水泥瀝青砂漿的材料性能及應用研究

竹俊杰

(中鐵十六局第四工程有限公司，北京 101400)

1 背景及意義

目前針對CA砂漿材料領域的科研工作開展較多，“十一五”科技支撐計劃和863課題已將高速鐵路無砟軌道用CA砂漿立項研究。但我國CA砂漿大部分研究集中在室內試驗階段，依托的工程實體運營時間較短，對研究成果的檢驗還需要較長的時間。同時，材料性能評價體系的研究工作中也缺乏強有力的基礎數據作為依托，致使現階段我國可用于設計時速高達350km/h以上較為完備的CA砂漿工藝成套技術還不成熟，尤其砂漿配合比設計方法、性能評價、施工工藝等方面尚有不足，對高速鐵路CA砂漿現場施工工藝及質量控制還沒有完善的標準，給我國高速鐵路大規模的建設造成一定的技術障礙。

2 無砟軌道結構

滬昆鐵路客運專線江西段站前工程HKJX－5標段位于南昌市和高安市境內，里程為 DK569+839.17～DK638+468.75，全長68.62958千米，首件段 CRTSⅡ型板式無砟軌道起訖里程為DK587+575－DK590+637，全長3.，062km，包括兩座特大橋，兩段路基，共計634塊CRTSⅡ型軌道板。

橋上CRTSⅡ無砟軌道結構由鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿墊層、底座、側向擋塊、滑動層、高強度擠塑板和限位板組成;路基上CRTSⅡ無砟軌道結構由鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿墊層、支撐層和線間填筑物組成。橋上軌道總結構高度679毫米(直線段)，路基上軌道總結構高度779毫米(直線段)曲線段軌道總結構高度根據超高的不同進行計算。圖1和2是橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道橫斷面圖。

圖1 橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道橫斷面(超高=0)

圖2 橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道橫斷面(超高=175)

3 水泥乳化瀝青砂漿試配試驗

3.1 原材料的選定

選定的原材料必須要與理論配合比的原材料相適應，主要原材料如下:

⑴CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青:安徽中鐵工程材料科技有限公司生產，規格及型號:AL－NS001;顆粒極性:陰性。

⑵CA砂漿用干料:安徽中鐵工程材料科技有限公司生產，規格及型號:RP－Q2。

⑶CA砂漿用普通減水劑:安徽中鐵工程材料科技有限公司生產，規格及型號:RAWY101。

⑷CA砂漿用消泡劑:河南道純化工技術有限公司生產，規格及型號:DSP－010型。

⑸CA砂漿拌合用水:能飲用的自來水。

3.2 材料相容性檢驗

對于水泥乳化瀝青砂漿來說，各組分之間具有好的相容性是確保砂漿均勻性、穩定性以及其他各項性能的前提。所以，在配制砂漿前，務必要對各個材料進行相容性檢驗。檢驗不合格的一律不能用來配制CA砂漿。

⑴水泥與乳化瀝青的相容性

水泥與乳化瀝青的相容性是配制水泥乳化瀝青砂漿的基礎，其不相容的表現形式主要有兩種，一是水泥和乳化瀝青剛剛拌合就破乳;二是拌合后雖然不很快破乳，但工作性能損失很快，拌合結束5分鐘后，砂漿變稠，擴展度加速變小，流動度過低。解決這兩者不相容的方法是變換水泥品種或者重新選擇乳化瀝青，直至達到相容的結果

⑵干料與各種外加劑的相容性

干料與外加劑的相容性檢驗也是通過拌合試驗來實現的。干料與外加劑的不相容表現為出機砂漿的擴展度滿足技術指標要求，而30分鐘后砂漿的擴展度大幅下降，達不到280毫米要求;或表現為砂漿嚴重離析、分層等。解決干料與各種外加劑的不相容應從更換水泥品種、重新選擇外加劑品種或類型等方面進行。

3.3 配合比設計

完成了原材料的優選和相容性檢驗后，進行水泥乳化瀝青砂漿的配合比設計工作。其內容主要包括:砂漿配合比的初步確定，砂漿試拌、成型及其基本性能的檢測;根據檢測結果，對初步配合比進行調整;調整后的砂漿試拌、成型及其性能檢測;當砂漿的性能仍不符合指標要求時，重復調整直至滿足砂漿的性能指標要求;確定砂漿的最終配合比。

為保證CA砂漿的力學性能與耐久性能，在確定砂漿最終配合比時，應滿足以下要求:

⑴水泥用量宜不小于400千克每立方米。

⑵乳化瀝青與水泥的比值宜不小于0.35。

⑶水灰比宜不大于0.58。

⑷CA砂漿設計厚度30毫米，性能滿足《客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件》(科技基【2008】74號)和驗標的要求。

⑸CA砂漿的最小抗壓強度達到1兆帕后方可拆除軌道板下面的精調校正裝置，最小強度達到3兆帕后方可承重。

3.4 正交設計試配方案

⑴正交試驗設計的基本原理

正交試驗設計是一種安排多因素試驗的數學方法，此方法既科學又方便。對于諸如CA砂漿性能的變化規律或者最優工藝條件的確定等這類問題，因為涉及的因素眾多，試驗周期長，量測數據離散，試驗工作繁重，采用正交設計來安排試驗，只要做少量試驗就可以得到正確的結論和好的效果，事半功倍。這種利用數學上的正交特性－具體的說就是正確使用數學上的正交表來安排多因素試驗和分析試驗成果的一整套方法，稱為正交試驗設計方法。他的特點就是采用最優水平組合來代替全部的組合。

⑵試驗方案

在原材料初步選定后，采用正交設計方法，分析各原材料摻量對CA砂漿性能(流動度、含氣量、28天抗壓強度、28天彈性模量)的影響情況，以確定最優配合比。對乳化瀝青(A)、干料(B)、水(C)消泡劑(D)、減水劑(E)4種原材料用量各取5個水平(表1)進行正交設計。

表1 原材料用量的5個水平

⑶試配試驗結果分析

通過對試配試驗數據進行方差分析，確定初始配合比為干料：乳化瀝青：減水劑：消泡劑：水 =1500：250：5.0：0.06：155，對初始配合比砂漿的性能進行檢測，各項指標均滿足相應要求。

3.5 工藝性試驗及配合比的確定

初始配合比砂漿配合比和攪拌工藝確定后，開始在線外試驗段進行驗證和灌注工藝試驗、揭板試驗。在試驗中出現以下問題:

⑴氣泡多。原因是消泡劑用量較少，CA砂漿攪拌車自動計量的消泡劑難以在短時間內充分與其他材料攪拌均勻。

⑵出現空洞的現象。是由于底座板潤濕工作不到位引起的。如果底座板潤濕不充分，由于底座板吸水，置換出底座板內的氣泡在砂漿層就會產生空鼓、貫穿氣孔等缺陷;如果預濕過度，在軌道板底或者是底座板上殘留有明水，則容易造成砂漿泌水、瀝青析出等缺陷。

⑶砂漿表明局部發黑的現象。經試驗分析，其主要是砂漿原材、攪拌工藝引起的。

通過多次揭板試驗不斷總結，最終確定了CA砂漿基本配合比為干料：乳化瀝青：減水劑：消泡劑：水 =1500：250：5.0 ～5.5(可調)：0.05 ～0.07(可調)：150 ～170(可調)。

4 施工工藝

4.1 潤濕工藝

⑴鋪板前潤濕

為了保證砂漿與底座或支撐層有良好的粘結，鋪板前應采用高壓水槍沖洗底座或支撐層，清除表面的浮漿與灰塵。

⑵封邊前潤濕

經線外試驗段多次工藝試驗，確定先潤濕后封邊的工藝方案。軌道板灌注前2～4小時，根據天氣及底座板軌道板情況利用灑水車沖洗底座板及軌道板底2～3次，沖洗充分，確保底座板及軌道板底表面吸水飽和。封邊前采用高壓水槍充分沖洗軌道板底和底座板(支承層)表面，使其充分濕潤，處于保水狀態，當底座或支承層凹凸不平有較多積水時應采用風力滅火機將積水清除，利用干棉布左右移動擦除板腔內上下未吹除的明水，確保板腔內無積水且處于飽和面干狀態。封邊完畢后應對灌注口和觀察口進行覆蓋，防止水分散失。

⑶灌注前濕潤

在灌漿前及時觀察觀察口和灌注口觀察底座的濕潤情況，如底座潮濕，則不需進行濕潤;如底座干燥，則需再次進行濕潤。灌注砂漿前10分鐘再次檢查板腔潤濕狀況，確認其表面無殘留明水和霧化不徹底等現象。如發現局部有積水，則可采用風力滅火機吹出或吹散積水。

4.2 CA砂漿配制

攪拌速度及時間則主要影響水泥乳化瀝青砂漿的含氣量、抗壓強度及彈性模量，通過多次試驗，我們得到合理的投料順序和拌和方式如下:

⑴從水箱加水。

⑵從P乳劑箱加水。

⑶從A乳劑箱加乳化瀝青，停轉后迅速投入減水劑和消泡劑;低速攪拌，30轉每分鐘的速度攪拌30秒;螺旋泵投入干粉料;高速攪拌，以105轉每分鐘的速度攪拌120秒;減速至30轉每分鐘，攪拌90秒。

⑷CA砂漿出倉。

砂漿攪拌車加料，定人定崗。加料前注意加料順序，并檢查各原材料的質量、性能是否符合要求。

砂漿攪拌車的檢查。每天開盤之前，應對砂漿攪拌車進行全面檢查，防止在施工過程中出現意外情況，保證攪拌灌注施工的順利進行。砂漿車的計量系統，每周須進行自校;砂漿車的攪拌主機與成品倉應及時清理剩余砂漿。

施工配合比的調整。施工配合比的調整范圍必須在基本配合比的允許范圍之內;施工配合比的調整應根據原材料的性能、軌道板底座的類別、板腔厚度、板腔溫度、濕潤等情況來調整。

4.3 灌注工藝

為防止砂漿在運輸過程中產生離析，砂漿在灌注前必須攪拌均勻。

灌注施工時先打開中轉罐卸料閥門，待砂漿充滿灌注軟管后，再緩慢打開灌注閥門，砂漿初流入時嚴格控制流速，防止大氣泡包裹在內，逐漸增大流速直至灌注口砂漿面高出軌道板頂約15公分，此后隨時觀察灌注孔內砂漿的液面高度，并控制流速維持砂漿面高度，進行連續灌注，待四角排氣孔有砂漿均勻流出后及時關閉灌注閥門。直線板的灌注時間應控制在3～4分鐘內，曲線板的灌注時間應控制在5分鐘±30秒內。當砂漿面高于軌道板頂面5～10公分且不能回落時，灌漿過程才可告結束。

砂漿灌注的節奏是慢→快→慢，切忌砂漿灌注過程中突然增加或減小砂漿的灌注流量。

當砂漿從排氣孔溢出時，不要立即封堵，待積水充分排出，流出正常砂漿，且是滿斷面外溢時，用孔塞或海綿進行封堵。采用帶閥門的灌注漏斗補灌精調爪處空腔，對空腔充分潤濕并消除明水，利用封邊角鋼封邊并與底座板結合密貼。將砂漿灌入漏斗后，打開閥門，軟管中氣體排除并流出均勻砂漿后，將軟管塞入空腔最內部，使砂漿在空腔內由內向外流，排除內部空氣消除空洞，慢慢移動軟管，使空腔內充填飽滿砂漿。將砂漿灌注至比軌道板底邊高出約5公分后停止灌注。軌道板相應位置可粘貼膠帶避免污染軌道板。

灌注完成后，保持漿面高于軌道板底10公分。待砂漿失去流動性后，掏出多余的砂漿，取出灌注PVC管，使砂漿面高于軌道板底5公分。

4.4 砂漿充填層施工中的常見質量問題

⑴飽滿度

技術要求:軌道板與底座板間隙的砂漿充填層灌注飽滿，排氣孔應有砂漿排出;周邊和四個角應與軌道板底面粘結密貼，不允許有裂縫或空洞。

不良現象:砂漿充填層的四個角空陷，周邊稀松不密實或與軌道板底面離縫。

可能原因:新拌砂漿的流動度偏大或擴展度偏小，灌注時四個角和周邊未充滿;砂漿的膨脹率偏小，灌注后未漲滿;砂漿灌注量不夠，未完全充滿(排氣孔未流出足夠的砂漿)灌注就停止了。

⑵密實度

技術要求:充填層密實，無孔徑達毫米級的大氣孔、表面無氣孔聚集層或尺寸大于20平方厘米的氣孔聚集區;斷面無氣孔聚集區或裂縫。

不良現象:砂漿充填層表面有密集小氣泡層，斷面局部夾雜有個別大氣泡或細密氣泡聚集層。

可能原因:新拌砂漿含氣量和氣泡孔徑偏大;灌注時，砂漿流動過程中夾入了較多的空氣;新拌砂漿的砂漿穩定性差，氣泡不能穩定存在;新拌砂漿的流動度偏小。

⑶勻質性

技術要求:砂漿充填層任何部位的密實度和顏色均勻一致。

不良現象:充填層表面有浮漿或泌水流痕或顏色較深;充填層底部有粗砂沉積。

可能原因:新拌砂漿穩定性與勻質性不良;新拌砂漿流動度太小或擴展度太大。

4.5 控制和提高工程質量的基本原則

⑴務必嚴格按照國家現有的成熟的有關技術條件和規范精細施工;

⑵按照“暫行技術條件”要求檢驗原材料質量，不合格的原材料拒絕驗收入庫;

⑶務必嚴格按照經實踐檢驗成功的基本配合比和攪拌工藝拌合砂漿;

⑷嚴格執行“性能指標不合格的砂漿決不灌注”的規定。

5 結束語

本文通過分析CA砂漿拌合物的流變性能和粒子沉降規律，優選出CA砂漿的主要原材料。結合滬昆客運專線江西段首件工程，通過大量試驗，采用正交設計方法，確定了CA砂漿最終配合比為:干料：乳化瀝青：減水劑：消泡劑：水=1500：250：5.0 ～5.5(可調)：0.05 ～ 0.07(可調)：150 ～170(可調)。研究CA砂漿原材料的儲存與管理、軌道板精調完成后的封邊施工、底座板潤濕，以及CA砂漿的灌注及養護等工藝;總結了砂漿充填層施工中的常見質量問題及防范措施，提出控制和提高工程質量的基本原則。

文章在CRTSⅡ型板式無砟軌道施工方面做了大量工作，但是仍有不足之處，例如:每次在灌注軌道板前都要進行野蠻的揭板試驗，這種方法不但費時費工、無形中增加了成本，并且不能完全保證全部的灌漿都是成功的。所以迫切需要一種自動化水平高，技術先進，無損壞的檢測技術來監測每一塊板的灌漿情況

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