1、高速鐵路板式無碴軌道用CA砂漿材料與技術(shù),鐵路軌道結(jié)構(gòu)分為有碴與無碴兩種型式。無碴軌道所顯現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)（軌道穩(wěn)定性高、剛度均勻性好、結(jié)構(gòu)耐久性強(qiáng)、維修成本低等）使其成為當(dāng)今高速鐵路發(fā)展的主要方向。常用的無碴軌道結(jié)構(gòu)形式有軌枕埋入式、板式。 目前，板式軌道結(jié)構(gòu)有日本新干線板式（CRTS-I型）與德國(guó)博格板式（CRTS-II型）兩種。,板式無碴軌道,CRTS-I,CRTS-II,板式無碴軌道的技術(shù)優(yōu)點(diǎn),減輕橋梁二期恒載橋梁。 減少隧道開挖面積隧道。,日本新干線板式軌道,德國(guó)博格板式軌道,I型與II型板式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較,兩者在設(shè)計(jì)理念、材料性能上有較大差異。,日本新干線板式軌道,1964,1965,19

2、72,2007,發(fā)展路線圖,CA砂漿的作用與功能,CA砂漿（ Cement Asphalt Mortar，CAM）是填充于軌道板與混凝土道床之間的一種彈性、緩沖材料結(jié)構(gòu)層。 CA砂漿的主要功能： 全面支承軌道板 調(diào)整軌道板安裝精度 緩沖高速列車荷載,板式無碴軌道的施工工藝,砂漿原料,水泥 瀝青乳液 細(xì)砂 水 其他,砂漿微觀結(jié)構(gòu),砂漿組分比例,CA砂漿的組成與結(jié)構(gòu)特點(diǎn),CA砂漿是由水泥、瀝青乳液、砂、外加劑等多種材料組成的一種有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料。CA砂漿的硬化基體是由瀝青形成的連續(xù)相包裹著水泥水化產(chǎn)物和細(xì)骨料形成的一種復(fù)雜的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。,顯見，I型與II型CA砂漿在組成和結(jié)構(gòu)上有本質(zhì)的區(qū)別，I型

3、CA砂漿的組成結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，其制備與施工技術(shù)的要求更難。,I型、II型CA砂漿與聚合物改性水泥砂漿（PMM）比較,瀝青乳液顆粒表面帶電荷，水泥水化粒子也帶電荷，它們之間存在適應(yīng)性問題。兩者體量的相當(dāng)，增加了組成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性（形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）。,根據(jù)CA砂漿在板式軌道中的作用與功能，其技術(shù)要求為： 穩(wěn)定的力學(xué)性能和適宜的彈性性能 高早強(qiáng)、后期強(qiáng)度穩(wěn)定、較低的彈性模量 高耐候性與耐久性 溫變適應(yīng)性、高溫抗變形、低溫抗凍裂、抗老化與耐疲勞 體積穩(wěn)定性與變形的可控性 體積變化的可設(shè)計(jì)性、長(zhǎng)期體積穩(wěn)定性 良好的施工性能 高流動(dòng)性與均質(zhì)性、優(yōu)良的自充填與自密實(shí)性能,CA砂漿的技術(shù)要求,國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,

4、無碴軌道技術(shù)的研發(fā)和使用起于上世紀(jì)60年代，歷經(jīng)40余年，形成了具有各國(guó)特色的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。其中日本代表著I型CA砂漿當(dāng)前的世界水平和主導(dǎo)技術(shù)，是目前世界上鋪設(shè)高速鐵路里程最長(zhǎng)的國(guó)家（已達(dá)2700延Km）。 由于日本所形成的壟斷，造成其技術(shù)的使用價(jià)格昂貴。（如專用瀝青乳液高達(dá)12000元/噸，其相應(yīng)的CA砂漿則為6000元/m3以上。） 另一方面，由于CA砂漿是一種對(duì)溫度氣候和原材料適應(yīng)性很敏感的材料，即使引進(jìn)和采用日本技術(shù)，還存在著與我國(guó)氣候（嚴(yán)寒、酷暑、溫差較大與潮濕地區(qū)）與原材料的適應(yīng)性問題。,我國(guó)無碴軌道技術(shù)研究基本與國(guó)外同步，曾研究過幾種型式，在鐵路干線的隧道和大型客站進(jìn)行過一

5、些小區(qū)段試驗(yàn)， I型CA砂漿技術(shù)也在小跨度簡(jiǎn)支梁橋上進(jìn)行過試驗(yàn)。通過這些工作，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但我國(guó)的研究還不深入、不系統(tǒng)，如：尚缺乏I型CA砂漿在大跨度橋梁、土質(zhì)路基和岔道段的試驗(yàn)，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，已有試驗(yàn)也還存在一些需要深入研究 的問題。 另一方面，過去試驗(yàn)段的設(shè)計(jì)在時(shí)速均小于300km/h，而目前高速鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速已達(dá)到350km/h，其車輛的沖擊更強(qiáng)、頻率更高。同時(shí)，高速鐵路建設(shè)規(guī)劃涉及廣闊的高溫、溫差大、氣候更復(fù)雜的區(qū)域，這對(duì)CA砂漿的性能及其總體技術(shù)提出了更高的要求。 因此，我們必須在引進(jìn)、消化吸收先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，立足國(guó)產(chǎn)化，增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，滿足國(guó)家重

6、大需求！,文獻(xiàn)來源：田家升. 秦沈客運(yùn)專線無碴軌道應(yīng)用情況的比較和分析. 石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào), 2004,17 (5)；傅代正,黃金田,鄭新國(guó). 橋上板式無碴軌道CA砂漿施工技術(shù). 鐵道建筑技術(shù),2006 (2)；徐振龍,錢振地,秦德進(jìn). 不同結(jié)構(gòu)形式無碴軌道施工對(duì)比分析. 鐵道建筑,2005 (3)；徐振龍,王智勇. 板式無碴軌道綜合施工. 鐵道建筑, 2006 (2)；金守華. 板式軌道用CA砂漿關(guān)鍵技術(shù)的研究.鐵路客運(yùn)專線建設(shè)技術(shù)交流會(huì)論文集,2005； 1999年在秦沈鐵路客運(yùn)線的雙河橋(740m)、狗河橋(741m)進(jìn)行了I型CA砂漿技術(shù)的試驗(yàn)。,存在的主要問題,CA砂漿中瀝青組分的

7、性能不適應(yīng)使役環(huán)境 對(duì)溫度的穩(wěn)定性（耐高、低溫）、耐候性（耐候性、抗老化）。 瀝青乳液的質(zhì)量難符合大規(guī)模應(yīng)用的要求 瀝青乳液熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定（受儲(chǔ)運(yùn)、施工、環(huán)境溫度影響作用）。 CA砂漿材料性能設(shè)計(jì)及質(zhì)量問題 缺乏性能的可設(shè)計(jì)性，施工性能不佳，耐疲勞性與耐久性不良。 施工質(zhì)量的穩(wěn)定控制技術(shù)難度大 原材料（地材）適應(yīng)性、復(fù)雜環(huán)境施工技術(shù)，質(zhì)量監(jiān)控與檢測(cè) 。 砂漿在強(qiáng)沖擊、高頻率荷載作用下的耐久性問題 高速列車荷載作用條件變化對(duì)材料的抗疲勞性能與耐久性更高的要求。,CA砂漿的關(guān)鍵技術(shù),高性能瀝青基材的性能設(shè)計(jì)與改性技術(shù) 制備出適應(yīng)我國(guó)氣候特點(diǎn)與高速列車作用的的高耐候、高彈性恢復(fù)率瀝青基材。 瀝

8、青乳化與乳化工藝、裝備技術(shù)開發(fā) 解決因熱瀝青與乳化液之間溫差大而導(dǎo)致的乳化過程氣化問題，提高乳化質(zhì)量。 瀝青乳液顆粒超細(xì)化分散技術(shù) 提高瀝青乳液體系的分散性，改善瀝青乳液的溫度適應(yīng)性與儲(chǔ)運(yùn)穩(wěn)定性。 水泥水化與瀝青破乳膠結(jié)過程的匹配設(shè)計(jì)與控制 通過無機(jī)材料性能調(diào)整、外加劑開發(fā)與配比優(yōu)化，改善瀝青乳液與水泥的適應(yīng)性。 高性能CA砂漿的性能(多用途)設(shè)計(jì)與制備施工技術(shù) 開發(fā)出能適應(yīng)不同環(huán)境條件要求的CA砂漿產(chǎn)品與植被施工技術(shù)。,CA砂漿的原材料選擇,水泥,水泥是CA砂漿中主要的膠結(jié)材料之一，同時(shí)它的水化又能有效地促進(jìn)乳化瀝青的破乳膠結(jié)，因此，水泥對(duì)CA砂漿的新拌狀態(tài)和后期的硬化膠結(jié)過程有著重要的影響

9、。 要嚴(yán)格選擇水泥品種和強(qiáng)度等級(jí)。早強(qiáng)波特蘭水泥。為此新鮮水泥要妥善保管并貯藏。 由于CA砂漿中絕對(duì)水灰比較大，且灌注后在24h內(nèi)需要至少有0.1MPa的強(qiáng)度，因此一般采用早強(qiáng)型普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)及以上 。,CA砂漿的原料,摻和材,摻合材主要指膨脹劑，常用鈣釩石類膨脹劑。其膨脹性能能與水泥瀝青的膠結(jié)硬化和后期的強(qiáng)度發(fā)展協(xié)調(diào)一致，而且具有膨脹量合適的優(yōu)點(diǎn)。 有時(shí)為了改善制備砂漿的均質(zhì)性、和易性及其硬化體的力學(xué)性能，常添加一些礦物摻和料，如硅灰、粉煤灰、礦渣等。,CA砂漿的原料,鋁粉,鋁粉作為CA砂漿尚未固化前的膨脹劑。適當(dāng)?shù)匿X粉摻量產(chǎn)生體積膨脹足以抵消CA砂漿24h內(nèi)高達(dá)23%

10、的體積收縮。 在溫度和PH值相同的條件下，對(duì)鋁粉發(fā)氣具有決定性影響的主要因素是鋁粉的純度、細(xì)度和顆粒形狀。 一般對(duì)鋁粉提出下列具體要求：,CA砂漿的原料,消泡劑,在機(jī)械攪拌過程中， CA砂漿中往往會(huì)引入大量氣泡。雖然合理的氣泡含量和氣孔結(jié)構(gòu)可緩和CA砂漿層內(nèi)的自由水受凍害膨脹時(shí)產(chǎn)生的冰晶壓力，提高CA砂漿的抗凍性能，但氣泡含量的增加會(huì)導(dǎo)致其強(qiáng)度降低。研究表明，CA砂漿合適的氣泡含量應(yīng)在816。 通過摻入消泡劑，可以優(yōu)化CA中的氣孔結(jié)構(gòu)和氣泡含量，提高CA中耐久性和耐候性。目前常用的消泡劑主要有有機(jī)硅類、磷酸三丁酯。 消泡劑應(yīng)具備：,瀝青乳液是瀝青顆粒均勻分散在乳化劑與穩(wěn)定劑組成的水溶液中而形成

11、的一種熱力學(xué)穩(wěn)定的懸浮體系。,CA砂漿的原料,瀝青乳液,乳狀液存在的三種狀態(tài),改性,基質(zhì)瀝青,改性瀝青,瀝青乳液,乳化,改性,乳化,瀝青乳液的生產(chǎn)方式,瀝青乳液生產(chǎn)流程圖,瀝青乳化與改性生產(chǎn)設(shè)備,2020/9/24,25,1、工作性能灌注性能,CAM I型、II型的性能指標(biāo)與試驗(yàn)方法,CAM的性能指標(biāo)與試驗(yàn)方法,可工作時(shí)間,流動(dòng)度(18-26s),I型CAM的工作性表征,擴(kuò)展度(16-22s）,II型CAM的工作性表征,流動(dòng)度(80-120s),含氣量測(cè)定儀,2、含氣量抗凍性,空氣量（）（理論容重實(shí)測(cè)容重）/ 理論容重100 理論容重各材料重量之總和/各材料的重量/比重的總和,錐形瓶,3、體積

12、穩(wěn)定性板下空間填充致密,體積膨脹率（）0.000314（H0-H24）D2,線膨脹率（）(h2-h1)/h1 100%,早期體積穩(wěn)定性,取樣的CAM注入4416cm的模具內(nèi)，在201、濕度68的條件下養(yǎng)生1天（24h）后脫模，用比長(zhǎng)儀測(cè)量CAM在齡期1、3、7、28、60、90天的長(zhǎng)度變化率。,長(zhǎng)期體積穩(wěn)定性,4、材料分離度,24h,28d,CAMI： 以應(yīng)變控制加載：1mm/min，試件5050mm ,養(yǎng)護(hù)條件：203，R.H.655%,4、力學(xué)性能,CAMII： 以應(yīng)力控制加載，50500N/s，試塊為44160mm。養(yǎng)護(hù)條件：1d脫模，標(biāo)養(yǎng)7d，然后202，R.H.605%,5、抗凍性,

13、6、耐久性,（1）原材料,水泥,CAM-I、CAM-II均要求采用強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5 的硅酸鹽水泥或快硬硫鋁酸鹽水泥（提高早期強(qiáng)度），其技術(shù)要求應(yīng)符合GB 175 或JC 933 的規(guī)定。,CAM的制備關(guān)鍵技術(shù),1、CAM的配合比設(shè)計(jì),改性,基質(zhì)瀝青,改性瀝青,瀝青乳液,乳化,乳化,瀝青乳液,瀝青或改性瀝青與水在乳化劑、穩(wěn)定劑等的作用下經(jīng)過機(jī)械剪切作用制得的均勻分散體。,CAM-I用普通瀝青技術(shù)要求,CAM-II用普通瀝青技術(shù)要求,應(yīng)選用重交通道路石油瀝青或道路石油瀝青（B 級(jí)以上）。,SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo),CAM-I用SBS改性瀝青技術(shù)要求,CAM-II用SBS改性瀝青技術(shù)要求,SBR

14、改性瀝青技術(shù)指標(biāo),CAM-I用SBR改性瀝青技術(shù)要求,CAM-II用SBR改性瀝青技術(shù)要求,CAM-I用乳化瀝青技術(shù)要求,CAM-II用乳化瀝青技術(shù)要求,采用河砂、山砂或機(jī)制砂。細(xì)骨料應(yīng)為最大粒徑小于2.36mm 的巖石顆粒，不得包含軟質(zhì)巖、風(fēng)化巖石的顆粒。,細(xì)骨料（砂）,宜采用有機(jī)硅類消泡劑。,宜采用硫鋁酸鈣類膨脹劑，除初凝時(shí)間應(yīng)大于60min 外，其它性能應(yīng)符合JC 476的規(guī)定。,膨脹劑,消泡劑,引氣劑,宜采用松香類引氣劑。,采用鱗片狀鋁粉，其性能應(yīng)符合GB/T 2085.1 的規(guī)定。,鋁粉,在溫度和PH值相同的條件下，對(duì)鋁粉發(fā)氣具有決定性影響的主要因素是鋁粉的純度、細(xì)度和顆粒形狀。,（

15、1）鋁粉應(yīng)呈銀灰色，沒有結(jié)塊，無污泥雜質(zhì),（2）鋁粉的顆粒形狀應(yīng)呈鱗片狀，且細(xì)度為300m篩通過率大于98%,（3）金屬鋁的含量不應(yīng)少于88%，有機(jī)化合物的含量不應(yīng)超過1.5%,CAMI型設(shè)計(jì)基本原則： （a） 水泥用量宜在250300 kg/m3之間。 （b） 水灰比宜不大于0.90。 （c） 乳化瀝青（含聚合物乳液）與水泥的比值應(yīng)不小于1.40。 CAMII型設(shè)計(jì)基本原則： （a） 水泥用量宜不小于400 kg/m3。 （b） 乳化瀝青與水泥的比值宜不小于0.35。 （c） 水灰比宜不大于0.58。,（2）配合比設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù),水泥,水,慢攪30s 快攪60s,瀝青乳液,砂,消泡劑,鋁粉,慢

16、攪30s 快攪120s,慢攪60s,摻合料,2、CAM的拌和工藝,工藝A：分批加料拌和工藝,各研究單位在制備CAM時(shí)采用的加料順序有所不同。,水 泥 外加劑,水,慢攪30s 快攪60s,瀝青乳液,鋁粉,慢攪30s 快攪120s,慢攪60s,拌勻,摻合料 細(xì)集料,工藝B：干料拌和工藝,干料：由水泥、細(xì)骨料、摻和料、外加劑等按一定比例經(jīng)機(jī)械攪拌制得的均勻干粉材料。,干料,3、CAM專用瀝青乳液制備,高溫度適應(yīng)性 高儲(chǔ)存穩(wěn)定性 高拌合適應(yīng)性,乳化瀝青，是將瀝青熱融后，通過乳化劑和機(jī)械的作用，使瀝青以細(xì)小的微滴狀態(tài)分散于含有乳化劑的水溶液中而形成的一種乳狀液。,要求具有：,4、CA砂漿的均質(zhì)性控制技術(shù)

17、,CA砂漿拌和物主要是由瀝青乳液顆粒、砂、水泥和水等材料組成，組分多，密度各不相同，易產(chǎn)生離析，影響均質(zhì)性。,組成密度相差大漿體粘度低,CA砂漿容易分層離析 ！,控制效果,CA砂漿在早期塑性階段伴隨著較大程度的體積收縮，為了保持軌道結(jié)構(gòu)的整體性與平順性，要求CA砂漿還應(yīng)具有13的膨脹。CA砂漿的這種早期膨脹作用主要通過摻加鋁粉與膨脹劑來實(shí)現(xiàn) 。,鋁粉的膨脹作用機(jī)理,反應(yīng)產(chǎn)生氫氣泡，氣泡內(nèi)的壓力隨著反應(yīng)的加劇而增長(zhǎng)，這一壓力將傳給已具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的砂漿。當(dāng)氣體壓力引起的應(yīng)力超過砂漿的塑性極限強(qiáng)度時(shí)，砂漿開始變形，亦即引發(fā)膨脹。,5、CA砂漿的早期體積變形控制技術(shù),瀝青水泥砂漿灌注工藝,現(xiàn)場(chǎng)攪拌,中間罐吊裝上