拌和水用量對(duì)CRTSⅢ型先張法軌道板用封錨砂漿性能的影響

吳韶亮 張琪 劉子科 賈恒瓊 魏曌

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)以其高平順性、高可靠性、高穩(wěn)定性等特性得到了廣泛認(rèn)同。高速鐵路建設(shè)過(guò)程中，我國(guó)先后研發(fā)出了CRTSⅠ，CRTSⅡ，CRTSⅢ型板式及CRTSⅠ型雙塊式等無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，其中CRTSⅠ，CRTSⅢ型軌道板在預(yù)應(yīng)力拉張完畢后須對(duì)軌道板側(cè)邊的錨穴進(jìn)行封錨處理（圖1），CRTSⅡ型不需要封錨。

圖1 軌道板側(cè)邊封錨

CRTSⅠ型軌道板錨穴直徑約75 mm，CRTSⅢ型減至約24 mm；CRTSⅠ型軌道板錨穴數(shù)量為32 個(gè)，CRTSⅢ型增至80 個(gè)。錨穴直徑變小和數(shù)量增加使得原來(lái)適用于CRTSⅠ型軌道板的干硬性封錨材料在進(jìn)行CRTSⅢ型軌道板封錨施工時(shí)，施工效率顯著降低，且存在錨穴內(nèi)砂漿填充不密實(shí)、容易脫落等問(wèn)題。

結(jié)合現(xiàn)有的封錨砂漿材料體系、施工工裝與工藝［1-5］，對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與構(gòu)建，研制出滿足CRTSⅢ型軌道板快速施工要求的可擠入式JH-FMⅠ型快速封錨材料。該材料由干粉料、乳膠、水組成，使用時(shí)按比例稱取乳膠和干粉料，加入適量拌和水，先低速攪拌使其充分潤(rùn)濕，再高速攪拌保證各組分混合均勻，最終制出團(tuán)聚狀態(tài)的砂漿［6］。適宜的拌和用水量確定原則包括：①保證能夠制備出類似“牙膏”狀態(tài)的砂漿；②保證砂在裝袋機(jī)和封錨槍中能夠較好地連續(xù)擠出；③兼顧封錨砂漿的施工效果。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，有些施工人員為了追求施工速度，會(huì)在封錨砂漿制備過(guò)程中加入過(guò)量拌和水，導(dǎo)致封錨砂漿性能變化。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，規(guī)范施工，本文對(duì)不同拌和用水量制得的封錨砂漿性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用干料為自主研發(fā)的JH-FMⅠ型干粉料；乳膠為自主配制的丙烯酸體系聚合物乳液；拌和水為符合飲用水要求的自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所需設(shè)備包括：B40型砂漿攪拌機(jī)，攪拌容量30 L，轉(zhuǎn)速三擋可調(diào)；FMSJ-Ⅰ型封錨砂漿裝袋機(jī)；CMT6104 和CM5305 微機(jī)控制電子萬(wàn)能（拉力）試驗(yàn)機(jī)；電子天平，精度0.1 g。

1.3 試件制備

制備試件時(shí)，干粉料與乳膠質(zhì)量比為1/0.09，分別加入干粉料質(zhì)量3.0%，3.5%，4.0%，4.5%，5.0%的拌和水，適當(dāng)調(diào)整制備工藝，制備出5種配合比的快速封錨砂漿并制作試件。其中抗壓、抗折及收縮率試件為長(zhǎng)方體，尺寸為40 mm×40 mm×160 mm；抗?jié)B試件為截頭圓錐體，上口直徑70 mm，下口直徑80 mm，高30 mm；電通量試件為圓柱體，直徑100 mm，高50 mm。

1.4 性能測(cè)試

1）封錨砂漿的抗壓/抗折強(qiáng)度按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

2）封錨砂漿的收縮率和抗水滲性能參照DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試。

3）封錨砂漿的抗氯離子滲透性能參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中電通量法進(jìn)行測(cè)試。

4）封錨砂漿的表觀密度采用靜水天平排水法進(jìn)行測(cè)試。將試件放進(jìn)稱量掛斗，稱取其在水中的質(zhì)量m1（每次稱量水面均應(yīng)達(dá)到相同指定位置）；取出試件，用棉布將表面擦拭至表干狀態(tài)，稱取表干質(zhì)量m2，計(jì)算其表觀密度ρ（結(jié)果精確至0.01 g/cm3），公式為

式中：ρ水為水在常溫下的密度，g/cm3。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 拌和水用量對(duì)封錨砂漿施工性能的影響

測(cè)試不同拌和水用量的封錨砂漿施工性能，結(jié)果見表1，其中γ=（拌和水質(zhì)量/干粉料質(zhì)量）×100%。

表1 不同拌和水用量的封錨砂漿施工性能

圖2 封錨后砂漿蠕變鼓包

由表1可知，隨著拌和水用量的增加，封錨砂漿的制備時(shí)間顯著減少，可施工時(shí)間顯著延長(zhǎng)，制得的封錨砂漿可擠出性逐漸變好，塑性逐漸變差。γ=5.0%時(shí)，封錨施工后錨穴中的砂漿出現(xiàn)明顯蠕變鼓包（圖2），施工效果變差。這是由于在干粉料與乳膠用量固定的情況下，膠凝材料水化所需水量是固定的，其余部分的水主要用于保證制備出的砂漿具有適宜的可施工性能。加入的拌和水過(guò)量時(shí)，一方面過(guò)量的水使砂漿體系中緩凝組分充分溶解，且延長(zhǎng)了砂漿拌和物體系中乳膠的破乳時(shí)間，在水泥顆粒表面形成了密集的硼酸鈣和乳膠包裹層，從而有效抑制了水泥水化，表現(xiàn)為封錨砂漿可施工時(shí)間顯著變長(zhǎng)、力學(xué)性能降低等；另一方面砂漿體系中過(guò)量的水會(huì)在水泥顆粒之間形成局部的連續(xù)相甚至滑動(dòng)層，嚴(yán)重削弱了外加劑的保塑性，使得水泥顆粒之間的運(yùn)動(dòng)阻力降低，導(dǎo)致砂漿施工后出現(xiàn)蠕變鼓包。

2.2 拌和水用量對(duì)封錨砂漿力學(xué)性能的影響

封錨砂漿與混凝土軌道板形成一個(gè)整體，共同承受列車的運(yùn)行荷載，因此封錨砂漿必須具備與軌道板匹配的力學(xué)性能。對(duì)不同拌和水用量制得的封錨砂漿抗折、抗壓試件進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見表2。

表2 不同拌和水用量的封錨砂漿試件強(qiáng)度

由表2可知：隨著拌和水用量的增加，試件在不同齡期的抗折、抗壓強(qiáng)度均逐漸降低，其中拌和水用量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響更大；試驗(yàn)范圍內(nèi)其抗折強(qiáng)度均滿足Q/CR 567—2017要求，而當(dāng)γ=5.0%時(shí)抗壓強(qiáng)度已不能滿足要求。這是由于隨著拌和水用量的加大，硬化后砂漿體系中未參與水化反應(yīng)的游離水逐漸增多，砂漿體系內(nèi)微小氣泡或氣孔結(jié)構(gòu)更加豐富，降低了砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性，導(dǎo)致砂漿力學(xué)性能的下降。

測(cè)試不同拌和水用量制得的封錨砂漿抗折、抗壓試件的表觀密度和吸水率，結(jié)果見表3?？芍?，隨著拌和水用量的增加，試件的表觀密度逐漸降低，吸水率逐漸增大。表觀密度降低表明硬化后的封錨砂漿體系中殘留的氣泡和孔道結(jié)構(gòu)增多；吸水率增大表明水在毛細(xì)管力的作用下更容易進(jìn)入砂漿體系內(nèi)部并儲(chǔ)存在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔道中。可見，拌和水量的增加會(huì)使砂漿體系中的孔道結(jié)構(gòu)增加，結(jié)構(gòu)致密性變差，導(dǎo)致封錨砂漿力學(xué)性能降低。

表3 不同拌和水用量的封錨砂漿試件表觀密度和吸水率

2.3 拌和水用量對(duì)砂漿收縮率的影響

封錨砂漿的主要作用是封堵預(yù)應(yīng)力鋼筋拉張后的錨穴，保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼筋免于水或其他介質(zhì)的侵蝕，因此封錨砂漿應(yīng)具有較低的收縮率，保證與軌道板黏結(jié)牢固。如果收縮率過(guò)大，封錨砂漿與軌道板之間會(huì)出現(xiàn)裂紋，在振動(dòng)或凍脹作用下出現(xiàn)脫黏甚至掉出等問(wèn)題。對(duì)不同拌和水用量制得的封錨砂漿試件進(jìn)行收縮率測(cè)試，結(jié)果見圖3。

圖3 不同拌和水用量的封錨砂漿收縮率

由圖3可知，隨著拌和水用量的增加，試件收縮率逐漸增大。其中，γ≤4.0%時(shí)0～28 d 收縮率變化相對(duì)平緩；γ=5.0%時(shí)28 d收縮率超出Q/CR 567—2017中不大于0.02%的要求?？梢姡诟煞哿虾腿槟z用量固定的情況下，拌和水用量對(duì)封錨砂漿收縮率有顯著影響，過(guò)量的水會(huì)導(dǎo)致砂漿收縮率超出標(biāo)準(zhǔn)要求，甚至使封錨砂漿與軌道板之間出現(xiàn)裂紋（圖4）。

圖4 封錨砂漿與軌道板之間出現(xiàn)裂紋

Q/CR 567—2017 要求軌道板混凝土的收縮率不大于0.02%。為保證錨穴中的砂漿與混凝土軌道板具有同步性和整體性，必須嚴(yán)格控制拌和水用量，且在保證封錨砂漿施工性能的前提下盡可能減少拌和水用量。

2.4 拌和水用量對(duì)封錨砂漿抗?jié)B性能的影響

封錨砂漿的抗?jié)B性能也是其主要技術(shù)指標(biāo)。采用逐級(jí)加壓法對(duì)28 d 齡期的抗?jié)B試件進(jìn)行抗水滲性能測(cè)試，采用電通量法對(duì)電通量試件進(jìn)行抗氯離子滲透性能測(cè)試，結(jié)果見表4。

表4 不同拌和水用量的封錨砂漿試件抗?jié)B性能

由表4 可知：①試驗(yàn)中28 d 齡期試件的抗水滲等級(jí)均大于Q/CR 567—2017 要求的P20 等級(jí)。②隨著拌和水用量的增加，制得封錨砂漿的電通量逐漸增大，且增大幅度有加劇趨勢(shì)。γ≤4.0%時(shí)電通量增加幅度較小，抗氯離子滲透性處于“可忽略”等級(jí)；γ=4.5%時(shí)電通量增大幅度開始加??；γ= 5.0%時(shí)電通量驟增，約為γ≤4.0%時(shí)的4 倍，封錨砂漿的抗氯離子滲透性下降，處于“很低”等級(jí)。

3 結(jié)語(yǔ)

在干粉料與乳膠質(zhì)量比固定的情況下，拌和水用量對(duì)封錨砂漿的性能影響顯著，過(guò)量的拌和水導(dǎo)致砂漿性能降低，無(wú)法較好地保護(hù)錨穴內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋免于銹蝕，最終影響到軌道板的耐久性能和列車的安全運(yùn)營(yíng)。因此，制備過(guò)程中應(yīng)在滿足砂漿施工性能的前提下盡可能減少拌和水用量，以保證封錨砂漿的性能和施工效果。