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水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)在高速铁路
2019年01月11日    阅读量:1262    新闻来源:混凝土技术交流  |  投稿

摘  要:介绍水泥乳化沥青砂浆原材料技术要求,工艺性试验以及现场灌板施工工艺,确保在满足《客运专线铁路CRTSⅡ型轨道板水泥乳化沥青暂行技术条件》前提下选择原材料,通过工艺试验选择适合不同温度条件下水泥乳化沥青砂浆的施工工艺,

关键词:水泥乳化沥青砂浆原材料;配方;工艺试验;现场灌注工艺。

1  CA砂浆概述

CA砂浆即水泥(cement)沥青(asphaltum)砂浆。是用于高速铁路板式无碴轨道,填充于轨道板与混凝土底座板之间的一种弹性、缓冲材料,以调整轨道板的几何位置,起到支撑、传力的作用中国沥青网sinoasphalt.com

板板式无碴轨道首先在日本(Ⅰ型板)、德国(Ⅱ型板)高速铁路开始应用,我国秦沈客运专线沙河、狗河、双河特大桥也采用了该种形式的轨道结构,板式无碴轨道道床主要由底座板、CA砂浆、轨道板三部分组成,其中CA砂浆的施工是板式无碴轨道的核心技术。

Ⅰ型板选用满足要求的沥青或改性沥青生产的乳化沥青、干料(水泥、细骨料、铝粉、膨胀剂)(硫铝酸钙类)、水、消泡剂、引气剂、聚合物乳液等原料,

Ⅱ型板选用满足要求的沥青或改性沥青生产的乳化沥青、干料(水泥、细骨料、铝粉、膨胀剂)、减水剂、水、消泡剂等原料配制。

京沪高速铁路土建六标主要是CRTSⅡ型轨道板。针对砂浆的复杂性,由铁道部京沪铁路建设总指挥部组织水泥乳化沥青砂浆供应商和施工单位经过不同温度条件下大量的试验室、现场工艺性灌、揭板试验,确定了CA砂浆的配方和制备工艺,其各项性能指标满足铁科技[2008]74号《客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》的要求



2  CA砂浆的技术标准

2.1  CA砂浆的技术要求

根据CA砂浆在板式轨道中的作用与功能,其技术要求为:

2.1.1  稳定的力学性能和适宜的弹性性能、后期强度稳定、较低的弹性模量。

2.1.2  高耐候性与耐久性。温变适应性、高温抗变形、低温抗冻裂、抗老化与耐疲劳。

2.1.3  体积稳定性与变形的可控性。体积变化的可设计性、长期体积稳定性。

2.2.4  良好的施工性能。高流动性与均质性、优良的自充填与自密实性能。

2.2  CA砂浆关键技术

2.2.1  高性能沥青基材的性能设计与改性技术。制备出适应我国气候特点与高速列车作用的高耐候、高弹性恢复率沥青基材。

2.2.2  沥青乳化与乳化工艺、装备技术开发。解决因热沥青与乳化液之间温差大而导致的乳化过程气化问题,提高乳化质量。   

2.2.3  沥青乳液颗粒超细化分散技术。提高沥青乳液体系的分散性,改善沥青乳液的温度适应性与储运稳定性。

2.2.4  水泥水化与沥青破乳胶结过程的匹配设计与控制。通过无机材料性能调整、外加剂开发与配比优化,改善沥青乳液与水泥的适应性。

2.2.5  高性能CA砂浆的性能(多用途)设计与制备施工技术。开发出能适应不同环境条件要求的CA砂浆产品与制备施工技术。

2.3  CA砂浆的主要技术指标(见表1)

CA砂浆应用的特殊性决定了其各项性能指标要求极为严格。


表1  CA砂浆主要技术指标

项    目

标准值

项    目

标准值

Ⅰ型板

Ⅱ型板

Ⅰ型板

Ⅱ型板

流动度(s)

18~26

80~160

20±3℃时抗压强度(MPa)

1d

>0.10

≥2.0

可工作时间(min)

≥30


7d

>0.70

≥10.0

单位容积质量

(kg/m3

>1300

>1800

28d

>1.80

≥15.0

含气量(%)

8~12

≤10.0

28d静态弹性模量(MPa)(Ⅰ、Ⅱ型板测试不同)

100~300

7000~10000

砂浆温度(℃)

5~40

5~35

膨胀率(%)

1.0~3.0

0~2.0

抗冻性(300次冻融试验后)

相对动弹模量(%)

≥60

外观无异常、剥落良≤20000g/m2

泛浆率(%)

0


质量损失(%)

≤5


材料分离度(%)

<1.0

<3.0

耐候性

无剥落、无开裂、相对抗压强度不低于70%

——

疲劳性能(28d)

——

10000次不断裂缝

抗折强度(MPa)

1d

——

≥1.0

扩展度

——

D5≥280mm和t280≤16s

7d

——

≥2.0

28d

——

≥3.0

注:由于Ⅰ、Ⅱ型板由于组分不同,砂浆搅拌工艺、检测仪器、方法不尽相同,指标没有可比性。此表只是列出指标的区别,应予以区分。


3  CRTSⅡ型板式无砟轨道CA砂浆的组成材料

乳化沥青、干料(水泥、细骨料、铝粉、膨胀剂)(硫铝酸钙类)、水、减水剂、消泡剂等组成

3.1  水泥

水泥是CA砂浆中主要的胶结材料之一,同时它的水化又能有效地促进乳化沥青的破乳胶结,水泥对CA砂浆的新拌状态和后期的硬化胶结有着重要的影响。因此,要严格选择水泥品种和强度等级,水泥要妥善保管并贮藏。

由于CA砂浆中绝对水胶比较大,且灌注后在24h内需要至少有一定的强度,一般采用强度等级不低于42.5级硅酸盐水泥。

3.2  砂

采用天然河砂,Ⅰ型板采用最大粒径1.25mm,细度模数在1.4~1.8范围内。Ⅱ型板采用最大粒径1.18mm,其它指标符合铁科技[2008]74号《客运专线铁路CRTSⅠ、Ⅱ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》

3.3  乳化沥青

(1)材料。乳化沥青由基质沥青、乳化剂和水配制而成。

沥青作为CA砂浆中主要的胶结凝材料之一,其质量的好坏直接影响着CA砂浆硬化体的力学性能和耐久性。基质沥青应选用70号或90号重交通石油沥青,其主要性能满足表2。用于生产沥青的原油应固定。也可以采用SBS或SBR进行改性,主要性能满足表3


表2  沥青技术指标

序号

项        目

技术要求

1

针入度(25℃、100g、5s,0.1mm)

60—100

2

软化点(环球法),℃

45—54

3

延度(15℃、5cm/min),cm

>100

4

闪点(COC),℃

≥230

5

含蜡量(蒸馏法),%

≤2.2

6

密度,kg/m3

≥1.0

7

溶解度(三氯乙烯),%

≥99.0

8

薄膜烘箱试验163℃.5h

延度(15℃),cm

≥50

质量损失,%

≤0.6

针入度比,%

≥50

表3  SBS改性沥青技术指标(用于Ⅱ型板)

序号

项     目

技术要求

Ⅰ—A

Ⅰ—B

Ⅰ—C

Ⅰ—C

1

针入度(25℃、100g、5s,0.1mm)

>100

80~100

60~80

30~60

2

针入度指数PI

≥-1.2

≥-0.7

≥-0.4

≥0

3

延度(15℃、5cm/min),cm

≥50

≥40

≥30

≥20

4

软化点(环球法),℃

≥45

≥50

≥55

≥60

5

闪点(COC),℃

≥230

6

运动黏度(135℃),Pa·s

≤3

7

溶解度(三氯乙烯),%

≥99

8

薄膜烘箱试验163℃,5h

质量损失,%

≤1.0

延度(5℃,5cm/min,cm

≥30

≥25

≥20

≥15

针入度比(25℃)

≥50

≥55

≥60

≥65

9

离析,软化点差℃

≤2.5

10

弹性恢复(25℃)

≥55

≥60

≥65

≥75


京沪高速铁路土建六标DK1222+020~DK1302+300里程段施工中,基质沥青为中石油生产的90重交道路石油沥青,技术指标符合JTJ052—2000的要求; 乳化沥青为浙江兰亭高科股份有限公司生产。

(2)、技术指标。符合表4要求。


表4  乳化沥青技术标准(用于Ⅱ型板)

序号

项目

技术标准

序号

项目

技术标准

1

颗粒电荷

7

水泥适应性

20s内至少流出70mL样

2

筛上剩余物(1.18mm),%

<0.1

8

蒸发残留物

残余物含量(%)

≥60

3

粒径(μm)

平均粒径≤7

模数粒径≤5

9

针入度(25℃,100g,5s)0.1mm)

40~120

4

贮存稳定性(1d,25℃)(%)

<1.0

10

延伸度(25℃)(cm)

≥100

5

贮存稳定性(5d,25℃)(%)

<5.0

11

溶解度(四氯化碳)(%)

≥99

6

低温贮存稳定性(一5℃)

无颗粒或块状物

12

延伸度(5℃)(cm)

≥20




13

软化点(环球法),℃

≥42


(3)乳化沥青配制的基本方法

将基质沥青加热到150~160℃,水加热到60~70℃。投料顺序:水一乳化剂一聚乙烯醇一基质沥青。所配制的乳化沥青密度为1.027g/cm3,pH=7.0。同时根据不同的环境温度需要加入其它材料控制破乳速度。

3.4  干料 

干料由硅酸盐水泥、细骨料(河砂或机制砂,不得采用海沙)、铝粉、膨胀剂等组成。


表6  干料技术要求(用于Ⅱ型板)

序号

项目

技术标准

序号

项目

技术标准

1

级配

筛孔尺寸(mm)

通过率

2

扩展度(mm)

水胶比≤0.58

D5≥160,D30≥150

1.18

100

3

膨胀率(%)

0~3

0.60

90~100

4

抗压强度

(MPa)

1d

≥12

0.30

55~70

7d

≥30

0.15

45~55

28d

≥35

0.075

35~45






3.4.1  硅酸盐水泥符合GB175—2007规定

3.4.2  细骨料:河砂或机制砂,不得采用海沙,其性能如下:表6

3.4.3  掺合料主要指膨胀剂,常用为硫铝酸钙类膨胀剂。其膨胀性能与水泥一沥青的胶结硬化和后期的强度发展协调一致,而且具有膨胀量合适的优点。表5

有时为了改善配制砂浆的均质性、和易性及其硬化体的力学性能,常添加一些矿物掺和料,如硅灰、粉煤灰、矿渣等。


表5  CA砂浆用掺和料技术要求

序号

指标名称

标准

序号

指标名称

标准

1

细度

0.08mm筛筛余(%)

≤10

3

限  制膨胀率

水中14d(%)

≥0.02

1.25mm筛筛余(%)

≤0.5

空气中28d(%)

≥—0.02

2

氧化镁含量(%)

≤5.0

表6  细骨料技术指标

序号

项目

技术指标

试验方法

Ⅱ型板

河砂

机制砂

1

细度模数

JGJ52—2006

2

表观密度kg/m3

≥2550

3

吸水率(%)

<3.0

4

含水率(%)

<0.1

5

泥块含量(%)

<1.0

6

含泥量(%)

<2.0

7

石粉含量(%)

<5.0

8

有机质含量(比色法)

合格

9

氯化物含量(%)

<0.02

10

最大粒径(mm)

<1.18

11

颗粒级配

筛孔尺寸(mm)

通过率(%)

2.36


1.18

100

0.60

90~100

0.30

55~70≥

0.15

45~55

0.075

35~45

12

硫化物及硫酸盐含量(折算成SO3

≤0.05

13

碱活性(快速砂浆棒法)

≤0.01


14

坚固性

≤8



4  水泥乳化沥青砂浆灌注工艺介绍

为了保证高速铁路正线上砂浆施工质量,必须在正线以外进行实尺轨道板灌、揭板工艺性试验并对封边、湿润、灌注工艺、砂浆质量进行评定,满足技术条件后方可进行正线上施工,具体方案如下:

4.1 对灌注砂浆试验的6块板揭板,具体揭板4块直线般、2块曲线板(曲线板为本标段最高超高曲线板),揭板时有1块不符合标准要求的,判定该砂浆为不合格。

4.2 主要工艺包括封边、板腔预湿润、砂浆搅拌、运输、灌注等进行评定,施工单位对以上工艺必须制定具体的工艺细则。

4.3  经过在不同环境温度条件下的灌、揭板工艺性试验,形成的不同水泥乳化沥青砂浆配合比如下:


 材料名称

乳化沥青

干料

聚羧酸减水剂

有机硅类消泡剂

理论配合比(试验室)(kg/ m3

247

1480

4.0~6.0

1.0~3.0

150~190

初步配合比(根据不同的砂浆搅拌车形成)

247

1480

4.2

2.6

160

5~20℃施工配合比(根据灌、揭板试验形成)

247

1480

4.2

2.5

158

20~35℃施工配合比(根据灌、揭板试验形成)

247

1480

4.8

3.3

187


4.4  同一配比砂浆流动度在不同环境温度下放置30min活变化曲线如下:

从曲线可以看出砂浆的流动度随温度的增大而减小。


5  水泥乳化沥青砂浆拌制工艺


6  水泥乳化沥青砂浆灌注施工工艺

6.1  水泥乳化沥青砂浆灌注施工流程图如下:


6.2  板腔湿润

砂浆灌注前需要板腔进行预先充分喷雾湿润,保证砂浆与轨道板及底座板混凝土之间足够的粘结力;防止砂浆灌注过程底座板底吸水造成砂浆流动度损失,从而形成贯穿孔或分层。但无明水。现场应根据不同的气候条件来确定预湿时间;天气越热越干燥预湿时间要晚,天气越潮湿越冷则预湿时间可以适当早。


预湿两次, 提前1h应对板腔进行预湿,灌板前10min再预湿一次。采用高压雾化水枪进行,预湿后立即随关注空和观察孔覆盖,防止水分散失。灌注砂浆前10min再检查板底混凝土状况如出现如出现积水或预湿不彻底的情况,应采用高压风吹或重新预湿。

6.3  轨道板封边

待充分湿润并清除明水后,应立即封边。采用角钢和封边带封边,封边完成后仔细检查封边是否严密,确保砂浆灌注时不漏浆,特殊部位如精调爪的封堵采用“凹”形厚度50mm的硬质泡沫塑料(精调爪宽度B120mm),安放在精调爪位置,防止漏浆。

封边角钢∠70×70mm依照封边尺寸提前精加工完成,排气孔预先预留加工(留置见下图),在角钢的适当位置焊接直径30mm的排气钢管(尺寸2根∠70×70×2800mm、2根∠70×70×530mm)。封边密封材料采用宽度150mm厚度10mm的泡沫塑料板封边带。轨道板横向封边采用灌注用同等水泥乳化沥青砂浆封边。可采用灌注时多余的砂浆防止一段时间等流动度现时再使用。排气孔位置留置如下图,每个轨道板的四角留置排水孔直线板四个,曲线板两个。


直线板(平板)               


曲线板(超高板)

排水孔留置


直线板(平板)            


曲线板(超高板)


6.4  轨道板压紧

为了防止灌注砂浆时轨道板上浮, 精调完成或设置轨道板压紧装置。一般情况下固定装置安装于轨道板的两端中间,当曲线超高达45mm及以上时轨道板的两侧中间部位增加设置固定装置,。轨道板的两端固定位置设置在轨道板安装定位锥体用过的锚杆处。轨道板纵向压紧采用新的钻孔锚固螺杆,钻孔距离轨道板大于9cm,防止钻孔破坏底座板钢筋。封边角钢采用“弓”字装置利用锚杆进行锚固,锚杆了要用植钢筋提前锚固,锚杆确保垂直,此方法有效降低了随轨道板精调结果的影响,安装过程对轨道板不会产生较大的扰动,安装快捷方便,易于倒用。施工前应进行锚杆拉拔检验(拉拔力≥3kN.).也可以采用轨道板自重作为反力压紧封边角钢,此方法只需要在轨道板的扣件上设置至今20mm的钢筋即可压紧角钢,压紧时对钢筋采用塑料泡沫板保护防止直接挤压钢轨扣件损伤扣减保护层。不需要在底座板上打眼至埋植钢筋,使用更为方便。


7  砂浆搅拌

砂浆拌制前按要求对进场的原材料进行型式检验、进场检验确保原材料治疗满足技术条件要求。砂浆搅拌车加料、搅拌车计量系统校验、操作、搅拌系统检查。拌制阶段首先回流储料箱内的乳化沥青,以保证储料箱内的乳化沥青均匀一致。然后确定砂浆施工配合比参数,,测定板腔厚度,计算搅拌方量,。并根据既定的搅拌程序和参数,确定的投料次序,设定各阶段的吧搅拌速度与搅拌时间等搅拌工艺参数,确认拌制工艺参数准确无误后,启动砂浆车运行按钮搅拌。砂浆车持续生产,拌合完毕砂浆由搅拌仓卸料至成品仓,再由中转仓使用吊车上桥,运输过程中转仓持续搅拌。桥上运输距离不宜太远。

8  砂浆质量检验

砂浆搅拌均匀后,放入成品仓后持续低速搅拌,观察砂浆的均匀性,然后去一定数量的砂浆,按照(科技基[2008]74号)规定,检验检验砂浆温度、流动度、含气量、表观密度等指标。满足要求可用于灌注施工。并照此工艺参数进行下一盘砂浆拌制。

为了保证拌合砂浆质量的稳定性,砂浆搅拌过程中有操作、检验人员及时对砂浆车送料、计量校核,原材料的储存、运输、每次拌制的砂浆数量、砂浆车出料仓的检查等关键点进行严格执行。

9  砂浆灌注施工

铺好防污染布和灌注用PVC管的安装、板腔厚度测量、环境温度、板腔温度、原材料温度和砂浆温度的测量等灌注前的准备工作,砂浆采用吊车吊装上翘桥上小斗车运输到位。灌注开始计时,灌注时砂浆的灌注速度控制“慢—快—慢”当边角处的排气孔正常流出砂浆,且砂浆关注孔页面高于轨道板底10~15cm时,关闭阀门,停止灌注并记录灌注结束时间。

当砂浆从排气孔中溢出时,不要立即封堵,待流出砂浆正常、且全断面外溢时,封堵排气孔。为防止流出砂浆污染桥面,可在砂浆流出时采用小桶接住。砂浆灌注完成后, 待灌注孔和观察孔砂浆失去流动性时,用勺子即将多余的砂浆舀出,使得孔内砂浆面与轨道板地面在5cm左右,为了保证后续浇注堵孔的混凝土与砂浆的粘结,在砂浆轻度凝结时将“S”钢筋从灌注孔插入砂浆中,同时保证有足够的混凝土保护层厚度。持续灌注时,未使用完的砂浆可添入新拌砂浆通过中转仓搅拌均匀再次使用,施工中断时应将中转仓、灌注管道运回地面清洗干净,方便下次使用。

10  砂浆养生

水泥乳化沥青砂浆施工温度5~35℃,养护采用自然养护,温度较低时可使用土工布覆盖轨道板保温养护。自然养护时需要对灌浆孔和观察孔加盖,防止雨水进入。


11  拌制工艺信息储存

每个工作班按要求经施工日期、计量数据、拌制砂浆的体积、砂浆温度、搅拌工艺参数和轨道板编号等信息及时存入数据储存,没工作或工作日打印批量报告。

12  砂浆灌注注意事项

12.1  原材料仓储的基地建设

施工现场每隔10~15km设置一个储料基地,同时考虑材料的降温、保温等措施。乳化沥青的储存时间不宜大于3个月,乳化沥青储罐应配有搅拌设备,定期对乳化沥青进行搅拌,使其均匀。使用前,应对乳化沥青搅拌均匀。严禁采用回流的方式搅拌乳化沥青,干粉料储藏必须具有防潮措施,储存期不能超过一个半月。

12.2  板腔预湿

板腔的潮湿度直接影响灌注砂浆的质量好和坏,施工前一定要对板腔充分湿润。并有专业技术人员检查,形成记录。

12.3  砂浆搅拌与灌注

砂浆搅拌一定按规定的搅拌参数拌合,并及时复核。灌注人员严格赞着灌注工艺施工。

12.4  灌浆后承压时间要求

施工现场必须按要求制作同条件养护试件,同条件养护强度达到1MPa时方可拆除轨道板校正装置,强度达到3MPa时方可承重。

12.5  灌注前,依据材料供应商技术服务单位提供的理论配比,经过工艺性灌板试验形成不同环境温度条件下的施工配合比,魂精温度发生较大变化时,必须重新进行工艺性试验形成此条件下的施工配比。

12.6  砂浆灌注时,出料口距轨道板顶面0.5~1.0m,灌注过程中,应对各个排气孔进行观测,所有排气孔连续冒出饱满砂浆时,方可对排气孔就进行封堵。同时仔细观察灌浆孔内砂浆表面高度变化情况,确保砂浆面高于轨道板地面且不再回落时,方可停止灌注。

13  结束语

水泥乳化沥青砂浆在京沪高速铁路土建六标路基、桥梁上使用,技术试验人员进行了大量的工艺试验,保证了砂浆的质量。提醒我们注意的是,由于砂浆组成材料是有机材料和无机材料的混合物,砂浆的性能随着环境温度、搅拌工艺、灌注工艺等的变化而发生较大的变化,使灌注后砂浆出现泌水、分层、表面及断面有大气泡,甚至砂浆表面有沥青析出等现象,要求我们必须针对不同的条件进行工艺性灌、揭板试验,总结出不同条件下的配方,才能满足高速铁路施工的实际需要。

参考文献:

[1] 《客运专线铁路CRTSⅡ轨道板水泥乳化沥青暂行技术条件》 北京: 中国铁道出版社,2009.

[2] 《板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆施工技术培训教材》北京 中国铁道出版社,2009.

作者简介:陈宝良(1965—),工程师,主要从事Ⅰ、Ⅱ级铁路和高速铁路路基填筑与施工质量控制研究以及高性能混凝土新材料、新技术的研究应用。


标签:技术中心沥青混凝土
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