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CA砂浆在CRTSI型无砟轨道板施工中的应用10.08.doc

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CA 砂浆 CRTSI 型无砟 轨道 施工 中的 应用 1008
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1CA砂浆在CRTS I型无砟轨道板施工中的应用中铁十七局一公司 张旭洁摘要:高速铁路是我国交通建设发展的重要方向。无砟轨道具有结构整体性与稳定性好以及修量少的优点,是铁路高速化的发展方向。板式轨道是一种先进的无砟轨道结构形式,它由混凝土道床、CA砂浆层、轨道板等部分组成,其中CA砂浆是用于轨道板与混凝土道床之间的结构层,主要起支承轨道板、缓冲高速列车荷载的作用。本文主要介绍了CA砂浆的性能、施工过程控制、常见的质量问题及应对措施。1、CA砂浆的简介及种类简介:水泥沥青砂浆(cement asphalt mortar,简称 CA 砂浆)是高速铁路 CRTS 型板式无砟轨道的核心技术,是一种由水泥、乳化沥青、细骨料、水和多种外加剂等原材料组成,经水泥水化硬化与沥青破乳胶结共同作用而形成的一种新型有机无机复合材料。水泥沥青砂浆是一种利用水泥吸水后水化加速乳化沥青破乳,由水泥水化物和沥青裹砂形成的立体网络。它以乳化沥青和水泥这两种性质差异很大的材料作为结合料,其刚度和强度比普通沥青混凝土高,但是比水泥混凝土低。其特点在于刚柔并济,以柔性为主,兼具刚性。水泥沥青砂浆填充于厚度约为 50mm 的轨道板与混凝土底座之间,作用是支承轨道板、缓冲高速列车荷载与减震等作用,其性能的好坏对板式无砟轨道结构的平顺性、耐久性和列车运行的舒适性与安全性以及运营维护成本等有着重大影响。CA 砂浆已逐渐成为板式无砟轨道道床材料的最佳选择。种类:目前,我国使用的水泥沥青砂浆有两种,分别是用在 CRTS I 型板式无砟轨道上的CRTS I 型 CA 砂浆和用在 CRTS II 型板式无砟轨道上的 CRTS II 型 CA 砂浆。 砂浆类型 有机物含量 组成 乳化沥青 性能特点CRTS I 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CRTS II 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表 1 CRTS I 型 CA 砂浆和 CRTS II 型 CA 砂浆的比较2、CA 砂浆特性CA 砂浆由水泥、乳化沥青、细骨料(砂) 、混合料、水、铝粉、各种外加剂等多种原材料组成,2其基本配方为:水泥 225 kg,膨胀混合物 45kg,乳化沥青 480kg,砂 600kg,铝粉 0.04kg,消泡剂0.15kg,引气剂 2.5kg,水 105kg。CA 砂浆作为板式轨道混凝土底座与轨道板间的弹性调整层,是一种具有混凝土的刚性和沥青的弹性的半刚性体。CA 砂浆是板式无砟轨道预制轨道板与现场灌注的混凝土底座间的调整层,CA 砂浆固化后可以作为轨道板全面支承的垫层,应具有足够的强度、必要的弹性、可施工性、可保养性和可维修性,CRTSⅠ 型 CA 砂浆的配制与灌注施工技术是板式无砟轨道关键技术之一。3、主要技术性能指标与试验方法CA 砂浆的主要性能有:力学性能、工作性能、物理性能和耐久性,CRTS I 型 CA 砂浆的技术要求见表 2。序号 项 目 单 位 指标要求1 砂浆温度 ℃ 5~402 流动度 s 18~263 可工作时间 min ≥304 含气量 % 8~125 表观密度 kg/m > 13001d > 0.107d > 0.706 抗压强度28dMPa> 1.807 弹性模量(28d) MPa 100~3008 材料分离度 < 1.09 膨胀率 % 1.0~3.010 泛浆率 % 011 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%。12 耐候性 无剥落、无开裂、相对抗压强度不低于 70%。表 2 CRTS I 型 CA 砂浆的技术要求在工程应用中,测试的内容主要有:干料的扩展度、干料的抗压强度和水泥沥青砂浆的膨胀率、扩展度、流动度、分离度、含气量、力学性能、抗冻融性、抗疲劳性等性能。33.1、力学性能为满足轨道动力学和长期运行的要求,硬化砂浆应具有以下性能:较大的弹韧性,能长期承受冲击荷载作用较高的延展性,能适应轨道板的温度变形适宜的抗压强度,能抵抗局部过大荷载作用稳定的长期性能,能保持力学特性。(1)抗压强度为提高 CA 砂浆抗初期冻害性,提高施工工效,设计中,相应地对不同龄期的强度提出要求。CA 砂浆抗压强度试验采用“单轴压缩法”进行。试件为 70.7×70.7×70.7mm 的立方体,利用压力试验机以每 min 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。(2)弹性模量在 CA 砂浆的强度指标范围内,在配制各种砂浆配方的试验中,进行了大量试验,确定砂浆28d 的弹性模量范围在 200~600MPa 之间。CA 砂浆弹性模量试验方法与抗压强度基本相同,试件为 70.7×70.7×220mm 的棱柱体,利用压力试验机以试件变形 0.5mm/min 加载速率匀速加载,加载最大值为抗压强度的 1/3。由于 CA 砂浆具有一定的塑性,弹性模量试验曲线实际上为一螺旋线,试验中取第四次加载曲线起始点的割线斜率为该试件的弹性模量。3.2、工作性能为满足充填层灌注施工,新拌砂浆应具有以下性能:较宽的温度适应性,能在不同的季节施工较大的流动性,能在自重力作用下流平 良好的匀质性,不离析、分层良好的稳定性,不破乳、气泡不上浮适宜的可工作时间,流动度变化不大。(1)流动度与可工作时间CA 砂浆流动度与可工作时间是保证板式轨道 CA 砂浆现场灌注施工质量的重要指标。为确定CA 砂浆流动度指标,试验采用容积为 640ml 的特制漏斗进行测定,将拌和好的砂浆注入漏斗、自打开出口开始,至砂浆全部流出所经历的时间,即为流动度。适宜的流动度对于砂浆的性能与灌注质量非常重要,流动度过小,砂浆材料会出现离析,影响其强度和耐久性;流动度过大,砂浆粘稠,就难以将轨道板与基础间的空隙填充密实,影响其强度和耐久性,直接影响灌注质量。结合大量试验,确定流动度指标在 16~26s 范围内。影响 CA 砂浆流动度的因素很多,在拌和方式、投料顺序一定的条件下,流动度随温度、外加4剂、主要原材料的配合比、水灰比的变化而不同。CA 砂浆的可工作时间是指 CA 砂浆处于规定的流动度范围内所经历的时间,考虑到现场从砂浆拌和站配制好、运输过程、灌注作业所需要的时间,规定 CA 砂浆的可工作时间不少于 30min。CA 砂浆流动度的试验采用“漏斗法”进行。将配制好的砂浆注入漏斗内,打开出口阀门,同时开始计时,砂浆从漏斗全部流出所经历的时间,即为砂浆的流动度——t(以 s 计)。可工作时间的试验方法与流动度相同,但同一试样每隔 5min 做一次,并绘出流动度曲线,既流动度与累计时间的对应关系。砂浆在流动度设计范围内所经历的时间即为砂浆的可工作时间——T(以 min 计)。(2)材料分离度保证 CA 砂浆固化体的匀质性,采用材料分离度作为匀质性评价的指标,借鉴国外板式轨道CA 砂浆与我国前期试验的结果,确定 CA 砂浆的材料分离度在 3%以下。材料分离度试验采用“等分法”进行测定。3.3、物理性能(1)膨胀率CA 砂浆灌注后固化,一般会产生 2--3%的收缩,直接影晌板底砂浆的填充效果,为此设汁中必须考虑在原材料中添加适量的膨胀剂使砂浆产生膨胀。膨胀率的大小应严格控制,膨胀率过小,轨道板与砂浆层之何会产生空隙;膨胀率过大,会将状态调整好的轨道板抬起,直接影响轨道的高低、轨向等线路几何状态。考虑砂浆灌注后伸缩,设计中要求 CA 砂浆膨胀率应控制在 1 一 3%之内。 CA 砂浆膨胀率采用量筒、游标卡尺进行测定。将配制好的 CA 砂浆注入容积为 250ml 带刻度的量筒内,其上加上一块玻璃板,用深度游标卡尺测量灌注时和放置 24h 后玻璃板至砂浆表面的高度 H0 和 H24。膨胀率的计算如下式: 膨胀率(%)=0.000314×(H 0-H24)×D 2, 其中 D 为量筒的内径,结果精确至 0.1% 。 (2)空气含量在 CA 砂浆的配制过程中导入适量的微小气泡,可提高抗冻性,这种气泡可缓和 CA 砂浆层内的自由水等受冻害膨胀时产生的冻晶压力,根据日本铁路的研究结果,空气含量达 8%以上时,抗冻害性有显著的提高,但若超过 16%,砂浆层的密实度降低,影响其抗压强度。为此,设计中将空气量控制在 8~12%范围内。5在 CA 砂浆内导入空气后,相应地要采取添加适量的消泡剂以及采用特殊的拌和方法等措施,以提高 CA 砂浆的质量。空气含量的试验主要是实测砂浆试件的单位容积的重量。为得出空气量的大小,在砂浆配制前,称量砂浆所用原材料的重量,了解原材料的比重,从而计算出砂浆理论单位容积重量。3.4、耐久性能硬化后的水泥乳化沥青砂浆的耐久性能主要有两项指标——抗冻性和耐候性,要求在 300 次快速冻融循环试验后,砂浆的相对动弹模量不得小于 60%,质量损失不得大于 5%;500 小时的人工加速耐侯试验后,无剥落、开裂,且相对抗压强度大于 70%。(1)抗冻性抗冻性是衡量硬化后砂浆垫层抵抗冻融循环破坏的能力,采用快速冻融法测量。冻融破坏是多孔性工程材料在正负温不断循环作用下的主要破坏形式之一,它与材料的吸水率、抗拉强度、弹韧性密切相关。施工时,可通过严格控制砂浆的组成配比、含气量、匀质性和灌注质量等措施,保证砂浆垫层的抗冻性,必要时,可采取封边处理,降低砂浆垫层的吸水率,提高抗冻性。(2)耐候性耐候性主要衡量硬化后砂浆垫层抵抗大气环境中光、热老化作用的能力,采用人工加速耐侯试验来评价。由于水泥乳化沥青砂浆中沥青含量较大,而沥青受光、热作用,会发生老化现象,导致砂浆垫层变硬变脆,弹性模量升高,抗压强度下降。目前,主要通过聚合物改善沥青的抗光、热老化性能,以保证砂浆垫层的耐候性。4. CRTSⅠ型板 CA 砂浆的施工板式无砟轨道结构中砂浆垫层的力学性能与耐久性能不但取决于水泥乳化沥青砂浆的组成与配比,而且在很大程度上取决于施工性能与现场施工质量控制,水泥乳化沥青砂浆是一种施工敏感性材料,施工操作的各个环节均将影响到板式轨道结构中弹性砂浆垫层的力学与耐久性能。所以,现场施工操作非常重要。4.1、CRTS Ⅰ型板式轨道结构中砂浆垫层的灌注施工在板式无砟轨道工程施工时,用合适的搅拌设备拌制砂浆,采用灌注工艺,灌注到预制混凝土轨道板与混凝土底座间约 40~50mm 厚的间隙中,凝固成满足性能要求的砂浆垫层。CRTSⅠ 型板式轨道结构中的砂浆垫层主要采用袋注法进行灌注施工,施工工序有:轨道板安6装与定位、灌注袋铺设与定位、水泥乳化沥青砂浆拌制与输运、砂浆灌注与保养、砂浆垫层灌注质量检测等,现场拌制与灌注作业流程如图 4-1 所示。灌注质量检测轨道板安装与定位 砂浆拌制与输运砂浆灌注与保养灌注袋铺设与定位 砂浆灌注与保养图 4-1 CRTSⅠ型板式无砟轨道结构中砂浆垫层的施工工序4.2、总体施工方案乳化沥青水泥砂浆用专用砂浆搅拌机进行现场拌制,采用袋注法工艺进行灌注施工,其现场拌制与灌注作业流程如图 4-2 所示。原材料检验 拒绝入仓不合格合格入仓储存砂浆搅拌机载运车送料车计量、输送搅拌机中拌制砂浆施工、物理性能检测 不合格 倒入废料罐计量称准确度校核 施工配比合 格合格砂浆灌注施工取样 试件成型、养护 力学与耐久性能检测灌注饱满度检验板下垫层厚度测量砂浆体积计算图 4-2 现场拌制与灌注施工作业流程图74.2.1、CA 砂浆的搅拌CA 砂浆的搅拌是用水泥沥青砂浆搅拌机进行的,材料的加入是按 A 型乳剂—水( 聚合物、消泡剂) —细骨料(砂) 、铝粉—混合料 CAA—水泥—AE 剂的顺序进行的,材料的投入通常都是仔细地进行的,A 型乳剂和水泥一经接触就开始反应,为有效的利用可注入时间,而把水泥的加入放在最后进行,因为铝粉的用量是微少的,为防止投入铝粉时发生飞散现象,在投入之前最好与砂料掺合之后再投入,水泥的加入以分散加入为最好,为此,应在搅拌机投料口上安置一个用 6mm 左右的钢筋制成的孔径为 10cm 的钢丝网罩,或者像用落水管送入那样为宜,另外,材料的计量以重量计量为原则。A、搅拌机旋转速度砂浆的强度依搅拌机的旋转速度和拌和时间的不同而受影响,尤其是在夏季高温时,这种影响是被确认的。虽然依搅拌机的性能而多少有些差别,但通常是搅拌机的旋转速度越大,并且拌和时间越长,强度就越降低,这是需要注意的。B、拌和时间CA 砂浆的拌和状态,因依搅拌机的性能而异,所以预先应用实际使用的搅拌机进行拌和试验,以确保砂浆所需质量的技术要求。就事先确保的技术性能,为能得到 CA 砂浆所需的质量,要考虑搅拌机的旋转次数、拌和时分、注入时适当的流动性(流动时间 18~26s) ,可用时分、气温和砂浆温度的关系等。4.2.2、低温时的 CA 砂浆施工因为我国东北地区冬天气温低,为防止填充层免受冻害的影响,应选择具有良好的抗冻性和耐久性的 CA 砂浆用于秦沈客运专线高架桥上的板式无碴轨道工程,并要求施工过程中遵循以下规定:CA 砂浆中的乳剂的使用温度为 5~30℃,搅拌温度以 10~25℃为标准。在低温施工时,为了达到这种温度需要加热原材料、容器保温、还要有防风设备,并采用一系列供热手段,以达到施工可能,得到要求的 CA 砂浆性能。低温时,砂浆拌和的温度要使用 10℃以上的材料,沥青 A 乳剂保持在 50℃ ,与水泥混合时在 30℃以下是必要的。采用温水,砂水要不受雪冻、雨水,用罩布盖好保管为好。水泥可原状使用,不能直接加热、与高温水接触。乳剂桶、搅拌机、管道。软管等以及保温材等都用罩布覆盖为好,养生时最好盖上罩布,并采用积极手段,从外面加热的方法等。84.2.3、 CA 砂浆的现场灌注砂浆运输采用桥上运输方式,砂浆拌制好后,将拌制好的砂浆排入中转料斗中,用 25T 吊○ 1车将中转料斗吊装上桥,并放置在在桥 上等待的四轮农运车,由农运车将装有砂浆的中转料斗运送至灌浆现场。砂浆在运送过程中要不断的搅拌,当运送车到达灌注现场后,要 使砂浆高速搅动,再将砂浆排入灌注漏斗中。CA 砂浆灌注前应确认轨道板高程及平面位置是否满足设计要求,检查支撑螺栓的受力状态○ 2及其紧固程度,合格后才可进行灌注作业,灌注作业须经质检工程师及驻地监理工程师签字认可。 适度对流入灌注漏斗的砂浆进行搅拌, (目的是减少砂浆的气泡,使浆液均匀)灌注漏斗与○ 3灌注软管相连,打开灌注漏斗与灌注软管间连接放料阀门,使砂浆流入灌注软管,同时打开灌注软管与浇口袋相连阀门,使砂浆通过浇口袋自然流进灌注袋内。砂浆应缓慢连续灌注,防止产生气泡。在灌注过程中要安排 专门人员观测轨道板状态,不○ 4得出现拱起、上浮现象,禁止踩踏轨道板。当砂浆注入灌注袋一半量时,应降低灌注速度,直至灌注袋砂浆充分填充(避免轨道板下面出现空隙) 。并按规定制作砂浆性能试验试件。 确认灌注袋的端部及四角已经充分填充, 如有支撑螺栓稍有松动,则即刻停止灌注,扎紧○ 5灌注袋口,在浇口袋多留一些砂浆(补充用) 。分离灌注软管与浇口袋,用木块垫起灌注袋口,用木板将浇 口袋竖起(与地面成 45 度角) 。 在砂浆凝固前,要分次将袋口内砂浆挤入灌注袋,同时观察灌注袋四角是否饱满。浇口袋○ 6的砂浆不够时,从灌注漏斗再输送一些砂浆进行补充灌注。砂浆挤入结束后,用 U 型夹具封住浇口,如果发生灌注袋破 损有砂浆溢出的情况,量少○ 7时用铁线夹止漏,量多时,用沥青苫布进 行修补。灌注结束后及时清洗设备,对设备进行维修及保养。○ 8中转料斗及灌注设备在高温季节要进行覆盖,不要在太阳下暴晒,当温度过高时,应采取○ 9降温措施。如施工中出现临时中断作业或灌注作业完毕后,应及时彻底清洗砂浆车及中转料斗、等灌○10注设备。 灌注砂浆时,每个灌注袋应一次灌注完成。CA 砂浆的灌注应充分饱满。○11雨天不宜进行灌注作业。灌注作业过程中如出现降雨,应及时加盖防雨篷布,避免灌注袋○12淋湿。9施工现场严禁烟火。○134.3、灌注施工质量的影响因素砂浆垫层的灌注施工质量受多种因素的影响,这些因素有原材料质量、新拌砂浆的性能、灌注工艺与方法、施工与环境条件等。水乳化沥青砂浆的原材料种类较多,乳化沥青、砂、水泥和水等基本组分材料,以及掺量较少的各种添加剂组分材料的质量均会影响到砂浆垫层的灌注施工质量。新拌砂浆的流动度、匀质性、稳定性和含气量,尤其是气泡孔径等均对砂浆垫层灌注饱满度、匀质性与稳定性产生重要影响。灌注施工工艺与方法的影响因素有物流方式、施工机具、灌注速度、灌注袋铺设、灌注后处理等。环境条件主要有温度和雨水等。4.3.1 充填饱满度的影响因素砂浆垫层充填饱满度的影响因素主要有新拌砂浆的流动度、可工作时间、砂浆的膨胀率、一次性灌注的砂浆量、垫层厚度和平整度等。影响垫层饱满度的关键是新拌砂浆达到灌注工点进行灌注作业时的流动度,流动度太小,饱满度难以达到 100%充填,因此,应该从砂浆倒运距离、所需时间长短等,选定砂浆搅拌机出来后的流动度。为了保证饱满度,要求一块板下的垫层应一次性灌注饱满,不得进行二次灌注,因此,一次搅拌的砂浆量必须大于一块板下垫层灌注的所需量。灌注袋是由无纺纤维布制成的,有许多孔隙。在砂浆灌注到支撑螺栓抬起松动时,灌注袋受轨道板的压力,灌注袋会渗出少量的水,如果渗出的水量较少,对饱满度影响不大,如果渗出的水量较多时(渗出水的体积大于砂浆的膨胀率) ,则会影响垫层充填饱满度。垫层厚度较小时,砂浆在轨道板与底座板间隙或灌注袋内流动的阻力较大,当砂浆的流动度较大时,容易导致垫层的两头和四个角充填不饱满。因此,当垫层厚度较薄时,应选择流动度较小的砂浆灌注。10图 43 砂浆垫层灌注饱满断面均匀一致 表面均匀一致、不吸水图 44 砂浆垫层的断面与表面情形4.3.2、匀质性的影响因素影响砂浆垫层匀质性的主要因素有新拌砂浆的匀质性、稳定性、含气量、气泡孔径尺寸和流动度。新拌砂浆的匀质性不好,则灌注的砂浆垫层无疑是不均匀的,因此,新拌砂浆的匀质性是保证砂浆垫层匀质性必要条件。新拌砂浆的稳定性不良,即砂浆灌入垫层后直到凝结硬化的这段时间内不能保持其匀质性,也不能保证砂浆垫层的匀质性,因此,砂浆的稳定性是保证砂浆垫层匀质性的充分条件。新拌砂浆的含气量过大,尤其是孔径较大的气泡较多时,这些大气泡容易上浮在砂浆垫层的表面或中间层积聚,形成气泡夹层或表层,或形成气泡积聚区,造成垫层匀质性不良。因此,应严格控制新拌砂浆的含气量和气泡孔径。4.3.3、密实性的影响因素砂浆垫层的密实性受到新拌砂浆含气量、气泡孔径、拌制用水量和灌注施工作业的影响。
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