秦沈客運專線橋上板式無碴軌道CA砂漿的性能試驗研究

      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(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(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(biāo)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(biāo)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(biāo)及相應(yīng)的試驗方法。其主要性能指標(biāo)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(yù)期目標(biāo)。

3.1 抗壓強度

3.1.1 性能指標(biāo)

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?？紤]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σmax：

      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(biāo)要提高。但另一方面，強度指標(biāo)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(biāo)，設(shè)計要求CA砂漿28天的抗壓強度指標(biāo)應(yīng)在1.8～2.5MPa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1.8～2.5MPa范圍內(nèi)，以滿足鐵路通車的基本要求。

3.1.2 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(dāng)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(biāo)

      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(fù)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 流動性與可工作試件

3.3.1 性能指標(biāo)

   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(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，流動性逐漸喪失而最終固化。

    為確定CA砂漿流動度指標(biāo)，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(dāng)?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。借鑒日本板式軌道CA砂漿的流動度指標(biāo)，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(biāo)在16～26s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。4 膨脹率

3。4。1 性能指標(biāo)

      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(yán)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)?？紤]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(biāo)卡尺進行測定。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。膨脹率的計算如下式：

3。5 材料分離度

3。5。1 性能指標(biāo)

      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(biāo)，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ф50X50mm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(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)

      3。7。1 性能指標(biāo)

      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(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。其試驗方法與標(biāo)準(zhǔn)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100X100X400mm的棱柱體試件，每組3塊，試件應(yīng)在28天齡期時開始凍融試驗，試驗前在溫度15—20℃的水中浸泡，浸泡4天后進行試驗。試驗主要設(shè)備和儀器為：混凝土凍融循環(huán)試驗機、動彈橫量測定儀、案稱（感量5g）等。凍融循環(huán)試驗有如下主要規(guī)定：

      3.7.2 1 每次凍融循環(huán)在2--4 h內(nèi)完成，其中用于融化的時間不得小于整個凍融時間的1/4；

      3.7.2.2 在凍結(jié)和融化終了時，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℃所用的時間不得少于凍結(jié)時間的1/2。每塊試件從-15℃升至6℃所用的時間也不得少于整個融化時間的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)換時間不超過10min。

      參照混凝土凍融試驗標(biāo)準(zhǔn)，CA砂漿的凍融循環(huán)試驗評定標(biāo)準(zhǔn)如下：

      凍融循環(huán)300次后，相對動彈模量P下隆到凍融前的百分比不超過60%。

      相對動彈模量用動彈模量測定，以三個試件平均位值的計算結(jié)果作為該組試件的相對動彈模量。

4 CA砂槳的性能試驗結(jié)果

      為達到上述CA砂將性能指標(biāo)的設(shè)計要求，作為課的主要承提單位——中鐵三局集團有限公司在過去的幾年投人了大量的人力財力，進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)計要求的荃礎(chǔ)上，從中選定了8種配方于2000年9月~11日進行了CA砂槳的抗凍性試驗，其中的6種配方滿足了耐久性的試驗標(biāo)準(zhǔn)(詳見《CA砂漿抗凍性試驗研究報告》)。為進一步完善板式軌道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滿足要求的6種配方基礎(chǔ)上，第二階段選定了2種各項性能優(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日再次進行了凍融循環(huán)試驗。詳見表3。