水泥乳化沥青砂浆质量问题的原因分析及预防.pdf

2 0 1 2年 7月 铁道工程学报 第 7 期(总 1 6 6)J O U R N A L O F R A I L WA Y E N G I N E E R I N G S O C I T Y J u l 2 0 1 2 N O 7(S e r 1 6 6)文章编号：1 0 0 6 2 1 0 6(2 0 1 2)0 7 0 0 5 7 0 5 水 泥乳化沥青砂浆质量 问题 的原 因分析及 预防 王 晓勇夏龙料 (中铁一局集 团第五工程有限公司，陕西 宝鸡 7 2 1 0 0 6)摘要：研究目的：高速铁路建设中水泥乳化沥青砂浆被用作轨道板与混凝土底座板之间的弹性垫层，其性能对 轨道结构的平顺性、耐久性、列车运行的舒适性与安全性均有重大影响，是高速铁路建设的关键工程结构之 一。由于对其施工经验的缺乏，在实际施工过程中对工艺工法掌握不当以及各种外界环境条件的影响，使水 泥乳化沥青砂浆垫层在凝结硬化过程中容易产生各种质量缺陷，从而破坏其对轨道板及底座板的粘接力，因 此对其产生质量问题的原因进行分析和采用有效措施预防很有必要。研究结论：通过某高速铁路 C R T S I I 型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆垫层施工实例，对 C R T S I I 型板式 无砟轨道水泥乳化沥青砂浆垫层施工中常见的灌注后在板和砂浆的结合处出现微缝隙或在局部出现砂浆不 饱满、分层现象；灌注后表面出现大量的微小气泡、较大的气泡、上下连通的气泡以及灌注后水泥乳化沥青砂 浆垫层析出沥青颗粒的常见质量问题进行原因分析，总结提出从轨道板封边工艺、灌注工艺、搅拌工艺、原材 控制等方面给出了具有很强操作性和针对性的预防措施，可使其施工质量得到较大程度的改善，给类似工程 施工提供借鉴。关键词：高速铁路；无砟轨道；水泥乳化沥青；质量问题；分析；预防 中图分类号：U 2 1 2 7 文献标识码：A An a l y s i s o f C a u s e f o r Qu a l i t y P r o b l e ms o f C e me n t E mu l s i fi e d As p h a l t Mo r t a r a n d Pr e v e n t i o n W ANG Xi a oy o ng，XI A Lo ng (T h e F i ft h E n g i n e e r i n g C o L t d，C h i n a R a i l w a y F i r s t G r o u p C o L t d，B a o j i，S h a n x i 7 2 1 0 0 6，C h i n a)Abs t r a c t：Re s e ar c h pu r po s e s：I n h i g hs p e e d r a i l wa y c o n s t r u c t i o n。t h e c e me n t e mu l s i fie d a s ph a l t mo r t a r i s u s e d a s t h e e l a s t i c c u s h i o n b e t we e n t he t r a c k s l a b a n d t h e c o n c r e t e b a s e p l a t e a n d i t i s o ne o f k e y e n g i n e e rin g s t ruc t u r e s，S O i t s p r o p e r t y i s c ru c i a l t o t h e r e g u l a rit y a nd d u r a b i l i t y o f t h e t r a c k s t ruc t u r e a n d t o t h e c o mf o r t a b l e n e s s a n d s e c u rit y o f t r a i n Th e v a rio u s q u a l i t y d e f e c t s ma y h a p pe n i n t h e c o u r s e o f h a r d e n i n g o f t h e c u s h i o n o f t h e c e me nt e mu l s i f i e d a s p ha l t mo rta r t o d e s t r o y t h e c o h e rin g p r o p e rty b e t we e n t h e t r a c k s l a b a n d r a i l ba s e p l a t e r b e c a u s e o f a l i t t l e wo r k i n g e x pe r i e n c e，t h e i mp r o p e r o pe r a t i o n a n d t h e i mpa c t o f t h e e x t e r n a l e n v i r o n me n t Th e r e f o r e，i t i s n e c e s s a r y t o a n a l y z e t h e c a u s e f o r t h e q u a l i t y d e f e c t s a n d t a k e t h e e f f e c t i v e me a s u r e s Re s e a r c h c o n c l u s i o n s：B a s e d o n t h e c o n s t ruc t i o n p r a c t i c e o f c e me n t e mu l s i fi e d a s p h a l t mo rt a r c u s h i o n f o r a C RT S I I s l a b b a l l a s t e s s t r a c k o f o n e h i g hs pe e d r a i l wa y，t he a n a l y s i s i s ma d e f o r t h e c a u s e s for t h e c o mmo n p r o b l e ms a f t e r p o u rin g i n t h e c o u r s e o f c o n s t ruc t i o n o f，n a m e l y，t h e mi c r o c r a c k s h a p p e n i n t h e j o i n t a r e a b e t w e e n t h e s l a b a n d t h e mo rt a r o r t h e mo rta r i s n o t f u l l a n d s l i c e s i n s o me a r e a s，a n d a l a r g e n u mbe r o f t h e t i n y b ub b l e s，t h e l a r g e r b u bb l e s，t h e b u b b l e s o f c o n n e c t i n g e a c h o t he r f r o m t o p t o do wn ha p p e n a nd t h e a s p h a l t b e a d s e p a r a t e o u t Th e r e l a t i v e me a s u r e s a r e p r e s e n t e d fro m t h e fie l d s o f t h e e d g e ba n d i n g t e c h n i q u e f o r t he t r a c k s l a b，the po u ring t e c h n i q u e，t he mi x i n g t e c hn i q u e a n d t h e 收稿 日期：2 0 1 11 1 1 5 作者简 介：王晓勇，1 9 7 7出生，男，工程师；夏龙，1 9 7 3年出生，男，高级工程 师。58 铁道工程学报 2 0 1 2年 7月 c o n t r o l o f r a w ma t e r i a l s t o i mp r o v e t h e c o n s t r u c t i o n q u a l i t y a n d i t c a n b e a s t h e r e f e r e n c e t o t h e s i mi l a r w o r k s Ke y wor ds：hi【g hs p e e d r a i l wa y；b a l l a s t l e s s t r a c k；c e me n t e mu l s i f i e d a s p ha l t；q u a l i t y p r o b l e m；a n a l y s i s；p r e v e nt i o n 1 研 究背景 某高速铁路建设 中所采用的 C R T S I I 型板是一项 先进的高速铁路建设技术，施工中采用了大量的新工 艺、新技术、新材料，涉及到多项核心技术和专用设备。其中，水泥乳化沥青砂浆被用作轨道板与混凝土底座 板之间的弹性垫层，即水泥乳化沥青砂浆垫层，主要功 能有填充、支撑、承力、传力以及提供适当的弹韧性，其 性能对轨道结构的平顺性、耐久性、列车运行 的舒适性 与安全性均有重大影响，是高速铁路建设 的关键工程 结构之一。由于对其施工经验的缺乏，在实际施 工过程 中对 工艺工法掌握不当以及各种外界环境条件 的影响，使 水泥乳化沥青砂浆垫层在凝结硬化过程 中容易产生各 种质量缺陷，从而破坏其对轨道板及底座板的粘接力，影响与其他轨道构件共同工作的耐久性，失去了其对 轨道板的三 向永久定位能力，因此对其产生质量 问题 的原因进行分析和采用有效措施预防很有必要。2 工程概 况 某高速铁路的一座特大桥 D K 2 4 8+6 0 0D K 2 6 8 +2 0 0段无砟轨道轨道板铺设施工，全线长 1 9 4 k m，有简支梁 6 0 8孔，(3 2+4 8+3 2)m连续梁一座，曲线 4 段，最大曲线半径 1 2 0 0 0 m，最小曲线半径 9 0 0 0 m，全 桥均采用 C R T S型轨道板，共计 5 9 7 4块，灌注乳化 沥青砂浆约 2 9 7 0 m 。3 水泥乳化沥青砂浆材料组成 水泥乳化沥青砂浆是由乳化沥青、干料、水及各种 外加剂通过专用搅拌设备按照一定的工艺混合而成的 具有特定性能的砂浆，材料组成如图 1 所示。其施工 方法是将具有高流动生和均质性的水泥乳化沥青砂浆 通过轨道板 中间的灌浆孔灌注到经充分清洗、润湿、通 气、封边处理的轨道板与混凝 土底座板之间约 3 0 m m 的间隙中。4 水泥乳化沥青砂浆灌注施工中常见 质量问题的原 因分析及预防措施 4 1 灌注后在板和砂 浆的结合处 出现微缝 隙或在局 部出现砂浆不饱满现象 4 1 1 造成原 因 一是封边装置表面质地粗糙且局部透气，当浆液 图 1 水泥乳化沥青砂 浆材料组成 填满整个灌注空间并封堵排气孔后，在随后的时间里，水泥乳化沥青砂浆在灌浆孔液面压力 的作用下，浆 液 会向封边装置表面的粗糙缝 隙里渗透，促使局部边角 液面下降；同时 由于封边处不密实造成局部透气，在膨 胀剂发生效应时，封边装置透气处将膨胀剂反应时所 产生 的气体释放，从而使砂浆不能膨胀，在轨道板与浆 面粘结处 留下微缝隙。二是灌浆完成并封堵排气孔后出现局部漏浆，虽 然进行了堵缝处理，但随后仍有少量砂浆缓慢漏出，这 样就容易在漏浆部位产生较大的缝隙。三是排气孔设置不正确，导致灌注空间内的空气 未完全排 出。在设计制作封边装置时没有在轨道板的 四角处预留排气孔或排气孔离轨道板角落较远，导致 砂浆平行推进到此处时，在板角处聚集 了大量空气无 法排出，随着砂浆的不断注入对此处空气 的压力不断 增加，最终导致气体压缩对砂浆推进面形成 的反推力 等于灌浆孔液面与垫层液面高度差对砂浆推进面所带 来的推力，从而阻止了砂浆推进面的前进，在板角处 出 现小面积的不饱满现象。同时由于排气孔上缘位置低 于轨道板下缘，导致砂浆填充满整个灌注空间后，排气 孔 已经有均匀饱满的砂浆流出，此 时在排气孔上缘与 轨道板下缘处的封闭部位仍 留有部分空气未排 出，从 而导致局部砂浆不饱满现象的产生。四是排气孔封堵时间掌握不 当导致局部砂浆不饱 满。在灌注过程中，当排气孔刚一流出少量且夹杂着 气泡的砂浆时就对排气孔进行封堵，此时砂浆垫层内 部仍有部分空气未排出，这样就会在排气孔位置处形 成孔洞型气泡，并且向砂浆垫层内部延伸，空洞的深浅 会根据未排出空气量的多少大小不一。4 1 2 预防措施 一是在轨 道板封边作 业时，先在封边 处贴 一层 1 c m厚聚氯 乙烯软质泡 沫板，然后 在用封边模 板压 紧，由于泡沫板质地较软且表面光滑不透气，在封边装 第7期 王晓勇 夏龙：水泥乳化沥青砂浆质量问题的原因分析及预防 5 9 置压紧之后，泡沫板就会被挤压从 而和轨道板及底座 板密贴，防止因透气引起 的板和砂浆结合处 出现的微 缝隙及局部砂浆不饱满现象。二是轨道板灌浆作业完成且排气孔封堵后，要仔 细检查整个轨道板 四周封边装置是否存在松动、不密 贴、漏浆等异常现象，还要观察灌浆孑 L 页面有无异常塌 落现象，待所有项 目检查 完毕并确认无漏浆现象存在 时，方可进行下一块轨道板的灌浆作业。三是正确设置排气孔位置，在轨道板两侧距板 中 间 1 2处各设一处，轨道板的四个角各设一处，轨道板 板头及板尾各设两处，共计 l 2处排气孔，且气孔的上 缘要略微高于轨道板下缘，角度 向上倾斜 1 5。左右，这 样才能保证在灌浆过程 中空气被充分排 出如 图 2所 示。图 2 轨道板排气孑 L 示意 图 四是正确掌握排气孔封堵时间，当排气孔 刚一流 出砂浆时不要急于封堵，仔细观察待有均匀且饱满 的 砂浆流出时再对排气孔进行封堵，并确保封堵后 的排 气孑 L 无漏浆现象。4 2 灌注后硬化的水泥乳化沥青砂浆出现分层现象 4 2 1 造成原 因 一是砂浆方量计划不足，致使一次不能完成整块 板 的灌注，造成同一块轨道板的二次灌注，使砂浆产生 分层现象。二是灌浆速度过慢，导致砂浆在板腔 内的推进 面 过薄，没能以全断面整体向前推进的方式进行。三是砂浆流动度太大(1 L砂浆在流动度仪 内，从 1 c m直径通道孔流出所用的规定时间是 1 0 0 2 0 S)，小于 6 0 S，在此状态下，砂浆注入灌注空间后就会迅速 流动、扩大，在灌注初期，砂浆在灌注空 间内的流动情 况是先在底座板上迅速摊平，未和轨道板底部粘接，如 果底座板比较干燥，板腔 内温度较高，砂浆中的水分就 会迅速被底座板吸收，导致乳化沥青过早“破乳”使表 面硬化，流动减缓。随着砂浆 的不断注入，新灌注的砂 浆就会漫过表面硬化的砂浆层，从而导致砂浆分层现 象的产生。四是灌浆之前水泥乳化沥青砂浆在一段时间内未 进行搅拌，使砂浆出现絮凝，流动性降低。灌人板腔 内 的砂浆表面张力过大，阻碍了与新灌入砂浆的融合，导 致砂浆分层。4 2 2预防措施 一是在灌注前要准确测量板缝厚度，精 确计算每 块板应灌注的砂浆方量，并建议 在计算所得到的砂浆 方量基础上根据实际情况加一个 固定常数(一般控制 在 0 1 方)，以补充在砂浆灌注过程 中因漏浆或其他 原 因而损失的砂浆。合理安排施工 间隔，以保证不会 出现同一块板砂浆的二次灌注。二是水泥乳化沥青要保证一定 的流动性，并通过 揭板试验证明该状态下的砂浆不会出现分层现象。三是加强对底座板及轨道板预湿工作 的控制，保 证灌注时底座板的充分湿润，以减小其对水泥乳化沥 青砂浆 内部水分的过多吸收，导致砂浆表面过早硬化。四是在灌注时应检查板腔内的温度，并根据砂浆 的流动性与板腔 内温度 的对应关 系，确定在此温度下 水泥乳化沥青砂浆的流动度能保证砂浆的正常工作性 能而不出现分层。4 3 灌注后在水泥乳化沥青砂浆表面出现大量的微 小气泡 4 3 1 造成原因 一是硬化后的砂浆表面出现大量 的微小气泡，显 然对砂浆与轨道板的粘结力产生影响。这些气泡的产 生是膨胀剂所致，干粉中掺加的膨胀剂是 以铝粉作为 膨胀材料，铝粉与水反应会产生氢气，这些氢气被粘稠 的浆液包裹填充在砂浆之 中，从而使砂浆体积发生膨 胀，所 以膨胀剂发生效应是造成这一现象的根本原因。二是砂浆流动度过大，导致砂浆粘度降低。一般 情况下，水泥乳化沥青砂浆在静止 的状态下膨胀剂发 生反应所产生的氢气都能裹在砂浆里，但由于砂浆粘 稠度降低，使其对微小气泡 的包裹及 吸附能力大幅度 降低。氢气所受重力又远远小于砂浆所受重力，在这 种情况下，大量的氢气泡克服浆液的吸附力 向上运动，随着这些氢气泡不断上升与聚集，最后在砂浆表面就 形成了较多封闭的微小气泡。4 3 2预防措施 一是要克服或最大限度地减小这些表面微小气泡 的方法无疑是增加水泥乳化沥青砂浆 的粘度(在对砂 浆流动度规定的时间范围 1 0 0 2 0 S 内，尽量使水泥 乳化沥青砂浆 的流动 时间变长)，以增加浆液对微小 气泡包裹及吸附能力。二是加强原材料进场时的检验工作，原材料进场 时，应对原材料的品种、数量及质量证明书等进行检查 铁道工程学报 2 0 1 2年 7月 验收，确保制拌水泥乳化沥青砂浆所使用的原材料质 量及配比符合各项规定要求，对于检验不合格的原材 料，应严格按照有关规定清除出场。三是在施工过程中严格控制水泥乳化沥青砂浆原 材料配合 比，禁止相关操作人员随意对经过现场实 际 检验合格后而制定的施工配合 比改动，以避免因施工 配合比变化而使砂浆工作性能发生改变，从而影响灌 注效果。4 4 灌注后在水泥乳化沥青砂浆表面出现较大的气 泡 4 4 1 造成原因 一是砂浆流动度太大，导致砂浆粘稠度降低，灌注 时砂浆在板缝 中流动速度很快，会把大量 空气裹在浆 面和轨道板底面处，从而 出现大面积直径约 1 5 e m 的气泡。二是灌浆速度过快，在灌浆孔处注入砂浆时因为 流速过快，导致大量空气被卷入砂浆 中随砂浆一 同被 注入灌注空间内而不能排出。4 4 2 预防措施 一是定期对移动式水泥乳化沥青砂浆车上制拌砂 浆时的各项原材料计量设配进行检校，确保各项系统 正常并拥有足够 的计量精度，其最大允许偏差应满足 相关技术条件的要求。二是在每次开始灌 浆作业前，现场试验人员要对 首盘砂浆性能(扩展度、流动度、含气量、膨胀率、砂浆 温度等)进行检验，检验项 目和检验结果应满足 客运 专线铁路 C R T S I I 板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂 行技术条件(科技基 2 0 0 7 7 4号)相关要求。三是优化配合 比，使砂浆的流动时间在规定范 围 内尽可能的延长。四是砂浆灌注速度不宜太快也不宜太慢。完成整 块板的灌浆时间一般控制在 34 rai n，当板底砂浆较 厚时，灌注时间可适 当延长。同时灌注时要重点掌控 以下几点：第一，遵循 先慢后快的原则，先慢是指在开 始灌注时放慢管板速度，待导管内的空气完全排出，导 管内部被砂浆填充后再慢慢加快砂浆注入速度；第二，灌浆孔处安装 的 P V C管不宜过高，一般控制在 3 0 4 0 c m，以减少导管 口与浆面的落差，防止液态砂浆 的 冲击或浆面形成漩涡时将空气带入砂浆 中；第三，快速 灌浆时要保证灌浆孔有一定的液面高度；第 四，把握好 灌浆速度，使水泥乳化沥青砂浆的流动能 以全断面等 速的形式 向前推进，从 而将整个灌注空间内的空气充 分排出，而不是分层前进。第五，当观察孔中的浆面快 接近板底时降低灌注速度，以便排气充分完全，有利于 整个灌注空间的砂浆充盈、饱满。4 5 灌注后水泥乳化沥青砂浆垫层出现上下连通的 气泡 4 5 1 造成原因 主要是由于底座板顶及轨道板底预湿不充分造成 的。我们知道，当混凝构件长期裸露在 自然环境中时，随着硬化过程的进行和多余水分的蒸发，会在其表 面 及 内部形成许 多大小不一的毛细孔 隙。在灌浆作业 前，如果底座板及轨道板未进行预湿或预湿不彻底，那 么当水泥乳化沥青砂浆注入灌注空间后，混凝土就会 很快吸收砂浆中的水分，从而置换出混凝土中的空气，随着时间的推移，被置换 出的空气在砂浆底部不断聚 集扩大，在重力作用下，砂浆底部的空气就会上浮，克 服砂浆的阻力上升到砂浆顶部，最终形成贯通砂浆层 上下 的联通气泡。4 5。2 预防措施 预防这一现象发生的唯一措施就是确保在灌浆作 业前底座板及轨道板充分湿润，可以说只要混凝土 的 预湿充分到位，那么水泥乳化沥青砂浆层就不会产生 上下联通的气泡。但怎样把握预湿程度是问题的关键 所在，重点要掌握以下几点：第一，在对轨道板进行封 边作业前使用高压水枪对整个灌注空间进行彻底 的润 湿，润湿程度要根据现场环境温度及灌浆作业与封边 作业之间的时间间隔长短具体掌控，如果环境温度较 高或时间间隔较长，润湿程度可以适当加强，但是要确 保底座板上无明显积水；第二，当环境 温度 过高大于 2 5 时，从完成预湿到砂浆注入这一时间段内，所有 的 灌浆孔及观察孔都要采取有效措施进行封堵，以减少 温度较高时水分过多的蒸发，必要时可进行多次预湿；第三，灌注之前应检查所有灌注空间内的湿度及温度，当轨道板及底座板表面 比较干燥且温度较高时，应当 用带有旋转喷头的高压水枪对灌注空间进行润湿。先 调整好压力使水雾化，再将旋转喷头放入灌浆孑 L 和观 察孔内向灌注空间里喷洒雾化的水气，喷洒 的多少取 决于底座板的干湿程度，但要保证在灌注前灌注空间 内潮湿且表面无积明水现象。4 6 灌注后水泥乳化沥青砂浆垫层析出沥青颗粒 4 6 1 造成原因 主要原因是 由于乳化沥青破乳导致析出黑色的沥 青颗粒。4 6 2预防措施 一是加强乳化沥青原材料保存管理。贮存罐应有 严格的保护措施，避免阳光直射，并应配备搅拌装置及 温度测试装 置，每天应 对贮存 的乳 化 沥青搅 拌 1 2次，搅拌 时间不低 于 1 0 mi n，温 度严格 控制在 5一 第 7期 王晓勇 夏龙：水泥乳化沥青砂浆质量问题的原因分析及预防 耄 萎 式 无 咋 工 的 建 设 人 员 带 来 了 诸 多 挑 战，如何克服并战胜这些 一 一 工 芎 ：A栾 s心p h 国a ltcM orst ar型Pr板ov式i s i无on砟al轨Te道c h水n i t青i o砂ns浆 S的 配 垡 皂、兰 笺 兰 三 ：警 圣 运 行 的 平 稳 性、安 全 性 和 舒 适 性 的 Ju ：k 世 界一流高速铁路。c。m。t 二 。p：“：