秦沈客運(yùn)專線橋上板式無碴軌道CA砂漿的性能試驗(yàn)研究
主題詞：客運(yùn)專踐；板式軌道；CA砂槳
中圖分類號(hào)：U213 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
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70～80年代針對(duì)鐵路瀝青道床，對(duì)CA砂漿開展了長期、系統(tǒng)的試驗(yàn)研究工作，并在車站、隧道、專用線上進(jìn)行了試鋪，但針對(duì)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(shí)間內(nèi)完成各項(xiàng)試驗(yàn)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[1999]178號(hào)文“秦沈客運(yùn)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(píng)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(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn)”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(duì)在秦沈客運(yùn)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(biāo)與試驗(yàn)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(xiàng)性能試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，為秦沈客運(yùn)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(biāo)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(yàn)研究和試鋪，日本鐵路積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(bǔ)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(yàn)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廣應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。至今日本鐵路CA砂漿的使用量達(dá)到約40萬m3以上，鋪設(shè)的軌道達(dá)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(gè)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(bǔ)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(dá)到了填充軌道板與底座間隙、提供一定的軌道彈性的預(yù)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(jí)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(duì)性地進(jìn)行了CA砂漿的材質(zhì)改良的試驗(yàn)研究工作，材質(zhì)改良的試驗(yàn)研究工作包括：摻入消泡劑和AE劑并進(jìn)行高速攪拌等技術(shù)，使砂漿產(chǎn)生適量微小的獨(dú)立氣泡，使其達(dá)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(jìn)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(huì)產(chǎn)生傷損，其中少量發(fā)展到了需要修補(bǔ)的程度。這其中主要發(fā)生在處于長鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器兩側(cè)的凸形擋臺(tái)與軌道板之間的CA砂漿填充層。據(jù)日本對(duì)上越新干線的CA砂漿傷損調(diào)查資料，其傷損率平均達(dá)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(shí)踐、扣件扭矩的關(guān)系。
表中可以看出，鋪設(shè)長鋼軌的時(shí)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(jìn)行CA砂漿現(xiàn)場修補(bǔ)材料的研究，初期的現(xiàn)場修補(bǔ)主要采用樹脂材料，即將傷扭部分窗鑿除，用強(qiáng)度、彈性較好的樹脂材料填充修補(bǔ)，但由于樹脂材料費(fèi)用昂貴，推廣應(yīng)用有困雄，因此開發(fā)較樹脂材料價(jià)格低廉的補(bǔ)修材科成為了新的研究問題。日野土木試驗(yàn)所通過在CA砂漿中摻入玻璃纖維、聚合物等材料，進(jìn)行了大量室內(nèi)性能試驗(yàn)與現(xiàn)場試鋪，達(dá)到了價(jià)格較低廉，列車間隔時(shí)間內(nèi)施工、修補(bǔ)用CA砂漿與混凝土的粘接性能、抗凍性能優(yōu)良等預(yù)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(duì)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(duì)乳化瀝青，水泥砂漿進(jìn)行了大量的試驗(yàn)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(dá)到了減少線路維修工作量的目的。課題組還在部科研項(xiàng)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(yàn)方法與施工工藝要求。
與秦沈客運(yùn)專線板式軌道CA砂漿相比，盡管由于道路運(yùn)營條件、鋪設(shè)地區(qū)的差異對(duì)CA砂漿的性能指標(biāo)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(duì)瀝青道床進(jìn)行乳化瀝青水泥砂漿的研究成果，如：砂漿性能的試驗(yàn)方法、試驗(yàn)儀器設(shè)備、施工工藝等，對(duì)于我國首次開展的板式軌道CA砂漿研究、加快其研究進(jìn)程具有十分有益的參考價(jià)值。
3 CA砂漿的性能指標(biāo)及試驗(yàn)方法
課題組在秦沈客運(yùn)專線橋梁上板式軌道CA砂漿的研究與試驗(yàn)過程中，為少走彎路，加快研究進(jìn)程，主要借鑒日本鐵路通過30多年的研究與應(yīng)用實(shí)踐基礎(chǔ)上提出的板式軌道CA砂漿的各項(xiàng)行呢指標(biāo)與試驗(yàn)方法，同時(shí)結(jié)合我國既有CA砂漿研究的技術(shù)基礎(chǔ)，針對(duì)性地提出了板式軌道的性能指標(biāo)及相應(yīng)的試驗(yàn)方法。其主要性能指標(biāo)及試驗(yàn)內(nèi)容包括：抗壓強(qiáng)度、彈性模量、流動(dòng)度、科工作時(shí)間、膨脹率、材料分離度、空氣含量、耐久性（凍融循環(huán)試驗(yàn)）等。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了CA砂漿各種配方的試制，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
3.1 抗壓強(qiáng)度
3.1.1 性能指標(biāo)
3.1.1.1 由輪重決定的抗壓強(qiáng)度
由于板式軌道CA砂漿設(shè)計(jì)填充與軌道板板底及凸形擋臺(tái)四周，因此其抗壓強(qiáng)度的確定取決于設(shè)計(jì)輪重以及作用于凸形擋臺(tái)上縱向力的大小。
因此，輪重作用下軌道板下CA砂漿所需要的抗壓強(qiáng)度為0.1Mpa。
3.1.1.2 由作用于凸形擋臺(tái)上縱向力決定的抗壓強(qiáng)度
如圖1所示，凸型擋臺(tái)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
W---軌道板的自重（按50KN計(jì)）
(a) 長鋼軌溫度力Fr
為提高CA砂漿抗初期凍害性，提高施工工效，設(shè)計(jì)中，相應(yīng)地對(duì)不同齡期的強(qiáng)度提出了要求：
3.1.2 試驗(yàn)方法
CA砂漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用“單軸壓縮法”進(jìn)行。試樣為70.7×70.7×70.7mm的立方體，在試樣達(dá)到上述各齡期后，利用壓力試驗(yàn)機(jī)以每分鐘試件變形0.5mm加載，速率，均勻加載當(dāng)壓力不再上升時(shí)候停止加載，其壓力最大值即為試件在各齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度。
每次試驗(yàn)取三個(gè)試樣，三個(gè)試件強(qiáng)度的算術(shù)平均值作為該組試件的強(qiáng)度。
3.2 彈性模量
3.2.1 性能指標(biāo)
板式軌道CA砂漿由乳化瀝青、水、水泥、細(xì)骨料、各種外加劑等組成，是具有混凝土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(yù)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(qiáng)度存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。一般地，抗壓強(qiáng)度高，相應(yīng)地彈性模量大，在上述CA砂漿的強(qiáng)度范圍內(nèi)，課題組在配置各種砂漿配方的試驗(yàn)中，進(jìn)行了大量試驗(yàn)，確定砂漿28天的彈性模量范圍為200-600MPa。
3.2.2 試驗(yàn)方法
CA砂漿彈性模量試驗(yàn)方法與抗壓強(qiáng)度基本相同，試件為70.7×70.7×70.7mm的棱柱體，利用壓力試驗(yàn)機(jī)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(qiáng)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(fù)三次試驗(yàn)，以第四次加載曲線的數(shù)據(jù)計(jì)算彈性模量。
由于CA砂漿具有一定的塑性，彈性模量試驗(yàn)曲線實(shí)際上為一螺旋線。試驗(yàn)中取第四次加載曲線起始點(diǎn)的割線斜率為該試件的彈性模量。
每次試驗(yàn)取三個(gè)試樣，三個(gè)試件強(qiáng)度的算術(shù)平均值作為該組試件的彈性模量值。
3.3 流動(dòng)性與可工作試件
3.3.1 性能指標(biāo)
CA砂漿流動(dòng)度與可工作時(shí)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(biāo)。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(dòng)性逐漸喪失而最終固化。
為確定CA砂漿流動(dòng)度指標(biāo)，試驗(yàn)采用容積為650ml的特制漏斗進(jìn)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(shí)間，即為流動(dòng)度。適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)度對(duì)于砂漿的性能與灌注質(zhì)量非常重要，流動(dòng)度過小，砂漿材料會(huì)出現(xiàn)離析，影響其強(qiáng)度和耐久性；流動(dòng)度過大，砂漿粘稠，就難以將軌道板與基礎(chǔ)間的填充密實(shí)，直接影響灌注質(zhì)量。借鑒日本板式軌道CA砂漿的流動(dòng)度指標(biāo)，結(jié)合我國前期進(jìn)行的大量試驗(yàn)，包括試驗(yàn)室內(nèi)的市尺模灌注試驗(yàn)結(jié)果，確定流動(dòng)度指標(biāo)在16～26s之間，可滿足性能與灌注要求。
影響CA 砂漿流動(dòng)度的因素很多，在拌和方式、投料順序一定的條件下，流動(dòng)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(shí)間是指CA砂漿處于規(guī)定的流動(dòng)度范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時(shí)間。這個(gè)時(shí)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(yùn)輸過程、灌注作業(yè)所需要的時(shí)間，規(guī)定CA砂漿的可工作時(shí)間不少于30min。
3。32 試驗(yàn)方法
CA砂漿流動(dòng)度的試臉采用“漏斗法”進(jìn)行，漏斗容積為640ml，上口徑為襯ф70mm，下口徑為中ф10mm，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(shí)開始計(jì)時(shí)，砂漿從漏全部流出所經(jīng)歷的時(shí)間，即為砂漿的流動(dòng)度——t（以s計(jì)）。
可工作時(shí)間的試驗(yàn)方法與流動(dòng)度相同，但同一試樣每隔5min做一次，并繪出流動(dòng)度曲線，即流動(dòng)度與累計(jì)時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系(如圖2示意)。砂漿在流動(dòng)度設(shè)計(jì)范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時(shí)間。即為砂漿的可工作時(shí)間——T(以min計(jì))。
3。4 膨脹率
3。4。1 性能指標(biāo)
CA 砂漿灌注后固化，一般會(huì)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(yán)格控制，膨脹率過小，軌道板與砂漿層之何會(huì)產(chǎn)生空隙；膨脹率過大，會(huì)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)?？紤]砂漿灌注后伸縮，設(shè)計(jì)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(yàn)方法
CA砂漿膨脹率采用量筒、游標(biāo)卡尺進(jìn)行測定。將配制好的CA砂漿注入容積為250ml帶刻度的量筒內(nèi)，其上加上一塊玻璃板，用游標(biāo)卡尺測量玻璃板至砂漿表面的高度。膨脹率的計(jì)算如下式：
3。5 材料分離度
3。5。1 性能指標(biāo)
在流動(dòng)度較小、或砂的粒徑偏大的情況下，CA砂漿原材料之間會(huì)出現(xiàn)分離、泛漿或沉淀現(xiàn)象，砂漿的強(qiáng)度和耐久性會(huì)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(píng)價(jià)的指標(biāo)，借鑒日本板式軌道CA砂漿與我國前期試驗(yàn)的結(jié)果，確定CA砂漿的材料分離度在3%以下。
3。5。2 試驗(yàn)方法
材料分離度試驗(yàn)采用“等分法”進(jìn)行測定。制作ф50X50mm的圓柱體砂漿試件，在砂漿齡期達(dá)28天后，將共分成上、下兩等分，分別稱重，計(jì)算山其單位容積的質(zhì)量。材料分離度的計(jì)算如下式：
3。6 空氣含量
3。6。1 性能指標(biāo)
在CA砂漿的配制過程中導(dǎo)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(shí)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(dá)8%以上時(shí)，抗凍害性有顯奢的提高，但若超過16%，砂漿層的密實(shí)度降低，影晌其杭?jí)簭?qiáng)度。為此，設(shè)計(jì)中將空氣量控制在8—12%范圍內(nèi)，空氣量指標(biāo)的定義如下式：
在CA 砂漿內(nèi)導(dǎo)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(jì)算式可看出，空氣量的試臉主要是實(shí)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(jì)算出砂漿理論單位容積重量。
3。7 耐久性(抗凍性能)
3。7。1 性能指標(biāo)
由于秦沈客運(yùn)專線板式軌道位于寒冷地區(qū)，對(duì)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(shí)，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(yàn)方法對(duì)不同配方的CA砂槳進(jìn)行快速凍融循環(huán)試驗(yàn)，以檢驗(yàn)其耐久性。
根據(jù)其研究結(jié)果，提高CA砂漿抗凍性的對(duì)策，主要有以下三種：
3.7.1.1 改進(jìn)瀝青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(dǎo)人適t的空氣t(8-129)對(duì)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(shí)踐檢驗(yàn)，秦沈客運(yùn)專線板式軌道CA砂漿耐久性試驗(yàn)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(yàn)(快凍法)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。其試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)如下節(jié)所述。
3.7.2 試驗(yàn)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(yàn)采用100X100X400mm的棱柱體試件，每組3塊，試件應(yīng)在28天齡期時(shí)開始凍融試驗(yàn)，試驗(yàn)前在溫度15—20℃的水中浸泡，浸泡4天后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)主要設(shè)備和儀器為：混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)、動(dòng)彈橫量測定儀、案稱（感量5g）等。凍融循環(huán)試驗(yàn)有如下主要規(guī)定：
3.7.2 1 每次凍融循環(huán)在2--4 h內(nèi)完成，其中用于融化的時(shí)間不得小于整個(gè)凍融時(shí)間的1/4；
3.7.2.2 在凍結(jié)和融化終了時(shí)，試件中心溫度分別控制在一17士2℃和8土2℃；
3.7.2.3 每塊試件從6℃陣至-15℃所用的時(shí)間不得少于凍結(jié)時(shí)間的1/2。每塊試件從-15℃升至6℃所用的時(shí)間也不得少于整個(gè)融化時(shí)間的1/2，試件內(nèi)外的溫差不超過28℃；
3.7.2.4 凍和融之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過10min。
參照混凝土凍融試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，CA砂漿的凍融循環(huán)試驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如下：
凍融循環(huán)300次后，相對(duì)動(dòng)彈模量P下隆到凍融前的百分比不超過60%。
相對(duì)動(dòng)彈模量用動(dòng)彈模量測定，以三個(gè)試件平均位值的計(jì)算結(jié)果作為該組試件的相對(duì)動(dòng)彈模量。
4 CA砂槳的性能試驗(yàn)結(jié)果
為達(dá)到上述CA砂將性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求，作為課的主要承提單位——中鐵三局集團(tuán)有限公司在過去的幾年投人了大量的人力財(cái)力，進(jìn)行了近百種砂漿配方的試制工作，并在砂漿基本力學(xué)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求的荃礎(chǔ)上，從中選定了8種配方于2000年9月~11日進(jìn)行了CA砂槳的抗凍性試驗(yàn)，其中的6種配方滿足了耐久性的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(詳見《CA砂漿抗凍性試驗(yàn)研究報(bào)告》)。為進(jìn)一步完善板式軌道CA砂漿的配方研側(cè)與拌和工藝，在第一階段砂漿抗凍性試驗(yàn)滿足要求的6種配方基礎(chǔ)上，第二階段選定了2種各項(xiàng)性能優(yōu)良的砂漿配方，在砂漿配方中添加聚合物乳液、聚丙烯纖維等外加劑，于2001年2月~4日再次進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)。詳見表3。
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