guī)定執(zhí)行。CA砂漿的抗壓、抗折強度試驗按照國家標準相關規(guī)定執(zhí)行。結果表明聚合物砂漿的28天的抗壓強度大于18 MPa，28天的抗折強度大于4 MPa，28天的彈性模量在7000-15000MPa 之間，滿足國家標準要求。CA砂漿同樣滿足國家標準要求，但相對應的數(shù)值要小于聚合物砂漿。

3.2.2黏接強度試驗

按照規(guī)定制作聚合物砂漿試件，再把試件嵌入下面的拉伸夾具中，然后安置到試驗機上，開動機器，1500N/min～2000N/min的速度加荷，直至試件破壞，記下破壞荷載和試件的破壞情況。試驗結果

以5個試件為一組，計算5個試件的平均值，若單個試件強度超過平均值的±15%時，應予剔除，取其余試件強度的平均值為試驗結果，結果精確至0.01MPa。當5個試件中有效值不足3個時，該批試驗應重做。結果符合要求。按照相應的標準測定CA砂漿試件，得出CA砂漿試見符合要求，但數(shù)值偏大。

3.3耐久性能試驗對比

3.3.1收縮試驗

按規(guī)定制備砂漿。收縮率按下式計算：

式中：εt—聚合物改性水泥砂漿的收縮率，%;

L0—試件的基準長度，mm;Lt—試件養(yǎng)護后的長度，mm;△—金屬測頭的長度，mm。

取三個試件的平均值作為試驗結果，精確至小數(shù)點后三位。結果符合要求。按照相應的標準測定CA砂漿試件，得出CA砂漿試見符合要求，但數(shù)值偏大。

3.3.2抗凍性試驗

參照SD105-1982[512（2）-80]中“混凝土抗凍性試驗（快凍法）”規(guī)定的設備。按規(guī)定制備聚合物砂漿和CA砂漿。按SD105-1982[512（2）-80]中“混凝土抗凍性試驗（快凍法）”的規(guī)定執(zhí)行，進行200個凍融循環(huán)試驗。得出結果兩者符合規(guī)定要求。

3.3.3抗疲勞性能試驗

采用標準馬歇爾試件，進行試件疲勞試驗，記錄疲勞次數(shù)及試件殘余變形值。試驗基本荷載—時間曲線如圖所示。

試驗的基本荷載-時間曲線

荷載：應力下降Pu=0.025N/mm2;應力上限P0=0.35N/mm2 脈沖持續(xù)時間：0.2s

兩次脈沖的間隔：1.5s。試驗應在20±2℃中進行。達到以下幾種情況之一即可停止試驗：a）循環(huán)次數(shù)大于10000次;b）試件殘余變形超過0.04mm。試驗結果以三塊試件的試驗結果表示，如有一塊不滿足要求，應加倍試驗，如仍有一塊試件不滿足要求，則判定不合格。表明聚合物砂漿試件滿足要求，且數(shù)值表現(xiàn)要強于CA砂漿。

4結論

通過這些試驗，我們得出高性能聚合物砂漿在基本材料性能上強于CA砂漿，力學性能在相應時間內測定值前者要高于后者，耐久性測試中，兩者的表現(xiàn)也是聚合物砂漿優(yōu)于CA砂漿，因此在理論上面，高性能聚合物砂漿取代CA砂漿是可行的。特別在CRTSⅡ 型板式無砟軌道支承層內修復中，聚合物砂漿的優(yōu)勢就顯示出來，由于 CA砂漿的局限性，推廣使用聚合物砂漿來替換CA砂漿具有實在的意義和價值。

參考文獻 ：

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[6]《滬杭高鐵嘉善南站路基段軌道病害綜合整治施工組織設計》

[7]《高速鐵路設計規(guī)范》（TB10621-2014）

·橫向課題：運營高速鐵路CRTSII板式無砟軌道砂漿層更換施工工藝及工法研究。

·作者簡介：吳業(yè)平，1980年出生，女，實驗師。侯梅英，1965年出生，女，教授。