嚴(yán)寒地區(qū)無(wú)砟軌道CA砂漿施工工藝

倪 俊，黃躍東

(中鐵八局集團(tuán)第四工程集團(tuán)有限公司，成都 610051)

1 概述

無(wú)砟軌道是我國(guó)高速鐵路軌道發(fā)展的主要趨勢(shì)。I型板式無(wú)砟軌道以CA砂漿為填充層，在軌道板與混凝土底座之間起彈性緩沖作用，全面支撐軌道板，調(diào)整軌道板安裝精度、緩沖高速列車(chē)載荷，確保列車(chē)平穩(wěn)性。CA砂漿填充層質(zhì)量控制技術(shù)是無(wú)砟軌道核心技術(shù)之一，CA砂漿配合比及施工工藝直接影響到無(wú)砟軌道的耐久性。中鐵八局承建的TJ－1標(biāo)(DK131+209～DK185+275)途經(jīng)大連市瓦房店、營(yíng)口市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)——鲅魚(yú)圈區(qū)及蓋州市，正線全長(zhǎng)54.066 km，工程采用CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道技術(shù)，需用一種特殊的水泥乳化瀝青砂漿(以下簡(jiǎn)稱CA砂漿)灌漿注滿預(yù)制軌道板與基礎(chǔ)之間3～5 cm的中空層，將列車(chē)荷載較均勻地傳遞給混凝土基礎(chǔ)，以達(dá)到列車(chē)平穩(wěn)、舒適運(yùn)行的目的。所需專用CA砂漿墊層主要由CA砂漿干粉料、乳化瀝青、聚合物乳液、添加劑等加水經(jīng)攪拌而成。由于該工程位于東北三省，屬于嚴(yán)寒地區(qū)，氣候變異強(qiáng)烈，為此本工程對(duì)CA砂漿的各項(xiàng)性能指標(biāo)和施工工藝等進(jìn)行了針對(duì)性的專題研究，達(dá)到了預(yù)期目的。

2 原材料的選擇

根據(jù)《CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道暫行技術(shù)條件》及《客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件——嚴(yán)寒地區(qū)補(bǔ)充規(guī)定》中規(guī)定，CA砂漿主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

為滿足上述CA砂漿性能要求，特別針對(duì)《客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件——嚴(yán)寒地區(qū)補(bǔ)充規(guī)定》，對(duì)CA砂漿施工配合比原材料進(jìn)行了嚴(yán)格細(xì)致的篩選。試驗(yàn)初期，每一種原材料均采集了不同廠家的多個(gè)樣品進(jìn)行綜合測(cè)試分析，最終確定采用以下原材料。

2.1 水泥

在CA砂漿中，水泥作為膠凝材料是強(qiáng)度的主要來(lái)源，由于該地區(qū)氣溫低，為滿足水泥具有一定的早期強(qiáng)度、與乳化瀝青的適應(yīng)性以及CA砂漿的穩(wěn)定性、流動(dòng)性等要求，經(jīng)過(guò)多方調(diào)查和多次試驗(yàn)最終選擇P.Ⅱ42.5水泥。其化學(xué)組成見(jiàn)及物理性能見(jiàn)表2。

表1 CA砂漿技術(shù)指標(biāo)

表2 水泥化學(xué)及物理性能%

2.2 細(xì)骨料

根據(jù)嚴(yán)寒地區(qū)CA砂漿的特點(diǎn)，為了嚴(yán)格控制砂的質(zhì)量，把細(xì)度模數(shù)控制在1.4～1.5，細(xì)骨料的粒徑級(jí)配中使1.18 mm以上和0.15 mm以下的砂子盡可能少，并有較好的級(jí)配分布，將含泥量嚴(yán)格控制在1.5%以下，吸水率控制在2.5%以下。在控制砂的粒徑時(shí)，采用國(guó)標(biāo)振動(dòng)篩篩網(wǎng)，篩孔尺寸分別為1.18、0.60、0.30、0.15 mm的方孔篩。經(jīng)檢驗(yàn)，所用砂性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 砂的性能指標(biāo)

當(dāng)砂的細(xì)度模數(shù)分別控制在1.4～1.5和1.6～1.8時(shí)，CA砂漿的性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 砂采用不同細(xì)度模數(shù)控制時(shí)CA砂漿的性能指標(biāo)

2.3 膨脹劑

在CA砂漿中摻入膨脹劑的目的，主要是補(bǔ)償后期硬化砂漿的收縮。采用CSA混凝土膨脹劑。CA砂漿灌注后固化過(guò)程中，水泥水化物和瀝青裹覆砂形成一種立體網(wǎng)絡(luò)，由于水泥水化和水分的散失，會(huì)導(dǎo)致砂漿出現(xiàn)收縮，影響填充效果，為此在砂漿中需摻入適量的膨脹劑。當(dāng)水泥凝結(jié)硬化時(shí)，膨脹劑與水泥砂漿中的堿性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成鈣礬石，在砂漿內(nèi)部產(chǎn)生微小氣孔起到膨脹的作用。膨脹劑的細(xì)度是影響砂漿膨脹系數(shù)的重要因素，為此將膨脹劑的細(xì)度嚴(yán)格控制在0.08 mm篩余量為10.5%以下。要求初凝時(shí)間大于60 min，具有微膨脹、抗裂防滲、高耐久和預(yù)防堿－骨料反應(yīng)等性能。經(jīng)檢驗(yàn)，其性能指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 膨脹劑的物理性能

2.4 鋁粉

普通地區(qū)一般會(huì)選擇鱗片狀的鋁粉，但根據(jù)嚴(yán)寒地區(qū)的特點(diǎn)，干粉料容易受潮，溫度一旦發(fā)生變化膨脹率就不好控制的特點(diǎn)，選擇了顆粒狀鋁粉，在不同的儲(chǔ)放期限后，分別進(jìn)行CA砂漿膨脹率對(duì)比試驗(yàn)，膨脹性試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 采用不同形狀的鋁粉配制的CA砂漿的膨脹率對(duì)比試驗(yàn)1 %

從表6中可以看出，采用顆粒狀的鋁粉配制的CA砂漿干粉料，在不同的儲(chǔ)放期限后，分別進(jìn)行CA砂漿膨脹率對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，其膨脹率在1 d、28 d、3個(gè)月內(nèi)基本無(wú)大的變化，膨脹性能比較穩(wěn)定，而采用鱗片狀的鋁粉則其膨脹率逐漸降低，膨脹性能變化較大，不利于CA砂漿的現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制。

同樣采用鱗片狀的鋁粉和顆粒狀的鋁粉分別配制CA砂漿干粉料，儲(chǔ)放1 d、28 d、3個(gè)月后，分別在20、30℃進(jìn)行膨脹率對(duì)比試驗(yàn)，其性能指標(biāo)見(jiàn)表7。

從表7中可以看出:采用顆粒狀的鋁粉配制的CA砂漿干粉料，在不同溫度條件下進(jìn)行CA砂漿膨脹率對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，其膨脹率在20～30℃內(nèi)基本無(wú)大的變化，膨脹性能比較穩(wěn)定。而采用鱗片狀的鋁粉，則其膨脹率隨干粉料存放期的增加而逐漸降低，膨脹性能變化較大，同樣不利于CA砂漿的現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制。

表7 采用不同形狀鋁粉的CA砂漿的膨脹率對(duì)比試驗(yàn)2 %

2.5 聚合物乳液的改進(jìn)

通過(guò)選用前面的試驗(yàn)材料做出的試驗(yàn)，砂漿大部分試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)符合要求，但1 d強(qiáng)度技術(shù)指標(biāo)偏低。考慮到嚴(yán)寒地區(qū)的性質(zhì)，而砂漿1 d強(qiáng)度技術(shù)指標(biāo)偏低就會(huì)影響施工進(jìn)度、分離度、耐久性。經(jīng)研究后，建議廠家在聚合物乳液性能增加有早強(qiáng)效果的成分，該聚合物乳液除了性能指標(biāo)全部合格外，還滿足了嚴(yán)寒地區(qū)補(bǔ)充規(guī)定指標(biāo)，使CA砂漿1 d強(qiáng)度提高到0.25 MPa以上，對(duì)CA砂漿施工和耐久性能起到至關(guān)重要的作用。

3 砂漿配合比的選擇及試驗(yàn)結(jié)果

3.1 理論配合比選擇

配合比選擇時(shí)嚴(yán)寒地區(qū)CA砂漿性能除需要滿足一般CA砂漿性能外，還需滿足惡劣的自然環(huán)境下CA砂漿的耐久性需要，CA砂漿除了應(yīng)具有一般意義上的物理力學(xué)性能外，還必須具有良好的低溫、負(fù)溫早強(qiáng)性能，優(yōu)越的抗凍融破壞能力，以及卓越的耐腐蝕、抗氯離子等有害介質(zhì)侵蝕和風(fēng)蝕的綜合性能。在高寒地區(qū)，CA砂漿的抗疲勞性能、低溫抗裂性、低溫抗壓比、低溫彈性模量是決定整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全性的重要因素，考慮到這些因素，進(jìn)行了配合比的選擇:(1)滿足鐵道部科技基(2008)74號(hào)《客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》和鐵道部科技基(2009)77號(hào)《客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件——嚴(yán)寒地區(qū)補(bǔ)充規(guī)定》;(2)材料來(lái)源廣泛，運(yùn)輸方便;(3)砂漿攪拌設(shè)備便于操作;(4)施工工藝操作簡(jiǎn)單、方便;(5)對(duì)環(huán)境無(wú)影響。

為滿足以上要求，經(jīng)過(guò)幾百次試驗(yàn)最終確定了理論配合比見(jiàn)表8。

表8 CA砂漿理論配比

3.2 初始配合比選擇

通過(guò)理論配合比的選擇，CA砂漿試驗(yàn)室進(jìn)行CA砂漿初始配合比的研制。主要通過(guò)一邊調(diào)整干粉料的配方，一邊調(diào)整、試驗(yàn)CA砂漿初始配合比。經(jīng)過(guò)30多天約500多次大小試驗(yàn)確定了初始配合比和干粉料配合比，見(jiàn)表9。

表9 CA砂漿初始配合比及干粉料配合比

3.3 施工工藝及確定基本配合比

CRTSI型板式無(wú)砟軌道施工對(duì)很多施工人員大都初次接觸，特別是水泥乳化瀝青砂漿的拌制與灌注工藝很難掌握，特別是在這樣寒冷的地區(qū)施工，砂漿對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)性是現(xiàn)場(chǎng)要解決的問(wèn)題，而砂漿車(chē)與水泥乳化瀝青原材料的匹配是施工的難點(diǎn)。針對(duì)此問(wèn)題，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量的灌板試驗(yàn)，對(duì)每臺(tái)砂漿車(chē)及砂漿配合比的不斷調(diào)試，最終確立了滿足施工要求的基本配合比、施工工藝及砂漿車(chē)攪拌工藝。

3.3.1 灌注施工工藝

工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 CA砂漿總體施工流程

3.3.2 確立攪拌工藝及灌注工藝

水泥乳化瀝青砂漿的攪拌方式對(duì)砂漿的含氣量有較大的影響，含氣量的大小直接影響到乳化瀝青砂漿的性能，特別是在東北這樣嚴(yán)寒的地區(qū)，適當(dāng)增加含氣量，減少砂漿中游離水在受凍時(shí)產(chǎn)生的膨脹力。但含氣量過(guò)大，砂漿抗壓強(qiáng)度又得不到保障，考慮到砂漿車(chē)種類和攪拌方式的不同，為此需對(duì)每臺(tái)砂漿攪拌車(chē)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，最終確立了每臺(tái)砂漿車(chē)的攪拌參數(shù)，以三一重工砂漿車(chē)為列，通過(guò)調(diào)試確定基本配合比、攪拌工藝及加料順序見(jiàn)表10。

表10 三一重工砂漿車(chē)基本配合比

攪拌工藝為:乳化瀝青→聚合物乳液→消泡劑→水(以30 r/min)攪拌60 s均勻后→加干粉料(以70 r/min攪拌)，干粉料加完后以70 r/min中速攪拌10 s后→加引氣劑(以115 r/min攪拌260 s)，最后以30 r/min攪拌120 s現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試合格后→出料。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)CA砂漿灌注容易出現(xiàn)的問(wèn)題主要有:軌道板上浮、側(cè)移和邊角灌注不飽滿，特別在曲線地段最易出現(xiàn)軌道板側(cè)移和曲線段外側(cè)收縮的現(xiàn)象，本標(biāo)段曲線半徑小、外側(cè)超高量較大，后2種問(wèn)題會(huì)更容易發(fā)生。為避免此現(xiàn)象，采用壓板灌注的方式進(jìn)行施工。灌注終止的確認(rèn)方法通常有3種:用直鋼尺靠測(cè)相鄰板高差、檢查支撐螺栓松緊狀況和用拇指觸壓灌注袋松緊狀況。由于采用了壓板，用前2種方式較難判斷。工藝性試驗(yàn)中采用拇指觸壓灌注袋松緊狀況來(lái)確認(rèn)灌注終止。CA砂漿的體積變化表現(xiàn)為先收縮后膨脹，其收縮主要發(fā)生在灌注后30 min內(nèi)。根據(jù)以上情況，確定的灌注方法為:勻速灌注至灌注袋有一定彈性后終止灌注，綁扎灌注口，用45°支架支撐灌注袖口，30 min后檢查灌注袋松緊狀況，如果處于張緊狀態(tài)，則用夾具封住灌注袋根部，如果灌注袋發(fā)生松弛，則應(yīng)先將灌注袖口中的砂漿擠入袋內(nèi)再封注灌注袋。

3.3.3 效果檢查

灌注24 h后，檢查灌注效果，眼觀砂漿袋飽滿，邊角無(wú)收縮現(xiàn)象，用直鋼尺檢查灌注袋與軌道板間隙，各點(diǎn)均合格，用百分表測(cè)得的數(shù)據(jù)也表明，砂漿體積穩(wěn)定性良好，高程無(wú)明顯變化，其代表性數(shù)據(jù)見(jiàn)表11，揭板后，砂漿情況如圖2～圖4所示。

圖2 砂漿表面平整

圖3 砂漿斷面均勻

圖4 砂漿層灌注前后變化不大

表11 漿層灌注前后變化情況

3.3.4 確定施工配合比

CA砂漿施工配合比是每個(gè)作業(yè)隊(duì)根據(jù)所用的砂漿攪拌車(chē)和基本配合比，結(jié)合當(dāng)天施工工況:天氣、溫度、濕度等，確定用水量，通過(guò)試拌CA砂漿，確定當(dāng)天施工配合比。

3.3.5 工程應(yīng)用

該配合比用于中鐵八局承建的TJ－1標(biāo)(DK131+209～DK185+275)工程鋪設(shè)軌道承載板，從2010年4月至9月用該干粉料配合比生產(chǎn)共計(jì)近1.5萬(wàn)余t，覆蓋各個(gè)CA砂漿施工作業(yè)隊(duì)。該配合比CA砂漿施工配合比施工過(guò)程中，所用CA砂漿干粉料與乳化瀝青等材料配合良好，材料性能完全符合工程的施工要求。

4 結(jié)語(yǔ)

CA砂漿是板式無(wú)砟軌道的重要組成部分，CA砂漿是由干粉料、乳化瀝青、膨脹劑、鋁粉、聚合物乳液等原材料經(jīng)攪拌而成，試驗(yàn)通過(guò)對(duì)原材料的選擇，調(diào)配得出的最優(yōu)施工配合比及現(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)得出的施工工藝，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，為以后CA砂漿在嚴(yán)寒地區(qū)施工，積累了經(jīng)驗(yàn)。

［1］鐵道科學(xué)研究院.客運(yùn)專線鐵路無(wú)砟軌道充填式墊板暫行技術(shù)條件［S］.北京:鐵道科學(xué)研究院，2008.

［2］鐵道部科學(xué)技術(shù)司.客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件［S］.北京:鐵道部科學(xué)技術(shù)司，2009.

［3］鐵道部科學(xué)技術(shù)司.客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件—嚴(yán)寒地區(qū)補(bǔ)充規(guī)定［S］.北京:鐵道部科學(xué)技術(shù)司，2009.

［4］趙東田.板式無(wú)砟軌道CA砂漿與施工技術(shù)研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2003.