CA砂浆在无砟轨道上的应用

CA砂浆在无砟轨道上的应用 阎培渝，王强 （清华大学，土木系结构与振动教育部重点实验室，北京 100084） 摘要：无砟轨道具有稳定性好、寿命长和维修费用低等优点，是当今国际上广泛采用和推广的先进轨道结构。水泥沥青砂浆（CA砂浆）是板式无砟轨道结构的弹性调整层，是一种具有一定强度、弹性和粘结力的粘弹性材料，在板式轨道结构中能起到调平、缓冲等作用。本文介绍了CA砂浆的基本组成和性能，并针对CRTS-Ⅰ型和CRTS-Ⅱ型这两种典型的CA砂浆，进行了配合比、宏观性能等方面的对比分析。 关键词：无砟轨道；CA砂浆；组成；性能 1 无砟轨道简介 铁路在我国交通运输体系中处于骨干地位，随着我国社会和经济的快速发展，我国的铁路建设也进入了高速发展时期。根据我国《中长期铁路网规划》，到2020年，全国铁路营业里程达到10万公里。其中，在“十一五”期间，建设客运专线1.2万公里以上，客车速度目标值达到每小时200公里到350公里。 到2010年，铁路网营业里程达到8.5万公里左右，其中客运专线约5000公里。 随着列车行车速度的高速化，传统有砟轨道的不足逐渐显现。在高速列车的反复作用下，有砟轨道的道砟磨损和粉化比较严重，影响列车行驶的安全性，从而制约了列车的行车速度。且有砟轨道的残余变形积累很快，沿着轨道纵向的分布不均匀，导致轨道的高低不平顺，影响旅客乘坐的舒适性。为满足高速铁路的高平顺性与高稳定性的要求，无砟轨道结构逐渐发展起来。 与有砟轨道相比，无砟轨道具有以下优点：具有良好的稳定性、平顺性；结构高度低、自重轻，可减小桥梁二期荷载和降低隧道净空；轨道变形缓慢，耐久性好；维护工作量和费用低[1,2]。无砟轨道对工程材料和基础土建工程的要求都非常高，故初期建设费用高于有砟轨道。但由于无砟轨道的稳定性好、使用寿命长等众多优点，无砟轨道已成为世界各国高速铁路轨道结构的首选[3-5]。 国际上研究发展无砟轨道较早的有日本、德国、英国、美国、意大利、原苏联等国家，并以日本和德国为代[6]。在日本，20世纪80年代以后修建的新干线，无砟轨道比例在85%以上。在德国，至2006年，已有800公里的无砟轨道在运营[7]。在我国，2002年建成投入运营的秦沈客运专线在狗河、双河两座特大桥上采用了板式轨道结构；2007年，京津城际铁路建成，成为我国首条无砟轨道客运专线；2008年，武广客运专线无砟轨道试验段通过评估，无砟轨道施工已全面铺开。遂渝铁路等国内其它客运专线也进入了无砟轨道试验段的铺设和评估阶段。 2 CA砂浆在无砟轨道中的作用 板式无砟轨道是当今高速铁路无砟轨道的主要结构形式之一，典型的板式无砟轨道结构是日本新干线板式无砟轨道和德国的博格板式无砟轨道。日本新干线板式无砟轨道也称单元板式无砟轨道，结构示意图如图1所示，轨道结构主要由单元轨道板、水泥沥青砂浆（cement asphalt mortar, 简称CA砂浆）、混凝土底座、凸形挡台及钢轨扣件等构成[8]。凸形挡台的作用是防止单元轨道板发生横向和纵向移动。CA砂浆填充于轨道板和混凝土底座之间厚度约50mm的扁平状空间内，保证轨道的平稳。CA砂浆主要起到支撑轨道板的作用，同时在板式轨道结构中还能起到调平、缓冲的作用[9-10]。用于单元板式无砟轨道上的水泥沥青砂浆称为CRTS-Ⅰ型CA砂浆。 图1 板式无砟轨道结构示意图 德国的博格板式无砟轨道也称纵连板式无砟轨道，在轨道结构中轨道板是连续的，没有设置凸形挡台。轨道板承受的横向荷载和纵向荷载要通过CA砂浆垫层传递到底座，即轨道板和混凝土底座通过CA砂浆垫层机械连接，因此CA砂浆除了承受垂直荷载，还起着传递纵向荷载和横向荷载的作用。用于纵连板式无砟轨道上的水泥沥青砂浆称为CRTS-Ⅱ型CA砂浆。 3 CA砂浆的组成 CA砂浆主要由沥青乳液、水泥、砂、水和多种外加剂组成，是经水泥与沥青乳液共同作用胶结硬化而形成的一种有机无机复合材料[11]，综合利用了水泥水化后具有强度及沥青具有弹性的特性。 沥青乳液是将沥青热融，与水、乳化剂等经过机械作用，以细小的微滴分散于含有乳化剂的水溶液中形成的。乳化沥青可分为阴离子型、阳离子型和非离子型。对于CRTS-Ⅰ型CA砂浆，宜采用阳离子型乳化沥青；对于CRTS-Ⅱ型CA砂浆，宜采用阴离子型乳化沥青。沥青乳液要具有常温贮存和低温贮存的稳定性，同时要与硅酸盐水泥具有良好的适应性。 在乳化沥青的制备过程中，加入各种高分子聚合物改性剂可以大大改变乳化沥青的性能[12,13]。这类高分子聚合物主要分为两类：一类是弹性性质的改性剂，例如苯乙烯—丁二烯—苯乙烯的共聚物(SBS)、苯二烯—异戊二烯—苯乙烯共聚物(SIS)、丁苯橡胶(SBR)、聚氯丁二烯乳胶(CR)等；另一类是塑性性质的改性剂，例如聚乙烯、聚丙烯(PE)和聚乙烯—醋酸乙烯的共聚物(EVA)等。在进行改性剂的选择时，可以充分考虑利用上述聚合物各自具有的物化性能，以弥补乳化沥青自身的缺陷，调节和改进乳化沥青的结构-力学性能；通过改性可以降低乳化沥青的温度敏感性和脆化温度，提高乳化沥青的软化点，增强乳化沥青的抗裂耐磨性能。选择适当的改性剂和乳化沥青的不同组合可以为乳化沥青水泥砂浆的配制提供各种不同性能的改性乳化沥青材料。 国内一般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，对于不同性能要求的CA砂浆，水泥的用量不同。 砂对于CA砂浆的工作性能及均匀性等有重要的影响，一般采用河砂或机制砂。我国规定，对于CRTS-Ⅰ型CA砂浆，砂的最大粒径小于2.50mm，细度模数在1.4~1.8之间；对于CRTS-Ⅱ型CA砂浆，砂的最大粒径小于1.18mm。德国的则规定密度不能超过2.8 g/cm3，而且小于或等于0.125 mm粒径的组成部分应该在介于40~50%之间。 为使CA砂浆具有一定的膨胀性能，常采用掺入铝粉或使用膨胀剂。为使CA砂浆在搅拌过程中消去较大的气泡，常采用消泡剂。为使CA砂浆获得良好的工作性能，常采用减水剂。同时还常采用的外加剂有增稠剂、表面活性剂、引气剂等。 针对不同性能要求的CA砂浆，其配合比是不同的，CRTS-Ⅰ型CA砂浆和CRTS-Ⅱ型CA砂浆的配合比差距很大。CRTS-Ⅰ型CA砂浆的配合比中，水泥用量宜在250～300 kg/m3之间，水灰比应不大于0.90，乳化沥青与水泥的比值应不小于1.40。CRTS-Ⅱ型CA砂浆的配合比中，水泥用量不宜小于400 kg/m3，乳化沥青与水泥的比值应不小于0.35，水灰比不宜大于0.58。从两类CA砂浆的配合比中可以看出，CRTS-Ⅱ型CA砂浆的胶凝材料组成以无机材料为主；而CRTS-Ⅰ型CA砂浆的胶凝材料组成中，水泥和沥青用量相当。 4 CA砂浆的性能 CA砂浆的施工方法是灌注施工，因此CA砂浆要具有良好的工作性能，即具有大流动性和良好粘聚性（不离析不泌水）。为解决CA砂浆早期的收缩问题，要求CA砂浆具有一定的膨胀性。同时，CA砂浆也要具有良好的耐久性，如抗冻性、耐候性等。 上述提到，CRTS-Ⅰ型CA砂浆和CRTS-Ⅱ型CA砂浆的配合比差距很大，因此两类砂浆的宏观性能差距很大，我国针对这两种砂浆的指标要求如表1所示。 表1 两种砂浆的性能指标（MPa） 项目 龄期 指标要求 CRTS-Ⅰ型 CRTS-Ⅱ型 抗折强度 1d 无要求 ≥ 1.0 7d 无要求 ≥ 2.0 28d 无要求 ≥ 3.0 抗压强度 1d > 0.10 ≥ 2.0 7d > 0.70 ≥ 10.0 28d > 1.80 ≥ 15.0 弹性模量 28d 100～300 7000 ～ 10000 从表1中可以看出，由于CRTS-Ⅰ型CA砂浆的胶凝材料组成中，水泥和沥青用量相当，因此，砂浆的强度和弹性模量较CRTS-Ⅱ型CA砂浆低很多。CRTS-Ⅰ型CA砂浆应用于单元板式无砟轨道中，轨道板所承受的纵向荷载和横向荷载传递给凸形挡台，因此CA砂浆不承受纵向荷载和横向荷载，从而可以充分发挥其粘弹性来获得缓冲高速列车荷载和减震的作用。CRTS-Ⅱ型CA砂浆应用于纵连板式无砟轨道中，起着传递纵向荷载和横向荷载的作用，因此需要具有较高的强度和弹性模量。 参考文献： [1] 王涛. 高速铁路板式无砟轨道CA砂浆的研究和应用[D]. 武汉理工大学, 2008. [2] 陈文. 桥上纵连板无砟轨道的垂直动力特性研究[D]. 北京交通大学, 2008. [3] 酒正超, 贾元华. 法国高速铁路客运量生成规律的思考与研究[J]. 中国铁路, 1997(11): 43 – 46 [4] 中国铁路考察团. 日本高速铁路考察[J]. 中国铁路, 1997(7): 43 – 47 [5] 朱中彬. 积极建设高速铁路—从可持续发展角度进行的思考[J]. 铁路运输与经济, 1997(2):27 – 32 [6] 任静. 板式轨道的发展及应用前景[J]. 世界铁路, 1994, 2: 14 – 16 [7] 苏晓声. 无砟轨道的发展历程[J]. 世界铁路, 2006,3: 12 – 15 [8] Fazhou Wang, Zhichao Liu, Tao Wang, Shuguang Hu. A novel method to evaluate the setting process of cement and asphalt emulsion in CA mortar[J]. Materials and Structures, 2008, 5（41）: 643 – 647 [9] Kazuyosi O, Yosio I. Compressive strength of the CA mortar and its temperature susceptiblity[J]. Memoirs of the Faculty of Technology, 1976, 10(2): 1 – 13 [10] 左景奇, 姜其斌. 板式轨道弹性垫层CA砂浆的研究[J]. 铁道建筑, 2005(9): 96 – 98 [11] 王涛, 胡曙光, 王发洲 等. 沥青乳液加料顺序影响CA砂浆早期强度的机理研究[J]. 铁道建筑技术, 2008（1）: 1 – 4 [12] 左景奇, 姜其斌, 蔡彬芬. 板式轨道CA砂浆专用沥青乳液的试验研究[J]. 铁道建筑技术, 2005, (2): 68 – 71 [13] 金守华, 陈秀方, 杨军. 板式无砟轨道用CA砂浆的关键技术[J]. 中国铁道科学, 2006, 27(2): 20 – 25 基金项目： 铁道部科技研究计划“水泥沥青砂浆试验研究（B子课题）”资助；国家自然科学基金（50802050）资助。 第一作者：阎培渝(1955—)，男，博士，教授，博士生导师。E-mail:yanpy@tsinghua.edu.cn