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秦沈客运专线桥上板式无碴轨道CA砂浆的性能试验研究

2009-09-03 08:00:00 保护色:默认白 牵牛紫 苹果绿 沙漠黄 玫瑰红 字体:小字 中字 大字 点击数:0

    提要:秦沈客运专线桥上首次采用板式无碴轨道新技术,该项技术最为重要的是“CA”砂浆技术,其性能指标能否达到设计要求是满足今后高速铁路运营要求的关键。本文简要介绍了“CA”砂浆的性能试验研究。

    主题词:客运专践;板式轨道;CA砂桨

    1前言

    CA砂桨(即:乳化饰青水泥砂桨)弹性调整层是板式无碴轨道结构的关健组成部分,其性能的好坏直接形响板式轨道应用的耐久性和维修工作。我国尽管在70~80年代针对铁路沥青道床,对CA砂浆开展了长期、系统的试验研究工作,并在车站、隧道、专用线上进行了试铺,但针对高速、快速铁路板式轨道使用条件下的CA砂浆研究最近几年才用刚起步。为了在较短时间内完成各项试验研究工作,由铁科院与中铁三局有关人员组成的课题组根据科教函[1999]178号文“秦沈客运专线无碴轨道关键技术的研究——沙河、狗河特大桥上无碴轨道技术评审意见”的建设中关于“继续研究优化CA砂浆的配方和工艺,进行各项性能试验”的要求,投入了大量的人力物力,在借鉴日本新干线板式轨道CA砂浆的研究资料与国内沥青道创方面的研究成果的基础上,针对在秦沈客运专线桥上铺设板式轨道的具体使用条件,提出了板式轨道CA砂浆的性能指标与试验方法,研制出相应的原材料配方与配制施工工艺,并通过各项性能试验进行了验证,为秦沈客运专线板式无碴轨道CA砂浆的应用提供了技术依据。

    2 国内外概况

    2.1 日本板式轨道CA砂浆的开发概述

    日本国铁自1965年开始研究少维修为目标的板式无碴轨道,经在全国新干线高速铁道上的几次试铺,1970年在山阳新干线初次大量施工取得成功。在研究中作为板式轨道结构的关键技术——弹性调整层材料(CA)砂浆得到了广泛应用。经过30多年的试验研究和试铺,日本铁路积累了丰富的实践经验,近年来又根据其不同的使用条件,如:温暖地区、寒冷地区、海岸线、减援区段、现场修补等,开发出各种不同的CA砂浆配方与天从材料,并提出了相应的性能试验方法、施工工艺等,为板式轨道结构在日本新干线的全面推广应用打下了坚实的技术基础。至今日本铁路CA砂浆的使用量达到约40万m3以上,铺设的轨道达2500km多。

    日本板式轨道CA砂浆的开发历程可概述为一下几个阶段,即:温暖地区用的CA砂浆→寒冷地区用的CA砂浆→现场修补用的CA砂浆。

    初期开发的CA砂浆,经现场试铺后,在山阳新干线、武佐野线、湖西线等较温暖地区大量推广应用,达到了填充轨道板与底座间隙、提供一定的轨道弹性的预期效果。但随着板式轨道结构在全国范围内的推广应用,特别是在东北、上越新干级线等寒冷和积雪地区,这种填充材料的抗冻害性问题逐渐暴露出来。为此,日本铁路技术研究所针对性地进行了CA砂浆的材质改良的试验研究工作,材质改良的试验研究工作包括:掺入消泡剂和AE剂并进行高速搅拌等技术,使砂浆产生适量微小的独立气泡,使其达到提高抗冻性能的目的;采用超快硬性水泥,改善了在寒冷季节中施工的耐初期冻害性;掺入P乳剂和玻璃纤维,改善其抗裂性,提高其抗冻性。作为研究成果,寒冷地区用的CA砂浆(No.33配方)在1978年研创成功,并在新干线和其它既有线上上大量应用。

    板式轨道在日本推广应用过程中,尽管进行了弹度特性、耐久性等方面的系统研究,但由于施工、荷载和气候等因素的影响,CA砂浆层不可避免会产生伤损,其中少量发展到了需要修补的程度。这其中主要发生在处于长钢轨伸缩调节器两侧的凸形挡台与轨道板之间的CA砂浆填充层。据日本对上越新干线的CA砂浆伤损调查资料,其伤损率平均达到7。6%,其损务形式为砂浆层压渍、缝隙等。分析其产生伤损的原因主要是钢轨纵向力的影响,表1、表2所列分别为CA砂浆的伤损与长钢轨铺设实践、扣件扭矩的关系。

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      ""

    表中可以看出,铺设长钢轨的时间越长、扣件扭矩越大, CA砂浆的伤损率越高。
    为此,日本铁路开始进行CA砂浆现场修补材料的研究,初期的现场修补主要采用树脂材料,即将伤扭部分窗凿除,用强度、弹性较好的树脂材料填充修补,但由于树脂材料费用昂贵,推广应用有困雄,因此开发较树脂材料价格低廉的补修材科成为了新的研究问题。日野土木试验所通过在CA砂浆中掺入玻璃纤维、聚合物等材料,进行了大量室内性能试验与现场试铺,达到了价格较低廉,列车间隔时间内施工、修补用CA砂浆与混凝土的粘接性能、抗冻性能优良等预期效果,并大量推广应用。
   
    2.2 .国内概况
 
    我国铁路早在1957年就针对新型轨下基础——沥青道床的研究开展了乳化沥青水泥砂浆的研究,铁科院快建所沥青课题组在研究过程中,对乳化沥青,水泥砂浆进行了大量的试验工作,80年代初,相继在车站、隧道桥梁以及有特殊要求(如轨道基础等)的专用线上试铺了沥青道床,使用效果良好,达到了减少线路维修工作量的目的。课题组还在部科研项目“大瑶山隧道轨下基础的研究”的研究成果中,提出了乳化沥青水泥砂浆的性能试验方法与施工工艺要求。
 
    与秦沈客运专线板式轨道CA砂浆相比,尽管由于道路运营条件、铺设地区的差异对CA砂浆的性能指标要求不同,相应的砂浆配方必须作相应的调整。但前期针对沥青道床进行乳化沥青水泥砂浆的研究成果,如:砂浆性能的试验方法、试验仪器设备、施工工艺等,对于我国首次开展的板式轨道CA砂浆研究、加快其研究进程具有十分有益的参考价值。
 
    3 CA砂浆的性能指标及试验方法
 
    课题组在秦沈客运专线桥梁上板式轨道CA砂浆的研究与试验过程中,为少走弯路,加快研究进程,主要借鉴日本铁路通过30多年的研究与应用实践基础上提出的板式轨道CA砂浆的各项行呢指标与试验方法,同时结合我国既有CA砂浆研究的技术基础,针对性地提出了板式轨道的性能指标及相应的试验方法。其主要性能指标及试验内容包括:抗压强度、弹性模量、流动度、科工作时间、膨胀率、材料分离度、空气含量、耐久性(冻融循环试验)等。在此基础上,进行了CA砂浆各种配方的试制,达到了预期目标。
 
    3.1 抗压强度
 
    3.1.1 性能指标
 
    3.1.1.1 由轮重决定的抗压强度
 
    由于板式轨道CA砂浆设计填充与轨道板板底及凸形挡台四周,因此其抗压强度的确定取决于设计轮重以及作用于凸形挡台上纵向力的大小。
 
    在秦沈客运专线板式轨道结构的设计中,其设计轮重为300KN,一般轨 道板的外形尺寸为4930×2400×1900mm。考虑一块轨道板上最多作用一个转向架,以及轨道板本身的重量(52KN),板底CA砂浆调整层最大工作应力σmax


    因此,轮重作用下轨道板下CA砂浆所需要的抗压强度为0.1Mpa。

    3.1.1.2 由作用于凸形挡台上纵向力决定的抗压强度

   如图1所示,凸型挡台与轨道板间的CA砂浆填充层所承受的最大合力F为

      式中:Fr---长轨道的温度力
      Fp---轨道板本身的伸缩力
      ---轨道板与CA砂浆层之间的摩擦系数(按0.35计)

      W---轨道板的自重(按50KN计)


    (a)    长钢轨温度力Fr

    根据秦沈客运专线板式轨道技术条件中的规定,铁路设计纵向阻力为7KN/m轨,对于一段线路,其长钢轨纵向力为14KN/m。轨道板长度L按5m设计,由此可得:


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    综上所述,板式轨道CA砂浆的抗压强度只要由凸型挡台周围的CA砂浆层的受力条件所决定。由于秦沈客运专线板式轨道CA砂浆的使用环境处在寒冷地区,在设计中必须考虑其抗冻性能,相应地强度指标要提高。但另一方面,强度指标太高,弹性模量相应增大,势必影响其提供轨道适度弹性的设计初衷,借鉴日本板式轨道CA砂浆的强度指标,设计要求CA砂浆28天的抗压强度指标应在1.8~2.5MPa范围内。

   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了要求:
   1d龄期:应达到0.1MPa以上,以满足拆模、取出轨道板支撑螺栓的要求;
   7d龄期:应达到0.7MPa以上,以满足轨道铺设时搁置重物的要求;
   28d龄期:应达到1.8~2.5MPa范围内,以满足铁路通车的基本要求。

    3.1.2 试验方法

   CA砂浆抗压强度试验采用“单轴压缩法”进行。试样为70.7×70.7×70.7mm的立方体,在试样达到上述各龄期后,利用压力试验机以每分钟试件变形0.5mm加载,速率,均匀加载当压力不再上升时候停止加载,其压力最大值即为试件在各龄期时的抗压强度。
 
    每次试验取三个试样,三个试件强度的算术平均值作为该组试件的强度。

    3.2 弹性模量

    3.2.1 性能指标
 
    板式轨道CA砂浆由乳化沥青、水、水泥、细骨料、各种外加剂等组成,是具有混凝土的刚性和沥青的弹性的一种半刚性砂浆,其主要功能是作为调整层,填充轨道板与混凝土基础之间的空隙,满足预制轨道板现场施工铺设的需要,另一方面,该调整层应能起到提供板式轨道一定的弹性缓冲作用。

      与普通混凝土一样,CA砂浆的弹性模量与强度存在一定的对应关系。一般地,抗压强度高,相应地弹性模量大,在上述CA砂浆的强度范围内,课题组在配置各种砂浆配方的试验中,进行了大量试验,确定砂浆28天的弹性模量范围为200-600MPa。
 
    3.2.2 试验方法
 
    CA砂浆弹性模量试验方法与抗压强度基本相同,试件为70.7×70.7×70.7mm的棱柱体,利用压力试验机以每分钟试件变形0.5mm加载速率,匀速加载,加载最大值为抗压强度的三分之一,然后立即卸载,卸载速度与加载速度相同。继续按上述过程重复三次试验,以第四次加载曲线的数据计算弹性模量。
 
    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。
 
    每次试验取三个试样,三个试件强度的算术平均值作为该组试件的弹性模量值。
 
    3.3 流动性与可工作试件
 
    3.3.1 性能指标
 
    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。从乳化沥青与水泥砂浆掺合到一起后,CA砂浆的固化作用就开始了,砂浆的粘性逐渐增加,流动性逐渐丧失而最终固化。
 
    为确定CA砂浆流动度指标,试验采用容积为650ml的特制漏斗进行测定,将拌和好的砂浆注入漏斗,打开出口开始,至砂浆全部流出所经历的时间,即为流动度。适当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填充密实,直接影响灌注质量。借鉴日本板式轨道CA砂浆的流动度指标,结合我国前期进行的大量试验,包括试验室内的市尺模灌注试验结果,确定流动度指标在16~26s之间,可满足性能与灌注要求。


    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。这个时间应该较长而不至影响现场砂桨的灌注施工。考虑到现场从砂浆拌和站配制好的运输过程、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。

    3.32 试验方法

    CA砂浆流动度的试脸采用“漏斗法”进行,漏斗容积为640ml,上口径为衬ф70mm,下口径为中ф10mm,高度为450mm,将配制好的砂桨注人漏斗内,打开出口阀门,同时开始计时,砂浆从漏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,即流动度与累计时间的对应关系(如图2示意)。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)。

    3.4 膨胀率

    3.4。1 性能指标

    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荆(如,铝粉等)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。

    3.4.2 试验方法

    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,用游标卡尺测量玻璃板至砂浆表面的高度。膨胀率的计算如下式:


    3.5 材料分离度

    3.5.1 性能指标

    在流动度较小、或砂的粒径偏大的情况下,CA砂浆原材料之间会出现分离、泛浆或沉淀现象,砂浆的强度和耐久性会相应降低,为保证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,借鉴日本板式轨道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。

    3.5.2 试验方法

    材料分离度试验采用“等分法”进行测定。制作ф50X50mm的圆柱体砂浆试件,在砂浆龄期达28天后,将共分成上、下两等分,分别称重,计算山其单位容积的质量。材料分离度的计算如下式:


    3.6 空气含量

    3.6.1 性能指标

    在CA砂浆的配制过程中导入适量的微小气泡,可提高在寒冷、积雪地区CA砂浆的抗冻性,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,空气量达8%以上时,抗冻害性有显奢的提高,但若超过16%,砂浆层的密实度降低,影晌其杭压强度。为此,设计中将空气量控制在8—12%范围内,空气量指标的定义如下式:



    在CA 砂浆内导人空气后,相应地要采取添加适量的消泡剂以及特殊的拌和方法等措施,以提高CA砂浆的质量。

    3.6.2 试脸方法

    如上述空气量的计算式可看出,空气量的试脸主要是实测砂浆试件的单位容积的重量。而要得出空气量的大小,在砂浆配制前,必须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。

    3.7 耐久性(抗冻性能)

    3.7.1 性能指标

    由于秦沈客运专线板式轨道位于寒冷地区,对CA砂浆层的抗冻性能应引起足够的重视。日本铁路初期在北海道、秋田和长野等寒冷地区试辅时,发现CA砂浆在与空气接触的表层数mm处有起泡、剥离和龟裂等受冻害而劣化的现象,为此,研究部门按混凝土的耐久性能试验方法对不同配方的CA砂桨进行快速冻融循环试验,以检验其耐久性。

    根据其研究结果,提高CA砂浆抗冻性的对策,主要有以下三种:

    3.7.1.1 改进沥青乳化荆和减少砂的用量来减少搅拌水;

    3.7.1.2 使用消泡剂或聚合物使结构致密化,提高防水性;

    3.7.1.3 采用AE剂用微小气泡来缓冲冰晶压力是有效的,试脸结果得t8导人适t的空气t(8-129)对访止冰害是最有效的措施。

    借鉴日本铁路利用混凝土的耐久性能试脸方法来检tCA砂浆耐久性的长期实践检验,秦沈客运专线板式轨道CA砂浆耐久性试验参照我国GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性试脸方法》中抗冻性能试验(快冻法)标准执行。其试验方法与标准如下节所述。

    3.7.2 试验方法与试脸

    参照混凝土抗冻性。试脸方法,CA砂浆抗冻性试验采用100X100X400mm的棱柱体试件,每组3块,试件应在28天龄期时开始冻融试验,试验前在温度15—20℃的水中浸泡,浸泡4天后进行试验。试验主要设备和仪器为:混凝土冻融循环试验机、动弹横量测定仪、案称(感量5g)等。冻融循环试验有如下主要规定:

    3.7.2 1 每次冻融循环在2--4 h内完成,其中用于融化的时间不得小于整个冻融时间的1/4;

    3.7.2.2 在冻结和融化终了时,试件中心温度分别控制在一17士2℃和8土2℃;

    3.7.2.3 每块试件从6℃阵至-15℃所用的时间不得少于冻结时间的1/2。每块试件从-15℃升至6℃所用的时间也不得少于整个融化时间的1/2,试件内外的温差不超过28℃;

    3.7.2.4 冻和融之间的转换时间不超过10min。

    参照混凝土冻融试验标准,CA砂浆的冻融循环试验评定标准如下:

    冻融循环300次后,相对动弹模量P下隆到冻融前的百分比不超过60%。

    相对动弹模量用动弹模量测定,以三个试件平均位值的计算结果作为该组试件的相对动弹模量。

    4 CA砂桨的性能试验结果

    为达到上述CA砂将性能指标的设计要求,作为课的主要承提单位——中铁三局集团有限公司在过去的几年投人了大量的人力财力,进行了近百种砂浆配方的试制工作,并在砂浆基本力学性能指标满足设计要求的荃础上,从中选定了8种配方于2000年9月~11日进行了CA砂桨的抗冻性试验,其中的6种配方满足了耐久性的试验标准(详见《CA砂浆抗冻性试验研究报告》)。为进一步完善板式轨道CA砂浆的配方研侧与拌和工艺,在第一阶段砂浆抗冻性试验满足要求的6种配方基础上,第二阶段选定了2种各项性能优良的砂浆配方,在砂浆配方中添加聚合物乳液、聚丙烯纤维等外加剂,于2001年2月~4日再次进行了冻融循环试验。详见表3。

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