CRTSI型板式无碴轨道砂浆填充层的施工技术研究

1、道路与桥梁专业毕业论文CRTSI型板式无碴轨道砂浆填充层的施工技术研究学生姓名： 学 号： 班 级： 指导教师： 贵州交通职业技术学院道路与桥梁工程系毕业论文摘 要我国的无碴轨道研究开发已经有了多年的基础，完成了一系列从试验室试验到现场试验、改进试验、再上道试验的过程，确立“从最终的使用性能要求出发”这一新概念进行CA砂浆的设计；通过对CA砂浆集料性质的反演，研究集料的特性，进行混合料设计和性能分析，确定新材料的合理配方；按照使用性能要求研究CA砂浆的质量检验方法。板式无碴轨道技术是我国高速铁路和客运专线建设中采用的主要技术，轨道结构的稳定性，列车运行中的平顺性、安全性和运营成本等在很大程度上

2、取决于轨道结构中乳化沥青水泥沙充填层的耐久性，而砂浆充填层的耐久性不仅取决于砂浆的组成材料和配比，更重要的是取决于砂浆充填层的施工。所以，各施工企业和相关施工人员必须认识到施工环节的重要性，必须严格按照施工规程进行施工，必须严格控制施工各个环节的施工质量，确保新建客运专线达到设计要求，为我国经济社会发展服务。关键词：无碴轨道，CA砂浆，充填层，耐久性第 1 页 共 22 页贵州交通职业技术学院道路与桥梁工程系毕业论文第1章 绪 论1.1 课题研究背景现代高速铁路是以重型钢轨和混凝土枕为基础的有碴轨道结构，在列车速度达到250300km/h的线路上能够确保行车的安全。但这种有碴轨道在列车载荷反复

3、作用下的不足之处是轨道残余变形积累很快，而且沿轨道纵向方向，其变形积累的分布也不均匀，从而导致轨道高低的不平顺，影响了旅客乘坐的舒适性。为了提高轨道在高速运行条件下的稳定性和耐久性，减少轨道后期维修和对环境的影响，实现有效降低整体成本的目的，就必须改变轨下基础的结构形式。相对于有碴轨道而言，板式无碴轨道是以混凝土和沥青混合料等取代散粒道碴道床而组成的轨道结构型式。由于板式无碴轨道具有轨道平顺性高、刚度均匀性好、轨道几何形位能持久保持、以及维修工作量可显著减少等特点。因此无碴轨道结构的应用是目前国内外高速铁路发展的方向。1.2 课题研究的目的与意义板式无碴轨道结构的稳定性，列车运行中的平顺性、安

4、全性和运营成本等在很大程度上取决于轨道结构中乳化沥青水泥沙充填层的耐久性，而砂浆充填层的耐久性不仅取决于砂浆的组成材料和配比，更重要的是取决于砂浆充填层的施工。因此，了解和掌握板式无碴轨道用砂浆充填层的施工工艺，以及填充层砂浆的性能研究等对我国高铁的发展是十分有价值和意义的。1.3 课题研究的主要内容课题通过介绍板式轨道结构中填充层的作用和要求，填充层砂浆的组成、特点，填充层的施工工艺，详细探讨CRTS 型轨道用填充层砂浆的组成、材料性能及其影响因素的研究，提出CRTS 型轨道用砂浆填充层的施工质量和耐久性是轨道结构稳定性的关键所在，并通过现场施工经验讲述了有关砂浆填充层施工质量的一些控制要点

5、。第2章 板式轨道结构填充层2.1 板式轨道结构中填充层的作用与要求2.1.1作用与要求板式轨道结构中填充层的主要是起到支撑调整，协调缓冲的作用，那么对于填充层的砂浆性能有如下要求：1. 施工性能：悬浮流动浆体，需满足灌注施工，充填饱满，均匀稳定的要求；2. 力学性能：粘弹性特征，需满足轨道动力学，弹韧性要求；3. 耐久性能：低温粘弹体。需满足严寒地区（-40摄氏度）的使用要求。根据上述要求理论的研究结论我们可以得出板式轨道结构填充层的重要功能是支撑调整和缓冲协调，其材料组成与功能如下图1所示。图1 砂浆充填层材料组成及功能因此，CRTS 型轨道结构对砂浆性能的要求：1. 很好的施工性能，满足

6、灌注施工，填充饱满的要求；2. 良好的弹韧性和高延展性，满足轨道动力学要求；3. 足够的耐久性，满足服役环境的使用要求。2.1.2填充的性能要求1. 因缓冲协调功能，要求充填层砂浆应具有弹性；2. 对温度引起的翘曲变形的协调功能，要求充填层砂浆具有较大的延展性。从力学计算中确定的CRTS 型板式轨道结构应砂浆的取值原则是：满足耐久性要求的前提下。低弹模，高延展性是追求的目标。2.1.3 施工性能要求为满足充填层灌注施工，新拌砂浆应具有以下性能：1. 较大的流动性，能在自重力作用下流平；2. 较好的匀质性，不离析、分层；3. 良好的稳定性，不破乳，起泡不上浮；4. 适宜的可工作时间，流动度不严重

7、损失。2.1.4力学性能要求为满足轨道动力学和长期运行的要求，硬化砂浆应具有以下功能：1. 较大的弹韧性，能长期承受冲击荷载作用；2. 较高的延展性，能适应轨道板的温度变形；3. 适宜的抗压强度，能抵抗局部过大荷载作用。2.1.5耐久性能要求为满足板式无渣轨道长期运行的要求，硬化砂浆在服役环境下应具备以下性能：1. 良好的抗水性，能长期承受水的作用2. 优良的抗冻性，不因冻融循环而破坏3. 较高的抗裂性，尤其是低温不开裂4. 较高的抗疲劳性，不因动荷载反复作用而产生塑性变形2.2 砂浆的组成和特点填充层砂浆的基本组分有乳化沥青、水泥、砂、水，体积稳定性组分有膨胀剂、发泡剂等，施工性能调节组分有

8、消泡剂、增稠剂、减水剂和调凝剂等，耐久性改善组分有聚合物、纤维和添加剂等。2.2.1砂浆的组成特点1. 乳化沥青水泥砂浆的组成材料很多除含有多种无机和有机化合物外，还含有多种表面活性剂；2. 乳化沥青水泥砂浆是一个复杂的多组分，多物相的介稳悬浮浆体，其分散均匀性，稳定性和各组分间的相容性非常重要；3. 性能对组成配比、计量精度、加料顺序、搅拌速度、搅拌时间、搅拌机内干净程度、水质、温度等施工和环境问题很敏感。2.2.2填充层砂浆的特性1. 水泥乳化沥青砂浆是一种水泥和沥青复合胶凝的砂浆，沥青赋予砂浆以弹性，水泥起胶结作用并消耗砂浆中的拌合水。2. 新拌砂浆是一个多足跟多物相的介稳悬浮浆体，其匀

9、质性与稳定性影响到灌注后砂浆充填层的质量。2.3砂浆充填层的施工工艺砂浆填充层的拌合方法采用“先液后干”的依次加料工艺，即现在搅拌机中加入沥青乳液和水搅拌成混合液体，再加入干料，拌合成浆体。施工方法一般为袋注法，如图2所示。图2 砂浆填充层施工工艺2.4充填层的耐久性板式无渣轨道技术成功应用的关键是砂浆充填层的耐久性，砂浆填充层的耐久性不但取决于砂浆的耐久性，而且更取决于砂浆的施工性能和力学性能。另外，充填层的施工质量对其耐久性有重大影响。2.4.1应用的主要劣化现象在实际应用中，往往会出现边缘砂浆硬碎，严重开裂与脱落，边缘里面几乎完全碎裂，造成轨道板下陷，砂浆充填层与轨道板界面脱落，形成了较

10、大的缝隙，如图3、4所示。图3 砂浆劣化现象2.4.2劣化原因分析1. 材料因素：砂浆的弹韧性、匀质性和稳定性不够；2. 施工因素：灌注后离析与分层、沥青上浮；3. 环境因素：水、温度；4. 荷载因素：缝隙存在时，水与动荷载作用加剧劣化。图4 充填层劣化现象2.4.3耐久性的关键因素1. 新拌砂浆的流动性、匀质性和稳定性；2. 填充层的施工质量：饱满度、密实性与匀质性；3. 硬化砂浆的抗裂性，尤其是低温抗裂性；4. 硬化沙井的抗水性与抗冻性。2.4.4耐久性的改善途径1. 采用灌注袋施工，降低充填层开裂与离缝的风险；2. 采取措施，防止轨道板上的雨水进入到砂浆填充层的上表面，避免形成积水层；3

11、. 提高砂浆的弹韧性、抗裂性和抗水性，尤其是低温下的弹韧性和抗裂性；4. 严格控制砂浆充填层的施工质量。2.4.5施工质量的耐久性为确保充填层具有足够的耐久性，有以下几点要求：1. 在满足流动相要求时。新拌砂浆个那个应具有良好的匀质性和稳定性，不离析分层；2. 硬化砂浆应具有较高的强度、良好的弹韧性、抗水性和抗裂性；3. 充填层的厚度要严格控制在4060mm，排水通畅；4. 灌注后的填充层应均匀、饱满、结实。第3章 CRTS型轨道用充填层砂浆的组成与性能3.1砂浆的组成CRTS型轨道用充填层砂浆的基本组成包括：1. 乳化沥青+聚合物乳液或SBS改性沥青乳液；2. 硅酸盐水泥或琉铝酸盐水泥；3.

12、 细硅砂、细度模数1.41.8；4. 添加剂。现场原料组成包括单一组分：乳化沥青+水泥+砂+各种添加剂和双组份：乳化沥青+干料。3.1.1改性乳化沥青的特点改性乳化沥青的聚合物种类包括SBS树脂：固体、玻璃化温度为-89，分散性和SBS橡胶：胶乳、玻璃化温度约为-45，相容性。这些聚合物具有改善低温柔韧性（低温柔度与SBS值）、增加弹性、提高回弹率、改善抗老化性能。3.1.2组成设计原理1. 水泥的作用水泥属于无机胶凝材料，消耗拌合水，形成水化物改善沥青的感温性，可以提高高温下的弹性，对低温性能影响较小，并且可以改善沥青-砂界面的抗水性。2. 沥青的作用沥青属于有机胶凝材料，可以改善水泥基材料

13、的脆性，赋予弹韧性影响水泥的水化，降低水化放热温度化学反应，改善硅酸盐水化物的组成。3.1.3砂浆配方的设计原则1. 利用改善沥青和纤维，增加砂浆的抗裂性与抗水性；2. 根据使用环境的最低气温，选择改善沥青的型号和水泥品种，以保证低温抗裂性和凝结硬化性；3. 依据力学性能要求，确定砂浆的A/B、W/B、S/B等3个主要配合比参数；4. 在W/B的可调整范围内，通过添加剂的品种与参量，满足施工性能，增强砂浆的施工适应性。3.2砂浆的性能砂浆的性能主要从施工、物理、力学 和耐久性能来考虑，具体如下：1. 施工性能：流动性、稳定性、匀质性、可工作时间等；2. 物理性能：单位体积质量、含气量、膨胀率等

14、；3. 力学性能：抗压强度、弹性模量、延展性等；4. 耐久性能：抗冻性、耐候性、抗水性。3.3砂浆性能的影响因素砂浆性能的影响因素主要由施工、物理和耐久性能决定，施工性能包括以下几个部分：1流动性：液体用量、添加剂、乳化沥青的特性；2. 可工作时间：乳化沥青的特性、水泥水化速度、温度；3. 匀质性：搅拌、液相稠度、砂子粒径与级配等；4. 稳定性：乳化沥青与水泥、添加剂的相容性；5. 砂浆温度：原料与环境温度、水泥特性。物理性能包括以下几个部分：1. 单位体积质量：配合比、搅拌工艺、含气量；2. 含气量：搅拌机类型、搅拌工艺、添加剂、液相稠度；3. 膨胀率：发泡剂、膨胀剂、水泥水化特性。耐久性能

15、包括以下几个部分：1. 抗冻性：含气量、气泡孔径2. 耐候性：基质沥青特性3. 低温抗裂性：基质沥青特性、添加剂3.3.1新拌砂浆性能的控制措施1. 可通过适当调节用水量来调整新拌砂浆的流动度（时间）；必要时可适当的添加减水剂，获得较好的流动性；2. 同通过调节水泥水化速度来演唱可工作时间；严格控制砂浆温度，满足可工作时间的要求；3. 改善乳化沥青与水泥的相容性；适当提高液相的粘稠度；选用最大粒径小于1.18mm，级配良好的砂子；控制新拌砂浆的匀质性；4. 应严格控制原材料（乳化沥青、干料和水）的温度。3.3.2砂浆的含气量与气泡孔径主搅拌机的叶片形式跟所形成砂浆的质量有着很大的关系，搅拌速度

16、越快、高速搅拌时间越长、砂浆含气量会越大；低速搅拌可减少含气量砂浆中的沥青乳化剂、引气剂等表面活性剂组分越多、含气量会越大消泡剂可减少含气量，尤其可减少孔径较大的气泡含量，淡必须将消泡剂加入到液相中才能很好的小跑效果流动度越小，含气量会越大，尤其是大孔径的气泡会越多。所成试件要具有以下的力学性能，抗压强度包括配合比、硬化速度、温度、砂浆匀质性，弹性模量包括配合比、硬化速度、温度、砂浆匀质性，延展性包括基质沥青的特性、配合比、温度。图5 试件力学性能试验3.3.3砂浆力学性能的控制因素1. 砂浆中乳化沥青与水泥和砂的质量比越大，其强度和弹性模量越低；2. 水与水泥的质量比越小，即用水量越小，其强

17、度和弹性模量越高；3. 水泥的水化速度越快，砂浆的早期强度（17天）会越高，反之亦然；4. 含气量越大，表观密度越小，其强度和弹性模量越低。3.3.4低温抗裂性采用100×50mm的圆饼试件，在-40下，用直径为30mm左右的钢球压入圆饼试件的中心部位，直至边缘出现微裂缝，测量钢球压痕深度。计算外加荷载的作用能，依次评价砂浆的低温抗裂性，压痕深度越大，抗裂性能越好，如图6。图6 低温抗裂性试验3.3.5抗冻性砂浆内部均布着许多微小（孔径200的封闭气泡，经过300个冻融循环，其外观仍保持良好，没有出现质量损失，弹性模量保持在60%以上，硬化后砂浆的孔隙结构如图7所示。图7 硬化砂浆的

18、孔隙结构3.3.6砂浆耐久性能的控制砂浆的抗冻性主要取决于砂浆的组成和配比砂浆拌置时用水量越小，其吸水率越小，抗冻性越好砂浆中沥青含量越大，沥青低温柔度越好，其抗冻性能越好，硬化砂浆中微小（小于0.2mm）气孔含量越多，对抗冻性越有利采用改性乳化沥青配制砂浆，则可使砂浆的耐候性更好，而且可提高砂浆的低温抗裂性和耐久性。3.3.7小结砂浆的物理、力学与耐久性能主要取决于组成材料的特性和理论配合比，主要由研发单位的科研成果确定新拌砂浆的施工性能随与组成材料的特性、理论配合比有关，但更取决于现场施工配合比、拌制工艺与环境条件。第4章 砂浆充填层的施工质量与耐久性4.1总体施工方案流程图最好重画。为提

19、高填充耐久性，CRTS型板式无渣轨道砂浆充填层采用现场砂浆拌制与灌注袋法施工工艺，如图8所示：图8 施工工艺流程图现场拌制与灌注施工作业流程如图9所示：图9 现场拌制与灌注施工作业流程图4.2充填层施工质量要求充填层的厚度一般在40100mm之内，最佳值为4060mm，充填饱满度应满足灌注袋U型边切线与轨道板边平齐，误差不超过10mm，轨道板边缘与充填层间隙最大深度不超过50mm，充填层匀质性应满足上下均匀一致，分离度1%充填层密实度应满足无夹杂空隙，气泡孔径200m，各情况如下图。图10 充填层灌注饱满图11 充填层灌注不饱满图12 充填层均匀密实图13 充填层表面起泡4.3施工质量对充填层

20、耐久性的影响1. 饱满度的影响若充填边缘缩进，列车运行时，充填层周边和四角承受荷载增大，变形量偏大，容易引起开裂；若充填层边缘凸出，轨道板上的雨水容易渗入充填层，造成充填层在不保水状态下工作。充填层与轨道板间有缝隙，列车运行时，竖向加速度增大20倍，这样雨水易进入缝隙，产生破坏性冻水压。2. 匀质性的影响砂浆中轻组分上浮，表面层强度降低，塑性变形量增大，造成轨道板与充填层离缝；砂浆中重组分下沉，底板弹韧性与抗裂性降低，容易引起开裂；分离度过大，充填层上下温度变形不一致，容易引起温度裂缝。3. 密实性影响充填层表面有聚集气泡或凹陷缝，容易造成积水，列车运行时产生破坏性动水压；充填层内部有夹杂空隙

21、，引起应力集中，动荷载循环作用下容易引起内部裂缝扩展；充填层内部气泡孔径或含量过大，承载力降低，容易引起疲劳破坏。4. 厚度的影响充填层太薄或是太厚，影响轨道结构动力学，改变了充填层的工作状态；充填层太厚，饱满度难以保证，并增加施工成本施工质量的好坏将严重影响充填层的耐久性。4.4施工质量的主要影响因素1. 充填层厚度包括混凝土底板的标高、混凝土底板表面的平整度；2. 匀质性包括新拌砂浆的匀质性砂浆灌注施工操作；3. 饱满度包括充填层厚度、灌注袋（尺寸与铺设）、新拌砂浆的流动度、可工作时间、砂浆的膨胀率、砂浆灌注施工操作；4. 密实性包括新拌砂浆的流动度、新拌砂浆的匀质性、新拌砂浆的含气量与气

22、孔粒径、灌注袋铺设，不得有褶皱、砂浆灌注施工操作。第5章 施工质量的控制要点5.1施工质量的控制要点1. 混凝土底座板的施工：标高、平整度、边坡2. 灌注袋：质量、尺寸、铺设3. 施工组织：物流方案、人员配置、施工设备等4. 原料：质量检验、运输与存储5. 砂浆拌制：施工配合比、搅拌设备和工艺、性能检测6. 灌注操作：管道连接、灌注速度、后续工序、检验7. 后续工作：养护、支撑螺栓撤除、关注口切除和封闭5.2混凝土底座板的施工质量控制混凝土底座板的标高，使充填层厚度严格控制在4060mm，并且混凝土底座板要求表面平整、不允许有凹陷，两边有一定的斜坡，利于排水凸台对中，不允许偏离，以保证排水通畅

23、。5.3灌注袋及其铺设1. 灌注袋的要求：无纺布质量100g/m2，耐用年限5年，尺寸精确，成卷或平坦包裹，不允许褶皱2. 灌注袋铺设：混凝土底座板不允许有碎渣、积水在轨道板正下方，四周边与轨道板对应周边平行，缝线高轨道板过10-15mm铺展平整，不允许褶皱与损伤用三角形木塞固定。5.4施工组织1. 物流方案材料运输通畅，新拌砂浆的运输时间不宜60min，保持设备料仓内原料一次搅拌量。2. 关键人员设备搅拌设备操作人员要掌握施工配合比、施工性能调节，质检员要熟练掌握新拌砂浆质量匀质性能检验方法，灌注工序领班要熟练掌握灌注工序及关键控制点。3. 施工装备配备齐全，包括搅拌设备，运输设备，灌注机具

24、等5.5原料质量、运输与储存原料质量控制要点包括乳化沥青的稳定性、相容性、残留物含量，满足饮用水标准，水泥的品种、强度等级，砂子的粒径、级配、杂质与水含量、视密度，发泡剂和膨胀剂的反应速度与膨胀率，引气剂的引气量、气孔孔径，干料的水泥含量，砂子粒径与级配、添加剂总类和含量。原料质量的现场检验包括出场检验和工地抽检。其中出场检验是指工地交货时需要附带“检验报告”，工地抽检是指测量原料的温度（35），沥青乳液与干料、单一固体组分的相容性试验，沥青乳液蒸发残留物（固含量）检验（要求58%），干料筛分试验（孔径为0.075mm筛的通过率33%）。运输时最高气温为35临时存放温度为5摄氏度30摄氏度，不

25、允许处于太阳光直射下运输与存储时要注意保持干净，不允许任何污染只允许采用合适的泵（齿轮泵）泵送改性沥青乳液，储存中应每天搅动（回泵）水泥、砂或是干料保存时，必须保持干燥状态，做好防潮干料的运输和存储时间最长不超过4周。5.6砂浆拌制1. 搅拌设备的要求原料输送与计量系统的精确度：正负0.51%；搅拌量：1次搅拌量应略大于单块板下充填层的体积；搅拌效率：应在规定的时间内，使固体料均匀分散在液相中，并满足新拌砂浆匀质性与稳定性要求；搅拌过程中，不应引入过多的孔径200m气泡；自动化程度高，配合比与工艺参数控制精确，并自动存储；新拌砂浆的质量稳定，并应与搅拌量无关。采用乳化沥青水泥砂浆搅拌车或搅拌机

26、，在灌注施工地点，以间隙方式拌制充填层砂浆。2. 砂浆拌制钱的准备阶段原料检验包括水泥或干料是否结块、料温、沥青乳料是否破乳；给砂浆搅拌设备料仓加料；砂浆搅拌车或搅拌机的各系统检测，检查是否正常，如不正常，应立即检修，调试到正常状态；砂浆搅拌车或搅拌机内部清洁干净；测量板下充填层的厚度，确定砂浆用料；把搅拌工艺参数输入设备自动控制系统。3. 施工配合比的确定基于砂浆的基本配合比，根据施工当天的气温、工矿、初步确定用水与添加剂量，先拌制搅拌机的最小搅拌量的砂浆，检测新拌砂浆的施工性能指标是否满足要求，施工性能调制包括用水量与添加剂调节流动性、引气剂用量与搅拌工艺调节含气量、添加调节可工作时间。4

27、. 砂浆拌制阶段确定砂浆配比参数：确定每次砂浆板质量和原材料的每次投入量；确定拌制工艺参数：投料顺序、各阶段的搅拌速度与搅拌时间；砂浆拌制：按照输入的各参数和既定程序，自动投料拌制砂浆；砂浆质量检测：匀质性目测、流动性、含气量、表观密度、温度、比浆率；砂浆车与机具的清洗；拌制工艺信息储存：施工日期与实间，每次投料的计量数据，每次拌制砂浆的体积或质量，搅拌主机温度，搅拌工艺参数和轨道板编号等。5. 拌制工序的关键控制点包括砂浆车的送料与计量系统或设备的校核，原料的储存和运输，每次拌制的砂浆量，新拌砂浆的输送，砂浆车料仓储料量的检查，现场质量和性能的检测。5.7砂浆灌注1. 灌注前的准备工作混凝土底座表面状况的检查包括检查轨道板下方混凝土底座的表面状况，查看其表面是否有混凝土碎块，砂子颗粒，泥土颗粒等杂物和积水，如有应将其清扫干净，以免这些杂物颗粒刺穿灌注袋，造成灌注时流浆，并将影响砂浆充填层才耐久性。灌注袋的铺设，切忌不能损伤灌注袋，将灌注袋平整的铺于混凝土底座上，应避免出现褶皱，并采用三角形木楔将灌注袋的四个角固定在底座上，切忌不能损伤灌注袋，如有损伤，则该灌注袋不能使用。2. 砂浆充填层的灌注砂浆存放与储存：中间储存罐和中转仓；安装与连接输料管：固定与密封；砂浆灌注：打开塑料管两端的阀门，使中间