CA砂漿滲水與硬化性能試驗研究

王榮華

(中國鐵路廣州局集團有限公司,廣東 廣州 510088)

CRTSⅠ型板式無砟軌道具有施工快捷、維修方便等特點[1-3],在我國高速鐵路建設中應用廣泛。充填層水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)是CRTSⅠ型板式無砟軌道結構的關鍵材料之一,是由水泥、乳化瀝青、水和多種外加劑經高速分散形成的大流動度砂漿[4-6],可依靠自重在板腔(長×寬約4 962 mm×2 400 mm)內填充密實,固化后對軌道板起調整支撐作用。

CRTSⅠ型板充填層空腔采用無紡布灌注袋代替模板,大幅提升了CA砂漿施工效率,但無紡布自身具有透氣透水性,新拌CA砂漿灌注后會有水從灌注袋周邊滲出。由于精調爪和壓板裝置的限位,灌注袋持續滲水所需動力主要來源于軌道板自重和砂漿內部膨脹。從理論上分析,砂漿中自由水分的滲出,一方面會提高砂漿的密實度和耐久性,但另一方面會減少板腔砂漿體積,影響板面高程或與板底密貼程度[7-8]。但在工程實踐中,充填層砂漿質量與軌道質量均能滿足驗收要求,理論上的負面影響并未突出體現,導致較多工程技術人員對CA砂漿袋注法施工滲水的影響未引起足夠重視。

本文結合工程實際,并考慮到CA砂漿灌注后滲水指標并不能直接測試,采用灌注小板稱量、量筒法砂漿膨脹測試、滲出物取樣分析等方式,對CA砂漿滲水速率、水中固含量、相關物質成分以及板下砂漿性能等方面進行研究,系統分析了CA砂漿滲水的主要影響因素及對高程與砂漿質量的影響。研究結果可為我國板式無砟軌道充填層施工提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

制備CA砂漿的原材料包括：①慢裂型陽離子乳化瀝青,固含量60%；②干粉料,小于0.075 mm 的顆粒含量約33%；③亞克力TD-08聚合物乳液；④有機硅類消泡劑；⑤松香類引氣劑；⑥符合飲用標準的自來水。

CA砂漿配合比中干粉料按 1 103 kg/m3計算,乳化瀝青∶膠乳∶干粉料∶消泡劑∶引氣劑∶水=1.29∶0.11∶3.0∶0.000 4∶0.004∶0.067。

采用移動式砂漿攪拌車現場攪拌,先加液料(水、乳化瀝青、膠乳、消泡劑),攪拌速度為30 r/min；以轉速80 r/min加干粉料；加引氣劑后以120 r/min高速攪拌120 s,再降至30 r/min攪拌30 s,制備過程結束。

1.2 試驗方法

砂漿膨脹率按照Q/CR 469—2015《高速鐵路CRTSⅠ 型板式無砟軌道用水泥乳化瀝青砂漿 附錄F 水泥瀝青砂漿膨脹率試驗方法》中的量筒法進行測試。

板面上浮量變化用百分表測量,百分表分別放置于板面四角位置。

滲水率試驗中的小板尺寸為600 mm×800 mm×50 mm,鋼板材質,采用螺栓連接調節厚度。小灌注袋灌注飽滿后,略微傾斜置于電子稱上稱量,便于滲出水流走和讀數,滲水率為滲出水質量除以砂漿總質量的百分比。

砂漿吸水率試樣尺寸為φ50 mm×50 mm,浸泡于去離子水中,在規定時間取出,擦干表面明水,稱量,計算砂漿試樣吸水率。

抗氯離子滲透性能按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》,采用電通量法進行測試。

2 試驗結果與分析

2.1 砂漿依時滲水率

采用配套鋼板模擬板腔,制作尺寸為600 mm×800 mm×50 mm的灌注袋,選取天氣預報為19～27 ℃的晴天,按照1.2節中試驗方法記錄滲水數據,測試砂漿滲水率依時變化規律。圖1為小板砂漿滲水率依時變化曲線；圖2為軌道板角上浮量變化曲線。

圖1 小板砂漿滲水率依時變化曲線(晴，19～27 ℃)

圖2 軌道板角上浮量變化曲線

圖1表明,晴天時,試驗小板砂漿滲水率先快速增加,持續約4 h,后緩慢增加并逐漸趨穩。圖2表明,砂漿灌注后,4個板角均有上浮,灌注漏斗中砂漿的水頭壓力是板面上浮的主因；隨后板角上浮量下降,但并不會降至軌道板面的初始高程；板角下降幅度最大約1.8 mm,下降原因在于砂漿滲水。

按照圖1,小板試驗中砂漿滲水率約為4%,若照此估算,則現場板下砂漿體積會大約減少4%,而標準中規定體積膨脹率為1%～3%,兩者相抵,并考慮部分含氣量隨水滲出,則板面將會下降至初始高程之下。但是這與灌注后板面上浮的實際情況完全不符。說明小板滲水試驗具有尺寸效應,其滲水率不能直接表征現場軌道板下砂漿的滲水率。小板尺寸小,受壓時內部自由水容易從四周滲出,而軌道板面積大,僅四周一定范圍內的水分才容易滲出,因而實際施工中滲出水量相對較少,并不足以抵消軌道板上浮量。

2.2 小板滲水率與量筒膨脹率

選取同鍋砂漿,測試晴天時砂漿的量筒膨脹率和小板滲水率。以膨脹率為橫坐標、滲水率為縱坐標作圖,結果見圖3。可知,CA砂漿的滲水率和膨脹率呈現良好的正相關性,擬合曲線的線性相關系數為97%。說明灌注施工后,袋內砂漿滲水的主要動力可能來源于內部膨脹。

圖3 砂漿膨脹率與滲水率關系曲線(晴，6～16 ℃)

2.3 滲水成分

選取常用的2種灌注袋(1號袋相對厚和松軟,2號袋相對薄和密實),并分別對直線段和曲線段的滲水進行取樣,滲水樣自然晾干后,稱量殘留物并計算其固含量,結果見圖4。取適量殘留物用三氯乙烯溶解,抽濾后計算其中可溶物組分(瀝青分量),結果見圖5。對滲出物固體成分進行分析時,采用XRD(X-ray Diffraction)、IR(Infrared Radiation)分析三氯乙烯不溶物具體成分,結果見圖6和圖7。

圖4 不同時間滲水固含量

圖5 滲水固體物的溶解度

圖6 三氯乙烯溶解殘留物XRD分析

圖7 三氯乙烯溶解殘留物IR分析

圖4表明,砂漿灌注后,滲出水中含少量固體物,隨著時間延長,滲出水中固含量逐漸降低,15 min后趨緩,30 min后基本穩定。而現場實際工程中滲出水開始渾濁后期清澈,也能說明滲出水早期固體成分多。不同灌注袋和不同線路工況下,初始滲出水夾帶的固體含量不同,但最終固含量約為3%,其中包含滲出水中無機鹽類在自然干燥過程的結晶體含量。1號灌注袋滲出水固體成分含量多于2號灌注袋,原因可能在于1號灌注袋的無紡布相對松軟些,其纖維間孔隙相應較大,固體成分容易滲出。

圖5表明,滲出水中的瀝青含量隨時間延長逐漸降低,后期趨穩。1號灌注袋滲出水中瀝青含量要高于2號灌注袋。

另外,假設3%固含量全都是滲出物,結合可溶物含量和軌道板四周20 cm寬的滲水區域估算,即使以砂漿車單鍋攪拌最低0.15 m3為基數,滲出總固體物含量僅為約0.15%,若以每塊用量0.6 m3為基數,則滲出物總固含量僅為0.375‰,換算成瀝青或者水泥、砂等,其單一成分滲出物更低,遠低于砂漿車計量偏差1%的要求,因而滲出物對砂漿組成的影響可忽略。

2.4 板下砂漿性能

一種試樣為軌道板下CA砂漿灌注完成28 d后揭板鉆芯取樣,另一種試樣為同一鍋砂漿模具澆注成型并養護28 d后取樣。將2種砂漿試樣進行泡水稱量測試,兩者吸水率依時變化規律如圖8所示。氯離子滲透能力常用來表征水泥基材料的滲透性能,并可間接表征材料的耐久性能,采用6 h電通量指標評價砂漿抗滲性,試驗結果如圖9所示。

圖8 板下鉆芯和模具成型砂漿試樣吸水率

圖9 板下鉆芯和模具成型砂漿試樣電通量

圖8表明,板下鉆芯砂漿試樣浸水1 d時吸水率即趨于穩定,約為0.5%,而模具成型砂漿試樣吸水率隨著浸水時間延長逐漸增大,3 d內增長較快,后吸水率緩慢增長,在7 d時約為2.5%,約為板下鉆芯試樣的5倍。相比模具成型試樣,板下鉆芯砂漿試樣在硬化過程中部分水滲出,有助于提高砂漿密實度,最終增加了板下充填層砂漿的耐久性。

由圖9可知,板下鉆芯砂漿試樣的電通量為210 C,而模具成型砂漿式樣的電通量為710 C,表明現場板下鉆芯試樣耐久性遠好于模具成型試樣,與吸水率試驗結果相吻合。原因在于滲出部分水后,板下砂漿密實度增加,大幅提升了現場砂漿抗滲性和耐久性。

3 結論

1)小板滲水率具有尺寸效應,不能直接表征現場板下砂漿的滲水率,實際施工中滲水量相對較少,并不足以抵消軌道板上浮量。

2)CA砂漿的滲水率和膨脹率呈現良好的正相關性,相關系數約為97%,說明袋內砂漿滲水主要動力來源于內部膨脹。

3)滲出水中含少量固體物,隨時間延長,滲出水中固含量逐漸降低,30 min后穩定,且換算成單一原材料時滲出固體物含量極小,對砂漿組成影響可完全忽略。

4)現場滲出部分水后,板下鉆芯試樣吸水率和電通量均遠小于模具成型試樣,提高了板下砂漿的密實度和耐久性。

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