浅谈城际铁路无碴轨道CA砂浆应用新技术

顾友春

摘要：本文提出将聚硅氧烷加入到CA砂浆中，在CA砂浆的配制过程中能够导入一定量的微小气泡，这种微小气泡可提高CA砂浆在寒冷时期的抗冻性，提高CA砂浆的稳定性、耐高温性、耐低温性和增韧性。

关键词：聚硅氧烷；改性；无碴轨道；乳化沥青砂浆

Abstract: This paper point that added the polysiloxane to the CA mortar, in the preparation of CA mortar can import a certain amount of tiny bubbles, tiny bubbles can increase the frost resistance of CA mortar in the cold during, it can increase CA mortar stability, temperature resistance, low temperature resistance and toughening.Key words: polysiloxane; modified; ballasted track; emulsified asphalt mortar

中图分类号：TQ177.6+3 文献标识码：A文章编号：

1 前言

CRTS Ⅰ型板式无碴轨道主要由混凝土底座、CA砂浆、轨道板、凸形挡台、钢轨、扣件等构成。水泥乳化沥青砂浆是板式无砟轨道的核心技术，由水泥、乳化沥青、细骨料、混合料、添加剂等多种原材料，经水泥水化硬化与沥青破乳胶结共同作用而形成的一种新型有机无机复合材料，具有支撑调整和缓冲协调的作用。

日本代表着I型CA砂浆当前的世界水平和主导技术，是目前世界上铺设高速铁路里程最长的国家（已达2700延Km）。由于日本所形成的垄断，造成其技术的使用价格昂贵，其CA砂浆为6000元/m3以上。另一方面，由于CA砂浆是一种对温度气候和原材料适应性很敏感的材料，即使引进和采用日本技术，还存在着与我国气候与原材料的适应性问题。我国曾在铁路干线的隧道和大型客站等进行过一些小区段试验，积累了一定的经验，但我国的研究还不深入、不系统。如，作为我国第一条具有自主知识产权、国际一流水平的高速铁路京津城际铁路无砟轨道CA砂浆已有开裂的报告。因此，我们必须在引进、消化吸收先进技术和经验的基础上，立足国产化和满足国家重大需求的同时，不断提高CA砂浆的综合性能。

2 技术方案分析

以新型分子分散型纳米增强剂POSS为骨架，聚硅氧烷POSS在酸条件下，3-氯丙基三甲氧基硅烷水解，缩合，过滤，烘干得到八3-氯丙基POSS，利用POOS的良好稳定性、耐高温性、耐低温性和增韧性，添加到CA砂浆中，POSS所连接有机表面活性基团 MPEG，在CA砂浆的配制过程中能够导入一定量的微小气泡，这种微小气泡可提高CA砂浆在寒冷时期的抗冻性，提高CA砂浆的稳定性、耐高温性、耐低温性和增韧性。

3 试验研究过程分析

该项目的研究过程主要有三步：聚硅氧烷POSS的合成、聚硅氧烷外加剂的合成和CA砂浆配合比的研究。

3.1 聚硅氧烷POSS的合成

在酸条件下，3-氯丙基三甲氧基硅烷水解，缩合，过滤，烘干得到八3-氯丙基POSS。反应方程式如下：

3.2 聚硅氧烷外加剂的合成

首先是聚乙二醇单甲醚和金属钠反应制的甲基聚乙二醇钠，然后甲基聚乙二醇钠与聚硅氧烷POSS在常温下醚化得到产物。反应方程式如下：

3.3 聚硅氧烷外加剂改性CA砂浆的分析

（1）空白试验配比及性能指标分析

试验表明：加入POSS-MPEG后的CA砂浆含气量比空白实验时含气量增加近一个百分点，加入POSS-MPEG(愀，Ⅲ，Ⅳ)型号的有机无机杂化材料均能从不同程度提高CA砂浆早期强度，并且POSS-MPEG(Ⅲ)使CA砂浆早期强度提高最多。这是由于POSS-MPEG中含有POSS结构，POSS是一种包含有机/无机结构的杂化结构的纳米粒子，它是由Si和O组成的内部无机骨架，外部连接有机基团MPEG链，具有较强的结构对称性，这种结构使得POSS分子具有良好结构和热稳定性、耐高温性。同时有机基团MPEG链增加无机粒子与有机组分之间，以及无机粒子和无机粒子的相互作用，因此当在CA砂浆中加入POSS-MPEG时，CA砂浆的抗压强度有明显提高，其中，提高CA砂浆性能的最佳POSS-MPEG型号为POSS-MPEG(Ⅲ)。

（3）POSS-MPEG(Ⅲ)的用量与CA砂浆性能的关系

表6POSS-MPEG(Ⅲ)在不同添加量时的原材料配合比（单位：g）

图1是POSS-MPEG(Ⅲ)添加量与CA砂浆24栀需譢强度的关系图，根据曲线可以得到POSS-MPEG(Ⅲ)的最佳添加量为乳化沥青质量的0.09%，在此添加量时，CA砂浆的抗压强度可达到0.15Mpa，比空白实验抗压强度提高了0.03Mpa，抗压强度比原来提高了约25%。鉴于在此添加量时抗压强度的提高，我们测试了其28搀需譢强度数据，实验结果如表9所示：

由表9可知：28搀萀靶譢强度提高了11.96%，在此条件下的CA砂浆已具有较好的弹性阻尼减振性能，又具有较高的抗压强度，能够稳定支撑轨道和高速列车的压力。

（4）POSS-MPEG对CA砂浆抗冻性的影响

通过添加不同掺量的POSS-MPEG(Ⅲ)，来检测聚硅氧烷外加剂对CA砂浆的抗冻性的影响，实验结果如表10所示：

由表10可知：随着聚硅氧烷的掺量变大，CA砂浆的抗冻性性能明显提高，主要是由于聚硅氧烷分子外围连接有MPEG基团，在CA砂浆的配制过程中，POSS-MPEG的加入，不仅能够导入一定量的微小气泡，而且提高无机粒子与有机组分之间以及无机粒子和无机粒子的相互作用，这些因素可提高CA砂浆在寒冷时期的抗冻性，可缓和CA砂浆层内的自由水等受冻害膨胀时产生的冻晶压力。

（5）POSS-MPEG对CA砂浆其他各个性能影响

下面我们在对CA砂浆的一些其他性能，做一些对比实验，实验结果如表11所示：

由表11可知：聚硅氧烷外加添加到CA砂浆的其他性能都符合技术标准，其中大部分性能也有明显的提高。

(6)倀伀匀匀-MPEG对CA砂浆流动度的影响

CA砂浆搅拌完成之后静置35-40min，含气量约增加1.6%，密度约减小1.5%。如搅拌时间增加20洀椀渀，含气量可达原含气量的2.4倍，密度下降15%左右。添加POSS-MPEG后的CA砂浆流动度时间较好的保持在国家标准范围之内，并随时间的延长而减弱，一般当CA砂浆搅拌完毕静置35-40min时，流动度损失约在2-6s之间。

4 结论

试验分析表明：在CA砂浆中添加乳化沥青质量0.09%的POSS-MPEG(Ⅲ)外加剂时，CA砂浆首次拌和含气量非常理想的保持在9-10%之间，较大程度的优于国家及铁道部标准，并且保持较好的流动度，其24 h抗压强度比原来提高了约25%，28d抗压强度比原来提高了约11.96%，该砂浆具有良好的稳定性、耐高温性、流动性、韧性、抗冻性和可工作时间长等优点。为我国无碴轨道CA砂浆的研究工作开辟了新的研究方向，创造了良好的经济效益和社会效益，技术达到国际先进水平。

参考文献

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。