板式轨道用高弹模水泥沥青砂浆与混凝土黏结性能的试验研究.pdf

第 l 0卷第 6期 2 0 1 3年 1 2月 铁道科学与工程学报 J OURNAL oF RAI L 、 ， AY SCl E NCE AND ENGl NEE Rl NG VO 1 1 0 NO 6 Dec 2 01 3 板式轨道 用高弹模水泥沥青砂浆 与混凝土黏 结性 能的试 验研究 元强 ， 郭建光 ， 邓德华 ， 谢友均 ， 王世雄 ， 曾志平 ( 1 中南大学 土木工程学院 ， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ； 2 高速铁路建造技术国家工程实验室， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ； 3 沪 昆铁 路客 运 专线 江西公 司 ， 江 西 南 昌 3 3 0 0 0 0 ) 摘要： 采用一种直接拉伸法试验研究了水泥乳化沥青砂浆与支承层混凝土( C 1 5 ) 、 底座板混凝土( C 3 0 ) 和轨道板蒸养混 凝土( C 5 5 ) 的黏结强度及其影响因素。试验结果表明： 砂浆配合比( 用水量) 对砂浆与轨道板蒸养混凝土、 底座板混凝土及 支承层混凝土的黏结强度影响很小； 混凝土表面拉毛显著提高了黏结强度； 板腔的润湿状态对砂浆充填层与混凝土的黏结 力影响很大； 黏结强度随龄期增加而增加， 在7 d龄期时已基本达到最大值。 关键词： 水泥沥青砂浆； C R I I 型板式轨道结构； 黏结强度； 混凝土 中图分类号 ： U 2 1 4 9 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 4 0 0 5 E x p e r i me n t a l s t u d y o n t h e b o n d i n g s t r e n g t h b e t we e n h i g h mo d u l u s c e me n t e mu l s i f i e d a s p h a l t f o r s l a b t r a c k a n d c o n c r e t e Y U A N Q i a n g ， G u n J i a n g u a n g ， D E N G D e h u a 一 ，X I E Y o u j u n ， WA N G S h i x i o n g ， Z E N G Z h i p i n g 。 ， ( 1 ，S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，C e n t r a l S o u t h U n v i e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 ，C h i n a ； 2Na t i o n a l En g i n e e r i n g L a b o r a t o r y f o r Co n s t r u c t i o n o f Hi g h S p e e d Ra i l wa y ，Ch a n g s h a 41 0 0 7 5，C h i n a； 3 Hu Ku n R a i l w a y P DL J i a n g x i C o L t d ， N a n e h a n g 3 3 0 0 0 0 ，C h in a ) Ab s t r ac t ： T he b o n di ng s t r e n g t h b e t we e n CA mo r t a r a n d d i f f e r e n t s t r e n g t h g r a de s o f c o n c r e t e i n d i f f e r e n t p o s i t i o n s ( C 1 5 i n s u p p o r t i n g l a y e r ，C 3 0 i n b a s e p l a t e ，a n d C 5 5 s t e a m e d i n t r a c k s l a b )a n d t h e i r a f f e c t i n g f a c t o r s w e r e s t u d i e d b y u s i n g d i r e c t t e n s i l e t e s t s T h e r e s u l t s s h o w t h a t m i x p r o p o r t i o n o f C A m o r t a r ( w a t e r c o n t e n t )h a s mi n o r e f f e c t o n t h e b o n d i n g s t r e n g t h i n a b o v e l o c a t i o n s R o u g h h a n d l i n g s i g n i fi c a n t l y i n c r e a s e s b o n d i n g s t r e n gth，a n d t h e we t n e s s o f t h e e o n e r e t e c h a mb e r d r a ma t i c a l l y a f f e c t s t h e b o n d i n g s t r e n gth o f fi l l i n g l a y e r s a n d c o n c r e t e Me a n w h i l e，b o n d i n g s t r e n gth i n c r e a s e s wi t h t h e a g e，a n d r e a c h e s i t s ma x i mu m v a l u e a t t h e a g e o f 7 d Ke y wo r d s ： C A mo r t a r ；CR T S I I s l a b b a l l a s t l e s s t r a c k；b o n d i n g s t r e n g t h；e o n e r e t e C R T S I I 型板式无砟轨道结构是我 国高速铁 路 ( 客运专线 ) 采用的主要轨道结构型式 ， 在京津 、 京沪 、 石武 、 杭长等高速铁路 ( 客运专线 ) 中应用 ， 总里程突破了双线 4 0 0 0 k m 。充填层是 C R T S I I 型板式无砟轨道结构的重要组成部分， 其性能对轨 道结构的平顺性 、 耐久性 ， 列车运行的舒适性 、 安全 性和运营维护成本有重 大影响。C R T S I I型板 式 轨道结构充填层采用高弹性模量( 71 0 G P a ) 水 泥乳化沥青砂浆材料 ， 砂 浆充填层 除满足支撑 调整及缓 冲协调的功能外 ， 还要求其与底座板和轨 收稿 日期 ： 2 0 1 30 4一 O 7 基金项 目： 铁道部科 技司重点课题( 2 0 1 2 G 0 0 8一C ) 作者简介： 元强( 1 9 8 1 一) ， 男， 江西乐安人， 博士， 副教授， 从事高速铁路工程材料的研究与应用 第 6期 元强 ， 等： 板式轨道用高弹模水泥沥青砂浆与混凝土黏结性能的试验研究 4 1 道板具有 良好的黏结性能 ， 以传递轨道传递下来的 各种荷载。近几年来 ， 在 国家 自然科学基金委和铁 道部科技司的资助下 ， 本文作者所在 团队对 “ 板式 轨道结构 中砂浆充填层 的劣化 与失效机理” 进行 了深入研究 ， 结果表明 ， 砂浆充填层与轨道板 、 底座 板 ( 或支承层) 间的层间离缝是 C R T S I I 型板式轨 道结构在新建和运营过程 中均可能出现 的一种常 见病害 ， 是引起砂浆充填层过早劣化的重要因素之 一 。层间离缝产生后 ， 水分沿离缝渗入砂浆充填层 与混凝土之间， 在水分的侵蚀下 ， 砂浆充填层强度 有所降低 ， 在列车活载和温度荷载 的耦合作用下 ， 加速了砂 浆充填层 的损伤 ， 降低 了其耐久性 。因 此 ， 避免产生层间离缝 、 防止水分侵入砂浆充填层 是提高 C R T S I I 型板式无砟轨道砂浆充填层 耐久 性 的重要条件 ， 而提高充填层与混凝土的黏结性能 是减少层间离缝 的重要技术措施。文献 28 对 砂浆材料的各项力学性能指标进行 了大量研究 ， 但 砂浆充填层与轨道板和底座板 ( 支承层 ) 混凝土的 黏结性能缺乏相关研究 。本文研究 了高弹性模 量 水泥沥青砂浆与轨道板混凝土、 底座板混凝土 、 支 承层混凝土 的黏结力及其影响因素 ， 以便为在施工 中提高 C R T S I I 型板式无砟轨道 中的充填层 与混 凝土的黏结力提供参考。 1 试验与原材料 1 1 原 材料 本文采用的乳化沥青及干料由安徽 中铁工程 材料科技有限公司生产 ， 其基本性能如表 1 和 2所 示 。消泡剂是由河南道纯公 司生产 的有机硅类 消 泡剂。水泥乳化沥青 砂浆所用配合 比及基本性能 如表 3所示。混凝土由中铁十六局杭长客专项 目 指挥部提供 ， 混凝 土配合 比及 基本性能如表 4所 示 。 表 1 乳化沥青的基本性能 Ta b l e 1 P r o p e r t i e s o f e mu l s i fi e d a s p h a l t 性能 测试值 颗粒极性 1 1 8 m m筛筛上剩余量 蒸发残 留物含量 阴 0 0 2 6 0 1 水泥适应性 mL 平均粒径 p ,m 模数粒径 p ,m 蒸发残 留物针人度 ( 0 1 m m) 蒸发残留物 软化点 C 溶解 度 蒸发残 留物延度 c m 贮存稳定性 O 7 3 8 表 2 干料 的基 本性能 Ta bl e 2 Pr o p e r t i e s o f d r y mi x e d p o wd e r 表 3 砂浆配合比及强度 Tabl e 3 Mi x p rop or t i o n s a n d s t r e ng t h o f CA mo rta r 表 4 混凝土配合 比及强度 Ta b l e 4 Mi x p r o p o r t i o n s a n d s t r e n gth o f c o n c r e t e 2 钙 第 6 期 元强 ， 等： 板式轨道用高弹模水泥沥青砂浆与混凝土黏结性能的试验研究4 3 浆的黏结强度主要取决 于老混凝土的界 面质量及 基体 ( 混凝土和砂浆) 的强度 ， 当界面存在浮浆而 较为薄弱时 ， 拉伸破坏产生于界面处 ， 而当界 面较 为致密 、 无浮浆薄弱层时 ， 破坏可能产生于强度较 低的基体内。 底座板及支承层混凝土在成型过程中 ， 试件表 面均存在强度较弱的浮浆薄层 ， 水泥乳化沥青砂浆 浇筑在混凝土试件上后与该薄弱层黏结 ， 黏结强度 取决于混凝土试件表层浮浆的强度 ， 其与水泥乳化 沥青砂浆黏结破坏后的形态如图 3 ( a ) 所示。拉伸 破坏在混凝土表层浮浆处 ， 水泥乳化沥青砂浆将圆 形混凝土试件 中部的表 面浮浆黏起 。由于支承层 及底座板混凝土表层浮浆 的强度相似 ， 所以 ， 两者 与水泥乳化沥青砂浆的黏结强度也较接近。 ( a ) 拉 伸破坏砂浆断 面， 底座板混凝土表面浮浆被砂浆黏起 ； ( b ) 轨道板混凝土断面 ， 部分砂浆 黏于混凝土表面 图 3 拉伸破坏试件 断面 Fi g 3 Fr a c t ur e s ur f a c e s a f t e r t e ns i l e t e s t 轨道 板混凝 土为蒸养 C 5 5混凝 土 ， 在蒸汽养 护的作用下 ， 其表面极为致密 、 无浮浆薄弱层。水 泥乳化沥青砂浆与混凝土的黏结破坏形 态如图 3 ( b ) 所示 ， 拉伸破坏不仅产生与界 面处 ， 而且砂浆 基体也产生了拉伸破坏 。这较大提高了砂浆 与混 凝土的黏结强度 ， 也很好地解释 了轨道板混凝土与 砂浆的黏结强度较高的原因。但在实际工程中 ， 砂 浆充填层是从 下往上 与轨道板混凝 土黏结的 ， 另 外 ， 砂浆充填层表面通 常存在气泡等缺 陷 ， 这大大 降低了砂浆充填层与轨道板混凝土的黏结强度。 2 2 润湿对黏结强度的影响 在 C R T S I I 型板砂浆充填层灌注施工过程 中， 需在灌浆前对板腔进行润湿 ， 润湿效果要求为板腔 混凝土饱和面干 ， 混凝土表面无 明水 、 无积水 。但 在实际施工过程中 ， 板腔的润湿效果很 难控制 ， 润 湿不到位或润湿过度都有可能影 响砂浆与混凝土 的黏结强度 。本文研究了各种混凝土的润湿效果 对黏结强度 的影响， 如表 7所示。浇筑砂浆前， 不 对混凝土基面进行润湿处理 ， 其与砂浆的黏结强度 降低了 2 5 5 0 。这是因为干燥 的混凝土基面 吸收了与其黏结的砂浆 内部水 泥水化所需部分水 分 ， 导致界面处 的水泥水化程度降低 ， 因而降低 了 其黏结力 ； 而过度润湿 ( 即表 面积水 ) 对其黏结强 度影响不大 ， 这是 因为砂浆在流动的过程 中， 排开 了多余水分 ， 没有在界面处留存多余水分削弱黏结 强度 ， 因此 ， 过度润湿对黏结强度影响不大。 表 7 润湿对黏结强度的影响 T a b l e 7 E f f e c t o f We t t i n g o n t h e b o n d i n g s t r e n g t h MP a 由此可知 ， 在施 工过程应保证 板腔 的润湿状 态， 不能使其处于干燥状态， 否则降低了混凝土与 砂浆充填层的黏结强度。虽然过度润湿没有降低 砂浆与下部混凝土 的黏结 强度， 但实际工程中， 板 腔 中的部分水分不能排出板腔 ， 水分可能被挤到充 填层上表面， 引起其它充填层质量问题 。 2 3 界面处理方式对黏结强度的影响 对混凝土界面进行拉毛处理有助于增加混凝土 与砂浆充填层的黏结强度 ， 现场施工 中， 拉毛缺乏统 一 标准。本文分别研究 了拉毛 、 不拉毛及刻痕的表 面处理方式对黏结强度的影响， 结果如表 8 所示。 表 8 表面处理方式对黏结强度的影响 Ta b l e 8 E f f e c t o f s u r f a c e t r e a t me n t o n b o n d i n g s t r e n g t h MP a 试验结果表明 ： 与未拉 毛试件相 比， 拉 毛仅增 加了轨道板混凝土 1 5 的黏结力。而底座板的拉 毛大大增加 了其黏结力 ， 达 2 0 0 ， 这 主要是 因为 拉毛一方面增加了底座板与砂浆的黏结面积 ； 另一 方面， 拉毛将混凝土表面浮浆下部的混凝土浆体翻 起 ， 提高了混凝土黏结面的质量。刻痕工艺同样增 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 3年 1 2月 加 了黏结面积 ， 与拉毛工艺相似。 2 4 龄期对黏结强度的影响 黏结强度随龄期发展规律如表 9所示。与砂 浆的抗压强度不同， 黏结强度在砂浆 7 d龄期时已 基本达到最大值。 表 9 砂浆与轨道板混凝土黏 结强度 随龄期的 变化 Tabl e 9 De v e l o p me nt o f b o n di n g s t r e n g t h wi t h a ge MP a 3 结论 ( 1 ) 砂浆配 比( 用水量 ) 对砂浆与混凝土的黏 结强度影响不大。 ( 2 ) 底座板及支承层混凝土与砂浆 充填层 的 黏结强度约 0 5 5 M P a ， 与轨道板混凝土 的黏结强 度约 0 7 MP a ， 但实际工程 中， 轨道板 与砂浆充填 层黏结方式不同， 其黏结强度大大低于 0 7 M P a 。 ( 3 ) 干燥混凝土基面严重削弱混凝土与砂浆 的黏结强度 ( 2 5 5 0 ) ， 过度润湿对混 凝土与 砂浆的黏结强度影响不大 ， 可能是由于砂浆在流动 过程 中， 将多余水分排 出界面， 没有影响界 面黏结 力 ， 但过度润湿可能导致其它充填层质量问题 。 ( 4 ) 拉毛增加 了混凝土与砂浆的黏结强度 ， 尤 其对于底座板混凝土。 ( 5 ) 黏结强度随龄期 的增加而增加 ， 在 7 d时 基本达到最大值 。 在水泥乳化沥青砂浆充填层施工过程中， 应充 分考虑以上因素， 以提高充填层与混凝土底座板及 轨道板的黏结强度 ， 提高砂浆充填层的耐久性 。 参考文献 ： 1 科技基客运专线铁路 C R T S I I 型板式无砟轨道水泥 乳化沥青砂浆暂行技术条件 S 北京： 中国铁道出版 社 ， 2 0 0 8 Te c h n o l o g yba s e d Te n t a t i v e t e c h ni c a l s p e c i fic a t i o n f o r c e me n t a s ph alt mo r t a r i n CRTS I I ba l l a s t l e s s s l a b t r a c k o f P D L S B e i j i n g ： C h i n a R a i l w a y P r e s s ， 2 0 0 8 2 金守华 ， 陈秀方，杨军板式无碴轨道用 C A砂浆的 关键技术J 中国铁道科学， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 2 ) ： 2 0 2 5 J I N S h o u h u a ，C HEN Xi u f a n g， YANG J u n Ke y t e c h n o l o g i e s o f C A m o r t a r for s l a b t r a c k J C h i n a R a i l w a y S c i e n c e ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 2 ) ： 2 0 2 5 3 铁道部工程管理中心 板式无砟 轨道水 泥乳化沥 青砂 浆施工技术培训 教 材 M 北 京 ：中 国铁道 出版社 ， 2 0 o8 Eng i ne e ring Ma n a g e me nt Ce n t e r o f Ch i n a Ra i l wa y Mi ni s t r yTr a i ni n g b o o k o f t h e c o n s t r uc t i o n t e c hn o l o gy o f t he C A m o r t a r o n t h e b a l l a s t l e s s s l ab t r a c k M B e r i n g ： Ch i na Ra i l wa y Pr e s s， 2 0 08 4 王涛 ， 胡曙光 ， 王发 洲 ， 等C A砂浆强度 主要影 响 因 素的研究 J 铁路建筑， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 1 0 91 1 1 W ANG T a o ，HU S h u g u a n g ，W AN G F a z h o u，e t a1 Re - s e arc h o n ma i n i n flue n c i ng f a c t o r s o n s t r e n g t h o f CA Mo r t a r s J R a i l w a y E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 1 0 91 1 1 5 曾晓辉 水泥乳化沥青砂浆材料特性与充填层施工质 量控制研究 D 长沙：中南大学土木建筑学院， 2 0 1 0 Z ENG Xi a o h u i S t u d i e s o n c h a r a c t e ri s t i c o f C A mo rt a r a n d c o n s t ruc t i o n q u a l i t y c o n t r o l o f p a c k i n g l a y e r D Ch a ng s h a：Sc h o o l o f Ci v i l a nd Ar c hi t e c t ur a l Eng i n e e rin g， C e n t r al S o u t h Un i v e r s i t y， 2 0 1 0 6 王涛高速铁路板式无碴轨道 C A砂浆的研究与应用 D 武汉：武汉理工大学材料原料学与工程学院， 2 0 o8 W ANG Ta o Re s earc h a n d a p pl i c a t i o n o n CA mo rtar i n b a l l a s t l e s s s l a b t r a c k o f h i g h s p e e d r a i l w a y D Wu h a n ： S c ho o l o f Ma t e ria l s Sc i e n c e a n d En g i n e e rin g，W u ha n Uni v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，2 0 0 8 7 刘永亮， 孔祥明， 邹炎， 等 水泥沥青砂浆的静动态力 学行为 J 铁道科学与工程学报 ， 2 0 0 9 ， 6 ( 3 ) ： 1 7 L I U Y o n i a n g ，K O N G X i a n g mi n g ，Z O U Y a h ，e t a 1 S t a t i c a n d dy n a mi c me c ha ni c al b e h a v i o r o f c e me nt a s ph alt m o rt a r s J J o u ma l o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 9 ， 6 ( 3 ) ： 1 7 8 王强， 阿茹罕， 阎培渝 砂灰比和砂的级配对 C A砂浆 抗压强度和流动度的影响 J 铁道科学与工程学报， 2 0 0 8 ， 5 ( 6 ) ： 1 5 WA N G Q i a n g ，A R u h a n ，Y A N P e i y y u I nflu e n c e o f m ( s ) ( e )a n d s a n d g r a d a t i o n o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d fl u i d i t y o f C A m o r t ar J J o u r n a l o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n gi n e e ri n g ， 2 0 0 8 ， 5 ( 6 ) ： 1 5