严寒地区无砟轨道CA砂浆施工工艺

2012-11-27黄跃东

铁道标准设计 2012年5期

倪俊，黄跃东

(中铁八局集团第四工程集团有限公司，成都 610051)

1 概述

无砟轨道是我国高速铁路轨道发展的主要趋势。I型板式无砟轨道以CA砂浆为填充层，在轨道板与混凝土底座之间起弹性缓冲作用，全面支撑轨道板，调整轨道板安装精度、缓冲高速列车载荷，确保列车平稳性。CA砂浆填充层质量控制技术是无砟轨道核心技术之一，CA砂浆配合比及施工工艺直接影响到无砟轨道的耐久性。中铁八局承建的TJ－1标(DK131+209～DK185+275)途经大连市瓦房店、营口市经济技术开发区——鲅鱼圈区及盖州市，正线全长54.066 km，工程采用CRTSⅠ型板式无砟轨道技术，需用一种特殊的水泥乳化沥青砂浆(以下简称CA砂浆)灌浆注满预制轨道板与基础之间3～5 cm的中空层，将列车荷载较均匀地传递给混凝土基础，以达到列车平稳、舒适运行的目的。所需专用CA砂浆垫层主要由CA砂浆干粉料、乳化沥青、聚合物乳液、添加剂等加水经搅拌而成。由于该工程位于东北三省，属于严寒地区，气候变异强烈，为此本工程对CA砂浆的各项性能指标和施工工艺等进行了针对性的专题研究，达到了预期目的。

2 原材料的选择

根据《CRTSⅠ型板式无砟轨道暂行技术条件》及《客运专线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件——严寒地区补充规定》中规定，CA砂浆主要技术指标见表1。

为满足上述CA砂浆性能要求，特别针对《客运专线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件——严寒地区补充规定》，对CA砂浆施工配合比原材料进行了严格细致的筛选。试验初期，每一种原材料均采集了不同厂家的多个样品进行综合测试分析，最终确定采用以下原材料。

2.1 水泥

在CA砂浆中，水泥作为胶凝材料是强度的主要来源，由于该地区气温低，为满足水泥具有一定的早期强度、与乳化沥青的适应性以及CA砂浆的稳定性、流动性等要求，经过多方调查和多次试验最终选择P.Ⅱ42.5水泥。其化学组成见及物理性能见表2。

表1 CA砂浆技术指标

表2 水泥化学及物理性能%

2.2 细骨料

根据严寒地区CA砂浆的特点，为了严格控制砂的质量，把细度模数控制在1.4～1.5，细骨料的粒径级配中使1.18 mm以上和0.15 mm以下的砂子尽可能少，并有较好的级配分布，将含泥量严格控制在1.5%以下，吸水率控制在2.5%以下。在控制砂的粒径时，采用国标振动筛筛网，筛孔尺寸分别为1.18、0.60、0.30、0.15 mm的方孔筛。经检验，所用砂性能指标见表3。

表3 砂的性能指标

当砂的细度模数分别控制在1.4～1.5和1.6～1.8时，CA砂浆的性能指标见表4。

表4 砂采用不同细度模数控制时CA砂浆的性能指标

2.3 膨胀剂

在CA砂浆中掺入膨胀剂的目的，主要是补偿后期硬化砂浆的收缩。采用CSA混凝土膨胀剂。CA砂浆灌注后固化过程中，水泥水化物和沥青裹覆砂形成一种立体网络，由于水泥水化和水分的散失，会导致砂浆出现收缩，影响填充效果，为此在砂浆中需掺入适量的膨胀剂。当水泥凝结硬化时，膨胀剂与水泥砂浆中的碱性成分发生化学反应，生成钙矾石，在砂浆内部产生微小气孔起到膨胀的作用。膨胀剂的细度是影响砂浆膨胀系数的重要因素，为此将膨胀剂的细度严格控制在0.08 mm筛余量为10.5%以下。要求初凝时间大于60 min，具有微膨胀、抗裂防渗、高耐久和预防碱－骨料反应等性能。经检验，其性能指标见表5。

表5 膨胀剂的物理性能

2.4 铝粉

普通地区一般会选择鳞片状的铝粉，但根据严寒地区的特点，干粉料容易受潮，温度一旦发生变化膨胀率就不好控制的特点，选择了颗粒状铝粉，在不同的储放期限后，分别进行CA砂浆膨胀率对比试验，膨胀性试验试验结果见表6。

表6 采用不同形状的铝粉配制的CA砂浆的膨胀率对比试验1 %

从表6中可以看出，采用颗粒状的铝粉配制的CA砂浆干粉料，在不同的储放期限后，分别进行CA砂浆膨胀率对比试验时，其膨胀率在1 d、28 d、3个月内基本无大的变化，膨胀性能比较稳定，而采用鳞片状的铝粉则其膨胀率逐渐降低，膨胀性能变化较大，不利于CA砂浆的现场施工质量控制。

同样采用鳞片状的铝粉和颗粒状的铝粉分别配制CA砂浆干粉料，储放1 d、28 d、3个月后，分别在20、30℃进行膨胀率对比试验，其性能指标见表7。

从表7中可以看出:采用颗粒状的铝粉配制的CA砂浆干粉料，在不同温度条件下进行CA砂浆膨胀率对比试验时，其膨胀率在20～30℃内基本无大的变化，膨胀性能比较稳定。而采用鳞片状的铝粉，则其膨胀率随干粉料存放期的增加而逐渐降低，膨胀性能变化较大，同样不利于CA砂浆的现场施工质量控制。

表7 采用不同形状铝粉的CA砂浆的膨胀率对比试验2 %

2.5 聚合物乳液的改进

通过选用前面的试验材料做出的试验，砂浆大部分试验技术指标符合要求，但1 d强度技术指标偏低。考虑到严寒地区的性质，而砂浆1 d强度技术指标偏低就会影响施工进度、分离度、耐久性。经研究后，建议厂家在聚合物乳液性能增加有早强效果的成分，该聚合物乳液除了性能指标全部合格外，还满足了严寒地区补充规定指标，使CA砂浆1 d强度提高到0.25 MPa以上，对CA砂浆施工和耐久性能起到至关重要的作用。

3 砂浆配合比的选择及试验结果

3.1 理论配合比选择

配合比选择时严寒地区CA砂浆性能除需要满足一般CA砂浆性能外，还需满足恶劣的自然环境下CA砂浆的耐久性需要，CA砂浆除了应具有一般意义上的物理力学性能外，还必须具有良好的低温、负温早强性能，优越的抗冻融破坏能力，以及卓越的耐腐蚀、抗氯离子等有害介质侵蚀和风蚀的综合性能。在高寒地区，CA砂浆的抗疲劳性能、低温抗裂性、低温抗压比、低温弹性模量是决定整个轨道结构长期安全性的重要因素，考虑到这些因素，进行了配合比的选择:(1)满足铁道部科技基(2008)74号《客运专线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》和铁道部科技基(2009)77号《客运专线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件——严寒地区补充规定》;(2)材料来源广泛，运输方便;(3)砂浆搅拌设备便于操作;(4)施工工艺操作简单、方便;(5)对环境无影响。

为满足以上要求，经过几百次试验最终确定了理论配合比见表8。

表8 CA砂浆理论配比

3.2 初始配合比选择

通过理论配合比的选择，CA砂浆试验室进行CA砂浆初始配合比的研制。主要通过一边调整干粉料的配方，一边调整、试验CA砂浆初始配合比。经过30多天约500多次大小试验确定了初始配合比和干粉料配合比，见表9。

表9 CA砂浆初始配合比及干粉料配合比

3.3 施工工艺及确定基本配合比

CRTSI型板式无砟轨道施工对很多施工人员大都初次接触，特别是水泥乳化沥青砂浆的拌制与灌注工艺很难掌握，特别是在这样寒冷的地区施工，砂浆对环境温度的适应性是现场要解决的问题，而砂浆车与水泥乳化沥青原材料的匹配是施工的难点。针对此问题，在现场进行了大量的灌板试验，对每台砂浆车及砂浆配合比的不断调试，最终确立了满足施工要求的基本配合比、施工工艺及砂浆车搅拌工艺。

3.3.1 灌注施工工艺

工艺流程见图1。

图1 CA砂浆总体施工流程

3.3.2 确立搅拌工艺及灌注工艺

水泥乳化沥青砂浆的搅拌方式对砂浆的含气量有较大的影响，含气量的大小直接影响到乳化沥青砂浆的性能，特别是在东北这样严寒的地区，适当增加含气量，减少砂浆中游离水在受冻时产生的膨胀力。但含气量过大，砂浆抗压强度又得不到保障，考虑到砂浆车种类和搅拌方式的不同，为此需对每台砂浆搅拌车进行现场调试，最终确立了每台砂浆车的搅拌参数，以三一重工砂浆车为列，通过调试确定基本配合比、搅拌工艺及加料顺序见表10。

表10 三一重工砂浆车基本配合比

搅拌工艺为:乳化沥青→聚合物乳液→消泡剂→水(以30 r/min)搅拌60 s均匀后→加干粉料(以70 r/min搅拌)，干粉料加完后以70 r/min中速搅拌10 s后→加引气剂(以115 r/min搅拌260 s)，最后以30 r/min搅拌120 s现场测试合格后→出料。

通过现场试验，发现CA砂浆灌注容易出现的问题主要有:轨道板上浮、侧移和边角灌注不饱满，特别在曲线地段最易出现轨道板侧移和曲线段外侧收缩的现象，本标段曲线半径小、外侧超高量较大，后2种问题会更容易发生。为避免此现象，采用压板灌注的方式进行施工。灌注终止的确认方法通常有3种:用直钢尺靠测相邻板高差、检查支撑螺栓松紧状况和用拇指触压灌注袋松紧状况。由于采用了压板，用前2种方式较难判断。工艺性试验中采用拇指触压灌注袋松紧状况来确认灌注终止。CA砂浆的体积变化表现为先收缩后膨胀，其收缩主要发生在灌注后30 min内。根据以上情况，确定的灌注方法为:匀速灌注至灌注袋有一定弹性后终止灌注，绑扎灌注口，用45°支架支撑灌注袖口，30 min后检查灌注袋松紧状况，如果处于张紧状态，则用夹具封住灌注袋根部，如果灌注袋发生松弛，则应先将灌注袖口中的砂浆挤入袋内再封注灌注袋。

3.3.3 效果检查

灌注24 h后，检查灌注效果，眼观砂浆袋饱满，边角无收缩现象，用直钢尺检查灌注袋与轨道板间隙，各点均合格，用百分表测得的数据也表明，砂浆体积稳定性良好，高程无明显变化，其代表性数据见表11，揭板后，砂浆情况如图2～图4所示。

图2 砂浆表面平整

图3 砂浆断面均匀

图4 砂浆层灌注前后变化不大

表11 浆层灌注前后变化情况

3.3.4 确定施工配合比

CA砂浆施工配合比是每个作业队根据所用的砂浆搅拌车和基本配合比，结合当天施工工况:天气、温度、湿度等，确定用水量，通过试拌CA砂浆，确定当天施工配合比。

3.3.5 工程应用

该配合比用于中铁八局承建的TJ－1标(DK131+209～DK185+275)工程铺设轨道承载板，从2010年4月至9月用该干粉料配合比生产共计近1.5万余t，覆盖各个CA砂浆施工作业队。该配合比CA砂浆施工配合比施工过程中，所用CA砂浆干粉料与乳化沥青等材料配合良好，材料性能完全符合工程的施工要求。