CA砂浆在哈齐客运专线上的应用研究待议.docx
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CA砂浆在哈齐客运专线上的应用研究待议
CA砂浆在哈齐客运专线中的应用研究
一、研究背景及意义
1.1国内外研究现状
随着铁路交通的快速发展，高速铁路板式无砟（或称无碴）轨道近年来在我国有了较大的发展。
板式无砟轨道是当今高速铁路无砟轨道的主要结构形式之一，其自动化水平高，施工方便，材料均匀性好，性能稳定，便于维修，是一种很有发展前途和值得推广的轨道结构。
目前国际上应用最为成熟板式轨道结构有两种:
日本新干线板式轨道（简称CRTS一I型）与德国博格板式轨道（简称CRTS一Ⅱ型）。
我国时速350km/h己建成的京津城际铁路以及正在修建的京沪高铁铁路采用的是CRTS一Ⅱ型轨道结构，哈大线和沪宁城际铁路采用的是CRTS一I型轨道结构。
板式无砟轨道设计特点之一是混凝土基床与轨道板之间浇注一层约30mm~50mm厚的水泥沥青砂浆（cementasphaltmortar，以下简称CA砂浆）作为垫层，支承预制的钢筋混凝土轨道板，为高速行车荷载作用提供优良的降噪、减振及耗散损伤力等性能，确保板式轨道高速行车的安全性和舒适性，在板式无砟轨道中起着重要的作用。
目前针对CA砂浆材料领域的科研工作开展较多，“十一五”科技支撑计划和863课题已将高速铁路无砟轨道用CA砂浆立项研究。
但我国CA砂浆仍依赖国外发达国家成型工艺技术，自主创新研发的力度尚不足；此外，大部分研究集中在室内试验阶段，依托的工程实体运营时间较短，对研究成果的检验还需要较长的时间。
同时，材料性能评价体系的研究工作中也缺乏强有力的基础数据作为依托，致使现阶段我国可用于设计时速高达350Km/h以上较为完备的CA砂浆工艺成套技术还不成熟，尤其砂浆配合比设计方法、CA砂浆性能评价、CA砂浆施工工艺等领域科研力量尚有不足，对高速铁路CA砂浆现场施工工艺及质量控制方法还没有可完善的标准，给我国高速铁路大规模的建设和发展造成一定的技术障碍。
因此，现阶段投入科研力量深入开展高速铁路无砟轨道用CA砂浆材料应用关键技术的研究工作对解决我国高速铁路的发展瓶颈，适应我国高速铁路长远规划，提升我国铁路运输在世界铁路运输行业的地位意义重大。
1.2项目背景
哈齐客运专线——哈齐客运专线是黑龙江省第一条开建的省内客运专线。
也是黑龙江省三大城市增进交通的重要快速干道。
哈齐客运专线起点为哈尔滨站经哈尔滨北、肇东、安达、大庆东（龙凤）、大庆西（让胡路）、泰康、红旗营东、终点在齐齐哈尔南站。
经过哈尔滨，大庆，齐齐哈尔三个地级城市。
哈齐客运专线投资估算总额为312.41亿元，由铁道部和黑龙江省各出资50%。
已于2009年7月5日开工建设，工程建设期为4年。
预计于2013年建成并投入使用。
哈齐客运专线正线全长286公里，设计时速为300公里/小时，轨道间距5.0米，预留提高为350公里/小时的行车条件。
为保证客运专线高速列车行驶时噪音低，震动小降噪、并减小运行过程对轨道的损伤，同时确保板式轨道高速行车的安全性和舒适性，复线电气化铁路，采用国际上先进的无砟轨道。
因此，研究CA砂浆在哈齐专线中的配制及应用显得尤为重要。
二、CA砂浆的特性及技术要求
2.1CA砂浆的特性
2.1.1CA砂浆的组成及结构特点
CA砂浆是由水泥、沥青乳液、砂、外加剂等多种材料组成的一种有机无机复合材料。
砂浆的硬化基体是由沥青形成的连续相包裹着水泥水化产物和细骨料形成的一种复杂的三维网状结构。
CRTSI型CA砂浆的原材料组分比例如图1所示，水化后CA砂浆的微观结构如图2所示。
孔隙
（10％）
水泥
（23％）
水
（13％）
沥青
（30％）
细砂
（24％）
图1CA砂浆材料组成图2CA砂浆微观结构
2.1.2CA砂浆的分类
CA砂浆使用乳化沥青和水泥这两种性质差异很大的材料作为结合料，具有刚柔并济的特点，以柔性为主，兼具刚性。
根据乳化沥青类型及水泥和乳化沥青的搭配比例的不同，CA砂浆可分为两类，具体情况如表1所示。
表1CA砂浆类别及性能特点
砂浆类型
有机物含量
组成
乳化沥青
性能特点
CRTSI型
30%
水泥和乳化沥青的用量相当
阳离子型
强度、弹性模量低；环境敏感度高
CRTSII型
≤15%
以无机材料为主
阴离子型
强度弹性模量高；性能主要是水泥的基本特征
2.1.3CA砂浆的技术要求
为指导客运专线板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆的生产、施工及质量检测，确保工程施工质量，国内铁科院、清华大学等研究机构已经制定了《客运专线铁路板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》，对CRTSI型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆以及CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆，具体技术性能要求如表3、表4所示。
表3CRTSI型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆技术要求
序号
项目
单位
指标要求
试验方法
1
砂浆温度
℃
5～40
棒状温度计法
2
流动度
s
18～26
附录A1
3
可工作时间
min
≥30
4
含气量
％
8～12
附录B1
5
表观密度
kg/m3
>1300
6
抗压强度
1d
MPa
>0.10
附录C1
7d
>0.70
28d
>1.80
7
弹性模量（28d）
MPa
100～300
附录D1
8
材料分离度
％
<1.0
附录E1
9
膨胀率
％
1.0～3.0
附录F1
10
泛浆率
％
0
附录G1
11
抗冻性
300次冻融循环试验后，相对动弹模量不得小于60％，质量损失率不得大于5％。
附录H1
12
耐候性
无剥落、无开裂、相对抗压强度不低于70%。
附录I1
表4CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆技术要求
序号
项目
单位
性能指标要求
试验方法
1
拌合物温度
℃
5～35
温度计
2
扩展度①
/
D5≥280mm和t280≤16s
D30≥280mm和t280≤22s
附录E2
3
流动度
s
80～120
附录F2
4
分离度
%
≤3.0
附录G2
5
含气量
%
≤10.0
附录H2
6
单位容积质量
kg/m³
≥1800
锥形瓶
7
膨胀率
%
0～2.0
附录C2
8
抗折强度
1d
MPa
≥1.0
附录I2
7d
≥2.0
28d
≥3.0
9
抗压强度
1d
MPa
≥2.0
7d
≥10.0
28d
≥15.0
10
弹性模量（28d）
MPa
7000～10000
附录I2
11
抗冻性（28d）
/
外观无异常，剥落量≤2000g/m²，
相对动弹模量≥60%
附录J2
12
抗疲劳性（28d）
/
10000次不断裂
附录K2
注：
①D5表示砂浆出机扩展度；D30表示砂浆出机30min时的扩展度；t280表示砂浆扩展度达280mm时所需的时间。
三、配合比设计
配合比应根据适当选取原材料，通过计算、试配、调整等步骤选定。
不同水泥沥青砂浆配合比设计原则不同。
3.1CRTSI型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆设计原则
（a）水泥用量宜在250～300kg/m3之间。
（b）水灰比宜不大于0.90。
（c）乳化沥青（含聚合物乳液）与水泥的比值应不小于1.40。
3.2CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆设计原则：
（a）水泥用量宜不小于400kg/m3。
（b）乳化沥青与水泥的比值宜不小于0.35。
（c）水灰比宜不大于0.58。
四、原材料
4.1CRTSI型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆
（1）沥青
应选用重交通道路石油沥青，其性能应符合表4.1的要求，用于生产沥青的原油宜固定。
表4.1沥青的技术要求
序号
项目
单位
指标
试验方法
1
针入度（25℃，100g，5s）
0.1mm
60～100
JTJ052－2000
2
延度（5cm/min，15℃）
cm
>100
3
软化点（环球法）
℃
42～54
4
闪点（COC）
℃
≥230
5
含蜡量（蒸馏法）
%
≤2.2
6
密度
g/cm3
≥1.0
7
溶解度（三氯乙烯）
%
≥99.0
8
薄膜加热试验后的残留物
（163℃，5h）
质量损失
%
≤0.6
针入度比（25℃）
%
≥50
延度（15℃）
cm
≥50
（2）改性沥青
沥青可采用SBS或SBR进行改性，其主要性能应分别符合表4.2－1、表4.2－2的要求。
用于生产改性沥青的沥青性能应满足表4.1的要求。
表4.2－1SBS改性沥青技术要求
序号
项目
单位
指标要求
试验方法
Ⅰ-A
Ⅰ-B
Ⅰ-C
Ⅰ-D
1
针入度（25℃，100g，5s）
0.1mm
≥100
≥80
≥60
≥40
JTJ052
－2000
2
针入度指数PI
≥-1.0
≥-0.6
≥-0.2
≥+0.2
3
延度（5℃，5cm/min）
cm
≥50
≥40
≥30
≥20
4
软化点（TR＆B）
℃
≥45
≥50
≥55
≥60
5
运动粘度（135℃）
Pa.s
≤3
6
闪点（COC）
℃
≥230
7
溶解度
％
≥99
8
离析，软化点差（℃）
℃
≤2.5
9
弹性恢复（25℃）
％
≥55
≥60
≥65
≥70
10
薄膜加热试验后的残留物
（163℃,5h）
质量损失
％
≤1.0
针入度比（25℃）
％
≥50
≥55
≥60
≥65
延度（5℃，5cm/min）
cm
≥30
≥25
≥20
≥15
表4.2－2SBR改性沥青技术要求
序
号
项目
单位
指标要求
试验方法
Ⅱ－A
Ⅱ－B
Ⅱ－C
1
针入度（25℃，100g，5s）
0.1mm
>100
80~100
60~80
JTJ052
－2000
2
针入度指数PI
≥-1.0
≥-0.8
≥-0.6
3
延度（5℃，5cm/min）
cm
≥60
≥50
≥40
4
软化点（TR＆B）
℃
≥45
≥48
≥50
5
运动粘度（135℃）
Pa.s
≤3
6
闪点（COC）
℃
≥230
7
溶解度
％
≥99
8
粘韧性
N·m
≥5
9
韧性
N·m
≥2.5
10
薄膜加热试验后的残留物
（163℃，5h）
质量损失
％
≤1.0
针入度比（25℃）
％
≥50
≥55
≥60
延度（5℃，5cm/min）
cm
≥30
≥20
≥10
（3）乳化沥青
应采用满足要求的沥青或改性沥青进行生产，其主要性能除应满足表4.3的指标要求外，还必须满足水泥沥青砂浆的最终性能。
表4.3乳化沥青的主要性能指标要求
序号
项目
单位
指标要求
试验方法
1
外观
浅褐色液体、均匀、无机械杂质
JC/T797
2
颗粒极性
阳
JTJ052－2000
3
恩氏粘度（25℃）
5～15
4
筛上剩余量（1.18mm）
％
<0.1
5
贮存稳定性（1天，25℃）
％
<1.0
6
贮存稳定性（5天，25℃）
％
<5.0
7
低温贮存稳定性（－5℃）
（1）
无粗颗粒或块状物
8
水泥混合性
％
<1.0
9
蒸发残留物
残留物含量
％
58～63
针入度（25℃，100g）
0.1mm
60～120
溶解度（三氯乙烯）
％
>97
延度（5℃）
（2）
cm
≥20
延度（15℃）
cm
≥50
注：
（1）当乳化沥青实际使用中经过低温贮存和运输时，进行此项检测。
（2）当采用改性沥青制备乳化沥青时，进行此项检测。
（4）聚合物乳液
采用高分子聚合物乳液，其主要性能应符合表4.4的指标要求。
与乳化沥青混合时，应具有良好的相容性，不得产生凝聚、破乳等现象。
表4.4聚合物乳液的主要性能指标要求
序号
项目
单位
指标要求
试验方法
1
密度
g/cm3
1.0±0.1
GB4472－84
2
不挥发物
％
45±3
GB/T20623－2006
3
水泥混合性
％
<1.0
JTJ052－2000
（5）水泥
采用强度等级不低于42.5的硅酸盐水泥或快硬硫铝酸盐水泥，其技术要求应符合GB175或JC933的规定。
（6）细骨料（砂）
应采用河砂、山砂或机制砂，不得使用海砂。
细骨料应为最大粒径小于2.50mm的岩石颗粒，不得包含软质岩、风化岩石的颗粒，其它技术要求应符合表4.6－1的规定。
表4.6－1细骨料的性能指标要求
序号
项目
单位
指标要求
试验方法
1
细度模数
1.4～1.8
JGJ52－2006
2
表观密度
g/cm3
≥2.55
3
吸水率
％
<3.0
4
泥块含量
％
<1.0
5
含泥量
％
<2.0
6
有机物（比色法）
比标准色浅
7
氯化物含量
％
<0.01
细骨料宜烘干后使用，颗粒级配宜符合表4.6－2的要求。
在贮存和运输过程中，应采取措施防止雨淋、杂物混入。
表4.6－2细骨料的颗粒级配要求
序号
筛孔尺寸（mm）
过筛物的质量百分比（％）
筛余物的质量百分比（％）
1
2.36
100
0
2
1.18
90～100
0～10
3
0.60
60～85
15～40
4
0.30
20～50
50～80
5
0.15
5～30
70～95
（7）膨胀剂
宜采用硫铝酸钙类膨胀剂，除初凝时间应大于60min外，其它性能应符合JC476的规定。
（8）水
拌和水应符合JGJ63的规定。
（9）铝粉
宜采用鳞片状铝粉，其性能应符合GB/T2085.1的规定。
（10）消泡剂
宜采用有机硅类消泡剂。
（11）引气剂
宜采用松香类引气剂。
（12）干料
主要组成成分应分别满足上述原材料的规定要求。
五、CA砂浆检验试验方法？
？
CA砂浆灌注方法结合日本提供的资料和秦沈客运专线《无砟轨道工程施工技术细则》（试行）内容编写。
ф70
参照日本的规范，为确保水泥沥青砂浆
施工过程保持质量稳定，在施工中需要对以
下指标进行试验和确认。
国外试验项目及方420
法如下：
（1）流动度（流动时间测量）450
水泥沥青砂浆的流动时间测试，采用说明图单位：
mm
所示J10负荷方法进行检测。
（2）含气量30
把采集的样品（未凝固的水泥沥青砂浆）ф10
放入三角长颈的规定容器中，计量容器中样品水泥沥青
的重量，求单位容积质量。
含气量计算公式如下：
砂浆流动时间测试方法
含气量（%）=
理论容积质量—实测容积质量
×100
理论容积质量
理论容积质量=
各材料的质量总和
各材料的（质量/比重）的总和
（3）强度
水泥沥青砂浆抗压强度试验采用“单轴压缩法”进行。
将经过流动度试验的砂浆注入ф50mm×50mm的圆柱体模型内，做成试件。
在试件达到龄期（1d、7d、28d）后，测量试样承压面的尺寸，准确至0.02mm，取3次平均值；利用压力试验机以每分钟试件变形0.5mm加载速率匀速加载,当压力不再上升时停止加载,其压力最大值即为该试件在各龄期时的抗压强度。
每次试验取三个试件,三个试件强度的算术平均值作为该组试件的强度。
每组试件共6个，分别测量1d、7d、28d的强度。
试件养护条件为（20±2）℃、RH65%±5%。
（4）泛浆
将水泥沥青砂浆采集到聚乙烯袋内，24h之后目视观察是否泛浆及材料分离。
（5）膨胀率
每天一次，把灌注前的水泥沥青H
砂浆用量筒取样250ml，如右图中所示卡尺
用游标卡尺测量从玻璃板到水泥沥青砂浆玻璃板
表面的深度H0，24h后再测量深度H24，H
根据结果通过下面的方程式算出膨胀率250ml量筒
膨胀率（%）=0.000314（H0—H24）·D2CA砂浆
式中D—量筒的内径（mm）；
H0—抽样调查之后的试件表面深度（mm）；
H24—24h后试件表面深度（mm）；膨胀率试验
（6）弹性模量
弹性模量试验方法与抗压强度基本相同，试件为ф50mm×50mm的圆柱体，利用压力试验机以每分钟0.5mm加载速率,匀速加载,加载至抗压强度的1/3后开始卸载,卸载速度与加载速度相同,如此重复三次试验,以第四次加载曲线的数据计算弹性模量.
（7）材料分离度
材料分离度采用”等分法”进行测定。
制作ф50mm×50mm的圆柱体砂浆试件，在砂浆龄期达28d后，将其分成上、下两等分，分别称重，计算其单位容积的质量。
材料分离度见下式：
材料分离度（%）=
下部单位容积质量—上部单位容积质量
上下部平均单位容积质量×2
（8）耐久性
将流动度试验合格的水泥沥青砂浆拌和10min后，注入40mm×40mm×160mm的模型中，一次成型8组试件，每组试样3个，试件标准养护8d后，将其中4组试件放入快速耐久试验箱的试样夹具架，并将其插到转鼓上，按人工气候箱的操作规程开动机器，按试验条件进行试验，当照射时间为500h。
同时将另外4组的对比试件继续标准养护。
当照射时间分别为0、100、300、500h时，检查试件外观变化情况，并分别对被照射试件和同龄期未被照射的标准试件进行抗折试验。
按下式计算不同照射时间时的水泥沥青砂浆的相对抗折强度：
R=R1/R0×100%
式中R1——不同照射时间被照射试件的抗折强度值（Mpa）；
R0——不同照射时间时相同时段标准养护试件的抗折强度值（Mpa）；
R——不同照射时间时试件的相对抗折强度（%）；
试样的抗折强度值取每组三个试件抗折强度的算术平均值，即R=（R1+R2+R3）/3。
水泥沥青砂浆的试验时间和频率见下表：
各项目试验时间及频率表
类别
试验项目
试验时间
频率
水泥沥青砂浆
搅拌温度
灌注前
每盘
流动度
灌注前
每盘
含气量
灌注前
每盘
泛浆
当天第一次灌注时
1日1次（24h后）
膨胀率
当天第一次灌注时
1日1次（24h后）
强度
当天第一次灌注时
1日、7日28日
根据德国提供的资料，混凝土支承层（未硬化）密实度不应低于98%。
根据德国普氏密实度的规定（DIN18127的规定）来进行测定。
五、CA砂浆生产工艺
⑴投料顺序
水泥沥青砂浆原材料应严格按照施工配合比要求进行准确称量，称量最大允许偏差（按重量计）应符合下列要求：
乳化沥青±1%、干料±1%、外加剂±0.5%、拌合用水±1%、消泡剂±0.5%，具体投料顺序如下图7所示
图9CA砂浆投料顺序
⑵搅拌工艺
拌制前做好对原材料检验、给砂浆车料仓加料、砂浆车各系统检测准备工作。
拌制阶段首先回流储箱内的乳化沥青，以保证储箱内的乳化沥青均匀一致。
然后确定砂浆配比参数（根据施工气温，按现场流动性试验结果调整外加剂的加入量），测量板腔厚度，计算搅拌方量。
并根据既定的搅拌程序和参数，确定投料顺序、设定各阶段的搅拌速度与搅拌时间等拌制工艺参数，输入砂浆车的控制操作系统。
在确认拌制工艺参数准确无误后，启动砂浆车的运行按纽，砂浆车将按照输入的各参数和既定程序，自动投料拌制砂浆。
图10CA砂浆拌制工艺图
六、CA砂浆灌注施工技术
⑴灌注前的准备
做好防污染布（防止砂浆外溢，污染底座板）和灌注用的PVC管安装、板腔厚度测量、环境温度、板腔温度和砂浆温度的测量等灌注前的准备工作；成品砂浆的运输可通过中转料斗吊车吊送到作
图11CA砂浆的灌注
业点位，吊在空中，人力稳定中转罐，进行灌注作业。
中转料斗中的砂浆必须满足连续灌注一块轨道板的需要量的要求。
⑵灌注
开始灌注速度慢,观察中间灌注孔,当灌注液面超过轨道板底面约2～3cm后,加快灌注速度，保持液面高度在轨道板底面以上,防止外界空气进入，保持匀速灌注。
观察两边灌注孔及排气孔，当液面高度超过轨道板底面约2～3cm后应稍减慢速度（因为此时砂浆已经扩展到整个底座板范围,此后灌注过程皆为上部排气过程所以速度不宜过快过快则容易将气泡裹入,气泡无法排除；也不宜太慢:
太慢则影响灌注速度,四角及周边不易灌注到位）。
此时中间排气孔已经开始少量冒浆,继续观察。
当位于四边端部的排气孔开始冒浆时（此时中间排气孔已经满断面冒浆,观察无气泡冒出时及时封堵中间两个排气孔），此时应减慢灌注速度,方便气体排出。
当排气孔已经满断面冒浆且无气泡冒出时,封堵排气孔。
当灌注孔液面高度高于轨道板底高度10-15cm时，关闭阀门，停止灌注。
⑶CA砂浆养护
在水泥沥青砂浆施工中，要求灌板时施工温度在5℃～35℃范围内才能进行施工作业。
CA砂浆的养护一般采取自然养护，如果环境温度低于0℃时，则应采取额外的措施，搭建保温棚。
当水泥沥青砂浆膨胀完成后，可拆除压紧装置，当水泥沥青砂浆抗压强度达到1.0Mpa时，可拆除精调千斤顶。
生产及施工工艺参照京石客专JS2标CRTSⅡ型板式无砟轨道工程
CA砂浆灌注施工作业指导书
进一步计划：
1.特别对寒冷地区CA砂浆的具体要求进行描述？
2.寒泠地区施工CA砂浆需要什么特殊材料（PL乳液？
？
）
3.各项试验的试验方法？
如：
采用什么样的试件进行抗压强度试验、弹性模量试验、磨具情况？
强度低，什么时候拆模？
？
？
4.需要买入那些试验设备、设备型号、设备价格？
？
5.方案设计、技术路线？
？
6.施工工艺流程？
？
？
？
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