冬季低温对CRTSⅠ型CA砂浆质量影响研究

王涛，李洪刚，贾恒琼，李海燕

(中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京 100081)



冬季低温对CRTSⅠ型CA砂浆质量影响研究

王涛，李洪刚，贾恒琼，李海燕

(中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京 100081)

针对冬季CRTS(china railway track system)Ⅰ型水泥乳化沥青(cement and emulsified asphalt, CA)砂浆施工，研究低温环境对CA砂浆性能的影响，经温度监测和揭板检查，比选温控措施。研究结果表明：长三角地区冬季施工现场存在-5 ℃～5 ℃的温度环境，在此环境中CA砂浆强度发展缓慢，灌入板腔的CA砂浆边缘会产生孔洞病害；在棉被覆盖保温措施条件下，无加热源时，板下砂浆温度随环境变化而小幅波动，灌注口砂浆断面有粗砂下沉趋势，但未引起分层；有加热源时，板下砂浆温度逐渐升高，揭板断面均匀，符合正线施工要求。

轨道板；低温环境；CA砂浆；温控措施

CRTSⅠ型板式无砟轨道因其结构简单、施工与维修方便等特点，在日本新干线和我国高速铁路建设中应用较多[1-3]，低弹模CA砂浆是CRTSⅠ型板式无砟轨道的关键材料与结构之一，用于轨道板与混凝土道床之间厚约40～60 mm的扁平空腔内(长×宽约4 962 mm×2 400 mm)[4～6]，主要起调整、支撑、缓冲、传力和阻裂等作用[7-9]，它组成复杂，含有大量有机、无机成分以及多种表面活性剂，对环境温度性能敏感，决定了CA砂浆制备和施工的管理与控制要求严格[10-12]。

我国高速铁路跨区域建设较普遍，环境温度差别较大[13]，对CA砂浆施工质量的影响也不同，特别是冬季低温时，常遇年度工程进度节点，工期紧张，而现行标准未明确规定-5 ℃～5 ℃环境能否施工[14]，另外，由于CA砂浆制备技术难度大、造价高，国内外研发单位技术保密，有关冬季环境下CA砂浆的文献缺乏，文献[15]仅考虑在寒冷地区的使用，不涉及CA砂浆冬季低温施工，为保证我国无砟轨道建设质量和工程进度，研究冬季低温对CA砂浆质量的影响及其施工措施具有重要的实际工程意义。

本文结合实际工程具体情况，选择有代表性的温度环境，连续测试板下CA砂浆等轨道结构部位温度，对冬季低温条件下的砂浆低温泌水、强度、板下砂浆温度、揭板检查等方面进行研究，系统分析了CA砂浆充填层冬季低温施工质量，并对此提出相关注意事项和应对措施，以供我国CRTSⅠ、CRTSⅡ型板式无砟轨道结构设计与施工参考。

1 试验

1.1 砂浆原材料、配比及制备

1)乳化沥青：CRTSⅠ型砂浆专用阳离子慢裂型乳化沥青，固含量60%；2)干料：CRTSⅠ型砂浆专用干料，干料中<0.075 mm 的颗粒含量为33%；3)胶乳：TD-08聚合物乳液；4)消泡剂：有机硅类；5)引气剂：松香类。

原材料配比为：干料∶乳化沥青∶胶乳∶水∶消泡剂∶引气剂=3∶1.29∶0.11∶0.067∶0.000 4∶0.004；其中干料：1 103 kg/m3。

CA砂浆采用南方路机砂浆搅拌车制备，自动计量各材料，搅拌工艺为:先加水、乳化沥青、胶乳、消泡剂，转速30 r/min；再加干料，转速80 r/min； 最后加引气剂，开始高速搅拌，速度120 r/min，搅拌时间为120 s；低速30 r/min搅拌30 s，砂浆制备完成。

1.2 试验方法

砂浆抗压强度和膨胀率分别按照现行技术条件(科技基[2008]74号)附录C(水泥沥青砂浆抗压强度试验方法)和附录F(水泥沥青砂浆膨胀率试验方法)量筒法进行[14]；

板下砂浆温度用HC-TW20无线温度检测仪监控，配套4个现场数据发射器，共24个数据采集通道，将传感器预设于砂浆上部、下部、板面上与环境中，在砂浆灌注后进行连续采集。

2 结果与分析

2.1 冬季实测环境温度

天气预报是现场安排施工任务的重要参考，但在气温方面，城市天气预报与野外施工现场有差别，在长三角地区冬季气温一般较低，野外施工现场-5 ℃～5 ℃的温度较为常见，采用HC-TW20无线温度检测仪监控12月下旬至1月上旬的某高铁路基段环境温度，选取城市天气预报5 ℃～10 ℃、2 ℃～7 ℃和-2 ℃～6 ℃三次现场温度记录，见图1；江南某施工地区11月中旬冬季降温过程的天气预报见图2。

图1 野外施工现场环境温度Fig.1 Measured temperature of construction site

图2 长三角某施工地区天气预报Fig.2 weather forecast for Yangtze delta area

图1和图2表明，天气预报温度与施工环境温度存在差异，且野外施工环境温度普遍低于城市天气预报的气温，在天气预报分别为5 ℃～10 ℃、2 ℃～7 ℃和-2 ℃～6 ℃时，野外环境温度最低约1 ℃、-1 ℃和-6 ℃；在长三角冬季降温过程中，预报最低气温均在5 ℃附近及以下，因而，在此环境中施工时，若不采取增温保暖措施，新灌注CA砂浆经历最低-5 ℃～5 ℃的气温环境不可避免。

2.2 冬季低温病害

我国江南夏季温度高、冬季气温低，在11月中旬试验时，发现置于室外的CA砂浆试样凝结缓慢，并存在表面塌陷、上部泌水等病害(图3)，板下充填层揭板发现砂浆表面手按塌陷，有气泡聚集，随灌注袋揭开而起皮(图4)；查当天天气预报1 ℃～5 ℃，由于试验地点远离市区，实际温度应低于预报，因而，低于5 ℃的环境温度会显著降低CA砂浆硬化速度，并易引起泌水和揭板起皮病害。

图3 室外自然养护试样塌陷、泌水Fig.3 Surface subsidence and bleeding of outdoor curing mortar

图4 砂浆揭板检查起皮Fig.4 CA mortar surface peeling by removing track slab

针对上述问题，用现场砂浆车生产，CA砂浆出机温度4.2 ℃，此时环境温度3 ℃，并将新浇注砂浆试样放置于室内、标养室和室外自然养护，早期强度测试1，2和7 d三个龄期，试验结果如图5所示，膨胀率量筒上部状况如图6所示；同时将CA砂浆灌注施工，无增温保暖措施，硬化后揭板检查砂浆质量，表面整体良好，无起皮，但露出板边的砂浆沿四周存在长条形空洞，如图7所示。

图5 室内室外养护砂浆对比Fig.5 Performance comparison between indoor and outdoor curing mortar

图6 膨胀率量筒砂浆表面室外塌陷、室内密实Fig.6 Character comparison between indoor and outdoor curing mortar in cylinder

图5和图6表明，在环境温度和砂浆初始温度均低于5 ℃的情况下，砂浆标养1 d无强度、也未硬化，室外自然养护2和7 d强度均低于标准养护；量筒内砂浆受养护环境影响也较大，标养条件下砂浆膨胀率为1.41%，符合要求，但明显低于通常出机20 ℃砂浆2%以上的膨胀率；室内养护砂浆虽膨胀不明显但表面密实，而室外养护砂浆不仅收缩，且硬化后砂浆上表面形成沥青皮，皮层下是空洞，原因可能在于低温时砂浆凝结硬化时间长，自由水、沥青颗粒和内部气泡容易上浮，在表面形成泌水，沥青颗粒在泌水表面形成皮层，下部水分蒸发后形成孔洞。

图7 冬季低温下边缘砂浆形成空洞Fig.7 Pores disease appears at the edge of CA mortar in winter

图7表明，低于5 ℃的CA砂浆灌入板腔后，处于5 ℃以下环境中的边缘砂浆会形成内部孔洞病害，原因在于边缘砂浆受环境低温影响而硬化缓慢，内部未凝结砂浆中的气泡和水分容易通过灌注袋无纺布层渗出，而白天气温回升时，上部砂浆先硬化成壳，最终在边缘形成空洞。因而，环境温度低于5 ℃时，应对未硬化的板下砂浆采取增温保暖措施，防止形成砂浆病害。

2.3 温控措施

为保持CA砂浆配方与质量的稳定，冬季施工时普遍采取相应的增温保暖措施，其有效性通过揭板检查来评价，以板下砂浆质量符合验收要求为准。选取不同低温环境进行灌板试验时，砂浆原材料先在库房预热，出机温度在15 ℃左右，预埋温度导线在不同部位，用无线温度检测仪连续监测，针对天气预报依次为5 ℃～10 ℃、2 ℃～7 ℃和-2 ℃～6 ℃的三天，分别采用如下三种措施：1)覆盖棉被+防雨布(从里层到外层，下同)、2)板边热水管(锅炉加热)+棉被+防雨布、3)板边电热毯+棉被+防雨布，三种措施温控效果分别见图8，图9和图10。

图8 覆盖棉被+防雨布Fig.8 Cotton quilt coverage + waterproof cloth

图9 板边热水管(锅炉加热)+棉被+防雨布Fig.9 Hot-water pipe(boiler feedwater heating)+ cotton quilt coverage + waterproof cloth

图10 板边电热毯+棉被+防雨布Fig.10 electric blanket + cotton quilt coverage + waterproof cloth

图8、图9和图10表明，温控措施不同，其保温效果也不同，不同部位的温度也不尽相同。无加热源时(图8)，板下CA砂浆不同部位温度均随环境气温而变化，但变化幅度小于环境和板面，波动范围3 ℃左右，前24 h内阴面和芯部砂浆温度在4.1 ℃～8.9 ℃间；有加热源时，板下砂浆不同部位温度均呈现增加趋势，不随环境气温变化而变化；采用电热毯增温和棉被覆盖保温时，砂浆不同部位温度在1 h内达到7 ℃以上，且比环境温度差最大约19 ℃，前24 h内芯部砂浆温度在7 ℃～9.2 ℃间；锅炉加热水作为热源时(回水温度约35 ℃)，砂浆不同部位温度在2 h内达到5 ℃以上，且比环境温度差最大约14 ℃，前24 h内芯部砂浆温度在6.8 ℃～8.8 ℃间。因而，即使环境气温存在较大差异，但从板下砂浆早期最低温度、前24 h内温度范围及与环境气温最大差值等方面分析，电热毯增温效果相对较好。

2.4 硬化后揭板检查

不同温控措施的充填层砂浆硬化后，进行揭板检查，重点比较最容易出现病害的灌注口部位砂浆断面，结果见图11，图12和图13。

图11 预报最低5℃(措施①)Fig.11 Weather forecast lowest 5℃(measures NO.①)

图12 预报最低2 ℃(措施②)Fig.12 Weather forecast lowest2 ℃(measures NO.②)

图13 预报最低-2 ℃(措施③)Fig.13 Weather forecast lowest -2 ℃(measures NO.③)

结合图8与图11、图9与图12、图10与图13分析，有保温措施而无增温措施的方案，充填层砂浆不同部位与环境温度差最大约为10 ℃，灌注口砂浆断面目测有粗砂沉降于底部的趋势，不至于引起砂浆分层；既有保温措施又有增温措施的方案，目测灌注口砂浆断面均匀，效果较好，符合工艺性试验揭板要求，其中采用电热毯作为热源时，灌注口砂浆断面无可见气孔，显得相对更密实均匀些，这可能与电热毯增温效果相对好些有关，因而，CA砂浆在冬季施工时，应采用增温和保温双重措施，并优选增温效果相对好的热源，使砂浆不同部位温度在1 h内≥7 ℃的温控条件下，能确保CA砂浆良好的冬季施工质量。

根据上述研究成果，采用“③板边电热毯+棉被+防雨布”的现场温控措施，在沪宁和宁安高铁工程中，关键节点CA砂浆在冬季得以顺利灌注施工，经线上揭板抽检，砂浆表面平整、断面均匀，符合验收要求，保证了施工质量和工程进度。

3 结论

1)出机温度和环境温度均低于5 ℃时，CA砂浆凝结硬化速度减缓，标准养护条件下，凝结硬化时间>1 d，24 h膨胀率变小，2 和7d强度均高于室外自然养护，在无温控措施条件时，冬季板下硬化CA砂浆边缘易产生孔洞病害。

2)仅棉被覆盖时，板下砂浆温度随环境气温变化而小幅波动，波动范围约3 ℃；有加热源时，板下砂浆温度呈逐渐升高趋势，不随环境气温变化而波动，电热毯为热源的温控效果较好，其砂浆温度在1h内达7 ℃以上，与环境温度差最大约19 ℃，前24 h内芯部砂浆温度在7 ℃～9.2 ℃间；锅炉加热水时，砂浆温度在2 h内达5 ℃以上，与环境温度差最大约14 ℃。

3)温控措施影响板下CA砂浆质量，无加热源时，灌注口砂浆断面目测有粗砂下沉底部趋势，但不至于引起砂浆分层；有加热源时，灌注口砂浆断面均匀，电热毯为加热源的温控措施效果相对较好，可快速达7 ℃以上，能确保CA砂浆冬季施工质量。

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Influences of low temperature on CA mortar in winter

WANG Tao， LI Honggang， JIA Hengqiong， LI Haiyan

(China Academy of Railway Sciences metals and chemistry research institute, Beijing 100081, China)

In this paper, influences of low temperature on the performance of CA mortar were studied, and temperature control measures were compared and selected by temperature monitoring after pouring CA mortar and mortar assessment after removing slab track, the results show that winter environment temperature of construction site is lower and ranges from -5 ℃ to 5 ℃ in Yangtze river delta area. Under this temperature conditions, the early strength of CA mortar develops slowly, and some large pores distresses appear in the edge of CA mortar under the track slab. When using cotton quilt coverage, the temperature of CA mortar under slab changes with the environment by fluctuation within a narrow range, cross section of mortar inlet shows coarse sand has an subsidence tendency without producing delamination; under the conditions of cotton quilt coverage and heat source, the temperature of CA mortar under slab raises gradually, with the environment by fluctuation within a narrow range, mortar assessment reveals good cross section uniformity by removing track slab, and it is completely in conformity with the technology requirements.

track slab； track slab； low temperature； CA mortar； temperature control measures

2016-03-11

国家自然科学基金资助项目(51408610);中国铁路总公司重大课题资助项目(2013G008-A-1)

王涛(1979-)，男，湖北应城人，副研究员，博士，从事非金属铁路工程材料研究；E-mail:027wangtao@163.com

U2-9

A

1672-7029(2016)11-2148-06