摘要：隨著列車(chē)反復(fù)荷載和氣候環(huán)境的作用，無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿墊層將出現(xiàn)破碎、開(kāi)裂等損壞現(xiàn)象，配制一種用于快速維修的水泥乳化瀝青砂漿將會(huì)成為亟待解決的問(wèn)題。本文結(jié)合“CRTSⅡ型無(wú)砟軌道維修用水泥乳化瀝青砂漿”課題的研究成果，總結(jié)配制維修用水泥乳化瀝青砂漿的研究思路和方法。

　　關(guān)鍵詞：維修用,乳化瀝青砂漿,研究方法

　　為了適應(yīng)高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，無(wú)砟軌道技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用突飛猛進(jìn)。國(guó)內(nèi)在引進(jìn)、消化、吸收的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)再創(chuàng)新，研發(fā)出多種無(wú)砟軌道類(lèi)型。其中CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道在京津城際、京滬高鐵、滬昆高鐵、寧杭客專(zhuān)、津秦客專(zhuān)等新建鐵路中得到了廣泛應(yīng)用。水泥乳化瀝青砂漿作為無(wú)砟軌道板和底座板之間的填充層，主要起填充、支撐、承力和傳力作用，并可為軌道板提供適當(dāng)?shù)膭偠群蛷楉g性。

　　水泥乳化瀝青砂漿墊層在列車(chē)反復(fù)荷載和氣候環(huán)境作用下，將出現(xiàn)破碎、開(kāi)裂等損壞現(xiàn)象，隨著水的滲入，砂漿墊層破壞由外及內(nèi)繼續(xù)發(fā)展，嚴(yán)重者甚至影響行車(chē)安全，砂漿墊層的維修將成為迫切需要解決的問(wèn)題。

　　一、研究目的和預(yù)想指標(biāo)

　　配制CRTSⅡ型無(wú)砟軌道維修用水泥乳化瀝青砂漿，首先要明確維修用砂漿的特點(diǎn)和要求。根據(jù)維修施工的經(jīng)驗(yàn)，既有線施工最突出的特點(diǎn)就是時(shí)間要求苛刻。要在天窗期快速完成砂漿墊層維修并能使砂漿性能盡快達(dá)到通車(chē)要求，及早恢復(fù)線路運(yùn)營(yíng)。因此暫擬定12小時(shí)作為水泥乳化瀝青砂漿從拌和完成到達(dá)到技術(shù)條件各項(xiàng)指標(biāo)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，并且保證維修用水泥乳化瀝青砂漿的拌和物性能滿(mǎn)足施工、運(yùn)輸、澆筑等各個(gè)環(huán)節(jié)的工藝需要。

　　按照以上要求提出CRTSⅡ型無(wú)砟軌道維修用水泥乳化瀝青砂漿預(yù)想目標(biāo)如下：

　?、殴ぷ餍阅苤笜?biāo)：水泥乳化瀝青砂漿初凝時(shí)間≥60min，初凝前擴(kuò)展度、流動(dòng)度以及其他工作性能指標(biāo)滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和施工工藝的要求;

　?、茝?qiáng)度指標(biāo)：水泥乳化瀝青砂漿12小時(shí)強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范規(guī)定的28天合格強(qiáng)度指標(biāo);

　?、悄途眯灾笜?biāo)：水泥乳化瀝青砂漿耐久性滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范的技術(shù)要求。

　　二、研究思路

　　水泥乳化瀝青砂漿是由乳化瀝青、水泥、細(xì)骨料、水和外加劑等材料經(jīng)特定工藝攪拌制得的具有特定性能的砂漿，其組成成分是與其功能相適應(yīng)的。

　　根據(jù)京津城際和京滬高鐵現(xiàn)場(chǎng)施工用的CRTSⅡ型無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，砂漿初凝時(shí)間約6～8小時(shí)，一天抗壓強(qiáng)度2～3MPa，這與預(yù)想指標(biāo)的要求相差甚遠(yuǎn)。所以如何加快水泥乳化瀝青砂漿初凝和提高砂漿早期強(qiáng)度是該研究的關(guān)鍵。本研究將圍繞著如何加快水泥乳化瀝青的凝結(jié)時(shí)間，提高12小時(shí)砂漿強(qiáng)度，同時(shí)兼顧砂漿工作性能和耐久性能展開(kāi)。

　　三、水泥乳化瀝青砂漿的性能機(jī)理

　　乳化瀝青、水泥、細(xì)骨料、水和外加劑等主要成分在水泥乳化瀝青砂漿中起著不同的作用，其性能機(jī)理的形成過(guò)程如下：

　　水泥乳化瀝青砂漿各組分按一定的加料順序和攪拌時(shí)間拌和均勻后，水泥顆粒接觸水后開(kāi)始水化反應(yīng)，不斷消耗水分，形成水化硅酸鈣(C-S-H凝膠)和氫氧化鈣等水化產(chǎn)物。隨著水分不斷減少，固體產(chǎn)物不斷增加，水泥乳化瀝青砂漿開(kāi)始變稠凝固。在這個(gè)反應(yīng)過(guò)程的同時(shí)，隨著乳化瀝青中的水被消耗，瀝青顆粒破乳，顆粒膠體開(kāi)始相互聚集，包裹著水泥水化產(chǎn)物聚集在細(xì)骨料周?chē)纬蔀r青膜，這種膜相互靠近粘結(jié)，最后與水泥水化產(chǎn)物形成復(fù)雜的三相體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。水泥水化過(guò)程和乳化瀝青破乳凝固過(guò)程雖然同時(shí)發(fā)生，互相影響、互相制約，但兩個(gè)過(guò)程之間沒(méi)有生成新的產(chǎn)物，也就是沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此水泥和乳化瀝青在砂漿凝固過(guò)程中共同充當(dāng)膠凝材料，并且各成體系，共同組成了水泥乳化瀝青的結(jié)構(gòu)體系。水泥乳化瀝青砂漿呈現(xiàn)的性能特點(diǎn)，也是這兩種體系的共同作用下的結(jié)果。

　　根據(jù)大量研究表明，水泥乳化瀝青砂漿中的水泥膠凝材料體系的強(qiáng)度指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于乳化瀝青膠凝體系，水泥膠凝體系為水泥乳化瀝青砂漿提供主要強(qiáng)度、剛度和脆性，而且水泥水化過(guò)程促進(jìn)乳化瀝青的破乳凝固，水泥也是影響砂漿拌和物凝結(jié)時(shí)間的主要因素。

　　乳化瀝青膠凝體系對(duì)水泥乳化瀝青砂漿的作用是增加砂漿的韌性，改善砂漿的彈性。在其他條件不變的前提下，乳化瀝青摻量的增加將引起砂漿的強(qiáng)度指標(biāo)降低，彈性模量變小，彈韌性增加。又由于乳化瀝青顆粒破乳凝固后，瀝青的高分子鏈等成分填充到砂漿孔隙中，阻斷了內(nèi)部孔隙之間的貫通，防止外界的水分進(jìn)入，乳化瀝青對(duì)提高砂漿的抗凍性有一定的作用。

　　砂在乳化瀝青破乳過(guò)程中受瀝青形成的彈性膜包裹，這種彈性膜在傳遞內(nèi)部壓力時(shí)，能夠使壓力均勻地傳往其他砂粒。砂作為水泥乳化瀝青砂漿的骨料，在使用過(guò)程中承擔(dān)絕大部分荷載。砂的用量是水泥乳化瀝青強(qiáng)度形成的基礎(chǔ)，提高砂用量能夠提高乳化瀝青砂漿的強(qiáng)度，但也增大水泥和瀝青的使用量，使砂漿拌和物流動(dòng)度降低。

　　水灰比是水泥膠凝體系強(qiáng)度的重要指標(biāo)，在水泥用量不變的情況下，增大用水量會(huì)使砂漿強(qiáng)度降低，但能提高砂漿拌和物的流動(dòng)性。

　　外加劑對(duì)水泥乳化瀝青砂漿的影響主要根據(jù)外加劑的不同種類(lèi)表現(xiàn)在如減水能力、早強(qiáng)能力上。在不影響砂漿拌和物流動(dòng)性等工作指標(biāo)的前提下，使用高效減水劑，降低水膠比是提高砂漿強(qiáng)度的重要途徑。

　　綜合以上分析，水泥乳化瀝青砂漿中水泥和瀝青共同充當(dāng)膠凝材料并且各成體系，但瀝青體系的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水泥體系即水泥水化產(chǎn)物的強(qiáng)度。而且由于水泥水化反應(yīng)消耗大量水，加快乳化瀝青破乳凝固，水泥也是影響砂漿凝結(jié)時(shí)間的主要因素。因此，提高水泥乳化瀝青砂漿早期強(qiáng)度和加快凝結(jié)時(shí)間的主要途徑是提高水泥膠凝體系的強(qiáng)度，加快水泥水化反應(yīng)速度，促進(jìn)乳化瀝青破乳凝固，使水泥乳化瀝青砂漿的凝結(jié)時(shí)間縮短。

　　四、選擇研究突破方向

　　結(jié)合上面對(duì)水泥乳化瀝青砂漿性能機(jī)理的研究，以及各種原材料對(duì)砂漿性能的影響，針對(duì)提出維修用砂漿的預(yù)想目標(biāo)，提高水泥膠凝材料體系強(qiáng)度為突破口，選擇研究方向如下：

　　1、以早期強(qiáng)度高、凝結(jié)時(shí)間短為目的進(jìn)行砂漿基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化，確定各主要材料成分的用量范圍。

　　2、選用早期強(qiáng)度高的水泥基材配制單一型或復(fù)合型膠凝材料體系，提高水泥乳化瀝青砂漿的早期強(qiáng)度，加快砂漿凝結(jié)速度。

　　3、采用配制早強(qiáng)型減水劑等措施進(jìn)一步提高砂漿的早期強(qiáng)度。

　　五、研究方法

　　根據(jù)上面的三個(gè)研究方向，逐個(gè)選擇適宜的研究方法開(kāi)展試驗(yàn)研究工作。

　　1、確定各主要材料成分的用量范圍。

　　在基準(zhǔn)配合比初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，研究水泥、乳化瀝青、砂、水四個(gè)主要原材料的用量對(duì)砂漿流動(dòng)度、初凝時(shí)間、1天抗折強(qiáng)度、1天抗壓強(qiáng)度等四個(gè)性能指標(biāo)的影響，進(jìn)行基準(zhǔn)配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，來(lái)確定四個(gè)主要原材料用量范圍。研究采用砂漿拌合檢驗(yàn)相關(guān)指標(biāo)的形式，優(yōu)化過(guò)程采用試驗(yàn)正交設(shè)計(jì)的研究方法進(jìn)行。

　　試驗(yàn)正交設(shè)計(jì)(Orthogonal experimental design) 是研究多因素多水平的又一種設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)，是是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

　　參照現(xiàn)有水泥乳化瀝青砂漿配合比，按照一定的變化范圍取值，制定四種主要成分的單位體積用量范圍，單位體積原材料用量范圍如表1：

　　按照水泥、水5kg，砂、瀝青10kg間隔進(jìn)行搭配試驗(yàn)，則包括4個(gè)因素(水泥、乳化瀝青、砂、水)，每個(gè)因素又有9種不同水平，全部試驗(yàn)共有94=6561種搭配。采用正交設(shè)計(jì)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化后，需做試驗(yàn)次數(shù)為81次，決定水泥乳化瀝青砂漿的4種原材料(即4種因素)中，每個(gè)水平出現(xiàn)9次，具有均衡分散性。(篇幅所限，正交試驗(yàn)表81種搭配不能一一列出)。

　　通過(guò)對(duì)81組正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析，得到以下四組結(jié)論：

　　(1)、水泥用量與砂漿強(qiáng)度關(guān)系表明，當(dāng)水泥用量范圍在545kg～565kg時(shí)水泥乳化瀝青砂漿的1d抗壓強(qiáng)度較高。

　　(2)、乳化瀝青用量與砂漿流動(dòng)度關(guān)系表明當(dāng)乳化瀝青含量為200kg～280kg時(shí)，砂漿的流動(dòng)度接近或達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求值;又根據(jù)乳化瀝青用量與砂漿強(qiáng)度關(guān)系圖表明，隨著乳化瀝青含量的增加，砂漿的1d抗壓強(qiáng)度逐漸降低，但影響作用小于水泥用量對(duì)強(qiáng)度的影響，因此乳化瀝青的最佳用量為200kg～230kg。

　　(3)、綜合考慮用水量與流動(dòng)度、初凝時(shí)間關(guān)系以及水灰比和強(qiáng)度的關(guān)系，剔除乳化瀝青所含水量(按乳化瀝青質(zhì)量的40%)，確定所加拌和用水量的最佳范圍為140kg～145kg。

　　(4)、砂用量

　　按照拌和物的單位容積質(zhì)量范圍為1750kg/m3～1900kg/m3合理范圍，上述步驟確定水泥、水、乳化瀝青的用量后，用單位容積質(zhì)量范圍可確定砂的最佳用量范圍為870kg～900kg。

　　另外，外加劑采用醚類(lèi)聚羧酸高效減水劑，以拌合物工作狀態(tài)為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)定為每方用量定為6.0～6.5%(水泥摻量的百分比)。

　　2、選用早期強(qiáng)度高的水泥基材配制單一型或復(fù)合型膠凝材料體系。

　　首先要確定水泥種類(lèi)的選擇范圍，綜合考慮水泥材料的性能、通用性、生產(chǎn)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)成本等因素選擇硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、快硬硫鋁酸鹽水泥等種類(lèi)的7個(gè)水泥基材料對(duì)比水泥的1天抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度指標(biāo)和初凝時(shí)間，選擇鋁酸鹽水泥和快硬硫鋁酸鹽水泥作為主要材料，其他材料作為輔助材料備用。再選擇與砂漿拌合性能關(guān)系最直接的“擴(kuò)展度”、“流動(dòng)度”和12小時(shí)強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，得出鋁酸鹽水泥適應(yīng)性差，砂漿長(zhǎng)時(shí)間不凝固;而快硬硫鋁酸鹽水泥工作性指標(biāo)也不能完全達(dá)到預(yù)想指標(biāo)要求，因此考慮配制復(fù)合型膠凝材料體系。

　　結(jié)合高性能水泥制備相關(guān)理論，以“硅酸鹽熟料-硫鋁酸鹽熟料復(fù)合熟料”水泥體系為基礎(chǔ)，將硫鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥按照一定比例摻配，通過(guò)不同比例的摻配試驗(yàn)，得到以硫鋁酸鹽水泥為主的，與普通硅酸鹽水泥等材料組成的復(fù)合型膠凝材料體系，在水泥乳化瀝青砂漿強(qiáng)度指標(biāo)和初凝時(shí)間等指標(biāo)上都比單一品種水泥更具有優(yōu)勢(shì)。

　　3、采用配制早強(qiáng)型減水劑等方式進(jìn)一步提高砂漿的早期強(qiáng)度。

　　外加劑選用的是目前鐵路工程建設(shè)中應(yīng)用最廣的聚羧酸系減水劑。聚羧酸系減水劑摻入水泥拌合物中, 能夠破壞水泥顆粒的絮凝結(jié)構(gòu), 起到分散水泥顆粒及水泥水化顆粒的作用, 從而釋放絮凝結(jié)構(gòu)中的自由水, 增大拌合物的流動(dòng)性，達(dá)到高效減水的作用。

　　常用的早強(qiáng)劑分為無(wú)機(jī)物類(lèi)、有機(jī)胺類(lèi)和復(fù)合早強(qiáng)劑三類(lèi)，在聚羧酸系減水劑中復(fù)合添加早強(qiáng)劑比單組分早強(qiáng)劑具有更優(yōu)良的早強(qiáng)效果。根據(jù)預(yù)想指標(biāo)的要求，選用無(wú)機(jī)類(lèi)早強(qiáng)劑：氯化鈉、氯化鈣、硫酸鈣，有機(jī)胺類(lèi)的三乙醇胺、三聚氰胺五種與聚羧酸減水劑進(jìn)行復(fù)配。根據(jù)效果再進(jìn)行組合摻配，最終確定三種早強(qiáng)劑與聚羧酸減水劑組成的復(fù)合型外加劑能夠使得水泥乳化瀝青砂漿性能指標(biāo)達(dá)到了預(yù)想指標(biāo)。

　　六、研究成果和檢測(cè)報(bào)告

　　通過(guò)微調(diào)油灰比(乳化瀝青和水泥膠材的比例)，對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)和工作性指標(biāo)進(jìn)一步優(yōu)化，最終得到CRTSⅡ型無(wú)砟軌道維修用水泥乳化瀝青砂漿配合比如下：

　　名稱(chēng)復(fù)合型

　　水泥kg砂kg乳化瀝青kg水kg復(fù)合型外加劑%(水泥摻量的百分比)

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

　　該配合比砂漿按照《客運(yùn)專(zhuān)線鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》科技基[2008]74號(hào)進(jìn)行12大項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，所有指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求。并且12小時(shí)指標(biāo)均達(dá)到28天合格標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)溫度適應(yīng)性試驗(yàn)，確認(rèn)該配合比環(huán)境溫度適用范圍在15～35℃內(nèi)。

　　七、結(jié)束語(yǔ)

　　“CRTSⅡ型無(wú)砟軌道維修用水泥乳化瀝青砂漿”研究課題獲得了中國(guó)中鐵股份公司的科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，該配合比也申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。理清該研究的思路和方法，尤其作為將統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)、化學(xué)知識(shí)、圖形分析等與試驗(yàn)科學(xué)有效結(jié)合的例子，希望能為廣大工程技術(shù)人員在科學(xué)研究中開(kāi)拓思路提供借鑒。

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