《无砟轨道CA砂浆》PPT课件.ppt

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高速铁路板式无碴轨道用CA砂浆材料与技术 铁路轨道结构分为有碴与无碴两种型式。无碴轨道所显现出的优势（轨道稳定性高、刚度均匀性好、结构耐久性强、维修成本低等）使其成为当今高速铁路发展的主要方向。常用的无碴轨道结构形式有轨枕埋入式、板式。目前，板式轨道结构有日本新干线板式（CRTS-I型）与德国博格板式（CRTS-II型）两种。板式无碴轨道CRTS-ICRTS-II 板式无碴轨道的技术优点减轻桥梁二期恒载——桥梁。减少隧道开挖面积——隧道。 日本新干线板式轨道德国博格板式轨道 技术类型CA砂浆抗压强度/MPa弹性模量/GPa技术特点比较关键技术博格板式Ⅱ型>157~10整体性好，轨道板制造精度高、轨道施工技术较复杂、成本较高轨道板制造新干线板式Ⅰ型1.8~2.50.1~0.4轨道板制造技术相对简单、施工简便，经济性好，维护方便，CA砂浆技术难度大CA砂浆技术I型与II型板式结构特点比较德国博格板式轨道结构保护层＞110mm，C35钢筋混凝土弹性层，10mm，硬质泡沫塑料板底座，300mm，C35钢筋混凝土联结层，30mm，II型CAM(E=7~10GPa)轨道板，200mm，C45/55混凝土桥面日本新干线板式轨道结构轨道板，190mm，C45/55混凝土弹性调整层，50mm，I型CAM（E=0.1~0.4GPa）底座，300mm，C35钢筋混凝土两者在设计理念、材料性能上有较大差异。 日本新干线板式轨道1964196519722007——发展路线图东海道新干线通车,世界首条200km/h的高速铁路日本铁路局（JNR）着手研究“新型轨道结构”开发出无碴轨道结构，命名为“板式轨道”，并应用于三阳新干线目前，日本既有线路中共有1244km的板式轨道结构为整个新干线网络的57％ CA砂浆的作用与功能CA砂浆（CementAsphaltMortar，CAM）是填充于轨道板与混凝土道床之间的一种弹性、缓冲材料结构层。CA砂浆的主要功能：全面支承轨道板调整轨道板安装精度缓冲高速列车荷载板式无碴轨道的施工工艺 砂浆原料水泥沥青乳液细砂水其他水泥(23％)沥青(30％)细砂(24％)水(13％)孔隙(10％)砂浆微观结构砂浆组分比例CA砂浆的组成与结构特点CA砂浆是由水泥、沥青乳液、砂、外加剂等多种材料组成的一种有机无机复合材料。CA砂浆的硬化基体是由沥青形成的连续相包裹着水泥水化产物和细骨料形成的一种复杂的三维网状结构。 显见，I型与II型CA砂浆在组成和结构上有本质的区别，I型CA砂浆的组成结构更复杂，其制备与施工技术的要求更难。砂浆有机物所占体积比例组成特点性能特点PMM＜5％以无机材料为主性能表现为水泥材料的基本特征II型CA＜15％以无机材料为主性能表现为水泥材料的基本特征I型CA30%水泥与沥青用量相当组成复杂，环境敏感性高。I型、II型CA砂浆与聚合物改性水泥砂浆（PMM）比较沥青乳液颗粒表面带电荷，水泥水化粒子也带电荷，它们之间存在适应性问题。两者体量的相当，增加了组成结构的复杂性（形成互穿网络结构）。 根据CA砂浆在板式轨道中的作用与功能，其技术要求为：稳定的力学性能和适宜的弹性性能高早强、后期强度稳定、较低的弹性模量高耐候性与耐久性温变适应性、高温抗变形、低温抗冻裂、抗老化与耐疲劳体积稳定性与变形的可控性体积变化的可设计性、长期体积稳定性良好的施工性能高流动性与均质性、优良的自充填与自密实性能CA砂浆的技术要求 国内外技术发展现状无碴轨道技术的研发和使用起于上世纪60年代，历经40余年，形成了具有各国特色的系列化、标准化产品。其中日本代表着I型CA砂浆当前的世界水平和主导技术，是目前世界上铺设高速铁路里程最长的国家（已达2700延Km）。由于日本所形成的垄断，造成其技术的使用价格昂贵。（如专用沥青乳液高达12000元/吨，其相应的CA砂浆则为6000元/m3以上。）另一方面，由于CA砂浆是一种对温度气候和原材料适应性很敏感的材料，即使引进和采用日本技术，还存在着与我国气候（严寒、酷暑、温差较大与潮湿地区）与原材料的适应性问题。 我国无碴轨道技术研究基本与国外同步，曾研究过几种型式，在铁路干线的隧道和大型客站进行过一些小区段试验，I型CA砂浆技术也在小跨度简支梁桥上进行过试验。通过这些工作，积累了一定的经验，但我国的研究还不深入、不系统，如：尚缺乏I型CA砂浆在大跨度桥梁、土质路基和岔道段的试验，根据有关文献介绍，已有试验也还存在一些需要深入研究的问题。另一方面，过去试验段的设计在时速均小于300km/h，而目前高速铁路设计时速已达到350km/h，其车辆的冲击更强、频率更高。同时，高速铁路建设规划涉及广阔的高温、温差大、气候更复杂的区域，这对CA砂浆的性能及其总体技术提出了更高的要求。因此，我们必须在引进、消化吸收先进技术和经验的基础上，立足国产化，增强自主创新能力，带动相关产业发展，满足国家重大需求！文献来源：①田家升.秦沈客运专线无碴轨道应用情况的比较和分析.石家庄铁道学院学报,2004,17(5)；②傅代正,黄金田,郑新国.桥上板式无碴轨道CA砂浆施工技术.铁道建筑技术,2006(2)；③徐振龙,钱振地,秦德进.不同结构形式无碴轨道施工对比分析.铁道建筑,2005(3)；④徐振龙,王智勇.板式无碴轨道综合施工.铁道建筑,2006(2)；⑤金守华.板式轨道用CA砂浆关键技术的研究.铁路客运专线建设技术交流会论文集,2005；1999年在秦沈铁路客运线的双河桥(740m)、狗河桥(741m)进行了I型CA砂浆技术的试验。 存在的主要问题CA砂浆中沥青组分的性能不适应使役环境对温度的稳定性（耐高、低温）、耐候性（耐候性、抗老化）。沥青乳液的质量难符合大规模应用的要求沥青乳液热力学、动力学不稳定（受储运、施工、环境温度影响作用）。CA砂浆材料性能设计及质量问题缺乏性能的可设计性，施工性能不佳，耐疲劳性与耐久性不良。施工质量的稳定控制技术难度大原材料（地材）适应性、复杂环境施工技术，质量监控与检测。砂浆在强冲击、高频率荷载作用下的耐久性问题高速列车荷载作用条件变化对材料的抗疲劳性能与耐久性更高的要求。 CA砂浆的关键技术高性能沥青基材的性能设计与改性技术制备出适应我国气候特点与高速列车作用的的高耐候、高弹性恢复率沥青基材。沥青乳化与乳化工艺、装备技术开发解决因热沥青与乳化液之间温差大而导致的乳化过程气化问题，提高乳化质量。沥青乳液颗粒超细化分散技术提高沥青乳液体系的分散性，改善沥青乳液的温度适应性与储运稳定性。水泥水化与沥青破乳胶结过程的匹配设计与控制通过无机材料性能调整、外加剂开发与配比优化，改善沥青乳液与水泥的适应性。高性能CA砂浆的性能(多用途)设计与制备施工技术开发出能适应不同环境条件要求的CA砂浆产品与植被施工技术。 CA砂浆的原材料选择——水泥水泥是CA砂浆中主要的胶结材料之一，同时它的水化又能有效地促进乳化沥青的破乳胶结，因此，水泥对CA砂浆的新拌状态和后期的硬化胶结过程有着重要的影响。要严格选择水泥品种和强度等级。早强波特兰水泥。为此新鲜水泥要妥善保管并贮藏。由于CA砂浆中绝对水灰比较大，且灌注后在24h内需要至少有0.1MPa的强度，因此一般采用早强型普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5级及以上。 CA砂浆的原料——掺和材掺合材主要指膨胀剂，常用钙钒石类膨胀剂。其膨胀性能能与水泥—沥青的胶结硬化和后期的强度发展协调一致，而且具有膨胀量合适的优点。有时为了改善制备砂浆的均质性、和易性及其硬化体的力学性能，常添加一些矿物掺和料，如硅灰、粉煤灰、矿渣等。膨胀剂性能指标序号指标名称标准序号指标名称标准1细度0.08mm筛筛余（%）≤103限制膨胀率水中14d（%）≥0.021.25mm筛筛余（%）≤0.5空气中28d（%）≥-0.022氧化镁含量（%）≤5.0 CA砂浆的原料——铝粉铝粉作为CA砂浆尚未固化前的膨胀剂。适当的铝粉掺量产生体积膨胀足以抵消CA砂浆24h内高达2~3%的体积收缩。在温度和PH值相同的条件下，对铝粉发气具有决定性影响的主要因素是铝粉的纯度、细度和颗粒形状。一般对铝粉提出下列具体要求：（1）铝粉应呈银灰色，没有结块，无污泥杂质（2）铝粉的颗粒形状应呈鳞片状，且细度为300μm筛通过率大于98%（3）金属铝的含量不应少于88%，有机化合物的含量不应超过1.5% CA砂浆的原料——消泡剂在机械搅拌过程中，CA砂浆中往往会引入大量气泡。虽然合理的气泡含量和气孔结构可缓和CA砂浆层内的自由水受冻害膨胀时产生的冰晶压力，提高CA砂浆的抗冻性能，但气泡含量的增加会导致其强度降低。研究表明，CA砂浆合适的气泡含量应在8％－16％。通过掺入消泡剂，可以优化CA中的气孔结构和气泡含量，提高CA中耐久性和耐候性。目前常用的消泡剂主要有有机硅类、磷酸三丁酯。消泡剂应具备：（1）化学稳定性好，具有较低的表面张力和HLB值（2）不溶于被消泡的介质，能按一定的粒子大小均匀分布于泡沫介质中（3）加到气泡体系中，不影响体系的性质（4）无生理活性，安全性高 沥青乳液是沥青颗粒均匀分散在乳化剂与稳定剂组成的水溶液中而形成的一种热力学稳定的悬浮体系。CA砂浆的原料——沥青乳液 水包油油包水油水互混乳状液存在的三种状态 沥青乳液的破乳过程 改性基质沥青改性沥青沥青乳液乳化改性乳化沥青乳液的生产方式 沥青乳液生产流程图稳定剂酸液乳化剂沥青沥青乳液胶体磨进水口 沥青乳化与改性生产设备 1、工作性能－灌注性能CAMI型、II型的性能指标与试验方法砂浆类型项目单位指标要求CAMI型流动度s18～26可工作时间min≥30CAMII型流动度s80～120扩展度/D5≥280mm和t280≤16sD30≥280mm和t280≤22sCAM的性能指标与试验方法8/12/202125 可工作时间流动度(18-26s)I型CAM的工作性表征 扩展度(16-22s）50mm190mm280mmII型CAM的工作性表征流动度(80-120s) 含气量测定仪2、含气量－抗冻性砂浆类型项目单位指标要求CMAI含气量%8～12表观密度kg/m3>1300CMAII含气量%≤10.0表观密度kg/m3≥1800空气量（％）＝（理论容重－实测容重）/理论容重×100％理论容重＝各材料重量之总和/各材料的重量/比重的总和锥形瓶 3、体积稳定性－板下空间填充致密砂浆类型项目单位指标要求CAMI膨胀率%1~3CAMII膨胀率%0～2.0游标卡尺hH玻璃板250ml量筒CAMD体积膨胀率（％）＝0.000314×（H0-H24）×D2线膨胀率（％）＝(h2-h1)/h1×100%早期体积稳定性 取样的CAM注入4×4×16cm的模具内，在20±1℃、湿度68％的条件下养生1天（24h）后脱模，用比长仪测量CAM在龄期1、3、7、28、60、90天的长度变化率。长期体积稳定性 4、材料分离度砂浆类型项目单位指标要求CAMI材料分离度%<1.0CAMII材料分离度%<3.024h28d CAMI：以应变控制加载：1mm/min，试件Φ50×50mm,养护条件：20±3℃，R.H.65±5%4、力学性能CAMII：以应力控制加载，50－500N/s，试块为4×4×160mm。养护条件：1d脱模，标养7d，然后20±2℃，R.H.60±5%砂浆类型项目单位指标要求1d7d28dCAMI抗压强度MPa>0.10>0.70>1.80CAMII抗压强度MPa≥2.0≥10.0≥15.0抗折强度MPa≥1.0≥2.0≥3.0砂浆类型项目单位指标要求CAMI弹性模量MPa100－300CAMII弹性模量MPa7000－10000 5、抗冻性砂浆类型项目指标要求CAMI抗冻性300次冻融循环试验后，相对动弹模量不得小于60％，质量损失率不得大于5％CAMII抗冻性外观无异常，剥落量≤2000g/m²，相对动弹模量≥60%6、耐久性砂浆类型项目指标要求CAMI耐候性无剥落、无开裂、相对抗压强度不低于70%CAMII抗疲劳性10000次不断裂 （1）原材料——水泥CAM-I、CAM-II均要求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（提高早期强度），其技术要求应符合GB175或JC933的规定。CAM的制备关键技术1、CAM的配合比设计 改性基质沥青改性沥青沥青乳液乳化乳化——沥青乳液沥青或改性沥青与水在乳化剂、稳定剂等的作用下经过机械剪切作用制得的均匀分散体。 CAM-I用普通沥青技术要求CAM-II用普通沥青技术要求应选用重交通道路石油沥青或道路石油沥青（B级以上）。 SBS改性沥青技术指标CAM-I用SBS改性沥青技术要求CAM-II用SBS改性沥青技术要求 SBR改性沥青技术指标CAM-I用SBR改性沥青技术要求CAM-II用SBR改性沥青技术要求 CAM-I用乳化沥青技术要求CAM-II用乳化沥青技术要求 采用河砂、山砂或机制砂。细骨料应为最大粒径小于2.36mm的岩石颗粒，不得包含软质岩、风化岩石的颗粒。——细骨料（砂） 宜采用有机硅类消泡剂。宜采用硫铝酸钙类膨胀剂，除初凝时间应大于60min外，其它性能应符合JC476的规定。——膨胀剂——消泡剂——引气剂宜采用松香类引气剂。 采用鳞片状铝粉，其性能应符合GB/T2085.1的规定。——铝粉在温度和PH值相同的条件下，对铝粉发气具有决定性影响的主要因素是铝粉的纯度、细度和颗粒形状。（1）铝粉应呈银灰色，没有结块，无污泥杂质（2）铝粉的颗粒形状应呈鳞片状，且细度为300μm筛通过率大于98%（3）金属铝的含量不应少于88%，有机化合物的含量不应超过1.5% CAM－I型设计基本原则：（a）水泥用量宜在250～300kg/m3之间。（b）水灰比宜不大于0.90。（c）乳化沥青（含聚合物乳液）与水泥的比值应不小于1.40。CAM－II型设计基本原则：（a）水泥用量宜不小于400kg/m3。（b）乳化沥青与水泥的比值宜不小于0.35。（c）水灰比宜不大于0.58。（2）配合比设计关键参数 水泥水慢搅30s快搅60s沥青乳液砂消泡剂铝粉慢搅30s快搅120s慢搅60s掺合料2、CAM的拌和工艺工艺A：分批加料拌和工艺各研究单位在制备CAM时采用的加料顺序有所不同。 水泥外加剂水慢搅30s快搅60s沥青乳液铝粉慢搅30s快搅120s慢搅60s拌匀掺合料细集料工艺B：干料拌和工艺干料：由水泥、细骨料、掺和料、外加剂等按一定比例经机械搅拌制得的均匀干粉材料。干料 3、CAM专用沥青乳液制备高温度适应性高储存稳定性高拌合适应性乳化沥青，是将沥青热融后，通过乳化剂和机械的作用，使沥青以细小的微滴状态分散于含有乳化剂的水溶液中而形成的一种乳状液。要求具有： 4、CA砂浆的均质性控制技术CA砂浆拌和物主要是由沥青乳液颗粒、砂、水泥和水等材料组成，组分多，密度各不相同，易产生离析，影响均质性。主要组成密度砂浆粘度沥青乳液水水泥砂1.0Pa.s1.01.03.12.6组成密度相差大＋浆体粘度低CA砂浆容易分层离析！新拌CA砂浆CA砂浆的分层 控制效果 CA砂浆在早期塑性阶段伴随着较大程度的体积收缩，为了保持轨道结构的整体性与平顺性，要求CA砂浆还应具有1~3％的膨胀。CA砂浆的这种早期膨胀作用主要通过掺加铝粉与膨胀剂来实现。铝粉的膨胀作用机理反应产生氢气泡，气泡内的压力随着反应的加剧而增长，这一压力将传给已具有一定结构强度的砂浆。当气体压力引起的应力超过砂浆的塑性极限强度时，砂浆开始变形，亦即引发膨胀。5、CA砂浆的早期体积变形控制技术 沥青水泥砂浆灌注工艺现场搅拌中间罐吊装上桥板式轨道的施工工艺 整个砂浆灌注工艺的控制要点包括以下几方面：（1）原材料的仓储及物流现场搅拌由于沥青水泥砂浆对温度的敏感性，成品料必须在5-35℃之间方可灌注，干粉料、乳化沥青、水在装车前必须进行控制温度。所以材料的保温措施应在加料站进行解决。仓储及物流的另一环节是保证干粉不离析、不起潮，乳化沥青不沉淀。 （2）现场搅拌工艺的调整现场搅拌工艺的调整是指在一定范围内通过添加剂、砂浆车搅拌时间和转速的调整使得成品料能够保持一个稳定的状态，保证灌注工作的顺利实施。调整依据组份材料变化、现场温度变化而进行，通过现场试验而确定。