高性能聚合物替换CRTSII型板式无砟轨道支承层内CA砂浆的可行性试验研究

吴业平 侯梅英 赵世煜

摘 要：在高速铁路病害项目整治研究过程中， CRTSⅡ 型板式无砟轨道支承层内CA砂浆修复在晚上天窗作业时间施工经常会出现问题，造成工况失败，本文从替换使用CA砂浆施工的各种原因出发，对高性能聚合物材料进行的基本性能、力学性能和耐久性等方面进行试验，具体阐述试验内容和试验方法，并跟CA砂浆的各项性能指标做比较，从理论层面确定高性能聚合物替换CA砂浆的可行性。为以后在高速铁路病害整治修复项目施工过程中，提供高性能聚合物替换CRTSII型板式无砟轨道支承层内CA砂浆提供可行性的理论支持和经验。

关键词： 聚合物;CA砂浆;性能指标;可行性

1前言

自从我国修建高速铁路以来，水泥石油乳化沥青砂浆（简称CA砂浆）是CRTSⅡ 型板式无砟轨道支承层的重要组成部分，广泛填充在轨道板和路基底座板（支承层）之间，起到填充、承载、传递应力的作用。我国第一条开通的武汉到广州的武广高速铁路就大量使用了水泥石油乳化沥青砂浆（简称CA砂浆）材料，武广高铁的运营证明它的意义和价值。但是我们知道水泥乳化沥青砂浆为双组份材料，现场施工时需要用干性的混和砂浆浆料和乳化沥青乳液混合而成，由于高速铁路前期施工不规范、缺乏经验和环境影响及列车荷载作用等多种原因，造成CA砂浆层离缝、破损和脱空等病害现象严重，影响列車平稳及安全，这是原因之一;而目前国内生产水泥乳化沥青干料的厂家只有唐山盾石、北京麦可斯特、江苏尼高、成都嘉新等几家，做乳化沥青的厂家有荷兰壳牌、中石化、株洲时代等几家，而国内外需求市场巨大，鉴于生产干料和乳化沥青的厂家数量较少，材料采购困难，市售价格较高，造成CA砂浆成本高昂，这是原因之二;特别对于砂浆层病害严重的区域，普通的注浆加固已不能满足病害整治要求，需要揭开轨道板，凿除并重新浇筑砂浆层进行修复，而这两组材料如果用到高速铁路病害整治过程中，会由于材料的特殊性以及局限性，原始的水泥乳化沥青砂浆材料不能直接应用在整治维修施工中，这是原因之三;最后，由于施工条件的变化，为了保证高速铁路的正常运营，高速铁路的线路维护时间段一般都是在天窗时间进行，病害整治施工的灌浆工艺与新线修建的有所不同，造成很多的失败工况。 综合上述原因，用高性能聚合物砂浆材料替换CRTSⅡ 型板式无砟轨道砂浆层的可行性试验研究具有较大的经济价值和工程意义。

2试验材料检测

2.1试验基本材料性能检测

高性能聚合物所采用的基本材料①水泥必须满足普通硅酸盐水泥应符合GB175的规定，特种水泥应符合GB 20472-2006的规定。②细骨料：使用河砂或机制砂，不可使用海砂，最大粒径1.18mm，应符合GB/T 14684的规定。③聚合物乳液按DL/T 5126-2001中有关规定执行。④其他减水剂应符合GB 8076-2008的规定。膨胀剂应符合GB/T 23439-2017的规定。保水剂应符合JC/T 2389-2017的规定。消泡剂宜采用有机硅类消泡剂产品，应符合GB/T 21089.1-2007的规定。试验拌合用水应符合JGJ 63-2006的规定。

砂浆材料试验检测

本次试验所制备的材料应满足以下的性能指标要求。

聚合物砂浆和CA砂浆性能指标要求如下：

2.2 试验特殊材料性能检测

高性能聚合物需要使用的特殊添加材料①无机填料 需要满足国家设计标准有关规定②聚丙烯纤维添加规格必须满足国家标准要求，这些材料的使用量需要根据试验比例进行添加和减少。试验的组成材料均达到国家设计标准，满足国家用途使用的材料。

3高性能聚合物与CA砂浆对比试验

高性能聚合物砂浆材料更换CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层的配比试验，主要包括高性能聚合物砂浆的基本性能试验、力学性能试验和耐久性性能试验。其中CA砂浆采用新拌砂浆基本性能试验、硬化砂浆的力学性能、耐久性能试验测定。按照规定方法成型并养护的硬化砂浆试件进行力学性能试验，主要包括：各龄期的抗压和抗折强度试验、粘结强度（28d）和弹性模量测定（28d）。按照规定方法成型并养护的硬化砂浆试件进行耐久性试验，主要包括抗冻性试验（28d）和抗疲劳试验（28d）。

3.1基本性能试验对比

按照《聚合物改性水泥砂浆试验规程》（DLT5126-2001）的有关规定，制造成型的高性能聚合物试件成品，并按照CA砂浆的规程标准制造成型的CA砂浆试件成品。首先对基本材料进行以下基本性能系列试验比较，①扩展度试验：分两组进行，试验结果以水灰比及扩展度来表示。本次试验是采用扩展度筒内径为50mm，结果以垂直直径5mm扩展度达到280mm的时间，试验结果表明高性能聚合物的砂浆扩展度达到标准，即t280≤16s ，而CA砂浆的扩展度试验则由于时间和温度的限制，白天正常温度情况下，扩展度达到标准，即t280≤16s 时间内，如果在特殊情况下进行，则出现不能满足要求的情况出现。②流动度试验测定对比，用流动度测定仪进行测定试验，高性能聚合物砂浆缓慢而均匀地倒入漏斗，测量漏斗中聚合物砂浆流完所需的时间满足性能指标要求60s内，而CA砂浆的流动度测定同样出现白天正常温度情况下，满足性能指标要求，特殊情况下出现意外现象。：③分离度试验测定，分别按照要求采用规定指定三个聚合物砂浆标准试件和CA砂浆标准试件，按下面的式子计算两种不同砂浆的分离度：

结果表明聚合物砂浆和CA砂浆都能满足小于3% 的要求。 ④凝结时间的测定试验：参照DL/T5126-2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》的规定执行，凝结时间测定仪采用符合GB/T1346的要求，或技术参数符合该标准要求的凝结时间自动测定仪器，按DL/T5126-2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》中砂浆的拌合方法的规定制备砂浆，拌料时只加水泥、聚合物乳液（胶粉）、水、添加剂，不加砂，制备聚合物改性水泥净浆，放入恒湿养护箱内养护，然后记录开始加拌合水的时间作为凝结时间的起始时间。凝结时间的测试：试件在湿养护箱中养护至加拌合水后30min时开始第一次测定。测定时，从恒湿养护箱中取出圆模放到试针下，使试针与净浆面接触，拧紧螺丝1s-2s后突然放松，试针垂直自由沉入净浆，观察试针停止下沉时指针读数。当试针沉至距底板2mm-3mm时，即为净浆达到初凝状态;当下沉不超过1mm-0.5mm时为净浆达到终凝状态。由开始加拌合水至初凝、终凝状态的时间分别为该净浆的初凝时间和终凝时间，用小时（h）和分（min）表示。试验表明满足性能要求。CA砂浆的净浆制备按照相关规定执行，得出来初凝时间和终凝时间均长于高性能聚合物砂浆。：⑤含气量的测定：采用含气量测定仪分别注入聚合物砂浆和水泥沥青砂浆，用刮平尺刮平，盖上容器盖，打开加水阀和排水阀，通过加水阀向容器内注水，当排水阀流出的水不含气泡时，关闭加水阀和排水阀，注水时可将容器稍微倾斜，有利于空气的排出，打开操作阀，待示值仪示值稳定后，读取含气量。以两次试验的平均值作为测试结果，精确至0.1%。若两次测量的误差大于其平均值的10%，则需重新试验。得出两种不同性能的砂浆均满足要求，高性能聚合物达到6%，而CA砂浆则是8%。

通过基本性能试验对比，高性能聚合物砂浆在扩展度试验、流动度试验、分离度试验中都要优于CA砂浆试验，而含气量和凝结时间均小于CA砂浆。通过这些指标对比，我们得出在材料的基本性能方面聚合物砂浆要强于CA砂浆。

3.2力学性能试验对比

3.2.1抗压、抗折强度及弹性模量试验

按照GB/T17671中第4条相关规定，分别对聚合物砂浆和CA砂浆进行试件成型、养护。CA砂浆采用国家相关规定标准进行成型养护。聚合物砂浆的抗压、抗折强度试验按GB17671相关规定执行。抗压强度的加荷速度50～500N/s，以保证试件在30～90s断裂进行控制。聚合物砂浆的弹性模量试验按GB/T 50081的相关规定执行。CA砂浆的抗压、抗折强度试验按照国家标准相关规定执行。结果表明聚合物砂浆的28天的抗压强度大于18 MPa，28天的抗折强度大于4 MPa，28天的弹性模量在7000-15000MPa 之间，满足国家标准要求。CA砂浆同样满足国家标准要求，但相对应的数值要小于聚合物砂浆。

3.2.2黏接强度试验

按照规定制作聚合物砂浆试件，再把试件嵌入下面的拉伸夹具中，然后安置到试验机上，开动机器，1500N/min～2000N/min的速度加荷，直至试件破坏，记下破坏荷载和试件的破坏情况。试验结果

以5个试件为一组，计算5个试件的平均值，若单个试件强度超过平均值的±15%时，应予剔除，取其余试件强度的平均值为试验结果，结果精确至0.01MPa。当5个试件中有效值不足3个时，该批试验应重做。结果符合要求。按照相应的标准测定CA砂浆试件，得出CA砂浆试见符合要求，但数值偏大。

3.3耐久性能试验对比

3.3.1收缩试验

按规定制备砂浆。收缩率按下式计算：

式中：εt—聚合物改性水泥砂浆的收缩率，%;

L0—试件的基准长度，mm;Lt—试件养护后的长度，mm;△—金属测头的长度，mm。

取三个试件的平均值作为试验结果，精确至小数点后三位。结果符合要求。按照相应的标准测定CA砂浆试件，得出CA砂浆试见符合要求，但数值偏大。

3.3.2抗冻性试验

参照SD105-1982[512（2）-80]中“混凝土抗冻性试验（快冻法）”规定的设备。按规定制备聚合物砂浆和CA砂浆。按SD105-1982[512（2）-80]中“混凝土抗冻性试验（快冻法）”的规定执行，进行200个冻融循环试验。得出结果两者符合规定要求。

3.3.3抗疲勞性能试验

采用标准马歇尔试件，进行试件疲劳试验，记录疲劳次数及试件残余变形值。试验基本荷载—时间曲线如图所示。

试验的基本荷载-时间曲线

荷载：应力下降Pu=0.025N/mm2;应力上限P0=0.35N/mm2 脉冲持续时间：0.2s

两次脉冲的间隔：1.5s。试验应在20±2℃中进行。达到以下几种情况之一即可停止试验：a）循环次数大于10000次;b）试件残余变形超过0.04mm。试验结果以三块试件的试验结果表示，如有一块不满足要求，应加倍试验，如仍有一块试件不满足要求，则判定不合格。表明聚合物砂浆试件满足要求，且数值表现要强于CA砂浆。

4结论

通过这些试验，我们得出高性能聚合物砂浆在基本材料性能上强于CA砂浆，力学性能在相应时间内测定值前者要高于后者，耐久性测试中，两者的表现也是聚合物砂浆优于CA砂浆，因此在理论上面，高性能聚合物砂浆取代CA砂浆是可行的。特别在CRTSⅡ 型板式无砟轨道支承层内修复中，聚合物砂浆的优势就显示出来，由于 CA砂浆的局限性，推广使用聚合物砂浆来替换CA砂浆具有实在的意义和价值。

参考文献 ：

[1] GB/T175-2007《通用硅酸盐水泥》

[2] GBT 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》

[3] GBT 17671-1999 《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》

[4] DL/T 5126-2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》

[5]《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》

[6]《沪杭高铁嘉善南站路基段轨道病害综合整治施工组织设计》

[7]《高速铁路设计规范》（TB10621-2014）

·横向课题：运营高速铁路CRTSII板式无砟轨道砂浆层更换施工工艺及工法研究。

·作者简介：吴业平，1980年出生，女，实验师。侯梅英，1965年出生，女，教授。