主題詞：客運專踐；板式軌道；CA砂槳
中圖分類號：U213 文獻標識碼:A
1前言
CA砂槳(即：乳化飾青水泥砂槳)彈性調(diào)整層是板式無碴軌道結構的關健組成部分，其性能的好壞直接形響板式軌道應用的耐久性和維修工作。我國盡管在70～80年代針對鐵路瀝青道床，對CA砂漿開展了長期、系統(tǒng)的試驗研究工作，并在車站、隧道、專用線上進行了試鋪，但針對高速、快速鐵路板式軌道使用條件下的CA砂漿研究最近幾年才用剛起步。為了在較短時間內(nèi)完成各項試驗研究工作，由鐵科院與中鐵三局有關人員組成的課題組根據(jù)科教函[1999]178號文“秦沈客運專線無碴軌道關鍵技術的研究——沙河、狗河特大橋上無碴軌道技術評審意見”的建設中關于“繼續(xù)研究優(yōu)化CA砂漿的配方和工藝，進行各項性能試驗”的要求，投入了大量的人力物力，在借鑒日本新干線板式軌道CA砂漿的研究資料與國內(nèi)瀝青道創(chuàng)方面的研究成果的基礎上，針對在秦沈客運專線橋上鋪設板式軌道的具體使用條件，提出了板式軌道CA砂漿的性能指標與試驗方法，研制出相應的原材料配方與配制施工工藝，并通過各項性能試驗進行了驗證，為秦沈客運專線板式無碴軌道CA砂漿的應用提供了技術依據(jù)。
2 國內(nèi)外概況
2。1 日本板式軌道CA砂漿的開發(fā)概述
日本國鐵自1965年開始研究少維修為目標的板式無碴軌道，經(jīng)在全國新干線高速鐵道上的幾次試鋪，1970年在山陽新干線初次大量施工取得成功。在研究中作為板式軌道結構的關鍵技術——彈性調(diào)整層材料（CA）砂漿得到了廣泛應用。經(jīng)過30多年的試驗研究和試鋪，日本鐵路積累了豐富的實踐經(jīng)驗，近年來又根據(jù)其不同的使用條件，如：溫暖地區(qū)、寒冷地區(qū)、海岸線、減援區(qū)段、現(xiàn)場修補等，開發(fā)出各種不同的CA砂漿配方與天從材料，并提出了相應的性能試驗方法、施工工藝等，為板式軌道結構在日本新干線的全面推廣應用打下了堅實的技術基礎。至今日本鐵路CA砂漿的使用量達到約40萬m3以上，鋪設的軌道達2500km多。
日本板式軌道CA砂漿的開發(fā)歷程可概述為一下幾個階段，即：溫暖地區(qū)用的CA砂漿→寒冷地區(qū)用的CA砂漿→現(xiàn)場修補用的CA砂漿。
初期開發(fā)的CA砂漿，經(jīng)現(xiàn)場試鋪后，在山陽新干線、武佐野線、湖西線等較溫暖地區(qū)大量推廣應用，達到了填充軌道板與底座間隙、提供一定的軌道彈性的預期效果。但隨著板式軌道結構在全國范圍內(nèi)的推廣應用，特別是在東北、上越新干級線等寒冷和積雪地區(qū)，這種填充材料的抗凍害性問題逐漸暴露出來。為此，日本鐵路技術研究所針對性地進行了CA砂漿的材質改良的試驗研究工作，材質改良的試驗研究工作包括：摻入消泡劑和AE劑并進行高速攪拌等技術，使砂漿產(chǎn)生適量微小的獨立氣泡，使其達到提高抗凍性能的目的；采用超快硬性水泥，改善了在寒冷季節(jié)中施工的耐初期凍害性；摻入P乳劑和玻璃纖維，改善其抗裂性，提高其抗凍性。作為研究成果，寒冷地區(qū)用的CA砂漿(No.33配方)在1978年研創(chuàng)成功，并在新干線和其它既有線上上大量應用。
板式軌道在日本推廣應用過程中，盡管進行了彈度特性、耐久性等方面的系統(tǒng)研究，但由于施工、荷載和氣候等因素的影響，CA砂漿層不可避免會產(chǎn)生傷損，其中少量發(fā)展到了需要修補的程度。這其中主要發(fā)生在處于長鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器兩側的凸形擋臺與軌道板之間的CA砂漿填充層。據(jù)日本對上越新干線的CA砂漿傷損調(diào)查資料，其傷損率平均達到7。6%，其損務形式為砂漿層壓漬、縫隙等。分析其產(chǎn)生傷損的原因主要是鋼軌縱向力的影響，表1、表2所列分別為CA砂漿的傷損與長鋼軌鋪設實踐、扣件扭矩的關系。
表中可以看出，鋪設長鋼軌的時間越長、扣件扭矩越大， CA砂漿的傷損率越高。
為此，日本鐵路開始進行CA砂漿現(xiàn)場修補材料的研究，初期的現(xiàn)場修補主要采用樹脂材料，即將傷扭部分窗鑿除，用強度、彈性較好的樹脂材料填充修補，但由于樹脂材料費用昂貴，推廣應用有困雄，因此開發(fā)較樹脂材料價格低廉的補修材科成為了新的研究問題。日野土木試驗所通過在CA砂漿中摻入玻璃纖維、聚合物等材料，進行了大量室內(nèi)性能試驗與現(xiàn)場試鋪，達到了價格較低廉，列車間隔時間內(nèi)施工、修補用CA砂漿與混凝土的粘接性能、抗凍性能優(yōu)良等預期效果，并大量推廣應用。
2.2 .國內(nèi)概況
我國鐵路早在1957年就針對新型軌下基礎——瀝青道床的研究開展了乳化瀝青水泥砂漿的研究，鐵科院快建所瀝青課題組在研究過程中，對乳化瀝青，水泥砂漿進行了大量的試驗工作，80年代初，相繼在車站、隧道橋梁以及有特殊要求(如軌道基礎等)的專用線上試鋪了瀝青道床，使用效果良好，達到了減少線路維修工作量的目的。課題組還在部科研項目“大瑤山隧道軌下基礎的研究”的研究成果中，提出了乳化瀝青水泥砂漿的性能試驗方法與施工工藝要求。
與秦沈客運專線板式軌道CA砂漿相比，盡管由于道路運營條件、鋪設地區(qū)的差異對CA砂漿的性能指標要求不同，相應的砂漿配方必須作相應的調(diào)整。但前期針對瀝青道床進行乳化瀝青水泥砂漿的研究成果，如：砂漿性能的試驗方法、試驗儀器設備、施工工藝等，對于我國首次開展的板式軌道CA砂漿研究、加快其研究進程具有十分有益的參考價值。
3 CA砂漿的性能指標及試驗方法
課題組在秦沈客運專線橋梁上板式軌道CA砂漿的研究與試驗過程中，為少走彎路，加快研究進程，主要借鑒日本鐵路通過30多年的研究與應用實踐基礎上提出的板式軌道CA砂漿的各項行呢指標與試驗方法，同時結合我國既有CA砂漿研究的技術基礎，針對性地提出了板式軌道的性能指標及相應的試驗方法。其主要性能指標及試驗內(nèi)容包括：抗壓強度、彈性模量、流動度、科工作時間、膨脹率、材料分離度、空氣含量、耐久性（凍融循環(huán)試驗）等。在此基礎上，進行了CA砂漿各種配方的試制，達到了預期目標。
3.1 抗壓強度
3.1.1 性能指標
3.1.1.1 由輪重決定的抗壓強度
由于板式軌道CA砂漿設計填充與軌道板板底及凸形擋臺四周，因此其抗壓強度的確定取決于設計輪重以及作用于凸形擋臺上縱向力的大小。
因此，輪重作用下軌道板下CA砂漿所需要的抗壓強度為0.1Mpa。
3.1.1.2 由作用于凸形擋臺上縱向力決定的抗壓強度
如圖1所示，凸型擋臺與軌道板間的CA砂漿填充層所承受的最大合力F為
式中：Fr---長軌道的溫度力
W---軌道板的自重（按50KN計）
(a) 長鋼軌溫度力Fr
為提高CA砂漿抗初期凍害性，提高施工工效，設計中，相應地對不同齡期的強度提出了要求：
3.1.2 試驗方法
CA砂漿抗壓強度試驗采用“單軸壓縮法”進行。試樣為70.7×70.7×70.7mm的立方體，在試樣達到上述各齡期后，利用壓力試驗機以每分鐘試件變形0.5mm加載，速率，均勻加載當壓力不再上升時候停止加載，其壓力最大值即為試件在各齡期時的抗壓強度。
每次試驗取三個試樣，三個試件強度的算術平均值作為該組試件的強度。
3.2 彈性模量
3.2.1 性能指標
板式軌道CA砂漿由乳化瀝青、水、水泥、細骨料、各種外加劑等組成，是具有混凝土的剛性和瀝青的彈性的一種半剛性砂漿，其主要功能是作為調(diào)整層，填充軌道板與混凝土基礎之間的空隙，滿足預制軌道板現(xiàn)場施工鋪設的需要，另一方面，該調(diào)整層應能起到提供板式軌道一定的彈性緩沖作用。
與普通混凝土一樣，CA砂漿的彈性模量與強度存在一定的對應關系。一般地，抗壓強度高，相應地彈性模量大，在上述CA砂漿的強度范圍內(nèi)，課題組在配置各種砂漿配方的試驗中，進行了大量試驗，確定砂漿28天的彈性模量范圍為200-600MPa。
3.2.2 試驗方法
CA砂漿彈性模量試驗方法與抗壓強度基本相同，試件為70.7×70.7×70.7mm的棱柱體，利用壓力試驗機以每分鐘試件變形0.5mm加載速率，勻速加載，加載最大值為抗壓強度的三分之一，然后立即卸載，卸載速度與加載速度相同。繼續(xù)按上述過程重復三次試驗，以第四次加載曲線的數(shù)據(jù)計算彈性模量。
由于CA砂漿具有一定的塑性，彈性模量試驗曲線實際上為一螺旋線。試驗中取第四次加載曲線起始點的割線斜率為該試件的彈性模量。
每次試驗取三個試樣，三個試件強度的算術平均值作為該組試件的彈性模量值。
3.3 流動性與可工作試件
3.3.1 性能指標
CA砂漿流動度與可工作時間是保證板式軌道CA砂漿現(xiàn)場灌注施工質量的重要指標。從乳化瀝青與水泥砂漿摻合到一起后，CA砂漿的固化作用就開始了，砂漿的粘性逐漸增加，流動性逐漸喪失而最終固化。
為確定CA砂漿流動度指標，試驗采用容積為650ml的特制漏斗進行測定，將拌和好的砂漿注入漏斗，打開出口開始，至砂漿全部流出所經(jīng)歷的時間，即為流動度。適當?shù)牧鲃佣葘τ谏皾{的性能與灌注質量非常重要，流動度過小，砂漿材料會出現(xiàn)離析，影響其強度和耐久性；流動度過大，砂漿粘稠，就難以將軌道板與基礎間的填充密實，直接影響灌注質量。借鑒日本板式軌道CA砂漿的流動度指標，結合我國前期進行的大量試驗，包括試驗室內(nèi)的市尺模灌注試驗結果，確定流動度指標在16～26s之間，可滿足性能與灌注要求。
影響CA 砂漿流動度的因素很多，在拌和方式、投料順序一定的條件下，流動度隨溫度、外加劑、主要原材料的配合比、水灰比的變化而不同。
CA 砂漿的可工作時間是指CA砂漿處于規(guī)定的流動度范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時間。這個時間應該較長而不至影響現(xiàn)場砂槳的灌注施工?？紤]到現(xiàn)場從砂漿拌和站配制好的運輸過程、灌注作業(yè)所需要的時間，規(guī)定CA砂漿的可工作時間不少于30min。
3。32 試驗方法
CA砂漿流動度的試臉采用“漏斗法”進行，漏斗容積為640ml，上口徑為襯ф70mm，下口徑為中ф10mm，高度為450mm，將配制好的砂槳注人漏斗內(nèi)，打開出口閥門，同時開始計時，砂漿從漏全部流出所經(jīng)歷的時間，即為砂漿的流動度——t（以s計）。
可工作時間的試驗方法與流動度相同，但同一試樣每隔5min做一次，并繪出流動度曲線，即流動度與累計時間的對應關系(如圖2示意)。砂漿在流動度設計范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時間。即為砂漿的可工作時間——T(以min計)。
3。4 膨脹率
3。4。1 性能指標
CA 砂漿灌注后固化，一般會產(chǎn)生2--3%的收縮，直接影晌板底砂漿的填充效果，為此設汁中必須考慮在原材料中添加適量的膨脹荊(如，鋁粉等)使砂漿產(chǎn)生膨脹。膨脹率的大小應嚴格控制，膨脹率過小，軌道板與砂漿層之何會產(chǎn)生空隙；膨脹率過大，會將狀態(tài)調(diào)整好的軌道板抬起，直接影響軌道的高低、軌向等線路幾何狀態(tài)?？紤]砂漿灌注后伸縮，設計中要求CA砂漿膨脹率應控制在1一3%之內(nèi)。
3。4。2 試驗方法
CA砂漿膨脹率采用量筒、游標卡尺進行測定。將配制好的CA砂漿注入容積為250ml帶刻度的量筒內(nèi)，其上加上一塊玻璃板，用游標卡尺測量玻璃板至砂漿表面的高度。膨脹率的計算如下式：
3。5 材料分離度
3。5。1 性能指標
在流動度較小、或砂的粒徑偏大的情況下，CA砂漿原材料之間會出現(xiàn)分離、泛漿或沉淀現(xiàn)象，砂漿的強度和耐久性會相應降低，為保證CA砂漿固化體的勻質性，采用材料分離度作為勻質性評價的指標，借鑒日本板式軌道CA砂漿與我國前期試驗的結果，確定CA砂漿的材料分離度在3%以下。
3。5。2 試驗方法
材料分離度試驗采用“等分法”進行測定。制作ф50X50mm的圓柱體砂漿試件，在砂漿齡期達28天后，將共分成上、下兩等分，分別稱重，計算山其單位容積的質量。材料分離度的計算如下式：
3。6 空氣含量
3。6。1 性能指標
在CA砂漿的配制過程中導入適量的微小氣泡，可提高在寒冷、積雪地區(qū)CA砂漿的抗凍性，這種氣泡可緩和CA砂漿層內(nèi)的自由水等受凍害膨脹時產(chǎn)生的凍晶壓力，根據(jù)日本鐵路的研究結果，空氣量達8%以上時，抗凍害性有顯奢的提高，但若超過16%，砂漿層的密實度降低，影晌其杭壓強度。為此，設計中將空氣量控制在8—12%范圍內(nèi)，空氣量指標的定義如下式：
在CA 砂漿內(nèi)導人空氣后，相應地要采取添加適量的消泡劑以及特殊的拌和方法等措施，以提高CA砂漿的質量。
3。6。2 試臉方法
如上述空氣量的計算式可看出，空氣量的試臉主要是實測砂漿試件的單位容積的重量。而要得出空氣量的大小，在砂漿配制前，必須稱量砂漿所用原材料的重量，了解原材料的比重，從而計算出砂漿理論單位容積重量。
3。7 耐久性(抗凍性能)
3。7。1 性能指標
由于秦沈客運專線板式軌道位于寒冷地區(qū)，對CA砂漿層的抗凍性能應引起足夠的重視。日本鐵路初期在北海道、秋田和長野等寒冷地區(qū)試輔時，發(fā)現(xiàn)CA砂漿在與空氣接觸的表層數(shù)mm處有起泡、剝離和龜裂等受凍害而劣化的現(xiàn)象，為此，研究部門按混凝土的耐久性能試驗方法對不同配方的CA砂槳進行快速凍融循環(huán)試驗，以檢驗其耐久性。
根據(jù)其研究結果，提高CA砂漿抗凍性的對策，主要有以下三種：
3.7.1.1 改進瀝青乳化荊和減少砂的用量來減少攪拌水；
3.7.1.2 使用消泡劑或聚合物使結構致密化，提高防水性；
3.7.1.3 采用AE劑用微小氣泡來緩沖冰晶壓力是有效的，試臉結果得t8導人適t的空氣t(8-129)對訪止冰害是最有效的措施。
借鑒日本鐵路利用混凝土的耐久性能試臉方法來檢tCA砂漿耐久性的長期實踐檢驗，秦沈客運專線板式軌道CA砂漿耐久性試驗參照我國GBJ82-85《普通混凝土長期性能和耐久性試臉方法》中抗凍性能試驗(快凍法)標準執(zhí)行。其試驗方法與標準如下節(jié)所述。
3.7.2 試驗方法與試臉
參照混凝土抗凍性。試臉方法，CA砂漿抗凍性試驗采用100X100X400mm的棱柱體試件，每組3塊，試件應在28天齡期時開始凍融試驗，試驗前在溫度15—20℃的水中浸泡，浸泡4天后進行試驗。試驗主要設備和儀器為：混凝土凍融循環(huán)試驗機、動彈橫量測定儀、案稱（感量5g）等。凍融循環(huán)試驗有如下主要規(guī)定：
3.7.2 1 每次凍融循環(huán)在2--4 h內(nèi)完成，其中用于融化的時間不得小于整個凍融時間的1/4；
3.7.2.2 在凍結和融化終了時，試件中心溫度分別控制在一17士2℃和8土2℃；
3.7.2.3 每塊試件從6℃陣至-15℃所用的時間不得少于凍結時間的1/2。每塊試件從-15℃升至6℃所用的時間也不得少于整個融化時間的1/2，試件內(nèi)外的溫差不超過28℃；
3.7.2.4 凍和融之間的轉換時間不超過10min。
參照混凝土凍融試驗標準，CA砂漿的凍融循環(huán)試驗評定標準如下：
凍融循環(huán)300次后，相對動彈模量P下隆到凍融前的百分比不超過60%。
相對動彈模量用動彈模量測定，以三個試件平均位值的計算結果作為該組試件的相對動彈模量。
4 CA砂槳的性能試驗結果
為達到上述CA砂將性能指標的設計要求，作為課的主要承提單位——中鐵三局集團有限公司在過去的幾年投人了大量的人力財力，進行了近百種砂漿配方的試制工作，并在砂漿基本力學性能指標滿足設計要求的荃礎上，從中選定了8種配方于2000年9月~11日進行了CA砂槳的抗凍性試驗，其中的6種配方滿足了耐久性的試驗標準(詳見《CA砂漿抗凍性試驗研究報告》)。為進一步完善板式軌道CA砂漿的配方研側與拌和工藝，在第一階段砂漿抗凍性試驗滿足要求的6種配方基礎上，第二階段選定了2種各項性能優(yōu)良的砂漿配方，在砂漿配方中添加聚合物乳液、聚丙烯纖維等外加劑，于2001年2月~4日再次進行了凍融循環(huán)試驗。詳見表3。
