高寒地区铁路客运专线CRTSI型轨道板CA砂浆配合比制配关键技术
2016-10-24杨昌芝
杨昌芝
【摘要】本文结合哈齐客运专线CA砂浆制配方案，来介绍CRTSI型轨道板CA砂浆在高寒地区铁路施工中的应用，为以后类似工程提供参考。
【关键词】高寒 铁路 CRTSI型轨道板 CA砂浆 配合比 制配技术
【分类号】：U213.244
1 引言
CA砂浆作为单元板式无砟轨道的关键材料之一，砂浆层对板式无砟轨道的主要作用是：具有一定强度支撑轨道板、后灌砂浆有利于调整轨道板安装精度、缓冲高速列车荷载提供一定弹性。通过多年研究、运用，我国已掌握了板式无砟轨道充填层砂浆技术，目前国内高速铁路CRTSI型轨道板应用里程已达到3 500 km以上。我国纬度跨度大，南北方气候差异明显，不同的气候条件对无砟轨道充填层砂浆的性能指标及施工工艺有着特殊要求，尤其在东北严寒地区，冬夏冻融交替，昼夜温差较大，无砟轨道耐久性能等对CA砂浆层性能质量要求更高。
2工程概况
哈齐客运专线位于黑龙江省西南部（北纬44～48度之间），起于哈尔滨站，止于齐齐哈尔南站，线路全长280.879 km，设计时速250 km。沿线大部属于中温带大陆性季风气候区，冬季漫长寒冷、夏季多雨凉爽、春季干旱多风、秋季暂短霜早。由于沿线最冷月平均气温均低于-15℃，极端最低温度-36.7～-39.3℃，项目区冬、夏最大温差高达50℃以上，最大季节冻土深度189～272 cm，按对铁路工程影响的气候分区，均属严寒地区。哈齐客运专线区间正线均采用CRTSI型板式无砟轨道。砂浆层采用无纺布灌筑袋灌筑，理论设计厚度为50 mm，验标规定按照40-60 mm控制。
3适应寒冷地区的CA砂浆配比设计
3.1 CA砂浆冻胀机理
CA砂浆由干粉料、乳化沥青（A乳液）、聚合物（P）乳液、水、各种外加剂等原材料组成，为有机与无机相复合的结构功能材料，通常认为冻害主要是由CA砂浆的不匀质组织结构和结构中存在的游离水在温度降低时结冰产生的冰晶压力使砂浆遭受冻胀破坏，砂浆的抗冻性能与其内部气泡结构也密切相关。相关研究表明，纤维的加入降低了砂浆内部孔隙数量，减少水泥乳化沥青砂浆内部的含水率，同时也减少了冻融循环过程中外部水分的渗入，由此提高了冻融循环后砂浆的相对动弹模量；纤维与砂浆中的胶凝材料以及沥青均具有良好的粘结性，纤维在砂浆体系中的破坏是拉断破坏，不是拔出破坏，而纤维有一定的延伸率和较高的抗拉强度，因此在冻融循环试验过程中，当砂浆表面体系中孔隙水变为小冰晶而产生膨胀压，导致砂浆表面结构破坏时首先是纤维的拉伸变形，应力的吸收，等到纤维的拉断后砂浆才开始损坏，表现为剥落或者碎裂等，因而冻融循环后砂浆的质量损失率显著降低。纤维作为混凝土的一种加材料，它对基体本身力学性能方面影响不大，其主要作用是改善混凝土耐久性提高一定的抗冻性。
3.2确定配合比
在砂浆配合比设计时，调整各材料掺加量，采取引入微气泡，组织结构致密化，降低透水率，减少干燥收缩，增强抗裂性等措施，并将含气量、比表面积和气泡间隔系数作为主要控制参数，主要在引气
剂掺入量上经反复试配、检测，配制适应寒冷地区CA砂浆。哈齐线CA砂浆采用了干粉料配合比形式，将砂浆组成中所需的水泥、砂和其它固态组分材料，采用干粉混合工艺与设备，工厂化生产干料，再加入乳化沥青、聚合物乳液、消泡剂、引气剂、水，砂浆车拌制。
本项目拟在前期（哈大线）严寒地区砂浆研发和工程应用的基础上，调整水泥乳化沥青砂浆的配比以及复配技术，最终制备出适用于高寒地区的低成本、高性能的环境友好型水泥乳化沥青砂浆。配制出理论配合比，现场对引气剂和用水量微调，现场调配基本配合比（见表3-1），检测砂浆含气量8.4%，流动度，表面密度，1d、7 d、28 d强度，弹性模量等指标均满足寒冷地区要求。
4高寒地区水泥乳化沥青砂浆的工艺化试验
为了推进水泥乳化沥青砂浆的工程化试验，在相关厂家进行了乳化沥青、干粉料等原材料工业化生产，为工艺性试验做好准备。
4.1乳化沥青工业化生产
中石化的协调下在安达乳化沥青厂进行了乳化沥青的工业化生产，见图4-1。
通过沥青温度调节、皂液pH调节、沥青泵定子与转子间隙以及皂液泵压力的调节等措施，进行了乳化沥青的试生产。对调试后制得的乳化沥青性能进行了测试，并将结果与试验室生产的乳化沥青性能进行了比较，结果见表4-1。
通过表4-1中室内生产与工业大生产乳化沥青的性能比较可得：在相同的乳化剂配合比下，工业生产制得的乳化沥青与室内样相比，其恩氏粘度明显增大、筛上剩余量由0.01%降低为0、1d与5d的贮存稳定性也明显改善，这表明两者吻合性较好，且工业生产的乳化沥青性能略优于试验室生产的。能够较好的实现工业生产，满足工程施工的需要。
4.2干粉料制备的工业化生产
为了实现聚丙烯纤维在水泥乳化沥青砂浆体系中的均匀分散，在制备水泥乳化沥青砂浆之前将纤维与水泥和细骨料等粉体材料先预混合制备出干粉料，在纤维与分体材料混合过程中，通过干粉搅拌罐内搅拌叶片的高速剪切将成束的纤维分散成单根的状态，这样有效的减少、甚至杜绝了纤维在砂浆制备过程中的结团问题，有效地保证了水泥乳化沥青砂浆高性能。
通过以上乳化沥青、干粉料的工程化调试生产，基本掌握了其质量控制措施，为研制的高寒地区水泥乳化沥青砂浆的工程化试验奠定了基础。
4.2.1不同种类纤维对砂浆性能的影响研究
在试验过程中固定聚合物乳液掺量为水泥胶凝材料质量的15%、纤维掺量为干粉材料质量的0.8‰，采用试验室的中型搅拌机进行了不同纤维砂浆的制备以及性能测试，结果见表4-2。
通过高速搅拌后各种纤维虽然能较好的以单根的形式分散在水泥乳化沥青砂浆浆体中，但由于玻璃纤维、矿物质纤维自身具有较高的强度，其分散在新拌制浆体中的纤维彼此交错以三维立体的方式存在，使得原本“细腻”的砂浆变得“粗糙”，改变了砂浆的流动状态，进而对砂浆的可工作性能等产生了不利影响。木质素纤维具有较强的吸水、保水能力，吸水能力强使得砂浆拌和用水明显提高，而保水能力强则延缓了水泥乳化沥青砂浆体系中乳化沥青的破乳时间，从而使得添加木质素纤维制得的砂浆早期抗压强度发展缓慢，不利于工程施工进度。聚丙烯腈纤维在高速搅拌过程中，分散的纤维之间容易打结成团，这样就成为水泥乳化沥青砂浆体系新增的缺陷，会对力学性能以及耐久性能等产生不利影响。由此初步选定聚丙烯纤维作为试验研究用纤维。
4.2.2不同纤维掺量水泥乳化沥青砂浆性能研究
在选定聚丙烯纤维作为砂浆改性剂后，进行了不同掺量聚丙烯纤维水泥乳化沥青砂浆性能测试，纤维掺加量分别为水泥等胶凝材料和细骨料质量之和的0.4‰、0.8‰以及1.2‰。
不同纤维掺量水泥乳化沥青砂浆抗冻性能测试发现：随着纤维掺量的增大，冻融循环后砂浆的相对动弹模量逐渐的提高，砂浆的质量损失率也显著降低，由此表明纤维的添加可以较好的改善砂浆的抗冻性。
通过以上掺加纤维前后制得水泥乳化沥青砂浆可工作性能、力学性能以及抗冻性能等测试结果分析，适当的纤维添加不仅不会影响砂浆的基本性能，而且会较好的改善砂浆的抗冻性能，进而提高砂浆的耐久性能。结合砂浆的抗冻性能测试结果，本研究中纤维的掺量定为干粉料质量的0.8 ‰。
4.3高寒地区水泥乳化沥青砂浆工艺性试验
4.3.1.原材料、设备以及场地
哈齐客专项目部配合铁科院进行了工艺性试验现场的建设，提供了水泥乳化沥青砂浆搅拌车以及相关试验设备，组织试验人员进行砂浆性能测试、灌注以及揭板检查等。
4.3.2砂浆搅拌及性能测试
准备工作就绪后，启动搅拌系统电源，在慢速搅拌（30±5rpm）下依次加入乳化沥青、聚合乳液、水、消泡剂，间隔0.5分钟待液料搅拌均匀后，提高搅拌速度至80±5rpm，依次加入干粉料、引气剂等，加料结束后高速搅拌（115±5rpm）2～4分钟。高速搅拌结束后，将搅拌速度调节至30±5rpm，从搅拌罐内取样进行砂浆温度、流动度、含气量等测试，合格后进行灌注。
4.3.3砂浆的灌注以及成型
在砂浆流动度、含气量调整合适后，将砂浆由中转罐注入灌注漏斗，然后通过管道与灌注袋连接进行灌注，不得从搅拌灌注车上直接通过灌注软管与灌注袋相连。水泥乳化沥青砂浆灌注过程中，严禁踩踏轨道板，观察轨道板有无拱起、上浮现象，并按规定制作砂浆性能试验试件。如发生灌注袋破损水泥乳化沥青砂浆溢出情况，用夹具或废棉纱、细骨料及水泥等进行防漏。
确认灌注袋的灌注情况，灌注作业结束后，在灌注口处多留一些水泥乳化沥青砂浆（补充用），将灌注漏斗的软管卸下，用绳子扎紧灌注口，并用木板等使灌注口处的砂浆斜立起来，同时确认灌注袋的端角部的张力状态及支撑螺栓的浮起状态。每个灌注袋应一次连续灌注完成。水泥乳化沥青砂浆的灌注应充分饱满。
灌注后，边确认水泥乳化沥青砂浆的凝固情况，边进行补浆。在凝固之前，将灌注口内的水泥乳化沥青砂浆挤入灌注袋，挤入的砂浆量视定位螺栓的浮起状态等决定。灌注口的水泥乳化沥青砂浆不足时，需进行补充灌注。水泥乳化沥青砂浆挤入结束后，用夹具等封住灌注口。袋口用支撑物倾斜放置。在灌注结束后0.5～1小时挤压灌注袋口余下的砂浆，以确保砂浆充填饱满，挤压程度视支撑螺栓的松动情况而定。
在灌注的同时进行了水泥乳化沥青砂浆力学性能试件、抗冻融试件以及耐候试件的成型，用于长期留置并进行跟踪观测，其中一部分试件放置在铁路沿线，与垫层砂浆在相同的气候条件下自然存放；另一部分砂浆试件放置在试验室自然养护。在同龄期下对两种养护条件下的砂浆试件进行外观、性能等的对比分析测试，考察气候环境条件对砂浆性能的影响，见图4-6。
4.3.4砂浆揭板检查
在水泥乳化沥青砂浆抗压强度大于0.1MPa后进行支撑螺栓的拆除，然后保持轨道板依靠自重对垫层砂浆施压大于半小时后进行揭板检查，结果见图4-7
以上配合比制得的砂浆表面以及断面情况良好，表明砂浆搅拌车工况良好，各种原材料性能满足砂浆配制要求。能够配制出施工性能良好的水泥乳化沥青砂浆，基本达到了工艺性试验的目的。
4.3.5砂浆性能检测结果
对现场成型的水泥乳化沥青砂浆试件进行了跟踪检测，制得砂浆性能测试结果符合要求：各种原材料制得的水泥乳化沥青砂浆具有好的可工作性能、力学性能以及耐久性能，能够满足现行《客运专线铁路CRTS I型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》（科技基[2008]74号）以及《客运专线铁路CRTS I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》（科技基[2009]77号）的要求。
4.4小结
工艺性试验结果表明研制的掺入干粉料的聚丙烯纤维、以及原材料工厂化制备工艺的水泥乳化沥青砂浆施工效果良好、力学性能以及耐久性能均满足技术条件要求，达到了工艺性的预期效果，制备出了适用于高寒地区的低成本高性能CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆。
5结束语
通过现场施工实例，标段内灌筑的18022块轨道板，检测砂浆各项指标均符合规定要求，揭板抽检砂浆表观、断面材质、气泡均匀情况等，全部满足高寒地区CA砂浆抗冻性要求，一次性通过建设单位组织的验收，取得良好的经济和社会效益。
参考文献
[1] 王其昌，韩启孟编译.板式轨道设计与施工.成都：西南交通大学出版社，2002.
[2] 赵国堂编著.高速铁路无碴轨道结构.北京：中国铁道出版社，2006.
[3] 海燕，邵丕彦.我国CRTS I型水泥乳化沥青砂浆技术和特点