正当时......

学术咨询服务

当前位置：职称论文发表咨询网》理工职称论文》道路施工论文发表水泥乳化沥青砂浆方法

道路施工论文发表水泥乳化沥青砂浆方法

来源：职称论文发表咨询网作者：qifan时间：2013-08-02 13:37

　　摘要：随着列车反复荷载和气候环境的作用，无砟轨道水泥乳化沥青砂浆垫层将出现破碎、开裂等损坏现象，配制一种用于快速维修的水泥乳化沥青砂浆将会成为亟待解决的问题。本文结合“CRTSⅡ型无砟轨道维修用水泥乳化沥青砂浆”课题的研究成果，总结配制维修用水泥乳化沥青砂浆的研究思路和方法。

　　关键词：维修用,乳化沥青砂浆,研究方法

　　为了适应高速铁路建设的快速发展，无砟轨道技术研发与应用突飞猛进。国内在引进、消化、吸收的基础上经过再创新，研发出多种无砟轨道类型。其中CRTSⅡ型板式无砟轨道在京津城际、京沪高铁、沪昆高铁、宁杭客专、津秦客专等新建铁路中得到了广泛应用。水泥乳化沥青砂浆作为无砟轨道板和底座板之间的填充层，主要起填充、支撑、承力和传力作用，并可为轨道板提供适当的刚度和弹韧性。

　　水泥乳化沥青砂浆垫层在列车反复荷载和气候环境作用下，将出现破碎、开裂等损坏现象，随着水的渗入，砂浆垫层破坏由外及内继续发展，严重者甚至影响行车安全，砂浆垫层的维修将成为迫切需要解决的问题。

　　一、研究目的和预想指标

　　配制CRTSⅡ型无砟轨道维修用水泥乳化沥青砂浆，首先要明确维修用砂浆的特点和要求。根据维修施工的经验，既有线施工最突出的特点就是时间要求苛刻。要在天窗期快速完成砂浆垫层维修并能使砂浆性能尽快达到通车要求，及早恢复线路运营。因此暂拟定12小时作为水泥乳化沥青砂浆从拌和完成到达到技术条件各项指标的时间标准，并且保证维修用水泥乳化沥青砂浆的拌和物性能满足施工、运输、浇筑等各个环节的工艺需要。

　　按照以上要求提出CRTSⅡ型无砟轨道维修用水泥乳化沥青砂浆预想目标如下：

　　⑴工作性能指标：水泥乳化沥青砂浆初凝时间≥60min，初凝前扩展度、流动度以及其他工作性能指标满足现行规范标准和施工工艺的要求;

　　⑵强度指标：水泥乳化沥青砂浆12小时强度达到规范规定的28天合格强度指标;

　　⑶耐久性指标：水泥乳化沥青砂浆耐久性满足现行规范的技术要求。

　　二、研究思路

　　水泥乳化沥青砂浆是由乳化沥青、水泥、细骨料、水和外加剂等材料经特定工艺搅拌制得的具有特定性能的砂浆，其组成成分是与其功能相适应的。

　　根据京津城际和京沪高铁现场施工用的CRTSⅡ型无砟轨道水泥乳化沥青砂浆性能指标统计，砂浆初凝时间约6～8小时，一天抗压强度2～3MPa，这与预想指标的要求相差甚远。所以如何加快水泥乳化沥青砂浆初凝和提高砂浆早期强度是该研究的关键。本研究将围绕着如何加快水泥乳化沥青的凝结时间，提高12小时砂浆强度，同时兼顾砂浆工作性能和耐久性能展开。

　　三、水泥乳化沥青砂浆的性能机理

　　乳化沥青、水泥、细骨料、水和外加剂等主要成分在水泥乳化沥青砂浆中起着不同的作用，其性能机理的形成过程如下：

　　水泥乳化沥青砂浆各组分按一定的加料顺序和搅拌时间拌和均匀后，水泥颗粒接触水后开始水化反应，不断消耗水分，形成水化硅酸钙(C-S-H凝胶)和氢氧化钙等水化产物。随着水分不断减少，固体产物不断增加，水泥乳化沥青砂浆开始变稠凝固。在这个反应过程的同时，随着乳化沥青中的水被消耗，沥青颗粒破乳，颗粒胶体开始相互聚集，包裹着水泥水化产物聚集在细骨料周围，形成沥青膜，这种膜相互靠近粘结，最后与水泥水化产物形成复杂的三相体网络结构。水泥水化过程和乳化沥青破乳凝固过程虽然同时发生，互相影响、互相制约，但两个过程之间没有生成新的产物，也就是没有发生化学反应，因此水泥和乳化沥青在砂浆凝固过程中共同充当胶凝材料，并且各成体系，共同组成了水泥乳化沥青的结构体系。水泥乳化沥青砂浆呈现的性能特点，也是这两种体系的共同作用下的结果。

　　根据大量研究表明，水泥乳化沥青砂浆中的水泥胶凝材料体系的强度指标远远高于乳化沥青胶凝体系，水泥胶凝体系为水泥乳化沥青砂浆提供主要强度、刚度和脆性，而且水泥水化过程促进乳化沥青的破乳凝固，水泥也是影响砂浆拌和物凝结时间的主要因素。

　　乳化沥青胶凝体系对水泥乳化沥青砂浆的作用是增加砂浆的韧性，改善砂浆的弹性。在其他条件不变的前提下，乳化沥青掺量的增加将引起砂浆的强度指标降低，弹性模量变小，弹韧性增加。又由于乳化沥青颗粒破乳凝固后，沥青的高分子链等成分填充到砂浆孔隙中，阻断了内部孔隙之间的贯通，防止外界的水分进入，乳化沥青对提高砂浆的抗冻性有一定的作用。

　　砂在乳化沥青破乳过程中受沥青形成的弹性膜包裹，这种弹性膜在传递内部压力时，能够使压力均匀地传往其他砂粒。砂作为水泥乳化沥青砂浆的骨料，在使用过程中承担绝大部分荷载。砂的用量是水泥乳化沥青强度形成的基础，提高砂用量能够提高乳化沥青砂浆的强度，但也增大水泥和沥青的使用量，使砂浆拌和物流动度降低。

　　水灰比是水泥胶凝体系强度的重要指标，在水泥用量不变的情况下，增大用水量会使砂浆强度降低，但能提高砂浆拌和物的流动性。

　　外加剂对水泥乳化沥青砂浆的影响主要根据外加剂的不同种类表现在如减水能力、早强能力上。在不影响砂浆拌和物流动性等工作指标的前提下，使用高效减水剂，降低水胶比是提高砂浆强度的重要途径。

　　综合以上分析，水泥乳化沥青砂浆中水泥和沥青共同充当胶凝材料并且各成体系，但沥青体系的强度远远低于水泥体系即水泥水化产物的强度。而且由于水泥水化反应消耗大量水，加快乳化沥青破乳凝固，水泥也是影响砂浆凝结时间的主要因素。因此，提高水泥乳化沥青砂浆早期强度和加快凝结时间的主要途径是提高水泥胶凝体系的强度，加快水泥水化反应速度，促进乳化沥青破乳凝固，使水泥乳化沥青砂浆的凝结时间缩短。

　　四、选择研究突破方向

　　结合上面对水泥乳化沥青砂浆性能机理的研究，以及各种原材料对砂浆性能的影响，针对提出维修用砂浆的预想目标，提高水泥胶凝材料体系强度为突破口，选择研究方向如下：

　　1、以早期强度高、凝结时间短为目的进行砂浆基准配合比设计优化，确定各主要材料成分的用量范围。

　　2、选用早期强度高的水泥基材配制单一型或复合型胶凝材料体系，提高水泥乳化沥青砂浆的早期强度，加快砂浆凝结速度。

　　3、采用配制早强型减水剂等措施进一步提高砂浆的早期强度。

　　五、研究方法

　　根据上面的三个研究方向，逐个选择适宜的研究方法开展试验研究工作。

　　1、确定各主要材料成分的用量范围。

　　在基准配合比初步设计的基础上，研究水泥、乳化沥青、砂、水四个主要原材料的用量对砂浆流动度、初凝时间、1天抗折强度、1天抗压强度等四个性能指标的影响，进行基准配合比优化设计，来确定四个主要原材料用量范围。研究采用砂浆拌合检验相关指标的形式，优化过程采用试验正交设计的研究方法进行。

　　试验正交设计(Orthogonal experimental design) 是研究多因素多水平的又一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，是是一种高效率、快速、经济的试验设计方法。

　　参照现有水泥乳化沥青砂浆配合比，按照一定的变化范围取值，制定四种主要成分的单位体积用量范围，单位体积原材料用量范围如表1：

　　按照水泥、水5kg，砂、沥青10kg间隔进行搭配试验，则包括4个因素(水泥、乳化沥青、砂、水)，每个因素又有9种不同水平，全部试验共有94=6561种搭配。采用正交设计对试验进行优化后，需做试验次数为81次，决定水泥乳化沥青砂浆的4种原材料(即4种因素)中，每个水平出现9次，具有均衡分散性。(篇幅所限，正交试验表81种搭配不能一一列出)。

　　通过对81组正交试验数据进行绘图分析，得到以下四组结论：

　　(1)、水泥用量与砂浆强度关系表明，当水泥用量范围在545kg～565kg时水泥乳化沥青砂浆的1d抗压强度较高。

　　(2)、乳化沥青用量与砂浆流动度关系表明当乳化沥青含量为200kg～280kg时，砂浆的流动度接近或达到标准要求值;又根据乳化沥青用量与砂浆强度关系图表明，随着乳化沥青含量的增加，砂浆的1d抗压强度逐渐降低，但影响作用小于水泥用量对强度的影响，因此乳化沥青的最佳用量为200kg～230kg。

　　(3)、综合考虑用水量与流动度、初凝时间关系以及水灰比和强度的关系，剔除乳化沥青所含水量(按乳化沥青质量的40%)，确定所加拌和用水量的最佳范围为140kg～145kg。

　　(4)、砂用量

　　按照拌和物的单位容积质量范围为1750kg/m3～1900kg/m3合理范围，上述步骤确定水泥、水、乳化沥青的用量后，用单位容积质量范围可确定砂的最佳用量范围为870kg～900kg。

　　另外，外加剂采用醚类聚羧酸高效减水剂，以拌合物工作状态为检验标准定为每方用量定为6.0～6.5%(水泥掺量的百分比)。

　　2、选用早期强度高的水泥基材配制单一型或复合型胶凝材料体系。

　　首先要确定水泥种类的选择范围，综合考虑水泥材料的性能、通用性、生产规模、经济成本等因素选择硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥等种类的7个水泥基材料对比水泥的1天抗压强度、抗折强度指标和初凝时间，选择铝酸盐水泥和快硬硫铝酸盐水泥作为主要材料，其他材料作为辅助材料备用。再选择与砂浆拌合性能关系最直接的“扩展度”、“流动度”和12小时强度进行试验，得出铝酸盐水泥适应性差，砂浆长时间不凝固;而快硬硫铝酸盐水泥工作性指标也不能完全达到预想指标要求，因此考虑配制复合型胶凝材料体系。

　　结合高性能水泥制备相关理论，以“硅酸盐熟料-硫铝酸盐熟料复合熟料”水泥体系为基础，将硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥按照一定比例掺配，通过不同比例的掺配试验，得到以硫铝酸盐水泥为主的，与普通硅酸盐水泥等材料组成的复合型胶凝材料体系，在水泥乳化沥青砂浆强度指标和初凝时间等指标上都比单一品种水泥更具有优势。

　　3、采用配制早强型减水剂等方式进一步提高砂浆的早期强度。

　　外加剂选用的是目前铁路工程建设中应用最广的聚羧酸系减水剂。聚羧酸系减水剂掺入水泥拌合物中, 能够破坏水泥颗粒的絮凝结构, 起到分散水泥颗粒及水泥水化颗粒的作用, 从而释放絮凝结构中的自由水, 增大拌合物的流动性，达到高效减水的作用。

　　常用的早强剂分为无机物类、有机胺类和复合早强剂三类，在聚羧酸系减水剂中复合添加早强剂比单组分早强剂具有更优良的早强效果。根据预想指标的要求，选用无机类早强剂：氯化钠、氯化钙、硫酸钙，有机胺类的三乙醇胺、三聚氰胺五种与聚羧酸减水剂进行复配。根据效果再进行组合掺配，最终确定三种早强剂与聚羧酸减水剂组成的复合型外加剂能够使得水泥乳化沥青砂浆性能指标达到了预想指标。

　　六、研究成果和检测报告

　　通过微调油灰比(乳化沥青和水泥胶材的比例)，对强度指标和工作性指标进一步优化，最终得到CRTSⅡ型无砟轨道维修用水泥乳化沥青砂浆配合比如下：

　　名称复合型

　　水泥kg砂kg乳化沥青kg水kg复合型外加剂%(水泥掺量的百分比)

　　用量范围555～565870～900200～215140～1456.0～6.5

　　该配合比砂浆按照《客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》科技基[2008]74号进行12大项指标进行检测，所有指标满足规范要求。并且12小时指标均达到28天合格标准。通过温度适应性试验，确认该配合比环境温度适用范围在15～35℃内。

　　七、结束语

　　“CRTSⅡ型无砟轨道维修用水泥乳化沥青砂浆”研究课题获得了中国中铁股份公司的科技进步三等奖，该配合比也申请了国家发明专利。理清该研究的思路和方法，尤其作为将统计学知识、化学知识、图形分析等与试验科学有效结合的例子，希望能为广大工程技术人员在科学研究中开拓思路提供借鉴。

　　参考文献：

　　[1] 铁道部科学技术司.客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件.科技基[2008]74号.北京：中国铁道出版社，2008

　　[2] 刘数华，冷发光，罗季英主编.建筑材料试验研究的数学方法.北京：中国建筑工业出版社，2006

　　[3] 刘尚乐著.乳化沥青及其在道路、建筑工程中的应用.北京：中国建材工业出版社，2008