客運專線橋上板式無碴軌道CA砂漿的性能試驗研究

1、客運專線橋上板式無碴軌道CA砂漿的性能試驗研究提要：#客運專線橋上首次采用板式無碴軌道新技術(shù)，該項技術(shù)最為重要的是“CA”砂漿技術(shù)，其性能指標能否達到設(shè)計要求是滿足今后高速鐵路運營要求的關(guān)鍵。本文簡要介紹了“CA”砂漿的性能試驗研究。主題詞：客運專踐；板式軌道；CA砂槳1前言        CA砂槳(即：乳化飾青水泥砂槳)彈性調(diào)整層是板式無碴軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)健組成部分，其性能的好壞直接形響板式軌道應(yīng)用的耐久性和維修工作。我國盡管在7080年代針對鐵路瀝青道床，對CA砂漿開展了長期、系統(tǒng)的試驗研究工作，并在車站、隧道、專用線上進行

2、了試鋪，但針對高速、快速鐵路板式軌道使用條件下的CA砂漿研究最近幾年才用剛起步。為了在較短時間內(nèi)完成各項試驗研究工作，由鐵科院與中鐵三局有關(guān)人員組成的課題組根據(jù)科教函1999178號文“秦沈客運專線無碴軌道關(guān)鍵技術(shù)的研究沙河、狗河特大橋上無碴軌道技術(shù)評審意見”的建設(shè)中關(guān)于“繼續(xù)研究優(yōu)化CA砂漿的配方和工藝，進行各項性能試驗”的要求，投入了大量的人力物力，在借鑒日本新干線板式軌道CA砂漿的研究資料與國內(nèi)瀝青道創(chuàng)方面的研究成果的基礎(chǔ)上，針對在秦沈客運專線橋上鋪設(shè)板式軌道的具體使用條件，提出了板式軌道CA砂漿的性能指標與試驗方法，研制出相應(yīng)的原材料配方與配制施工工藝，并通過各項性能試驗進行了驗證，為

3、秦沈客運專線板式無碴軌道CA砂漿的應(yīng)用提供了技術(shù)依據(jù)。2 國內(nèi)外概況2。1 日本板式軌道CA砂漿的開發(fā)概述  日本國鐵自1965年開始研究少維修為目標的板式無碴軌道，經(jīng)在全國新干線高速鐵道上的幾次試鋪，1970年在山陽新干線初次大量施工取得成功。在研究中作為板式軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)彈性調(diào)整層材料（CA）砂漿得到了廣泛應(yīng)用。經(jīng)過30多年的試驗研究和試鋪，日本鐵路積累了豐富的實踐經(jīng)驗，近年來又根據(jù)其不同的使用條件，如：溫暖地區(qū)、寒冷地區(qū)、海岸線、減援區(qū)段、現(xiàn)場修補等，開發(fā)出各種不同的CA砂漿配方與天從材料，并提出了相應(yīng)的性能試驗方法、施工工藝等，為板式軌道結(jié)構(gòu)在日本新干線的全面推

4、廣應(yīng)用打下了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。至今日本鐵路CA砂漿的使用量達到約40萬m3以上，鋪設(shè)的軌道達2500km多。  日本板式軌道CA砂漿的開發(fā)歷程可概述為一下幾個階段，即：溫暖地區(qū)用的CA砂漿寒冷地區(qū)用的CA砂漿現(xiàn)場修補用的CA砂漿。  初期開發(fā)的CA砂漿，經(jīng)現(xiàn)場試鋪后，在山陽新干線、武佐野線、湖西線等較溫暖地區(qū)大量推廣應(yīng)用，達到了填充軌道板與底座間隙、提供一定的軌道彈性的預期效果。但隨著板式軌道結(jié)構(gòu)在全國范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用，特別是在東北、上越新干級線等寒冷和積雪地區(qū)，這種填充材料的抗凍害性問題逐漸暴露出來。為此，日本鐵路技術(shù)研究所針對性地進行了CA砂漿的材質(zhì)改

5、良的試驗研究工作，材質(zhì)改良的試驗研究工作包括：摻入消泡劑和AE劑并進行高速攪拌等技術(shù)，使砂漿產(chǎn)生適量微小的獨立氣泡，使其達到提高抗凍性能的目的；采用超快硬性水泥，改善了在寒冷季節(jié)中施工的耐初期凍害性；摻入P乳劑和玻璃纖維，改善其抗裂性，提高其抗凍性。作為研究成果，寒冷地區(qū)用的CA砂漿(No.33配方)在1978年研創(chuàng)成功，并在新干線和其它既有線上上大量應(yīng)用。      板式軌道在日本推廣應(yīng)用過程中，盡管進行了彈度特性、耐久性等方面的系統(tǒng)研究，但由于施工、荷載和氣候等因素的影響，CA砂漿層不可避免會產(chǎn)生傷損，其中少量發(fā)展到了需要修補的程度。這其中

6、主要發(fā)生在處于長鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器兩側(cè)的凸形擋臺與軌道板之間的CA砂漿填充層。據(jù)日本對上越新干線的CA砂漿傷損調(diào)查資料，其傷損率平均達到7。6%，其損務(wù)形式為砂漿層壓漬、縫隙等。分析其產(chǎn)生傷損的原因主要是鋼軌縱向力的影響，表1、表2所列分別為CA砂漿的傷損與長鋼軌鋪設(shè)實踐、扣件扭矩的關(guān)系。            表中可以看出，鋪設(shè)長鋼軌的時間越長、扣件扭矩越大， CA砂漿的傷損率越高。      為此，日本鐵路開始進行CA砂漿現(xiàn)場修補材料的研究，初期

7、的現(xiàn)場修補主要采用樹脂材料，即將傷扭部分窗鑿除，用強度、彈性較好的樹脂材料填充修補，但由于樹脂材料費用昂貴，推廣應(yīng)用有困雄，因此開發(fā)較樹脂材料價格低廉的補修材科成為了新的研究問題。日野土木試驗所通過在CA砂漿中摻入玻璃纖維、聚合物等材料，進行了大量室內(nèi)性能試驗與現(xiàn)場試鋪，達到了價格較低廉，列車間隔時間內(nèi)施工、修補用CA砂漿與混凝土的粘接性能、抗凍性能優(yōu)良等預期效果，并大量推廣應(yīng)用。2.2 .國內(nèi)概況      我國鐵路早在1957年就針對新型軌下基礎(chǔ)瀝青道床的研究開展了乳化瀝青水泥砂漿的研究，鐵科院快建所瀝青課題組在研究過程中，對乳化瀝青，水泥

8、砂漿進行了大量的試驗工作，80年代初，相繼在車站、隧道橋梁以及有特殊要求(如軌道基礎(chǔ)等)的專用線上試鋪了瀝青道床，使用效果良好，達到了減少線路維修工作量的目的。課題組還在部科研項目“大瑤山隧道軌下基礎(chǔ)的研究”的研究成果中，提出了乳化瀝青水泥砂漿的性能試驗方法與施工工藝要求。      與秦沈客運專線板式軌道CA砂漿相比，盡管由于道路運營條件、鋪設(shè)地區(qū)的差異對CA砂漿的性能指標要求不同，相應(yīng)的砂漿配方必須作相應(yīng)的調(diào)整。但前期針對瀝青道床進行乳化瀝青水泥砂漿的研究成果，如：砂漿性能的試驗方法、試驗儀器設(shè)備、施工工藝等，對于我國首次開展的板式軌道CA

9、砂漿研究、加快其研究進程具有十分有益的參考價值。3 CA砂漿的性能指標及試驗方法      課題組在秦沈客運專線橋梁上板式軌道CA砂漿的研究與試驗過程中，為少走彎路，加快研究進程，主要借鑒日本鐵路通過30多年的研究與應(yīng)用實踐基礎(chǔ)上提出的板式軌道CA砂漿的各項行呢指標與試驗方法，同時結(jié)合我國既有CA砂漿研究的技術(shù)基礎(chǔ)，針對性地提出了板式軌道的性能指標及相應(yīng)的試驗方法。其主要性能指標及試驗內(nèi)容包括：抗壓強度、彈性模量、流動度、科工作時間、膨脹率、材料分離度、空氣含量、耐久性（凍融循環(huán)試驗）等。在此基礎(chǔ)上，進行了CA砂漿各種配方的試制，達到了預期目標

10、。3.1 抗壓強度3.1.1 性能指標3.1.1.1 由輪重決定的抗壓強度      由于板式軌道CA砂漿設(shè)計填充與軌道板板底及凸形擋臺四周，因此其抗壓強度的確定取決于設(shè)計輪重以及作用于凸形擋臺上縱向力的大小。      在秦沈客運專線板式軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，其設(shè)計輪重為300KN，一般軌 道板的外形尺寸為4930×2400×1900mm。考慮一塊軌道板上最多作用一個轉(zhuǎn)向架，以及軌道板本身的重量（52KN）,板底CA砂漿調(diào)整層最大工作應(yīng)力max：  

11、0;   因此，輪重作用下軌道板下CA砂漿所需要的抗壓強度為0.1Mpa。3.1.1.2 由作用于凸形擋臺上縱向力決定的抗壓強度   如圖1所示，凸型擋臺與軌道板間的CA砂漿填充層所承受的最大合力F為      式中：Fr-長軌道的溫度力      Fp-軌道板本身的伸縮力      -軌道板與CA砂漿層之間的摩擦系數(shù)（按0.35計）      W-軌道板的

12、自重（按50KN計）      (a)    長鋼軌溫度力Fr      根據(jù)秦沈客運專線板式軌道技術(shù)條件中的規(guī)定，鐵路設(shè)計縱向阻力為7KN/m軌，對于一段線路，其長鋼軌縱向力為14KN/m。軌道板長度L按5m設(shè)計，由此可得：      綜上所述，板式軌道CA砂漿的抗壓強度只要由凸型擋臺周圍的CA砂漿層的受力條件所決定。由于秦沈客運專線板式軌道CA砂漿的使用環(huán)境處在寒冷地區(qū)，在設(shè)計中必須考慮其抗凍性能，相應(yīng)地強度指標

13、要提高。但另一方面，強度指標太高，彈性模量相應(yīng)增大，勢必影響其提供軌道適度彈性的設(shè)計初衷，借鑒日本板式軌道CA砂漿的強度指標，設(shè)計要求CA砂漿28天的抗壓強度指標應(yīng)在1.82.5MPa范圍內(nèi)。   為提高CA砂漿抗初期凍害性，提高施工工效，設(shè)計中，相應(yīng)地對不同齡期的強度提出了要求：   1d齡期：應(yīng)達到0.1MPa以上，以滿足拆模、取出軌道板支撐螺栓的要求；   7d齡期：應(yīng)達到0.7MPa以上，以滿足軌道鋪設(shè)時擱置重物的要求；   28d齡期：應(yīng)達到1.82.5MPa范圍內(nèi)，以滿足鐵路通車的基本要求。3.1.2

14、試驗方法   CA砂漿抗壓強度試驗采用“單軸壓縮法”進行。試樣為70.7×70.7×70.7mm的立方體，在試樣達到上述各齡期后，利用壓力試驗機以每分鐘試件變形0.5mm加載，速率，均勻加載當壓力不再上升時候停止加載，其壓力最大值即為試件在各齡期時的抗壓強度。      每次試驗取三個試樣，三個試件強度的算術(shù)平均值作為該組試件的強度。3.2 彈性模量3.2.1 性能指標      板式軌道CA砂漿由乳化瀝青、水、水泥、細骨料、各種外加劑等組成，是具有混凝土

15、的剛性和瀝青的彈性的一種半剛性砂漿，其主要功能是作為調(diào)整層，填充軌道板與混凝土基礎(chǔ)之間的空隙，滿足預制軌道板現(xiàn)場施工鋪設(shè)的需要，另一方面，該調(diào)整層應(yīng)能起到提供板式軌道一定的彈性緩沖作用。      與普通混凝土一樣，CA砂漿的彈性模量與強度存在一定的對應(yīng)關(guān)系。一般地，抗壓強度高，相應(yīng)地彈性模量大，在上述CA砂漿的強度范圍內(nèi)，課題組在配置各種砂漿配方的試驗中，進行了大量試驗，確定砂漿28天的彈性模量范圍為200-600MPa。3.2.2 試驗方法      CA砂漿彈性模量試驗方法與抗壓強度基本相

16、同，試件為70.7×70.7×70.7mm的棱柱體，利用壓力試驗機以每分鐘試件變形0.5mm加載速率，勻速加載，加載最大值為抗壓強度的三分之一，然后立即卸載，卸載速度與加載速度相同。繼續(xù)按上述過程重復三次試驗，以第四次加載曲線的數(shù)據(jù)計算彈性模量。      由于CA砂漿具有一定的塑性，彈性模量試驗曲線實際上為一螺旋線。試驗中取第四次加載曲線起始點的割線斜率為該試件的彈性模量。      每次試驗取三個試樣，三個試件強度的算術(shù)平均值作為該組試件的彈性模量值。3.3 流動性與可工

17、作試件3.3.1 性能指標   CA砂漿流動度與可工作時間是保證板式軌道CA砂漿現(xiàn)場灌注施工質(zhì)量的重要指標。從乳化瀝青與水泥砂漿摻合到一起后，CA砂漿的固化作用就開始了，砂漿的粘性逐漸增加，流動性逐漸喪失而最終固化。    為確定CA砂漿流動度指標，試驗采用容積為650ml的特制漏斗進行測定，將拌和好的砂漿注入漏斗，打開出口開始，至砂漿全部流出所經(jīng)歷的時間，即為流動度。適當?shù)牧鲃佣葘τ谏皾{的性能與灌注質(zhì)量非常重要，流動度過小，砂漿材料會出現(xiàn)離析，影響其強度和耐久性；流動度過大，砂漿粘稠，就難以將軌道板與基礎(chǔ)間的填充密實，直接影響灌注質(zhì)量。借鑒日

18、本板式軌道CA砂漿的流動度指標，結(jié)合我國前期進行的大量試驗，包括試驗室內(nèi)的市尺模灌注試驗結(jié)果，確定流動度指標在1626s之間，可滿足性能與灌注要求。      影響CA 砂漿流動度的因素很多，在拌和方式、投料順序一定的條件下，流動度隨溫度、外加劑、主要原材料的配合比、水灰比的變化而不同。      CA 砂漿的可工作時間是指CA砂漿處于規(guī)定的流動度范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時間。這個時間應(yīng)該較長而不至影響現(xiàn)場砂槳的灌注施工?？紤]到現(xiàn)場從砂漿拌和站配制好的運輸過程、灌注作業(yè)所需要的時間，規(guī)定CA砂漿的可工作時

19、間不少于30min。3。32 試驗方法      CA砂漿流動度的試臉采用“漏斗法”進行，漏斗容積為640ml，上口徑為襯70mm，下口徑為中10mm，高度為450mm，將配制好的砂槳注人漏斗內(nèi)，打開出口閥門，同時開始計時，砂漿從漏全部流出所經(jīng)歷的時間，即為砂漿的流動度t（以s計）。      可工作時間的試驗方法與流動度相同，但同一試樣每隔5min做一次，并繪出流動度曲線，即流動度與累計時間的對應(yīng)關(guān)系(如圖2示意)。砂漿在流動度設(shè)計范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時間。即為砂漿的可工作時間T(以min計)。3。

20、4 膨脹率3。4。1 性能指標      CA 砂漿灌注后固化，一般會產(chǎn)生2-3%的收縮，直接影晌板底砂漿的填充效果，為此設(shè)汁中必須考慮在原材料中添加適量的膨脹荊(如，鋁粉等)使砂漿產(chǎn)生膨脹。膨脹率的大小應(yīng)嚴格控制，膨脹率過小，軌道板與砂漿層之何會產(chǎn)生空隙；膨脹率過大，會將狀態(tài)調(diào)整好的軌道板抬起，直接影響軌道的高低、軌向等線路幾何狀態(tài)。考慮砂漿灌注后伸縮，設(shè)計中要求CA砂漿膨脹率應(yīng)控制在1一3%之內(nèi)。3。4。2 試驗方法      CA砂漿膨脹率采用量筒、游標卡尺進行測定。將配制好的CA砂漿注入

21、容積為250ml帶刻度的量筒內(nèi)，其上加上一塊玻璃板，用游標卡尺測量玻璃板至砂漿表面的高度。膨脹率的計算如下式：3。5 材料分離度3。5。1 性能指標      在流動度較小、或砂的粒徑偏大的情況下，CA砂漿原材料之間會出現(xiàn)分離、泛漿或沉淀現(xiàn)象，砂漿的強度和耐久性會相應(yīng)降低，為保證CA砂漿固化體的勻質(zhì)性，采用材料分離度作為勻質(zhì)性評價的指標，借鑒日本板式軌道CA砂漿與我國前期試驗的結(jié)果，確定CA砂漿的材料分離度在3%以下。3。5。2 試驗方法      材料分離度試驗采用“等分法”進行測定。制作50

22、X50mm的圓柱體砂漿試件，在砂漿齡期達28天后，將共分成上、下兩等分，分別稱重，計算山其單位容積的質(zhì)量。材料分離度的計算如下式：3。6 空氣含量3。6。1 性能指標      在CA砂漿的配制過程中導入適量的微小氣泡，可提高在寒冷、積雪地區(qū)CA砂漿的抗凍性，這種氣泡可緩和CA砂漿層內(nèi)的自由水等受凍害膨脹時產(chǎn)生的凍晶壓力，根據(jù)日本鐵路的研究結(jié)果，空氣量達8%以上時，抗凍害性有顯奢的提高，但若超過16%，砂漿層的密實度降低，影晌其杭壓強度。為此，設(shè)計中將空氣量控制在812%范圍內(nèi)，空氣量指標的定義如下式：   

23、60;  在CA 砂漿內(nèi)導人空氣后，相應(yīng)地要采取添加適量的消泡劑以及特殊的拌和方法等措施，以提高CA砂漿的質(zhì)量。      3。6。2 試臉方法      如上述空氣量的計算式可看出，空氣量的試臉主要是實測砂漿試件的單位容積的重量。而要得出空氣量的大小，在砂漿配制前，必須稱量砂漿所用原材料的重量，了解原材料的比重，從而計算出砂漿理論單位容積重量。      3。7 耐久性(抗凍性能)    

24、60; 3。7。1 性能指標      由于秦沈客運專線板式軌道位于寒冷地區(qū)，對CA砂漿層的抗凍性能應(yīng)引起足夠的重視。日本鐵路初期在北海道、秋田和長野等寒冷地區(qū)試輔時，發(fā)現(xiàn)CA砂漿在與空氣接觸的表層數(shù)mm處有起泡、剝離和龜裂等受凍害而劣化的現(xiàn)象，為此，研究部門按混凝土的耐久性能試驗方法對不同配方的CA砂槳進行快速凍融循環(huán)試驗，以檢驗其耐久性。      根據(jù)其研究結(jié)果，提高CA砂漿抗凍性的對策，主要有以下三種：      3.7.1.1 改進瀝青

25、乳化荊和減少砂的用量來減少攪拌水；      3.7.1.2 使用消泡劑或聚合物使結(jié)構(gòu)致密化，提高防水性；      3.7.1.3 采用AE劑用微小氣泡來緩沖冰晶壓力是有效的，試臉結(jié)果得t8導人適t的空氣t(8-129)對訪止冰害是最有效的措施。      借鑒日本鐵路利用混凝土的耐久性能試臉方法來檢tCA砂漿耐久性的長期實踐檢驗，秦沈客運專線板式軌道CA砂漿耐久性試驗參照我國GBJ82-85普通混凝土長期性能和耐久性試臉方法中抗凍性能試驗(快凍法)標準執(zhí)行。其試驗方法與標準如下節(jié)所述。      3.7.2 試驗方法與試臉      參照混凝土抗凍性。試臉方法，CA砂漿抗凍性試驗采用1