新建鐵路線CA砂漿施工質量控制的研究

谷坤鵬，王成啟

(中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032)

新建鐵路線采用板式無砟軌道結構。板式無砟軌道結構是60年代在日本新干線高速鐵路上發展起來的一種新型軌道結構(見圖1)，與普通鐵路相比，無砟軌道具有高穩定性、少維修、壽命長的優點，并在國外高速鐵路獲得了廣泛應用。這種新型軌道結構從根本上取消了傳統軌道的軌枕和道床，改用預制的鋼筋混凝土板(稱軌道板)直接支撐鋼軌，并在軌道板與路基或橋隧建筑物基底上澆筑的混凝土基礎板之間填充水泥瀝青砂漿(CA砂漿)墊層，成為一種全面支撐的板式軌道結構。CA砂漿彈性調整層是板式無砟軌道結構的關鍵組成部分，主要起到支撐調整和緩沖協調的作用，軌道結構對砂漿性能主要有以下要求:①良好的施工性能，能滿足灌注施工、充填飽滿的要求;②良好的彈韌性和高延展性，滿足軌道動力學要求;③足夠的耐久性，滿足服役環境的使用要求。CA砂漿是由多種原材料配合并經復雜的攪拌工藝攪拌而成，灌注后的CA砂漿彈性調整層的性能對各種原材料的性能、攪拌工藝和施工工藝等依賴程度很高，各種原材料性能、攪拌工藝和施工工藝的微小變化均可對CA砂漿彈性調整層的性能造成很大的影響。

圖1 板式軌道結構示意

本文針對CA砂漿這一新型建筑材料的特殊性，從原材料、配合比、攪拌工藝和施工控制等方面展開大量的研究，確定了CA砂漿的配合比和攪拌工藝，并提出了CA砂漿施工質量控制要點。

1 原材料

CA砂漿原材料包括乳化瀝青、聚合物乳液、消泡劑、引氣劑、鋁粉、膨脹劑、水泥、水和砂等9種原材料，原材料種類繁多，且原材料之間相互制約，各種原材料的品質都將直接影響CA砂漿的最終性能，因此各種原材料的優選是保證CA砂漿順利施工的基礎。

CA砂漿原材料中乳化瀝青、聚合物乳液、消泡劑、引氣劑、鋁粉、膨脹劑、水泥和水八種原材料均由供應商提供成品原材料，但砂由于對細度模數和級配要求較高，難有現成的砂滿足施工要求。砂的粒徑對CA砂漿的分離度和耐久性有較大的影響，砂細度模數過小，比表面積增大，相同的流動度時需水量增大，耐久性降低;砂細度模數過大，大顆粒含量高，砂子容易沉降，分離度會變大。因此，需進行天然細砂各級篩分，然后按比例復配，最終配制了細度模數為1.55、級配合理滿足要求的砂。砂的級配見表1，原材料的技術性能指標均滿足《客運專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件》［1］及有關文件的規定。

表1 砂顆粒級配

2 現場攪拌設備

3 CA砂漿理論配合比和基準配合比

CA砂漿現場攪拌設備采用秦皇島CA砂漿攪拌車，攪拌車共設置2個粉體料自動稱量添加倉、5個液體料自動稱量添加倉和2個1 m3CA砂漿攪拌鍋，攪拌轉速可在0～120 r/min之間調節，攪拌轉速和時間可根據需要任意設置。對計量系統、攪拌系統、控制系統和灌注系統等進行檢查，確定其滿足攪拌和灌注要求。

3.1 CA砂漿理論配合比

CA砂漿理論配合比是由中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所根據研究結果出具，理論配合比見表2。膠凝材料∶乳化瀝青∶聚合物乳液∶外加水∶砂 =1∶1.25∶0.15∶0.04∶2，引氣劑摻量為 0.4% ，鋁粉摻量為0.07‰～0.12‰，消泡劑摻量為0.4‰，膨脹劑等量取代1%的水泥。

表2 CA砂漿理論配合比

3.2 CA砂漿基準配合比

CA砂漿基準配合比是在理論配合比的基礎上，試驗室內選擇合適的攪拌設備與攪拌工藝，進行CA砂漿的攪拌與配制，并對CA砂漿流動性能、含氣量和抗壓強度等性能進行測試，確定了滿足要求的CA砂漿基準配合比，見表3。同時提出了CA砂漿配合比的調整說明:保持乳化瀝青、聚合物乳液、膨脹劑、水泥和砂的用量不變，針對不同的攪拌車、不同的氣候條件，砂漿的拌合用水量、消泡劑、引氣劑和鋁粉的摻量做適當的調整。

表3 CA砂漿基準配合比

4 CA砂漿施工工藝流程

CA砂漿施工工藝要求特別嚴格，CA砂漿施工工藝主要包括軌道板檢查驗收、安裝和調整，CA砂漿灌注袋的鋪設，CA砂漿的拌合、性能試驗、灌注、養生和質量檢查等。每個環節對CA砂漿的質量均有很大的影響，任一環節不滿足規范要求，均不能進行下一環節的施工。特別是在CA砂漿拌合后的性能試驗時，CA砂漿的溫度、流動度和含氣量等任一性能不能滿足要求，均不得進行CA砂漿的灌注;另外在CA砂漿養生后的質量檢驗與驗收時，如不能滿足《客運專線鐵路無砟軌道充填層施工質量驗收補充標準》［2］時，需重新進行CA砂漿的灌注施工，確定的CA砂漿施工工藝流程見圖2。

5 攪拌工藝的優化試驗研究

5.1 基準攪拌工藝

圖2 CA砂漿施工工藝流程

CA砂漿是一種多組分的混合體，良好的攪拌工藝是保證CA砂漿質量的基礎。CA砂漿的攪拌工藝主要包括:加料順序、攪拌速度(指中速和高速)和攪拌時間，加料順序對CA砂漿的攪拌均勻性及整體性能有很大的影響，加料順序不當可使CA砂漿內部攪拌不均勻，形成水泥團顆粒，直接影響CA砂漿的整體性能;攪拌速度和攪拌時間主要影響CA砂漿的含氣量和氣泡直徑分布，攪拌速度過快或攪拌時間過長，會產生大量氣泡，使CA砂漿含氣量過大，而且微氣泡容易聚集成大氣泡，降低CA砂漿的力學及耐久性能;攪拌速度過慢或攪拌時間過短，引入的氣體不夠，使CA砂漿含氣量過小。

根據CA砂漿原材料的性能、CA砂漿攪拌車自身的特性和室內試驗結果，基準攪拌工藝如下:①攪拌車加料順序、原材料用量和攪拌工藝設置。人工稱量鋁粉、膨脹劑和5 kg砂，拌合均勻;②攪拌速度調至低速30 r/min;③依次加入乳化瀝青、聚合物乳液、水、消泡劑，攪拌30 s;④提高轉速至中速80 r/min，依次加入水泥和砂;⑤人工加入拌勻的鋁粉、膨脹劑和5 kg砂;⑥加入引氣劑;⑦提高轉速至高速115 r/min并攪拌5 min;⑧調至低速30 r/min并攪拌5 min。

5.2 攪拌工藝的試驗設計方案

保持加料順序不變，設計了不同的攪拌速度和攪拌時間進行工藝性試驗。攪拌速度的中速范圍為50～90 r/min，攪拌速度的高速范圍為90～115 r/min，攪拌時間范圍為3～8 min，具體 CA砂漿攪拌工藝的試驗設計方案見表4。

5.3 試驗結果及分析

按表4中不同的攪拌工藝進行CA砂漿的攪拌，測試CA砂漿的各項性能，并在攪拌結束后進行灌注試驗，控制單塊板的灌注時間在6～10 min內完成，1 d后揭板觀察灌注后CA砂漿的質量。根據試驗結果，優選攪拌工藝，CA砂漿的工藝優選試驗及結果見表5。

表4 CA砂漿攪拌工藝的試驗設計方案

表5 CA砂漿攪拌工藝型式試驗結果

由試驗結果可知，按編號為 XH-1～XH-5等攪拌工藝進行CA砂漿的拌制并灌注，灌注后的CA砂漿均出現了不同程度的上表面聚集較多的大氣泡和砂漿分層問題。而當攪拌中速降至60 r/min、攪拌高速降至110 r/min、高速攪拌時間為5min時，即按編號為XH-6的攪拌工藝進行拌制并灌注，灌注后的CA砂漿上表面氣泡少且直徑較小，砂漿上下分布均勻，可有效消除CA砂漿上表面的大氣泡聚集，解決砂漿分層問題。

攪拌速度和攪拌時間對CA砂漿含氣量、灌注后的氣泡量、氣泡大小及分布有很大的影響。攪拌速度越高、攪拌時間越長，CA砂漿的含氣量就越大，同時CA砂漿內部氣泡直徑也越大，而氣泡直徑越大，氣泡越易上浮，從而造成灌注硬化后的CA砂漿上表面聚集大量的大氣泡和砂漿上下分層問題。因此，在保證CA砂漿含氣量、灌注后的各項性能滿足要求的同時，應盡量降低攪拌速度和縮短攪拌時間。

5.4 初步優化的攪拌工藝

根據試驗結果，初步優化的攪拌工藝如下:①攪拌車加料順序、原材料用量、攪拌工藝設置，人工稱量鋁粉、膨脹劑和5 kg砂，并預混均勻;②攪拌速度調至低速30 r/min;③依次加入乳化瀝青、聚合物乳液、水和消泡劑并攪拌30 s;④提高轉速至中速60 r/min，依次加入水泥和細骨料;⑤人工加入鋁粉、膨脹劑和5 kg砂的混合物;⑥加入引氣劑;⑦提高轉速至高速110 r/min并攪拌5 min;⑧調至低速30 r/min攪拌2 min后取樣檢測并持續攪拌至灌注。

5.5 型式試驗

根據室內試驗及攪拌工藝的優化試驗結果，進行CA砂漿型式試驗，試驗配合比見表6，采用初步優化的攪拌工藝，CA砂漿的攪拌均勻性良好、砂漿溫度為25.4℃、流動度21 s、含氣量為9.6%，以上各項指標均滿足《客運專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件》要求，可進行灌注。灌注1 d后揭板檢驗，CA砂漿飽滿、表面無氣泡，斷面砂漿上下均勻密實，無分層現象，滿足《客運專線鐵路無砟軌道充填層施工質量驗收補充標準》要求，型式試驗結果見表6、圖3。試驗結果表明:此 CA砂漿配合比和攪拌工藝可用于CA砂漿的現場施工。

6 現場施工

2009年9月14日，中交第三航務工程局新建鐵路專線項目部進行CA砂漿正式灌注施工，施工過程中嚴格按有關規范要求進行，CA砂漿基本性能現場檢測結果見表7。CA砂漿的各項性能指標均滿足要求，目前CA砂漿施工順利。

表6 CA砂漿型式試驗配合比

圖3 型式試驗結果

表7 CA砂漿基本性能現場測試結果

7 CA砂漿施工質量控制要點總結

根據現場型式試驗結果及施工狀況，總結了 CA砂漿施工質量控制要點，主要包括原材料質量控制、配合比及攪拌工藝調整控制和施工控制三個方面。

1)原材料質量控制

①應按有關文件對原材料檢驗項目、檢驗數量和檢驗方法的規定，對CA砂漿的各項原材料的性能指標進行檢測，檢測結果需滿足相關文件的規定。

②由于乳化瀝青宜分層或破乳，故應根據要求對乳化瀝青進行定期的攪拌。

③由于鋁粉的摻量極低，如采用干料預混的方式，鋁粉不易在干料中攪拌均勻，建議鋁粉在攪拌CA砂漿時人工摻入。

④細骨料的細度模數對CA砂漿最終的分離度性能影響很大，建議將CA砂漿的細度模數嚴格控制在1.4～1.6。

⑤各種原材料的保存條件和保存時間也應滿足要求。

2)配合比及攪拌工藝的調整控制

現場施工時，可針對不同的氣候條件和不同批次的原材料，根據CA砂漿的含氣量、膨脹率和攪拌均勻性等具體情況，在CA砂漿配合比允許調整的范圍內對拌合用水量、消泡劑和鋁粉三個配合比參數做適當的調整;可根據CA砂漿的含氣量和攪拌均勻性等性能對攪拌工藝參數進行適當的調整。但CA砂漿施工配合比及攪拌工藝的調整應由相關技術人員進行。

3)施工控制

①環境溫度對CA砂漿的性能影響很大，溫度過高時CA砂漿的可工作時間不能保證，溫度過低時，CA砂漿的強度和膨脹性能不能保證，施工環境溫度應保證在5℃ ～35℃范圍內，當天最低氣溫低于－5℃或下雨天，全天不得進行灌注。

②CA砂漿攪拌車應符合有關文件規定，應由經過專業培訓的人員進行操作。

③CA砂漿攪拌車拌制的CA砂漿溫度、含氣量或流動度任意一項性能指標不能滿足要求時，不得進行CA砂漿灌注。

④單塊板CA砂漿灌注時，砂漿應一次連續流入灌注袋，不得夾入氣泡。

⑤灌注速度對CA砂漿的灌注飽滿度有很大的影響，灌漿口處的液面高度過低或過高，砂漿灌注速度慢或快，均易使CA砂漿灌注不飽滿，產生氣泡，故為保證合適的CA砂漿灌注速度，自由傾落高度不宜大于1.5 m，單塊板灌注時間保持在6～10 min較為合適。

⑥灌注結束后20～45 min內，將灌注口內的砂漿擠入灌注袋，直至軌道板的支撐螺栓稍微松動。

［1］中華人民共和國鐵道部.客運專線鐵路 CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［2］中華人民共和國鐵道部.客運專線鐵路無砟軌道充填層施工質量驗收補充標準［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［3］何彥甫，陳孟強，陳建男.CRTSⅡ型板式無砟軌道用 CA砂漿配方設計及質量控制技術［J］.鐵道建筑，2008(增):97-100.

［4］楊德軍.CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿施工技術［J］.鐵道建筑，2010(1):42-44.