冬季低溫對CRTSⅠ型CA砂漿質(zhì)量影響研究

王濤，李洪剛，賈恒瓊，李海燕

(中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

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冬季低溫對CRTSⅠ型CA砂漿質(zhì)量影響研究

王濤，李洪剛，賈恒瓊，李海燕

(中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

針對冬季CRTS(china railway track system)Ⅰ型水泥乳化瀝青(cement and emulsified asphalt, CA)砂漿施工，研究低溫環(huán)境對CA砂漿性能的影響，經(jīng)溫度監(jiān)測和揭板檢查，比選溫控措施。研究結(jié)果表明：長三角地區(qū)冬季施工現(xiàn)場存在-5 ℃～5 ℃的溫度環(huán)境，在此環(huán)境中CA砂漿強度發(fā)展緩慢，灌入板腔的CA砂漿邊緣會產(chǎn)生孔洞病害；在棉被覆蓋保溫措施條件下，無加熱源時，板下砂漿溫度隨環(huán)境變化而小幅波動，灌注口砂漿斷面有粗砂下沉趨勢，但未引起分層；有加熱源時，板下砂漿溫度逐漸升高，揭板斷面均勻，符合正線施工要求。

軌道板；低溫環(huán)境；CA砂漿；溫控措施

CRTSⅠ型板式無砟軌道因其結(jié)構(gòu)簡單、施工與維修方便等特點，在日本新干線和我國高速鐵路建設(shè)中應(yīng)用較多[1-3]，低彈模CA砂漿是CRTSⅠ型板式無砟軌道的關(guān)鍵材料與結(jié)構(gòu)之一，用于軌道板與混凝土道床之間厚約40～60 mm的扁平空腔內(nèi)(長×寬約4 962 mm×2 400 mm)[4～6]，主要起調(diào)整、支撐、緩沖、傳力和阻裂等作用[7-9]，它組成復(fù)雜，含有大量有機、無機成分以及多種表面活性劑，對環(huán)境溫度性能敏感，決定了CA砂漿制備和施工的管理與控制要求嚴格[10-12]。

我國高速鐵路跨區(qū)域建設(shè)較普遍，環(huán)境溫度差別較大[13]，對CA砂漿施工質(zhì)量的影響也不同，特別是冬季低溫時，常遇年度工程進度節(jié)點，工期緊張，而現(xiàn)行標準未明確規(guī)定-5 ℃～5 ℃環(huán)境能否施工[14]，另外，由于CA砂漿制備技術(shù)難度大、造價高，國內(nèi)外研發(fā)單位技術(shù)保密，有關(guān)冬季環(huán)境下CA砂漿的文獻缺乏，文獻[15]僅考慮在寒冷地區(qū)的使用，不涉及CA砂漿冬季低溫施工，為保證我國無砟軌道建設(shè)質(zhì)量和工程進度，研究冬季低溫對CA砂漿質(zhì)量的影響及其施工措施具有重要的實際工程意義。

本文結(jié)合實際工程具體情況，選擇有代表性的溫度環(huán)境，連續(xù)測試板下CA砂漿等軌道結(jié)構(gòu)部位溫度，對冬季低溫條件下的砂漿低溫泌水、強度、板下砂漿溫度、揭板檢查等方面進行研究，系統(tǒng)分析了CA砂漿充填層冬季低溫施工質(zhì)量，并對此提出相關(guān)注意事項和應(yīng)對措施，以供我國CRTSⅠ、CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工參考。

1 試驗

1.1 砂漿原材料、配比及制備

1)乳化瀝青：CRTSⅠ型砂漿專用陽離子慢裂型乳化瀝青，固含量60%；2)干料：CRTSⅠ型砂漿專用干料，干料中<0.075 mm 的顆粒含量為33%；3)膠乳：TD-08聚合物乳液；4)消泡劑：有機硅類；5)引氣劑：松香類。

原材料配比為：干料∶乳化瀝青∶膠乳∶水∶消泡劑∶引氣劑=3∶1.29∶0.11∶0.067∶0.000 4∶0.004；其中干料：1 103 kg/m3。

CA砂漿采用南方路機砂漿攪拌車制備，自動計量各材料，攪拌工藝為:先加水、乳化瀝青、膠乳、消泡劑，轉(zhuǎn)速30 r/min；再加干料，轉(zhuǎn)速80 r/min； 最后加引氣劑，開始高速攪拌，速度120 r/min，攪拌時間為120 s；低速30 r/min攪拌30 s，砂漿制備完成。

1.2 試驗方法

砂漿抗壓強度和膨脹率分別按照現(xiàn)行技術(shù)條件(科技基[2008]74號)附錄C(水泥瀝青砂漿抗壓強度試驗方法)和附錄F(水泥瀝青砂漿膨脹率試驗方法)量筒法進行[14]；

板下砂漿溫度用HC-TW20無線溫度檢測儀監(jiān)控，配套4個現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)射器，共24個數(shù)據(jù)采集通道，將傳感器預(yù)設(shè)于砂漿上部、下部、板面上與環(huán)境中，在砂漿灌注后進行連續(xù)采集。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬季實測環(huán)境溫度

天氣預(yù)報是現(xiàn)場安排施工任務(wù)的重要參考，但在氣溫方面，城市天氣預(yù)報與野外施工現(xiàn)場有差別，在長三角地區(qū)冬季氣溫一般較低，野外施工現(xiàn)場-5 ℃～5 ℃的溫度較為常見，采用HC-TW20無線溫度檢測儀監(jiān)控12月下旬至1月上旬的某高鐵路基段環(huán)境溫度，選取城市天氣預(yù)報5 ℃～10 ℃、2 ℃～7 ℃和-2 ℃～6 ℃三次現(xiàn)場溫度記錄，見圖1；江南某施工地區(qū)11月中旬冬季降溫過程的天氣預(yù)報見圖2。

圖1 野外施工現(xiàn)場環(huán)境溫度Fig.1 Measured temperature of construction site

圖2 長三角某施工地區(qū)天氣預(yù)報Fig.2 weather forecast for Yangtze delta area

圖1和圖2表明，天氣預(yù)報溫度與施工環(huán)境溫度存在差異，且野外施工環(huán)境溫度普遍低于城市天氣預(yù)報的氣溫，在天氣預(yù)報分別為5 ℃～10 ℃、2 ℃～7 ℃和-2 ℃～6 ℃時，野外環(huán)境溫度最低約1 ℃、-1 ℃和-6 ℃；在長三角冬季降溫過程中，預(yù)報最低氣溫均在5 ℃附近及以下，因而，在此環(huán)境中施工時，若不采取增溫保暖措施，新灌注CA砂漿經(jīng)歷最低-5 ℃～5 ℃的氣溫環(huán)境不可避免。

2.2 冬季低溫病害

我國江南夏季溫度高、冬季氣溫低，在11月中旬試驗時，發(fā)現(xiàn)置于室外的CA砂漿試樣凝結(jié)緩慢，并存在表面塌陷、上部泌水等病害(圖3)，板下充填層揭板發(fā)現(xiàn)砂漿表面手按塌陷，有氣泡聚集，隨灌注袋揭開而起皮(圖4)；查當天天氣預(yù)報1 ℃～5 ℃，由于試驗地點遠離市區(qū)，實際溫度應(yīng)低于預(yù)報，因而，低于5 ℃的環(huán)境溫度會顯著降低CA砂漿硬化速度，并易引起泌水和揭板起皮病害。

圖3 室外自然養(yǎng)護試樣塌陷、泌水Fig.3 Surface subsidence and bleeding of outdoor curing mortar

圖4 砂漿揭板檢查起皮Fig.4 CA mortar surface peeling by removing track slab

針對上述問題，用現(xiàn)場砂漿車生產(chǎn)，CA砂漿出機溫度4.2 ℃，此時環(huán)境溫度3 ℃，并將新澆注砂漿試樣放置于室內(nèi)、標養(yǎng)室和室外自然養(yǎng)護，早期強度測試1，2和7 d三個齡期，試驗結(jié)果如圖5所示，膨脹率量筒上部狀況如圖6所示；同時將CA砂漿灌注施工，無增溫保暖措施，硬化后揭板檢查砂漿質(zhì)量，表面整體良好，無起皮，但露出板邊的砂漿沿四周存在長條形空洞，如圖7所示。

圖5 室內(nèi)室外養(yǎng)護砂漿對比Fig.5 Performance comparison between indoor and outdoor curing mortar

圖6 膨脹率量筒砂漿表面室外塌陷、室內(nèi)密實Fig.6 Character comparison between indoor and outdoor curing mortar in cylinder

圖5和圖6表明，在環(huán)境溫度和砂漿初始溫度均低于5 ℃的情況下，砂漿標養(yǎng)1 d無強度、也未硬化，室外自然養(yǎng)護2和7 d強度均低于標準養(yǎng)護；量筒內(nèi)砂漿受養(yǎng)護環(huán)境影響也較大，標養(yǎng)條件下砂漿膨脹率為1.41%，符合要求，但明顯低于通常出機20 ℃砂漿2%以上的膨脹率；室內(nèi)養(yǎng)護砂漿雖膨脹不明顯但表面密實，而室外養(yǎng)護砂漿不僅收縮，且硬化后砂漿上表面形成瀝青皮，皮層下是空洞，原因可能在于低溫時砂漿凝結(jié)硬化時間長，自由水、瀝青顆粒和內(nèi)部氣泡容易上浮，在表面形成泌水，瀝青顆粒在泌水表面形成皮層，下部水分蒸發(fā)后形成孔洞。

圖7 冬季低溫下邊緣砂漿形成空洞Fig.7 Pores disease appears at the edge of CA mortar in winter

圖7表明，低于5 ℃的CA砂漿灌入板腔后，處于5 ℃以下環(huán)境中的邊緣砂漿會形成內(nèi)部孔洞病害，原因在于邊緣砂漿受環(huán)境低溫影響而硬化緩慢，內(nèi)部未凝結(jié)砂漿中的氣泡和水分容易通過灌注袋無紡布層滲出，而白天氣溫回升時，上部砂漿先硬化成殼，最終在邊緣形成空洞。因而，環(huán)境溫度低于5 ℃時，應(yīng)對未硬化的板下砂漿采取增溫保暖措施，防止形成砂漿病害。

2.3 溫控措施

為保持CA砂漿配方與質(zhì)量的穩(wěn)定，冬季施工時普遍采取相應(yīng)的增溫保暖措施，其有效性通過揭板檢查來評價，以板下砂漿質(zhì)量符合驗收要求為準。選取不同低溫環(huán)境進行灌板試驗時，砂漿原材料先在庫房預(yù)熱，出機溫度在15 ℃左右，預(yù)埋溫度導(dǎo)線在不同部位，用無線溫度檢測儀連續(xù)監(jiān)測，針對天氣預(yù)報依次為5 ℃～10 ℃、2 ℃～7 ℃和-2 ℃～6 ℃的三天，分別采用如下三種措施：1)覆蓋棉被+防雨布(從里層到外層，下同)、2)板邊熱水管(鍋爐加熱)+棉被+防雨布、3)板邊電熱毯+棉被+防雨布，三種措施溫控效果分別見圖8，圖9和圖10。

圖8 覆蓋棉被+防雨布Fig.8 Cotton quilt coverage + waterproof cloth

圖9 板邊熱水管(鍋爐加熱)+棉被+防雨布Fig.9 Hot-water pipe(boiler feedwater heating)+ cotton quilt coverage + waterproof cloth

圖10 板邊電熱毯+棉被+防雨布Fig.10 electric blanket + cotton quilt coverage + waterproof cloth

圖8、圖9和圖10表明，溫控措施不同，其保溫效果也不同，不同部位的溫度也不盡相同。無加熱源時(圖8)，板下CA砂漿不同部位溫度均隨環(huán)境氣溫而變化，但變化幅度小于環(huán)境和板面，波動范圍3 ℃左右，前24 h內(nèi)陰面和芯部砂漿溫度在4.1 ℃～8.9 ℃間；有加熱源時，板下砂漿不同部位溫度均呈現(xiàn)增加趨勢，不隨環(huán)境氣溫變化而變化；采用電熱毯增溫和棉被覆蓋保溫時，砂漿不同部位溫度在1 h內(nèi)達到7 ℃以上，且比環(huán)境溫度差最大約19 ℃，前24 h內(nèi)芯部砂漿溫度在7 ℃～9.2 ℃間；鍋爐加熱水作為熱源時(回水溫度約35 ℃)，砂漿不同部位溫度在2 h內(nèi)達到5 ℃以上，且比環(huán)境溫度差最大約14 ℃，前24 h內(nèi)芯部砂漿溫度在6.8 ℃～8.8 ℃間。因而，即使環(huán)境氣溫存在較大差異，但從板下砂漿早期最低溫度、前24 h內(nèi)溫度范圍及與環(huán)境氣溫最大差值等方面分析，電熱毯增溫效果相對較好。

2.4 硬化后揭板檢查

不同溫控措施的充填層砂漿硬化后，進行揭板檢查，重點比較最容易出現(xiàn)病害的灌注口部位砂漿斷面，結(jié)果見圖11，圖12和圖13。

圖11 預(yù)報最低5℃(措施①)Fig.11 Weather forecast lowest 5℃(measures NO.①)

圖12 預(yù)報最低2 ℃(措施②)Fig.12 Weather forecast lowest2 ℃(measures NO.②)

圖13 預(yù)報最低-2 ℃(措施③)Fig.13 Weather forecast lowest -2 ℃(measures NO.③)

結(jié)合圖8與圖11、圖9與圖12、圖10與圖13分析，有保溫措施而無增溫措施的方案，充填層砂漿不同部位與環(huán)境溫度差最大約為10 ℃，灌注口砂漿斷面目測有粗砂沉降于底部的趨勢，不至于引起砂漿分層；既有保溫措施又有增溫措施的方案，目測灌注口砂漿斷面均勻，效果較好，符合工藝性試驗揭板要求，其中采用電熱毯作為熱源時，灌注口砂漿斷面無可見氣孔，顯得相對更密實均勻些，這可能與電熱毯增溫效果相對好些有關(guān)，因而，CA砂漿在冬季施工時，應(yīng)采用增溫和保溫雙重措施，并優(yōu)選增溫效果相對好的熱源，使砂漿不同部位溫度在1 h內(nèi)≥7 ℃的溫控條件下，能確保CA砂漿良好的冬季施工質(zhì)量。

根據(jù)上述研究成果，采用“③板邊電熱毯+棉被+防雨布”的現(xiàn)場溫控措施，在滬寧和寧安高鐵工程中，關(guān)鍵節(jié)點CA砂漿在冬季得以順利灌注施工，經(jīng)線上揭板抽檢，砂漿表面平整、斷面均勻，符合驗收要求，保證了施工質(zhì)量和工程進度。

3 結(jié)論

1)出機溫度和環(huán)境溫度均低于5 ℃時，CA砂漿凝結(jié)硬化速度減緩，標準養(yǎng)護條件下，凝結(jié)硬化時間>1 d，24 h膨脹率變小，2 和7d強度均高于室外自然養(yǎng)護，在無溫控措施條件時，冬季板下硬化CA砂漿邊緣易產(chǎn)生孔洞病害。

2)僅棉被覆蓋時，板下砂漿溫度隨環(huán)境氣溫變化而小幅波動，波動范圍約3 ℃；有加熱源時，板下砂漿溫度呈逐漸升高趨勢，不隨環(huán)境氣溫變化而波動，電熱毯為熱源的溫控效果較好，其砂漿溫度在1h內(nèi)達7 ℃以上，與環(huán)境溫度差最大約19 ℃，前24 h內(nèi)芯部砂漿溫度在7 ℃～9.2 ℃間；鍋爐加熱水時，砂漿溫度在2 h內(nèi)達5 ℃以上，與環(huán)境溫度差最大約14 ℃。

3)溫控措施影響板下CA砂漿質(zhì)量，無加熱源時，灌注口砂漿斷面目測有粗砂下沉底部趨勢，但不至于引起砂漿分層；有加熱源時，灌注口砂漿斷面均勻，電熱毯為加熱源的溫控措施效果相對較好，可快速達7 ℃以上，能確保CA砂漿冬季施工質(zhì)量。

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Influences of low temperature on CA mortar in winter

WANG Tao， LI Honggang， JIA Hengqiong， LI Haiyan

(China Academy of Railway Sciences metals and chemistry research institute, Beijing 100081, China)

In this paper, influences of low temperature on the performance of CA mortar were studied, and temperature control measures were compared and selected by temperature monitoring after pouring CA mortar and mortar assessment after removing slab track, the results show that winter environment temperature of construction site is lower and ranges from -5 ℃ to 5 ℃ in Yangtze river delta area. Under this temperature conditions, the early strength of CA mortar develops slowly, and some large pores distresses appear in the edge of CA mortar under the track slab. When using cotton quilt coverage, the temperature of CA mortar under slab changes with the environment by fluctuation within a narrow range, cross section of mortar inlet shows coarse sand has an subsidence tendency without producing delamination; under the conditions of cotton quilt coverage and heat source, the temperature of CA mortar under slab raises gradually, with the environment by fluctuation within a narrow range, mortar assessment reveals good cross section uniformity by removing track slab, and it is completely in conformity with the technology requirements.

track slab； track slab； low temperature； CA mortar； temperature control measures

2016-03-11

國家自然科學(xué)基金資助項目(51408610);中國鐵路總公司重大課題資助項目(2013G008-A-1)

王濤(1979-)，男，湖北應(yīng)城人，副研究員，博士，從事非金屬鐵路工程材料研究；E-mail:027wangtao@163.com

U2-9

A

1672-7029(2016)11-2148-06