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1、高速铁路板式无碴轨道用CA砂浆材料与技术 铁路轨道结构分为有碴与无碴两种型式 无碴轨道所显现出的优势 轨道稳定性高 刚度均匀性好 结构耐久性强 维修成本低等 使其成为当今高速铁路发展的主要方向 常用的无碴轨道结构形式有轨枕埋入式 板式 目前 板式轨道结构有日本新干线板式 CRTS I型 与德国博格板式 CRTS II型 两种 板式无碴轨道 CRTS I CRTS II 板式无碴轨道的技术优点 减轻桥梁二期恒载 桥梁 减少隧道开挖面积 隧道 日本新干线板式轨道 德国博格板式轨道 I型与II型板式结构特点比较 两者在设计理念 材料性能上有较大差异 日本新干线板式轨道 1964 1965 1972
2、2007 发展路线图 CA砂浆的作用与功能 CA砂浆 CementAsphaltMortar CAM 是填充于轨道板与混凝土道床之间的一种弹性 缓冲材料结构层 CA砂浆的主要功能 全面支承轨道板调整轨道板安装精度缓冲高速列车荷载 板式无碴轨道的施工工艺 砂浆原料 水泥沥青乳液细砂水其他 砂浆微观结构 砂浆组分比例 CA砂浆的组成与结构特点 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 CA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 显见 I型与II型CA砂浆在组成和结构上有本质的区别 I型CA砂浆的组成结构更复杂 其制
3、备与施工技术的要求更难 I型 II型CA砂浆与聚合物改性水泥砂浆 PMM 比较 沥青乳液颗粒表面带电荷 水泥水化粒子也带电荷 它们之间存在适应性问题 两者体量的相当 增加了组成结构的复杂性 形成互穿网络结构 根据CA砂浆在板式轨道中的作用与功能 其技术要求为 稳定的力学性能和适宜的弹性性能高早强 后期强度稳定 较低的弹性模量高耐候性与耐久性温变适应性 高温抗变形 低温抗冻裂 抗老化与耐疲劳体积稳定性与变形的可控性体积变化的可设计性 长期体积稳定性良好的施工性能高流动性与均质性 优良的自充填与自密实性能 CA砂浆的技术要求 国内外技术发展现状 无碴轨道技术的研发和使用起于上世纪60年代 历经40
4、余年 形成了具有各国特色的系列化 标准化产品 其中日本代表着I型CA砂浆当前的世界水平和主导技术 是目前世界上铺设高速铁路里程最长的国家 已达2700延Km 由于日本所形成的垄断 造成其技术的使用价格昂贵 如专用沥青乳液高达12000元 吨 其相应的CA砂浆则为6000元 m3以上 另一方面 由于CA砂浆是一种对温度气候和原材料适应性很敏感的材料 即使引进和采用日本技术 还存在着与我国气候 严寒 酷暑 温差较大与潮湿地区 与原材料的适应性问题 我国无碴轨道技术研究基本与国外同步 曾研究过几种型式 在铁路干线的隧道和大型客站进行过一些小区段试验 I型CA砂浆技术也在小跨度简支梁桥上进行过试验 通
5、过这些工作 积累了一定的经验 但我国的研究还不深入 不系统 如 尚缺乏I型CA砂浆在大跨度桥梁 土质路基和岔道段的试验 根据有关文献介绍 已有试验也还存在一些需要深入研究的问题 另一方面 过去试验段的设计在时速均小于300km h 而目前高速铁路设计时速已达到350km h 其车辆的冲击更强 频率更高 同时 高速铁路建设规划涉及广阔的高温 温差大 气候更复杂的区域 这对CA砂浆的性能及其总体技术提出了更高的要求 因此 我们必须在引进 消化吸收先进技术和经验的基础上 立足国产化 增强自主创新能力 带动相关产业发展 满足国家重大需求 文献来源 田家升 秦沈客运专线无碴轨道应用情况的比较和分析 石家
6、庄铁道学院学报 2004 17 5 傅代正 黄金田 郑新国 桥上板式无碴轨道CA砂浆施工技术 铁道建筑技术 2006 2 徐振龙 钱振地 秦德进 不同结构形式无碴轨道施工对比分析 铁道建筑 2005 3 徐振龙 王智勇 板式无碴轨道综合施工 铁道建筑 2006 2 金守华 板式轨道用CA砂浆关键技术的研究 铁路客运专线建设技术交流会论文集 2005 1999年在秦沈铁路客运线的双河桥 740m 狗河桥 741m 进行了I型CA砂浆技术的试验 存在的主要问题 CA砂浆中沥青组分的性能不适应使役环境对温度的稳定性 耐高 低温 耐候性 耐候性 抗老化 沥青乳液的质量难符合大规模应用的要求沥青乳液热力
7、学 动力学不稳定 受储运 施工 环境温度影响作用 CA砂浆材料性能设计及质量问题缺乏性能的可设计性 施工性能不佳 耐疲劳性与耐久性不良 施工质量的稳定控制技术难度大原材料 地材 适应性 复杂环境施工技术 质量监控与检测 砂浆在强冲击 高频率荷载作用下的耐久性问题高速列车荷载作用条件变化对材料的抗疲劳性能与耐久性更高的要求 CA砂浆的关键技术 高性能沥青基材的性能设计与改性技术制备出适应我国气候特点与高速列车作用的的高耐候 高弹性恢复率沥青基材 沥青乳化与乳化工艺 装备技术开发解决因热沥青与乳化液之间温差大而导致的乳化过程气化问题 提高乳化质量 沥青乳液颗粒超细化分散技术提高沥青乳液体系的分散性
8、 改善沥青乳液的温度适应性与储运稳定性 水泥水化与沥青破乳胶结过程的匹配设计与控制通过无机材料性能调整 外加剂开发与配比优化 改善沥青乳液与水泥的适应性 高性能CA砂浆的性能 多用途 设计与制备施工技术开发出能适应不同环境条件要求的CA砂浆产品与植被施工技术 CA砂浆的原材料选择 水泥 水泥是CA砂浆中主要的胶结材料之一 同时它的水化又能有效地促进乳化沥青的破乳胶结 因此 水泥对CA砂浆的新拌状态和后期的硬化胶结过程有着重要的影响 要严格选择水泥品种和强度等级 早强波特兰水泥 为此新鲜水泥要妥善保管并贮藏 由于CA砂浆中绝对水灰比较大 且灌注后在24h内需要至少有0 1MPa的强度 因此一般采
9、用早强型普通硅酸盐水泥 强度等级为42 5级及以上 CA砂浆的原料 掺和材 掺合材主要指膨胀剂 常用钙钒石类膨胀剂 其膨胀性能能与水泥 沥青的胶结硬化和后期的强度发展协调一致 而且具有膨胀量合适的优点 有时为了改善制备砂浆的均质性 和易性及其硬化体的力学性能 常添加一些矿物掺和料 如硅灰 粉煤灰 矿渣等 CA砂浆的原料 铝粉 铝粉作为CA砂浆尚未固化前的膨胀剂 适当的铝粉掺量产生体积膨胀足以抵消CA砂浆24h内高达2 3 的体积收缩 在温度和PH值相同的条件下 对铝粉发气具有决定性影响的主要因素是铝粉的纯度 细度和颗粒形状 一般对铝粉提出下列具体要求 CA砂浆的原料 消泡剂 在机械搅拌过程中
10、CA砂浆中往往会引入大量气泡 虽然合理的气泡含量和气孔结构可缓和CA砂浆层内的自由水受冻害膨胀时产生的冰晶压力 提高CA砂浆的抗冻性能 但气泡含量的增加会导致其强度降低 研究表明 CA砂浆合适的气泡含量应在8 16 通过掺入消泡剂 可以优化CA中的气孔结构和气泡含量 提高CA中耐久性和耐候性 目前常用的消泡剂主要有有机硅类 磷酸三丁酯 消泡剂应具备 沥青乳液是沥青颗粒均匀分散在乳化剂与稳定剂组成的水溶液中而形成的一种热力学稳定的悬浮体系 CA砂浆的原料 沥青乳液 乳状液存在的三种状态 改性 基质沥青 改性沥青 沥青乳液 乳化 改性 乳化 沥青乳液的生产方式 沥青乳液生产流程图 沥青乳化与改性生
11、产设备 2020 3 31 25 1 工作性能 灌注性能 CAMI型 II型的性能指标与试验方法 CAM的性能指标与试验方法 可工作时间 流动度 18 26s I型CAM的工作性表征 扩展度 16 22s II型CAM的工作性表征 流动度 80 120s 含气量测定仪 2 含气量 抗冻性 空气量 理论容重 实测容重 理论容重 100 理论容重 各材料重量之总和 各材料的重量 比重的总和 锥形瓶 3 体积稳定性 板下空间填充致密 体积膨胀率 0 000314 H0 H24 D2 线膨胀率 h2 h1 h1 100 早期体积稳定性 取样的CAM注入4 4 16cm的模具内 在20 1 湿度68 的
12、条件下养生1天 24h 后脱模 用比长仪测量CAM在龄期1 3 7 28 60 90天的长度变化率 长期体积稳定性 4 材料分离度 24h 28d CAMI 以应变控制加载 1mm min 试件 50 50mm 养护条件 20 3 R H 65 5 4 力学性能 CAMII 以应力控制加载 50 500N s 试块为4 4 160mm 养护条件 1d脱模 标养7d 然后20 2 R H 60 5 5 抗冻性 6 耐久性 1 原材料 水泥 CAM I CAM II均要求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 提高早期强度 其技术要求应符合GB175或JC933的规定 CAM的制
13、备关键技术 1 CAM的配合比设计 改性 基质沥青 改性沥青 沥青乳液 乳化 乳化 沥青乳液 沥青或改性沥青与水在乳化剂 稳定剂等的作用下经过机械剪切作用制得的均匀分散体 CAM I用普通沥青技术要求 CAM II用普通沥青技术要求 应选用重交通道路石油沥青或道路石油沥青 B级以上 SBS改性沥青技术指标 CAM I用SBS改性沥青技术要求 CAM II用SBS改性沥青技术要求 SBR改性沥青技术指标 CAM I用SBR改性沥青技术要求 CAM II用SBR改性沥青技术要求 CAM I用乳化沥青技术要求 CAM II用乳化沥青技术要求 采用河砂 山砂或机制砂 细骨料应为最大粒径小于2 36mm
14、的岩石颗粒 不得包含软质岩 风化岩石的颗粒 细骨料 砂 宜采用有机硅类消泡剂 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 膨胀剂 消泡剂 引气剂 宜采用松香类引气剂 采用鳞片状铝粉 其性能应符合GB T2085 1的规定 铝粉 在温度和PH值相同的条件下 对铝粉发气具有决定性影响的主要因素是铝粉的纯度 细度和颗粒形状 1 铝粉应呈银灰色 没有结块 无污泥杂质 2 铝粉的颗粒形状应呈鳞片状 且细度为300 m筛通过率大于98 3 金属铝的含量不应少于88 有机化合物的含量不应超过1 5 CAM I型设计基本原则 a 水泥用量宜在250 300kg m3之
15、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 CAM II型设计基本原则 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 2 配合比设计关键参数 水泥 水 慢搅30s快搅60s 沥青乳液 砂 消泡剂 铝粉 慢搅30s快搅120s 慢搅60s 掺合料 2 CAM的拌和工艺 工艺A 分批加料拌和工艺 各研究单位在制备CAM时采用的加料顺序有所不同 水泥外加剂 水 慢搅30s快搅60s 沥青乳液 铝粉 慢搅30s快搅120s 慢搅60s 拌匀 掺合料细集料 工艺B 干料拌和工艺 干料 由水泥 细骨
16、料 掺和料 外加剂等按一定比例经机械搅拌制得的均匀干粉材料 干料 3 CAM专用沥青乳液制备 高温度适应性高储存稳定性高拌合适应性 乳化沥青 是将沥青热融后 通过乳化剂和机械的作用 使沥青以细小的微滴状态分散于含有乳化剂的水溶液中而形成的一种乳状液 要求具有 4 CA砂浆的均质性控制技术 CA砂浆拌和物主要是由沥青乳液颗粒 砂 水泥和水等材料组成 组分多 密度各不相同 易产生离析 影响均质性 组成密度相差大 浆体粘度低 CA砂浆容易分层离析 控制效果 CA砂浆在早期塑性阶段伴随着较大程度的体积收缩 为了保持轨道结构的整体性与平顺性 要求CA砂浆还应具有1 3 的膨胀 CA砂浆的这种早期膨胀作用主要通过掺加铝粉与膨胀剂来实现 铝粉的膨胀作用机理 反应产生氢气泡 气泡内的压力随着反应的加剧而增长 这一压力将传给已具有一定结构强度的砂浆 当气体压力引起的应力超过砂浆的塑性极限强度时 砂浆开始变形 亦即引发膨胀 5 CA砂浆的早期体积变形控制技术 沥青水泥砂浆灌注工艺 现场搅拌 中间罐吊装上桥 板式轨道的施工工艺 整个砂浆灌注工艺的控制要点包括以下几方面 1 原材料的仓储及物流现场搅拌由于沥青
