CA砂浆专用乳化沥青生产技术研究

罗望群，董宏伟，黄婉利，李海燕

(1.中国石化炼油销售有限公司，上海 200050;2.中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081)

CA砂浆专用乳化沥青生产技术研究

罗望群1，董宏伟2，黄婉利1，李海燕2

(1.中国石化炼油销售有限公司，上海 200050;2.中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081)

乳化沥青是CA砂浆的关键原材料。采用以中东优质原油加工的基质沥青和乳化剂复配技术，研发出性能优良的高铁用乳化沥青。通过中试和放大生产，以及CA砂浆的模拟灌注试验和现场灌注揭板试验，确定了乳化沥青的生产工艺，实现了乳化沥青的工业化生产，并提出了CA砂浆用乳化沥青的技术要求。自2008年以来，累计生产了约35万t乳化沥青，施工里程超过2 000 km(双线)。在乳化沥青生产和供应过程中，应特别重视生产厂的选择、原材料的管理、管线设备的洁净等关键环节。

乳化沥青 水泥乳化沥青砂浆 生产技术 板式无砟轨道

CRTSⅠ型、Ⅱ型板式无砟轨道是我国高速铁路的主要轨道结构形式，水泥乳化沥青砂浆(Cement Asphalt Mortar，简称CA砂浆)是板式无砟轨道结构中关键的功能材料，其性能的好坏直接影响到板式无砟轨道的使用寿命、耐久性和维修工作量［1－3］。

乳化沥青是CA砂浆的关键原材料，与公路交通或者建筑行业的常规乳化沥青相比具有特殊性［4］，其性能在很大程度上决定了CA砂浆的质量。因此，乳化沥青的制备和生产技术就成为CA砂浆成套技术的核心之一。

1 原材料选择

乳化沥青由基质沥青、乳化剂、稳定剂及其他外加剂、水等原材料组成，选择合适的基质沥青和乳化体系对于乳化沥青的性能至关重要。

1.1 基质沥青

在数十种国内外原油中，从其制备的沥青的常规性能、乳化性能和砂浆拌合性能三方面综合评价，确定了以进口高硫中间基中东原油作为生产高铁专用基质沥青的原料，并采用对原油专输、专储、专炼，产品专贮的四专流程，进行基质沥青的加工生产。其主要性能指标见表1。

决定沥青性能的内在因素是其组成和结构［5－6］。经测试，基质沥青的主要组成见图1。

测试结果表明，以中东优质原油加工的基质沥青，其组成相对稳定，各成分匹配合理，属于稳定溶胶型沥青，有利于保证乳化沥青性能的稳定。

表1 基质沥青的主要性能指标

图1 基质沥青的主要组成

1.2 乳化体系

CA砂浆对乳化沥青的综合性能要求决定了其乳化剂体系的复杂性。采用正交试验法，对数百种乳化剂和外加剂进行了复配筛选，历时5年，经上万次的反复试验，制备出慢裂型、多功能的复合乳化剂。复合乳化剂评价结果见表2。

表2 复合乳化剂评价结果

2 生产工艺研究

2.1 乳化沥青中试生产

以室内乳化沥青配方为依据，在中国石化试验基地进行了乳化沥青的中试生产。乳化沥青中试生产装置见图2，其主体乳化设备为中型胶体磨，加工能力6 t/h。

在室内乳化沥青配方的基础上进行了中试生产，实验室内制备的乳化沥青(室内样)与中试生产出的乳化沥青(生产样)的性能检测结果对比见表3。

表3 室内样与生产样的性能检测结果对比

由表3可见，中试生产的乳化沥青，其颗粒粒径偏粗，导致贮存稳定性和水泥混合性变差。通过对乳化沥青胶体磨间隙、沥青以及皂液温度、皂液pH值、油水比、沥青泵以及皂液泵压力等的调整，生产出了性能合格的乳化沥青。其性能指标见表4。

表4 调整后中试生产乳化沥青性能指标

2.2 模拟灌注试验

采用中试生产的乳化沥青，进行了实尺寸灌注试验，并依据线路直线和弯道两种情况采用了两种底座，见图3。

图2 乳化沥青中试生产装置

图3 灌注试验的两种底座

砂浆各项性能的检测结果均满足规定的要求，砂浆灌注效果良好。

综上所述，无论乳化沥青自身的性能还是CA砂浆的性能均满足要求，说明乳化沥青中试生产工艺合格。

2.3 乳化沥青放大生产

2008年初，为满足武汉综合试验段CA砂浆的工程应用，在中国石化集团公司长岭分公司进行了高铁乳化沥青的工业化生产，进一步研究乳化沥青的生产工艺。

生产设备不同，生产工艺参数也要进行相应的调整。在中试放大生产工艺的基础上，根据此生产装置的特点，经反复对比试验，确定了高铁乳化沥青的生产工艺。以阳离子乳化沥青为例，其主要生产工艺参数见表5。

图4 高铁乳化沥青生产装置

表5 高铁乳化沥青主要生产工艺参数

生产工艺流程如下:

1)皂液配制

乳化剂、盐酸、水等按一定比例加入到皂液罐中，加热搅拌至乳化剂溶化均匀，温度控制在50～55℃，pH控制在2～3。

2)乳化沥青制备

首先皂液通过皂液泵加入到胶体磨中，然后将加热到规定温度的基质沥青通过沥青泵送入胶体磨与皂液混合，在胶体磨高速运转的磨盘和乳化剂的作用下，沥青被均匀地剪切、分散，形成水包油型的沥青乳液。为控制乳化沥青的粒径大小，可以通过调整胶体磨出口阀门大小，控制胶体磨的背压。

3)乳化沥青冷却

式中：α和β分别为价值函数收益区域和损失区域的凹凸系数[24]，表示X方主体对待收益和损失的风险态度，α,β∈(0,1);λ为损失规避系数[25]，表示X方主体的损失规避程度，λ>1。

经过胶体磨高速剪切后，乳化沥青的温度很高，为防止沸腾，经换热器降温到80℃以下后进入乳化沥青产品罐。然后进行二次冷却，将温度降至35℃以下。

4)装车

乳化沥青检验合格后，按合同要求装车出厂。

经检测，某批次放大生产的阳离子乳化沥青的性能见表6。

表6 某批次放大生产的阳离子乳化沥青的性能

2.4 现场灌注揭板试验

生产出的乳化沥青除了满足自身规定的要求外，还必须使制备出的CA砂浆具有优良的综合性能。2008年4月，以放大生产的乳化沥青为原料，在武汉试验段中铁十一局和中铁八局施工现场，分别采用三一重工和邯郸机械公司生产的砂浆搅拌车，进行了CA砂浆的制备以及灌注揭板试验，对乳化沥青的性能和生产工艺做进一步的考察。

在砂浆制备过程中，对流态和固化砂浆性能均进行了检测。检测结果表明，现场制备的砂浆各项指标均满足规定的要求，性能良好。

现场灌注揭板情况见图5。可见，砂浆填充饱满，表面平整密实，断面均匀，无分层，无沉砂，灌注效果良好。

乳化沥青的中试生产、模拟灌注试验、放大生产和现场灌注试验结果表明，乳化沥青各项性能优良，以其为原料制备的CA砂浆满足规定的要求，最终开发出了高铁专用乳化沥青，提出了相应的技术要求，并被纳入到相应CA砂浆的暂行技术条件中［7－8］。

图5 现场灌注揭板情况

3 生产和供应的关键环节

2008年以来，为满足武汉试验段、石太客专、沪宁、京沪、哈大、沪杭、宁杭、津秦、合蚌、京石武、成绵乐、宁安等高速铁路建设的需要，先后生产了约35万t乳化沥青，施工里程超过2 000 km(双线)，积累了一定的经验。在生产和供应过程中，应特别注意以下几点。

1)生产厂的选择

在工程应用中，常涉及到乳化沥青生产厂的选址问题，主要应考虑:①乳化沥青的运输。为了保证乳化沥青的现场供应及时高效，同时考虑到运输成本等，应尽可能将乳化沥青生产厂选择在工程施工里程的中部，毗邻高速公路，在保证运输方便的同时，最大限度地降低运输距离。②基质沥青的运输。由于高铁乳化沥青的特殊性，在原油专输、专储、专炼，沥青专贮的四专流程基础上，实行基质沥青的专运，即采用专用油罐、罐车等，通过铁路专用线和水路专运码头对沥青进行运输。因此，要求生产厂拥有该设施并离上述地点较近。③生产厂的管理水平。无论是新建厂还是租赁厂，必须具备较高的生产管理水平，必须通过质量管理体系认证，等等。④生产厂的规模和生产能力。由于高铁CA砂浆施工的阶段性和时效性，导致乳化沥青的供应存在着需求集中、用量较大等特点，要求生产厂必须具有较大的规模、较大的储存能力和较强的生产能力。通常要求胶体磨主机的乳化沥青生产能力在40 t/h以上，乳化沥青贮存能力1 000 t以上。按照相关要求，乳化沥青到达现场的温度应该控制在35℃以下。因此，在大量集中供应的条件下，必须有足够的降温设施和方法，以保证对乳化沥青的温度控制。

2)原材料管理

高铁用乳化沥青的组成成分较多，包括基质沥青、多种乳化剂、外加剂和水等，要特别加强原材料的管理。除了基质沥青采用专储专运外，乳化剂和外加剂应按无毒、非危险品贮存于阴凉、干燥、通风处，不同乳化剂应分别存放，保持一定间距，不得混存混放，最好采用专用库房进行贮存。生产用水检验合格后，要保持水源的稳定，不得随意更换。由于乳化沥青生产和工艺的集中性，以及乳化剂等原材料生产和供应的批量性，应根据工期的要求，提前、足量订购乳化剂和外加剂，保持一定的库存，防止和杜绝由于短期用量激增导致缺货现象的发生。

3)管线和运输工具的清洁

在高铁乳化沥青的研发和生产中，由于高铁乳化沥青的特殊性，必须保证乳化沥青的绝对清洁。比如说，专用沥青绝对不能和其他沥青混合，生产设备、管线和贮存罐必须清理干净，出料管线和运输罐车必须保持洁净，否则，要么出现乳化沥青破乳凝聚，要么出现CA砂浆表面起泡、断面分层等质量问题。

特别应注意:生产厂进行了公路或者建筑用乳化沥青的生产后，如果清理不够干净，就会导致再次生产的高铁乳化沥青出现问题;同理，运输车在运输了其他种类的乳化沥青后，如果清理不干净，再来运送高铁专用乳化沥青，也会导致质量事故的发生。

4 结论

1)采用以中东优质原油加工的基质沥青和乳化剂复配技术，研发出性能优良的高铁专用乳化沥青。

2)通过中试和放大生产，研究乳化沥青的生产工艺，通过CA砂浆的实尺寸灌注试验和现场灌注揭板试验，实现了高铁专用乳化沥青的工业化生产，提出了相应的技术要求。为京沪、哈大等高速铁路CA砂浆的应用生产了约35万t乳化沥青，施工里程超过2 000 km(双线)，在我国CRTSⅠ型、Ⅱ型板式无砟轨道的建设中占据主体地位。

3)在生产和供应过程中，应特别重视生产厂的选择、原材料的管理和管线设备的洁净等关键环节。

［1］江成，范佳，王继军.高速铁路无砟轨道设计关键技术［J］.中国铁道科学，2004，24(2):43－48.

［2］向俊，曹晔，刘宝钢.客运专线板式无砟轨道动力设计参数［J］.中南大学学报(自然科学版)，2007(5):982－985.

［3］TAKAI H.40 Years Experiences of the Slab Track on Japanese High Speed Lines［C］//Proc of 1st Int.cof.Valencia:Basque Department of Transport and Public Works Euskal Trenbide Sarea，2007:234－246.

［4］中国铁道科学研究院.CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆的研究［R］.北京:中国铁道科学研究院，2010.

［5］陈月珠，阙国和.沥青的化学组成对沥青使用性能的影响［J］.齐鲁石油化工，1989，17(1):31－34.

［6］王永刚，廖克俭，丛玉风，等.沥青化学组成与其使用性能间的灰熵分析［J］.石油沥青，2003，17(4):25－28.

［7］铁道部科学技术司.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［S］.北京:中国铁道出版社，2008.

［8］铁道部科学技术司.科技基［2008］74号客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件［S］.北京:中国铁道出版社，2008.

Research on production technology of emulsified asphalt for
cement asphalt mortar

LUO Wangqun1，DONG Hongwei2，HUANG Wanli1，LI Haiyan2
(1.Sinopec Refinery Product Sales Company Limited，Shanghai 200050，China;2.Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Emulsified asphalt is key material of CA mortar.Compounding technology of base asphalt processed by high quality crude oil from M iddle East and emulsifier was utilized to product high－grade emulsified asphalt for highspeed railway.T hrough medium test and enlargement production，production process of emulsified asphalt was determined，its industrial production was realized and technical requirements of emulsified asphalt used for CA mortar were proposed by simulation perfusion test and field pouring and uncovering test of CA mortar.Since 2008，the cumulative production of emulsified asphalt is about 350 000 and construction mileage is over 2 000 km(double line).Special attention should be paid to the selection of production plant，the management of raw materials，the cleaning of pipeline equipment and so on in the process of emulsified asphalt production and supply.

Emulsified asphalt;Cement emulsified asphalt mortar;Production technology;Slab ballastless track

TU57+8.1;TE626.8+6

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.39

(责任审编 葛全红)

1003－1995(2015)10－0176－05

2015－08－01;

2015－09－20

铁道部科技研究开发计划项目(2007G044－K－1)

罗望群(1968—)，男，高级工程师。