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轨道板用聚合物封锚砂浆的试验研究
混凝土轨道板用聚合物封锚砂浆的试验研究
研究报告
二〇一一年七月
目录
一、项目来源1
二、国内外概况1
三、项目研究特点与重难点2
3.1项目研究的特点2
3.2研究的重难点3
四、关键技术及创新点4
4.1关键技术4
4.2创新点4
五、项目主要研究内容5
5.1轨道板用聚合物封锚砂浆试验5
5.1.1聚合物封锚砂浆原材料优选5
5.1.2聚合物封锚砂浆配合比设计及性能8
5.1.3聚合物封锚砂浆施工工艺优化14
5.2聚合物封锚砂浆的成本分析18
六、项目研究进展情况20
七、经济与社会效益21
7.1经济效益21
7.2社会效益21
八、结论22
九、附件22
附件1科技查新报告23
附件2聚合物封锚砂浆强度检验报告31
附件3聚合物封锚砂浆耐久性检验报告35
附件4经济社会效益证明40
附件5用户证明41
一、项目来源
板式无砟轨道混凝土轨道板（以下简称轨道板）封锚材料初期采用C40无收缩混凝土，随着无砟轨道技术的迅速推广应用和铁路建设高峰的到来，混凝土轨道板生产技术不断改进，轨道板封锚材料由无收缩混凝土改进为聚合物封锚砂浆。
2009年以前，混凝土轨道板生产工艺为轨道板脱模后入水养护，养护至规定龄期后进行张拉、封锚。
近年来，为了满足轨道板生产工艺需要，轨道板脱模后即进行张拉作业，张拉完成后即进行封锚，封锚后大约3小时内入水养护3天以上，因此，封锚砂浆必须具备凝结快、高抗渗、低收缩的特性，以保持聚合物砂浆结构在迅速入水养护后不被破坏并保证预应力筋、锚具不被侵蚀且符合封锚砂浆各项技术指标，从而满足轨道板制造工艺要求。
目前市场销售的轨道板封锚砂浆销售价格昂贵，部分封锚砂浆技术指标不能满足技术条件相关要求，且封锚后轨道板入水即逐渐出现现锚穴内封锚砂浆剥落、掉渣的现象。
为了节约成本，改善轨道板封锚后砂浆结构的稳定性并保证轨道板封锚质量，自主研制满足产品暂行技术条件和制造工艺要求的快凝聚合物封锚砂浆显得非常必要。
二、国内外概况
国外在聚合物砂浆的研究应用方面要早于国内，特别是美国、英国、德国、日本等国家在10年前便制定了聚合物改性水泥砂浆的标准试验方法。
我国对于聚合物砂浆的研究和应用已有30多年的历史，主要在水利水电、港口、桥梁、隧道、铁路、公路、市政工程等混凝土结构缺陷与破损的修补、混凝土表面防渗、防腐处理及冻融剥蚀的修补、新老混凝土界面处理中得到广泛应用。
聚合物砂浆用于混凝土轨道板封锚在日本新干线板式无砟轨道早已应用，而国内混凝土轨道板生产应用较晚，由于聚合物砂浆具有良好的黏结、防水、耐腐蚀性能，且国内工程行业应用广泛，2008年7月发布的《客运专线铁路CRTSI型板式无砟轨道混凝土轨道板暂行技术条件》（科技基[2008]74号）（以下简称技术条件）明确使用聚合物砂浆用于轨道板封锚，并提出了轨道板封锚砂浆技术性能要求和封锚砂浆试件成型方法。
该技术条件发布后，市场出现了成品封锚砂浆，因其使用方便也得到了使用单位的认可，但该产品普遍存在封锚砂浆施工性能满足施工要求但各龄期强度不满足技术要求的现象，轨道板封锚质量不能得到有效保证。
另外，技术条件规定的封锚砂浆试件成型方法现场操作困难，且成型的封锚砂浆试件强度离散性大，轨道板实际封锚质量缺乏简单有效的验证方式。
三、项目研究特点与重难点
3.1项目研究的特点
（1）聚合物封锚砂浆的技术要求不同于普通建筑砂浆，其具有“早强、高强、低收缩、低有害物质含量及高抗渗性能”的特点，其技术性能要求见表3.1：
表3.1封锚砂浆的性能要求
序号
项目名称
性能要求
1
抗压强度（MPa）
1d
≥40
7d
≥50
28d
≥60
2
抗折强度（MPa）
1d
≥5
7d
≥7
28d
≥9
3
抗渗性能
≥P20
4
收缩率（%）
≤0.02
5
氯离子总含量
不应超过胶凝材料总量的0.06%
（2）轨道板制造采用张拉封锚后即入水养护的工艺，封锚砂浆必须满足产品施工工艺要求，这是项目的一个特点。
3.2研究的重难点
（1）所用材料需就地取材，采买便捷；配制出的封锚砂浆，既要满足技术条件性能要求，还要实现封锚后迅速凝结硬化，并保证入水养护后封锚砂浆整体结构不被破坏，这是本课题研究的重点与难点。
（2）如何做到封锚砂浆方便、快捷成型，满足现场封锚工艺和质量要求，从而确保轨道板产品质量，这是本课题研究的另一重点与难点。
四、关键技术及创新点
4.1关键技术
（1）进场原材料质量必须严格控制，各项指标必须满足质量要求，确保封锚砂浆性能的各项技术指标。
（2）封锚采用空气锤振捣成型，封锚3小时后入水养护，不剥落、不掉渣。
（3）原材料就地取材，采买选取便捷，高速搅拌，砂浆拌合物质量均匀，随拌随用，使用方便。
4.2创新点
（1）聚合物封锚砂浆主要原材料完全使用轨道板生产用材料进行配制，具有取材方便、供应及时、运输费用低等优点。
（2）聚合物封锚砂浆成型后凝结硬化时间缩短在2小时内，满足轨道板封锚后3小时左右入水养护封锚砂浆不散、不掉要求。
（3）改进轨道板封锚砂浆成型方法，完善封锚施工工艺，砂浆密实度高、强度高。
五、项目主要研究内容
5.1轨道板用聚合物封锚砂浆试验
5.1.1聚合物封锚砂浆原材料优选
为满足对封锚砂浆原材料的技术要求，课题组组对轨道板生产使用的原材料进行优选，选用以下材料进行聚合物封锚砂浆试配。
材料的选用原则及质量指标如下：
（1）水泥
虽然封锚砂浆的早期强度要求较高，但是如果水泥中的C3A等早强组分含量偏高会导致水泥水化热大、收缩大、抗裂性下降、抗腐蚀性差，因此早强型水泥大多不利于后期强度发展甚至会影响封锚砂浆耐久性；水泥中氯离子含量过大会影响封锚砂浆的耐久性，造成预应力筋过早锈蚀；水泥中的碱含量不超过0.60%，对限制长期使用过程中的碱骨料反应具有重要意义。
综合以上要求，结合轨道板产品对水泥的要求，本试验采用轨道板产品生产使用的拉法基P·O42.5级水泥，其主要技术参数见表5.1。
表5.1水泥化学指标
项目
规格
F-CaO
（%）
K2O
（%）
Na2O
（%）
R2O
（%）
Cl-（
%）
C3A
（%）
P·O42.5
0.78
0.45
0.24
0.54
0.016
6.43
表5.2水泥物理指标
项目
规格
标准稠度用水量（%）
比表面积（m2/kg）
初凝时间（min）
终凝时间（min）
抗折强度（3d/28d,MPa）
抗压强度（3d/28d，MPa）
P·O42.5
27.2
323
145
200
4.8／7.0
31.9／49.1
（2）细骨料
细骨料对封锚砂浆的耐久性能具有关键作用，因此封锚砂浆严禁使用碱活性骨料。
本试验采用硬质洁净的天然砂，为了保证施工性能和封锚外观质量筛除了2.36mm以上颗粒。
该砂经检验无潜在碱活性，其主要技术参数见表5.3。
表5.3河砂技术参数
序号
检验项目
检测结果
1
含泥量（%）
0.9
2
泥块含量（%）
0.1
3
云母含量（%）
0.1
4
轻物质含量（%）
0.10
5
硫化物及硫酸盐含量（%）
0.01
6
有机物含量
合格
7
坚固性（%）
3
8
Cl-含量（%）
0.002
9
碱活性
岩相法
样品中未发现碱碳酸盐反应活性矿物
快速砂浆棒膨胀率（%）
0.04
（3）高性能减水剂
减水剂可以有效降低封锚砂浆水胶比，提高封锚砂浆早期强度，减少体积收缩。
本试验采用用JD-9聚羧酸系高性能减水剂，其主要技术参数见表5.4.
表5.4高性能减水剂技术参数
序号
检测项目
检测结果
1
水泥净浆流动度（mm）
284
2
硫酸钠含量（%）
1.12
3
氯离子含量（%）
0.008
4
氯化钾（%）
0.64
5
氯化钠（%）
0.96
6
碱含量（%）
1.38
7
泌水率（%）
26.1
8
含气量（%）
3.4
9
常压泌水率比（%）
0
10
压力泌水率比（%）
41
11
坍落度保留值
（mm）
30min
185
60min
155
12
抗压强度比
（%）
3d
161
7d
157
28d
154
13
对钢筋锈蚀作用
无锈蚀
14
收缩率比（%）
103
15
相对耐久性指标（200次，%）
87
（4）聚醋酸乙烯酯乳液
封锚砂浆实际是一种聚合物改性砂浆，因此所用到的聚合物十分重要，掺加一定量的聚醋酸乙烯酯乳液后，水泥基材料的黏聚性、强度、变形性能、抗渗性能、耐久性都会有所改善，改善的程度与聚灰比（固体聚合物的质量与水泥的质量比）、聚合物的品种和性能等有很大关系。
根据实际情况，本试验采用贵州水晶化工股份有限公司生产的GYJTY-50型聚乙酸乙烯酯乳液，该乳液固体含量达50%，氯离子含量0.184%。
（5）无碱高性能速凝剂
无碱高性能速凝剂的使用可以有效缩短砂浆的凝结和硬化时间，28天强度降低小、混凝土耐久性好。
本次试验采用巴斯夫化学建材（中国）有限公司生产的MEYCOSA160无碱高性能速凝剂，其含固量达53.6%，氯离子含量＜0.01%。
（6）拌合用水
拌合用水采用地下水，主要技术参数见表5.5。
表5.5拌合水技术参数
项目
指标
pH
K2O
（mg/L）
Na2O
（mg/L）
R2O
（mg/L）
不溶物（mg/L）
可溶物（mg/L）
Cl-
（mg/L）
SO42-
（mg/L）
8
13
15
24
8
828
70
161
5.1.2聚合物封锚砂浆配合比设计及性能
（1）设计要求
根据技术条件的规定，结合目前轨道板张拉封锚后即入水养护的工艺要求，聚合物封锚砂浆的配制应满足以下要求：
封锚砂浆采用42.5级硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥、筛除5mm以上颗粒的细骨料以及能提高砂浆韧性的聚醋酸乙烯类聚合物乳液等配制；
水泥用量不宜小于800kg/m3，灰砂比不应小于0.50，水灰比不宜大于0.18，聚合物用量（按折固量计）应不小于胶凝材料的2%，水泥、外加剂、水的计量允许偏差为±1%，砂的允许偏差为±2%；
为便于封锚砂浆施工，封锚砂浆应达到“搅拌后成松散状，用手轻握可成团，轻抖能分散”的理想状态；
砂浆振捣密实后3小时内入水养护，应不散落、不掉渣；
技术性能符合技术条件的要求（见表3.1封锚砂浆的性能要求）
（2）配合比设计
根据聚合物封锚砂浆配合比设计要求，结合优选的原材料，采用正交试验设计方案采用L9＿3＿4（3水平4因素表）进行设计，其中设定水泥用量、灰砂比、水胶比、聚合物掺量为影响因素，水泥用量选取800、820、840，灰砂比选取0.55、0.60、0.65，水胶比选取0.14、0.15、0.16，聚合物掺量选取2.5%，3.0%，3.5%，减水剂掺量固定为1.0%。
试验方案见表5.6：
表5.6聚合物封锚砂浆配合比设计方案
编号
水胶比
灰砂比
聚合物掺量
水泥（kg/m3）
聚合物（kg/m3）
细骨料（kg/m3）
水（kg/m3）
减水剂（kg/m3）
A1
0.16
0.55
2.5%
800
40
1455
128
8.0
A2
0.15
0.6
3.5%
800
56
1333
120
8.0
A3
0.14
0.65
4.5%
800
72
1231
112
8.0
A4
0.15
0.55
4.5%
820
73.8
1491
123
8.2
A5
0.14
0.6
2.5%
820
41
1367
114.8
8.2
A6
0.16
0.65
3.5%
820
57.4
1262
131.2
8.2
A7
0.14
0.55
3.5%
840
58.8
1527
117.6
8.4
A8
0.16
0.6
4.5%
840
75.6
1400
134.4
8.4
A9
0.15
0.65
2.5%
840
42
1292
126
8.4
根据表5.6正交试验设计方案，采用技术条件规定的封锚砂浆试验室成型设备及方法进行试验，各试验方案拌合物性能及力学性能如表5.7所示。
表5.7聚合物封锚砂浆拌合物性能及力学性能
编号
拌合物状态
抗折强度（MPa）
抗压强度（MPa）
1d
7d
28d
1d
7d
28d
A1
较差
4.8
6.1
8.9
37.7
51.2
66.1
A2
良
6.5
8.2
10.7
46.1
62.7
73.1
A3
差
6.7
8.3
10.8
43.6
62.4
70.8
A4
较差
7.0
8.6
10.7
47.1
63.5
74.6
A5
差
6.0
6.8
9.0
44.2
59.7
67.1
A6
良
7.1
8.7
11.2
39.7
62.5
70.7
A7
差
6.5
7.2
9.8
44.3
63.6
73.1
A8
良
5.0
6.8
9.1
38.6
61.4
68.9
A9
良
7.0
8.6
11.2
48.5
64.3
74.6
试验结果发现，A3、A5、A7拌合物状态差，由于水胶比过低，导致拌合物可塑性较差，搅拌出的拌合物为松散状，用手紧握无法成团，成型困难；A1、A4拌合物状态较差，由于水胶比过低或聚合物乳液掺量过大，导致搅拌出的拌合物呈团状，成型稳定性较差；A2、A6、A8、A9拌合物状态良好，搅拌后拌合物呈松散粉状，用手轻握可成团，轻抖能分散。
拌合物状态如图5.1所示。
图5.1封锚砂浆拌合物状态
由表5.7分析可知，A1、A6、A8因水灰比过高，1d抗压强度均小于40MPa，抗折强度也未能全部达到技术条件要求，其他试验方案力学性能均符合标准要求；随着水灰比的增大及聚合物掺量的增加，封锚砂浆的工作性得到一定改善，综合封锚砂浆拌合物状态及力学性能试验结果，选取砂浆工作性及力学性能均符合要求的A2、A9进行收缩率、抗渗性试验，试验结果均符合技术条件要求，试验结果见表5.8。
对比A2及A9，结合拌合物性能、力学性能并综合考虑材料成本，选用A9作为基准配合比。
表5.8聚合物封锚砂浆收缩率、抗渗性性能
项目
编号
收缩率（%）
抗渗性
材料成本（元/m3）
A2
0.013
＞P20
950
A9
0.015
＞P20
883
（3）聚合物封锚砂浆的凝结硬化时间
根据正交试验选定的基准配合比，结合实际工程应用中聚合物封锚砂浆因硬化时间过长而导致轨道板入水养护后锚穴部位砂浆脱落、塌陷的现象，研究小组人员多方面收集查阅相关资料后采用掺加速凝剂的方案以获得聚合物封锚砂浆较快的凝结硬化时间。
试验采用选定的基准配合比制作了多组封锚砂浆试件，通过成型后一定时间入水养护的方案来确定掺加速凝剂对聚合物封锚砂浆凝结硬化时间的影响。
比对实验方案采用未掺加速凝剂的聚合物封锚砂浆（方案A）和掺加速凝剂的聚合物封锚砂浆（方案B）进行凝结硬化时间比较，实验方案见表5.9。
表5.9聚合物封锚砂浆凝结硬化时间实验方案
方案
水泥（kg/m3）
细骨料（kg/m3）
速凝剂（kg/m3）
聚醋酸乙烯酯乳液（kg/m3）
高性能减水剂（kg/m3）
水（kg/m3）
A
840
1292
0
42
8.4
126
B
840
1292
33.6
42
8.4
126
模拟实验分别采用A、B方案拌合砂浆试件，在成型后每隔半小时各取一个代表试件完全浸入水中观察试件在水中的外观变化情况。
实验现象表明：
未掺加速凝剂的聚合物封锚砂浆在轨道板封锚施工后8小时入水养护时仍有部分锚穴的封锚砂浆被水浸泡后结构有破坏现象。
比对实验结果表明：
掺加胶凝材料4.0%的无碱高性能速凝剂的聚合物封锚砂浆凝结硬化时间可以控制在成型后1.5小时内，完全满足轨道板封锚工艺的要求。
实验现象见图2~图4。
图2
图3
图4
注：
1、左侧为未掺加速凝剂的聚合物封锚砂浆试件；
2、右侧为掺加4%速凝剂的聚合物封锚砂浆砂浆试件；
3、图2为聚合物封锚砂浆试件成型0.5小时后脱模入水养护后的现象；
4、图3为聚合物封锚砂浆试件成型1.0小时后脱模入水养护后的现象；
5、图4为聚合物封锚砂浆试件成型1.5小时后脱模入水养护后的现象。
（4）聚合物封锚砂浆技术性能
根据聚合物封锚砂浆基准配合比及砂浆凝结硬化时间改进试验，最终选定的聚合物封锚砂浆理论配合为水泥：
聚合物：
细骨料：
水：
速凝剂：
减水剂=840:
42:
1292:
126:
33.6:
8.4。
根据此配合比配制的封锚砂浆各项性能均符合技术条件要求，具体指标见表5.10。
表5.10聚合物封锚砂浆的性能指标
序号
项目名称
性能要求
实测值
1
抗压强度（MPa）
1d
≥40
52.2
7d
≥50
65.3
28d
≥60
74.7
2
抗折强度（MPa）
1d
≥5
7.3
7d
≥7
8.5
28d
≥9
11.1
3
抗渗性能
≥P20
≥P20
4
收缩率（%）
≤0.02
0.016
5
氯离子总含量
不应超过胶凝材料总量的0.06%
0.03%
5.1.3聚合物封锚砂浆施工工艺优化
（1）搅拌工艺
封锚砂浆采用行星式胶砂搅拌机拌制，其额定容量不宜小于50L，搅拌机分为低俗和高速两档，低档转速不宜小于100r/min，高档转速不宜小于250r/min，按照选定的设计配合比及搅拌机的允许容量称量各种原材料。
首先将水泥、聚合物乳液、水和减水剂一次性加入搅拌锅内慢速搅拌60s，然后高速搅拌120s，搅拌过程应注意使干料与水之间充分搅拌均匀。
搅拌后可以二次搅拌，但严禁二次加水；发现搅拌锅内拌合物搅拌均匀、颜色一致时，加入砂继续搅拌均匀，拌制出的封锚砂浆应呈松散粉状，用手轻捏可成团，轻抖能分散为宜。
（2）封锚施工及养护
为保证封锚砂浆水化后形成的锚块与轨道板锚穴的粘接强度，在封锚砂浆填压前必须对锚穴进行凿毛，凿毛深度应≥4mm，应采用高压气清孔，保证锚穴内无油污、浮浆、杂物和积水等。
填料封锚前，应向锚穴内喷涂可提高砂浆粘接强度的界面剂，及时填料，防止界面剂挥发、干燥。
填料时应采用加料器盛装适量砂浆，将加料器前端下边缘紧贴轨道板锚穴下口边缘（如图5所示），然后用空气锤将料顶入锚穴内分层填压，采用空气锤对砂浆进行高频振捣压实。
图5封锚砂浆填料
空气锤频率不小于1000HZ，振捣力不小于60KN，振捣次数不得少于3次，每次不少于20s,如果表面出现缺陷，可补抹一层砂浆，再用空气锤振捣压实即可。
封锚成型后应确保封锚锚体表层四周与锚穴紧密结合、无肉眼可见缝隙存在（如图6所示），并应进行外观检查：
封锚成型密实，指压应无明显变化；
成型表面平整、光洁、无明显坑洞缺陷；
封锚成型表面凹入轨道板锚穴表面深度宜小于4mm。
封锚施工完成后，表面及时喷涂养护剂，轨道板表面搭覆湿布、不定时洒水保湿，待封锚施工完成一定时间内后方可可入水养护，但应保证在入水前，封锚砂浆已具有一定强度，在入水后无剥落、掉渣等情况发生。
图6封锚砂浆外观效果图
（3）试件成型
技术条件中要求封锚砂浆的试件成型应采用空气锤振捣，捣头截面尺寸为38mm×40mm。
目前各轨道板生产单位在制作封锚砂浆试件时采用空气锤利用38mm×40mm截面捣头成型试件的方式不易成型且试验数据离散性大。
为了满足聚合物封锚砂浆成型工艺与现场一致且保证每组砂浆试件振动均匀、密实，研究小组利用水泥胶砂试模改造加工制作了封锚砂浆成型工装（卡套一件、压实块三个），以保证砂浆试件的密实。
成型工装由空气锤、空气压缩机、一个成型卡套和三个压实块组成，压实块尺寸为157mm×38mm×40mm。
如图7~图9（图7为卡套，图8为压实块，图9为空气锤）。
图7卡套
图8压试块
图9空气锤
聚合物封锚砂浆成型时将卡套卡在水泥胶砂试模正上方，将封锚砂浆均匀倒入套盒及胶砂试模内，并将聚合物封锚砂浆收至与套盒表面齐平。
将三块压实块分别准确放置于套盒内采用空气锤分别冲击压实25秒钟至砂浆不再下沉后取出卡套，封锚砂浆试件成型设备及工艺图片见图10，实践证明采用该工装振捣成型的试件离散型小，数据稳定可靠。
图10砂浆试件振捣压实成型
5.2聚合物封锚砂浆的成本分析
（1）聚合物封锚砂浆各种材料单价如下表：
材料名称
水泥
河砂
减水剂
聚醋酸乙烯酯乳液
无碱高性能速凝剂速凝剂
水
规格
P·O42.5
中粗砂（筛除2.36mm以上颗粒）
JD-9
GYJTY-50
MEYCOSA160
地下水
到场价格（元/吨）
450
160
6500
5500
5500
1.1
轨道板混凝土使用中粗河砂采购价格120元/m3，由于聚合物封锚砂浆使用的细骨料需筛除2.36mm以上颗粒，实测2.36mm累积筛余不大于20%，故2.36mm以下河砂可利用率按0.80计；
聚合物封锚砂浆使用的细骨料需筛除2.36mm以上颗粒，按照人工筛砂考虑，每m3砂需增加80元晒砂及人工筛砂成本；
综合以上因素并考虑5%筛砂损耗，依此计算实际封锚砂浆用砂折个单价：
（120/0.75+80）=240元/m3，折合约160元/吨（砂堆积密度按1500kg/m3考虑）。
（2）聚合物封锚砂浆理论材料用量及容重
水泥（kg/m3）
细骨料（kg/m3）
速凝剂（kg/m3）
聚醋酸乙烯酯乳液（kg/m3）
高性能减水剂（kg/m3）
水（kg/m3）
容重（kg/m3）
840
1292
33.6
42
8.4
126
2342
（3）聚合物封锚砂浆材料成本分析
每立方米聚合物封锚砂浆材料成本：
（840/1000）×450+（1292/1000）×160+（33.6/1000）×5600+（42/1000）×5800+（8.4/1000）×6500+（126/1000）×1.1=1071.219（元）
每吨自主研制的聚合物封锚砂浆材料成本价格：
每立方米聚合物封锚砂浆材料成本/封锚砂浆容重=457.4元
（4）材料成本比较
目前市场销售的聚合物封锚砂浆销售价格普遍在2500～3000元/吨，而自主研制的砂浆材料成本仅457.4元/吨。
按照目前CRTSⅠ型混凝土轨道板为参考，每块P4962（标准板）型轨道板用封锚砂浆30.5kg，按照最低市
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