CN103073235B - 一种用于严寒地区板式无砟轨道的水泥乳化沥青砂浆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水泥乳化沥青砂浆及其制备方法。按质量份数计，该水泥乳化沥青砂浆包含：乳化沥青110-160份，聚合物乳液10-30份，水泥90-100份，砂子150-250份，强度调节剂0-0.5份，膨胀剂0-10份，纤维0-1.0份，纤维素0-0.05份，铝粉0.004-0.015份，消泡剂0-0.1份，引气剂0-1.2份，水0-25份。该水泥乳化沥青砂浆低温耐受性好、适用于严寒地区高速铁路、客运专线、城市高速轻轨板式无砟轨道。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于严寒地区板式无砟轨道的水泥乳化沥青砂浆，具体涉及一种低温耐受性好、用于严寒地区高速铁路、客运专线、城市高速轻轨板式无砟轨道的水泥乳化沥青砂浆。
背景技术
水泥乳化沥青砂浆垫层是板式无砟轨道结构的重要组成部分，主要功能是支撑、调整并提供弹韧性，其性能对轨道结构的平顺性、耐久性、列车运行的舒适性、安全性和运营维护成本有重大影响。因此，水泥乳化沥青砂浆的研究是板式无砟轨道的关键技术之一。
国外水泥乳化沥青砂浆根据板式轨道结构和设计理念的不同，分成两种类型：一种是日本单元板用的CA砂浆(Cement Asphalt Mortar)，另一种是德国博格板用的BZ砂浆(Bitumen Zement Mortar)。
日本板式无砟轨道和CA砂浆的研发始于1965年，大范围推广应用始于1975年开通运营的山阳新干线西段，至今在新干线上铺设长度达2600km。在研发初期由于没有考虑抗冻性，在东北新干线使用时CA砂浆周边损坏较多。后来，对低温使用条件下CA砂浆劣化机理进行了大量的分析、研究，通过添加消泡剂、引气剂(AE剂)和聚合物乳液，提高了CA砂浆的抗冻性，开发出了寒冷地区使用的CA砂浆配方。所以日本的CA砂浆针对温暖地区、寒冷地区有两个配方，分别称为A配合以及B配合，其适用范围见下表：
德国BZ砂浆的较大应用仅限于2006年通车运营的纽伦堡-英戈施塔特新建线北标段70km板式无砟轨道，没有针对不同温度分区的砂浆配方。
受地域和铁路发展规划的制约，日本和德国均无在严寒地区研发和使用水泥乳化沥青砂浆的经验。
2002年以来，我国先后在秦沈客运专线、赣龙线枫树排隧道、铁科院东郊环形实验基地、遂渝线综合试验段等线路开展了水泥乳化沥青砂浆的工程试验研究，运营里程约12km。2006年至2008年在京津城际铁路引进消化德国BZ砂浆技术并成功应用116km。上述工程中，只有秦沈线的地理位置接近严寒地区。2006年12月，铁科院对秦沈客运专线双河桥和狗河桥的无砟轨道CA砂浆垫层的使用情况进行了调查分析，发现其技术性能与工程应用要求还有一定差距，尤其是耐久性能还没有达到预期值，在服役时间不长的试验段中，砂浆垫层出现开裂、碎裂和脱层等劣化现象。虽然原因是多方面的，但水泥乳化沥青砂浆在低温条件下的弹韧性、抗冻性和耐久性能不佳无疑是重要的原因之一。
随着高速铁路建设的发展，我国东北、西北等广大地区地区，尤其是地理纬度上沈阳以北地区，修建高速铁路、客运专线已经提上日程。
虽然近几年关于水泥乳化沥青砂浆等陆续公开了一些专利，如专利200610020615.6公开了一种抗冻型水泥沥青砂浆及其配制方法，该砂浆含有水泥、砂、乳化沥青、水、混合料、消泡剂、引气剂和铝粉，但其使用范围局限于寒冷地区。但目前尚无相关专利涉及严寒地区板式无砟轨道用水泥乳化沥青砂浆。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种低温耐受性好、适用于严寒地区高速铁路、客运专线、城市高速轻轨板式无砟轨道填充层的水泥乳化沥青砂浆材料。
本发明的另一个目的是提供上述水泥乳化沥青砂浆的制备方法。
本发明的再一个目的是提供上述水泥乳化沥青砂浆的使用方法。
为了实现第一目的，本发明采用如下技术方案：
一种水泥乳化沥青砂浆，按质量份数计，该水泥乳化沥青砂浆包含：乳化沥青110-160份，聚合物乳液10-30份，水泥90-100份，砂子150-250份，强度调节剂0-0.5份，膨胀剂0-10份，纤维0-1.0份，纤维素0-0.05份，铝粉0.004-0.015份，消泡剂0-0.1份，引气剂0-1.2份，水0-25份。
在上述水泥乳化沥青砂浆中，优选地，所述乳化沥青为中裂或慢裂型乳化沥青；更优选地，按质量份数计，所述乳化沥青包含：基质沥青或改性沥青55-65份；水35-45份；稳定剂0.1-1.0份；增稠剂0-1.0份；pH调节剂0-2.0份；界面改性剂0.1-1.5份；以及阳离子型乳化剂0.6-1.8份、非离子型乳化剂0.4-1.2份和任选的两性离子型乳化剂0-1.0份与矿物乳化剂0-0.6份，并且所述乳化剂总计1.0-4.0份。
在本发明所述的乳化沥青中，优选地，所述基质沥青为50#-130#重交通道路石油沥青；更优选地，所述基质沥青为70#-90#重交通道路石油沥青。优选地，所述改性沥青选自天然橡胶改性沥青、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青、丁苯橡胶改性沥青、氯丁橡胶改性沥青、顺丁橡胶改性沥青和丁基橡胶改性沥青中的一种或几种；更优选地，所述改性沥青为SBS改性沥青和/或丁苯橡胶改性沥青。在CRTS I型水泥乳化沥青砂浆中，沥青成为连续相，是结构中的主体成分，沥青性能直接影响其与水泥、砂子等之间的界面状态。本发明沥青材料的选择与乳化沥青、水泥乳化沥青砂浆使用的严寒地区气候环境条件相适应。
在上述乳化沥青中，乳化剂是指把阳离子型乳化剂、非离子型乳化剂以及任选的两性离子型乳化剂和矿物乳化剂按照所述比例混合在一起的复合乳化剂，是把沥青制备成乳化沥青并赋予乳化沥青优良性能的关键组分。其中，阳离子乳化剂选自烷基胺、酰胺、咪唑啉、环氧乙烷二胺、胺化木质素和季铵盐中的一种或几种。所述非离子乳化剂选自聚氧乙烯型、多元醇型和聚醚型中的一种或几种。所述矿物乳化剂选自粘土、陶土、膨润土、石灰和石棉中的一种或几种。所述两性离子型乳化剂选自氨基酸型、羧酸基甜菜碱、磺基甜菜碱、磷酸脂甜菜碱、咪唑啉型中的一种或几种。
在上述乳化沥青中，稳定剂为无机盐类，如可溶性氯化物盐、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐和碳酸盐中的一种或几种，优选为氯化钙、氯化钠、氯化铵、硫酸钠和硅酸钠中的一种或几种。稳定剂通过调整沥青颗粒周围的双电层的离子电位差，增加颗粒之间的排斥力，增强乳化沥青的稳定性。
在上述乳化沥青中，pH值调节剂可以是酸或碱。其中，酸可以为无机酸和/或有机酸，优选为盐酸、硫酸、硝酸、醋酸、柠檬酸、脂肪酸和水杨酸中的一种或几种；碱可以为强碱性物质和弱碱性物质，优选为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种或几种。pH值调节剂通过调节乳化剂溶液的酸碱度，可以调节沥青的乳化效果以及沥青颗粒表面双电层的离子强度，对于制备本发明所述用途的乳化沥青具有重要的作用。
在上述乳化沥青中，增稠剂可以天然或合成的化合物，例如淀粉、明胶、胺类、聚乙烯醇、纤维素、聚丙烯酸盐、聚醚型、聚氨酯型和聚脲型中的一种或几种。增稠剂的加入会在水中形成胶体溶液，使体系的粘度上升，减缓了沥青颗粒的聚结速度，并能在沥青颗粒表面形成保护膜，由于空间位阻效应使得沥青颗粒处于良好的分散状态。
在本发明的乳化沥青中，所述界面改性剂可以为聚氧乙烯醚、烷基胺与聚羧酸型高分子表面活性剂的混合物。其中根据使用条件的不同，以质量份数计，在界面改性剂中三种组分的比例为，聚氧乙烯醚占0-1份，烷基胺占0-0.5份，聚羧酸型高分子表面活性剂占1.0-2.5份。其作用在于改善有机组分与无机胶凝材料的界面结合状态，降低乳化沥青以及水泥乳化沥青砂浆拌合物的温度敏感性，提高乳化沥青和水泥、砂子之间的相容性，从而显著降低外加拌和水以及总水量低，完善砂浆微观结构，提高水泥乳化沥青砂浆致密性和水密性，从而提高制得水泥乳化沥青砂浆的抗冻性等。
优选地，上述乳化沥青的制备方法包括以下步骤：
(1)将基质沥青或改性沥青加热至熔融备用；
(2)将乳化剂、增稠剂、稳定剂和界面改性剂加入到水中搅拌溶解，用pH调节剂调节溶解所得乳液的pH值至2-12；
(3)将步骤(1)得到的基质沥青或改性沥青与步骤(2)得到的乳液混合乳化，即得乳化沥青；其中，优选采用乳化机进行混合乳化，所述乳化机的转速优选为10000±1000rpm。
在所述步骤(1)中，优选地，所述基质沥青加热至熔融的温度为110℃-140℃，更优选为120℃-130℃；所述改性沥青加热至熔融的温度为140℃-180℃，更优选为150℃-160℃。
在所述步骤(2)中，优选地，所述水的温度为40℃-70℃，更优选为55℃-65℃；所述溶液调节pH值后的温度为50℃-60℃。
在所述步骤(3)中，优选地，所述乳化沥青中的沥青颗粒粒径为1μm-5μm；更优选为1.0μm-2.5μm。优选地，所述乳化沥青经搅拌冷却至温度低于35℃后使用。
在上述水泥乳化沥青砂浆中，所述水泥选自42.5及42.5以上等级的早强硅酸盐水泥，42.5及42.5以上等级普通硅酸盐水泥，42.5及42.5以上等级的矿渣水泥，42.5及42.5以上等级的粉煤灰水泥和42.5及42.5以上等级的快硬硫铝酸盐水泥中的一种或几种。
在上述水泥乳化沥青砂浆中，所述砂子选自机制砂、山砂和细河砂中的一种或几种。砂子应清洁、强硬、具有耐久性，且不含垃圾、泥土、有机物等有害物；优选地，所述砂子的表观密度大于2.55g/cm3，含泥量小于2.0%，最大粒径小于2.36mm、95%以上能通过0.6mm方孔筛，细度模数在1.2～2.0内。
在上述水泥乳化沥青砂浆中，所述膨胀剂选自硫铝酸钙-石灰石类、硅铝酸盐熟料-明矾石类、硅铝酸盐熟料-氧化铝类、铝酸钙类、明矾石类和石灰-明矾石复合类中的一种或几种。所述膨胀剂的作用是补偿水泥乳化沥青砂浆硬化后由于干燥等原因产生的体积收缩，从而保证水泥乳化沥青砂浆垫层的长期填充饱满。
在上述水泥乳化沥青砂浆中，所述聚合物乳液选自橡胶乳液、改性丙烯酸橡胶乳液、丁苯橡胶乳液、氯丁橡胶乳液、乙烯/醋酸乙烯共聚物乳液和苯丙橡胶乳液中的一种或几种。所述聚合物乳液的作用是改善水泥、砂与乳化沥青的混合性，提高水泥乳化沥青砂浆的抗压强度、抗折强度以及折压比等。聚合物溶液能使水泥乳化沥青砂浆硬化体更细密并能提高水密性，同时还具有改善砂浆的抗裂性和耐冲击性能。
在上述水泥乳化沥青砂浆中，所述消泡剂选自有机硅树脂、改性有机硅树脂、有机磷酸酯、高级醇、乙二醇、聚乙二醇、二氧化硅与有机硅树脂配合物、聚丙二醇、丙二醇与环氧乙烷的加聚物和高级脂肪酸皂中的一种或几种。所述消泡剂的作用是能够消除水泥乳化沥青砂浆搅拌过程中引入的粒径较大的气泡，起到气泡微细化的作用。
在上述水泥乳化沥青砂浆中，所述引气剂选自松香酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠和木质素磺酸钙中的一种或几种。所述引气剂的作用是在水泥乳化沥青砂浆搅拌过程中引入小于200μm，特别是小于100μm的微细气泡，既有利于提高水泥乳化沥青砂浆的抗冻性，又有利于施工成本的降低。
在上述水泥乳化沥青砂浆中，所述强度调节剂选自柠檬酸、硼酸、硼砂、酒石酸、葡萄糖酸钠、甲酸钙、乙酸钙、亚硝酸钠、硫酸钠、碳酸锂、氯化钙、氯化钠、萘系、聚羧酸类和木质素磺酸盐中的一种或几种。强度调节剂的复配使用既能保证砂浆强度在较低温度下能够正常发展，又能调节砂浆在高温下的可工作性能和施工性能，从而使制得的水泥乳化沥青砂浆能够满足严寒、寒冷、温暖等各种环境下制备和施工要求。
在上述水泥乳化沥青砂浆中，所述纤维素选自甲基纤维素、羟乙基甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、苄基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、氰乙基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素和苯基纤维素中的一种或几种；优选为甲基纤维素和/或乙基纤维素。纤维素作为一种保护胶体，“包裹”住固体颗粒，并在其外表面形成一层润滑膜，使砂浆体系更稳定，提高了砂浆在搅拌过程的流动性和可施工性；同时由于其自身分子结构特点，使砂浆中的水分不易失去，并在较长的一段时间内逐步释放，赋予砂浆良好的保水性和工作性，这有利于改善低温下水泥乳化沥青砂浆的材料离析以及高温下水泥乳化沥青砂浆可工作性能和施工性能变差等问题。
在上述水泥乳化沥青砂浆中，所述纤维选自聚丙稀纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维、玻璃纤维和矿物纤维中的一种或几种。所述纤维主要是有助于提高水泥乳化沥青砂浆的韧性，并相应提高其抗冲击性、抗裂性、抗疲劳性、抗紫外线能力以及耐高温耐严寒能力，进而提高工程的质量和耐久性。
在上述水泥乳化沥青砂浆中，优选地，所述铝粉为表面裹覆硬脂酸的微细铝粉末；更优选地，所述铝粉为表面裹覆硬脂酸的细度为240-300目的铝粉末。铝粉的作用是与水泥水化产生的碱性物质反应产生气体，使水泥乳化沥青砂浆在尚未达到凝结之前保持膨胀，进而保证其在轨道板下的填充饱满。
在上述水泥乳化沥青砂浆中，所述水不得含有如油、酸、盐类、有机物等对水泥乳化沥青砂浆产生有害影响的物质，最好是适用于饮用的水。
为实现上述第二目的，本发明提供了两种上述水泥乳化沥青砂浆的制备方法，一种制备方法包括以下步骤：
(1)在搅拌转速为30±5rpm的搅拌条件下，加入乳化沥青、聚合物乳液、消泡剂和水，搅拌30-60秒使液料混合均匀；
(2)提高搅拌转速至80±5rpm，加入一部分水泥(未与纤维预混)、膨胀剂、砂子以及与另一部分水泥预混的纤维、纤维素、铝粉和强度调节剂，最后加入引气剂，提高搅拌速度至115±10rpm再搅拌120-480秒，降低转速至30±5rpm，搅拌1-3min。
另一种制备方法包括以下步骤：
(1)在搅拌转速为30±5rpm的搅拌条件下，加入乳化沥青、聚合物乳液、消泡剂和水，搅拌30-60秒使液料混合均匀；
(2)提高转速至80±5rpm，加入由水泥、膨胀剂、砂子、纤维、纤维素、铝粉和强度调节剂等混合均匀预制而成的干料，最后加入引气剂，提高搅拌速度至115±10rpm再搅拌120-480秒，降低转速至30±5rpm，搅拌1-3min。
为实现上述第三目的，本发明提供了如下技术方案：
(1)将灌注袋固定安装在混凝土底座与轨道板之间的空隙内；
(2)将水泥乳化沥青砂浆通过中转罐经由灌注漏斗注入砂浆灌注袋中，砂浆应一次性连续流入灌注袋以防止产生气泡，开始时砂浆应缓慢灌注，随后加快灌注速度，当砂浆灌注超过灌注袋的三分之二时，则应逐步降低灌注速度以排除砂浆与轨道板之间的缝隙，直至灌注袋被砂浆充分填充，同时保证灌注袋排气口砂浆高度在30cm以上，将灌注袋的灌注口、排气口用支架固定支撑；
(3)灌注结束后，将灌注袋灌浆口与排气口余下的砂浆挤入灌注袋，挤压程度以确保砂浆充填饱满、砂浆垫层与轨道板边角密贴、离缝＜0.6mm为准，同时将灌注口、排气口根部用卡子扎紧；
(4)当水泥乳化沥青砂浆抗压强度大于0.1MPa后，将灌注口、排气口处砂浆沿灌注袋边缘切除，并将切口封闭。
具体来说，本发明所述的水泥乳化沥青砂浆的使用方法包括以下步骤：
(1)检查确认轨道板的安置状态，测量板腔的高度确定砂浆搅拌量，将灌注袋安装在混凝土底座与轨道板之间的空隙内，并用木楔或胶粘固定；
(2)将性能满足指标要求的水泥乳化沥青砂浆通过中转罐经由灌注漏斗注入砂浆灌注袋中，砂浆应一次性连续流入灌注袋以防止产生气泡。灌注过程中安排专人观测轨道板状态，不得出现拱起、上浮现象，尽量避免踩踏轨道板。在砂浆灌注过程中采取慢速~快速~慢速三个过程，开始时砂浆应缓慢灌注，随后加快灌注速度，当砂浆灌注超过灌注袋的三分之二时，则应逐步降低灌注速度以排除砂浆与轨道板之间的缝隙，直至灌注袋被砂浆充分填充，同时保证灌注袋排气口砂浆高度在30cm以上，将灌注袋的灌注口、排气口用支架固定支撑。
(3)灌注结束后，根据砂浆的凝固程度及时将灌注袋灌浆口与排气口余下的砂浆挤入灌注袋，挤压程度以确保砂浆充填饱满、砂浆垫层与轨道板边角密贴、离缝＜0.6mm为准。同时将灌注口、排气口根部用卡子扎紧；
如果发生灌注袋破损砂浆溢出的情况，量少时可以用夹具、废棉纱头、砂子及水泥等进行堵漏，也可用沥青毡布进行修补，当溢出量影响砂浆填充饱满度时，则应揭板更换灌注袋后重新进行灌注。
(4)当水泥乳化沥青砂浆抗压强度大于0.1MPa后，将灌注口、排气口处砂浆沿灌注袋边缘切除，并及时将切口封闭。
本发明与现有技术相比具有以下突出优点和积极效果：
1、现有水泥乳化沥青砂浆难以保证-40℃极端严寒环境下仍能较好起到承力、传力，并提供适当的弹韧性；而本发明涉及的水泥乳化沥青砂浆在-40℃时仍保有较好的力学性能：弹性模量(-40℃)100MPa-300MPa、低温抗裂性(-40℃)≥1.0mm、低温折压比(-40℃)≥0.5；
2、本发明涉及的水泥乳化沥青砂浆所采用的乳化沥青中包含了界面改性剂，改善了无机组分与有机组分的界面结构，降低乳化沥青以及水泥乳化沥青砂浆拌合物的温度敏感性，使得有机组分的破乳过程与无机胶凝材料的水化过程协调进行，从而改善了水泥乳化沥青砂浆的微观结构，提高了砂浆的耐严寒性能；
3、强度调节剂的引入，特别是早强剂和缓凝剂的复配使用可以有效的调节水泥乳化沥青砂浆在寒冷、温暖、严寒环境温度下可工作性能、施工性能和长期耐久性能；
4、采用合适比例的高分子聚合物乳液部分取代乳化沥青后，聚合物乳液沉积在水泥凝胶颗粒以及砂颗粒的表面，随着水化反应的进行，其中一部分聚合物乳液逐渐被限制在毛细孔隙中，随着水化的进一步进行，毛细孔隙中的水量减少，聚合物颗粒絮凝在一起，从而起到了填充毛细孔隙的作用，这有效的减少了砂浆体系中连通孔道的形成，使得水泥乳化沥青砂浆的结构更细密，改善了砂浆的水密性，提高了砂浆的耐久性；
本发明涉及的水泥乳化沥青砂浆温度适应性好，特别适用于严寒地区高速铁路、客运专线、城际铁路板式无砟轨道填充层水泥乳化沥青砂浆材料。
具体实施方式
下面通过实施例详细说明本发明，应当理解，下述实施例仅用于说明本发明，而不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1
在本实施例以及下文的实施例2-4中，制备本发明的水泥乳化沥青砂浆中包含的乳化沥青。
本实施例中乳化沥青采用70#的重交通道路石油沥青，阳离子乳化剂为十八烷基三甲基氯化胺，非离子乳化剂为烷基壬基酚聚氧乙烯醚，聚氧乙烯聚合度30，两性离子乳化剂为椰油酰胺基丙基甜菜碱，矿物乳化剂为膨润土，增稠剂为纤维素醚(分子量40000)，稳定剂为氯化钙，界面改性剂为聚羧酸与烷基胺，pH调节剂为盐酸，其组成如表1所示。
乳化沥青的制备方法：
将70#的重交通道路石油沥青在100℃下脱水，然后将沥青温度控制在120℃-130℃；
将按比例计量过的乳化剂、增稠剂等加入到65℃的水中，然后通过盐酸调节溶液的pH值至规定的要求，将乳化剂溶液温度控制在50℃-60℃；
将计量过的乳化剂溶液倒入清洗干净的乳化机中，开动乳化机；
将按比例计量过的热沥青倒入乳化机中和乳化剂溶液混合，在乳化机的高速剪切和分散作用下，沥青主要1.0μm-2.5μm的颗粒分散在乳化剂溶液中形成水包油的体系。
乳化沥青在储存罐中经过搅拌、冷却至温度低于35℃后即可使用，本实施例制得乳化沥青的性能检测结果见表2。
实施例2
本实施例中乳化沥青采用90#的重交通道路石油沥青，阳离子乳化剂为双辛/癸基二甲基氯化铵与胺化木质素，非离子乳化剂为脂肪酸聚氧乙烯酯，增稠剂为纤维素醚与聚氨酯，矿物乳化剂为膨润土，稳定剂氯化钠，界面改性剂为司盘20与聚羧酸，pH调节剂为盐酸，其组成如表1所示。
乳化沥青的制备方法：
将90#的重交通道路石油沥青在100℃下脱水，然后将沥青温度控制在120℃-130℃；
将按比例计量过的乳化剂、增稠剂等加入到60℃的水中，将溶液pH值调至规定值，控制乳化剂溶液的温度50℃-60℃；
将计量过的乳化剂溶液倒入清洗干净的乳化机中，开动乳化机；
将按比例计量过的热沥青倒入乳化机中和乳化剂溶液混合，在乳化机的高速剪切和分散作用下，沥青主要1.0μm-2.5μm的颗粒分散在乳化剂溶液中形成水包油的分散体系。
乳化沥青在储存罐中经过搅拌、冷却至温度低于35℃后即可使用，本实施例制得乳化沥青的性能检测结果见表2。
实施例3
本实施例中乳化沥青采用110#的重交通道路石油沥青，阳离子乳化剂为十八烷基三甲基氯化胺与十八烷基二甲基丙撑酰胺，非离子乳化剂为聚氧乙烯醚，聚氧乙烯聚合度40，两性离子乳化剂为月桂基咪唑啉甜菜碱，增稠剂为聚醚，稳定剂氯化铵与氯化钙，界面改性剂为聚羧酸，pH调节剂为冰醋酸，其组成如表1所示。
乳化沥青的制备方法：
将110#重交通道路石油沥青在100℃下脱水，然后将沥青温度控制在120℃-130℃；
将按比例计量过的乳化剂、增稠剂等加入到60℃的水中，然后调节溶液的pH值至规定值，控制乳化剂溶液的温度50℃-60℃；
将计量过的乳化剂溶液倒入清洗干净的乳化机中，开动乳化机；
将按比例计量过的热沥青倒入乳化机中和乳化剂溶液混合，在乳化机的高速剪切和分散作用下，沥青主要1.0μm-2.5μm的颗粒分散在乳化剂溶液中形成水包油的体系。
乳化沥青在储存罐中经过搅拌、冷却至温度低于35℃后即可使用，本实施例制得乳化沥青的性能检测结果见表2。
实施例4
本实施例中乳化沥青采用SBS掺量2%的改性沥青，阳离子乳化剂为十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化胺与咪唑啉，非离子乳化剂为聚氧乙烯酯，聚合度30，两性离子乳化剂为月桂酰胺基丙基甜菜碱，增稠剂为聚脲，稳定剂氯化钙，界面改性剂为聚羧酸、聚氧乙烯酯与烷基胺混合物，pH调节剂为盐酸，其组成如表1所示。
乳化沥青的制备方法：
将SBS改性沥青在100℃下脱水，然后将沥青温度控制在150℃-160℃备用；
将按比例计量过的乳化剂、增稠剂等加入到70℃的水中，然后调节溶液的pH值至规定范围，控制乳化剂溶液的温度65℃-70℃；
将计量过的乳化剂溶液倒入清洗干净的乳化机中，开动乳化机；
将按比例计量过的热沥青倒入乳化机中和乳化剂溶液混合，在乳化机的高速剪切和分散作用下，沥青主要以1.0μm-2.5μm的颗粒分散在乳化剂溶液中形成水包油的体系。
乳化沥青在储存罐中经过搅拌、冷却至温度低于35℃后即可使用，本实施例制得乳化沥青的性能检测结果见表2。
实施例1-4的乳化沥青各组成比例见表1。
表1实施例1-4中乳化沥青的组成
实施例1-4制得乳化沥青的性能检测结果见表2。
表2实施例1-4制得的乳化沥青的性能
注：(1)当乳化沥青实际使用中经过低温贮存和运输时，进行此项检测。
(2)当采用改性沥青制备乳化沥青时，进行此项检测。
实施例5-12中水泥乳化沥青砂浆的配合比(kg/m3)见以下表3、表4：
表3(单位：kg)
| 实施例5 | 实施例7 | |
| 水泥 | 355.0 | 364.0 |
| 膨胀剂 | 10.3 | 3.7 |
| 乳化沥青 | 457.4 | 473.4 |
| 聚合物乳液 | 54.9 | 41.2 |
| 砂子 | 731.8 | 735.3 |
| 纤维 | 1.8 | 1.5 |
| 纤维素 | 0.05 | 0.06 |
| 铝粉 | 0.03 | 0.048 |
| 强度调节剂 | 1.2 | 1.0 |
| 消泡剂 | 0.146 | 0.12 |
| 引气剂 | 1.85 | 1.54 |
| 水 | 18.3 | 27.0 |
表4(单位：kg)
| 乳化沥青 | 聚合物乳液 | 干料 | 消泡剂 | 引气剂 | 水 | |
| 实施例6 | 457.4 | 54.9 | 1097.8 | 0.146 | 1.51 | 18.3 |
| 实施例8 | 473.4 | 41.2 | 1103 | 0.092 | 2.25 | 27 |
| 实施例9 | 439.1 | 73.2 | 1097.8 | 0.118 | 1.48 | 14.2 |
| 实施例10 | 461.1 | 58.6 | 1097.8 | 0.219 | 2.93 | 31.2 |
| 实施例11 | 439.1 | 73.2 | 1097.8 | 0.092 | 1.66 | 13.8 |
| 实施例12 | 439.1 | 73.2 | 1097.8 | 0.118 | 2.41 | 22.5 |
备注：干料是将水泥、膨胀剂、砂子、纤维、纤维素、铝粉、强度调节剂等按比例经机械混合、高速剪切搅拌预制而成的粉体材料，组成质量比见表5。
表5表4中干料组成配比(单位：kg)
| 水泥 | 膨胀剂 | 砂 | 铝粉 | 纤维 | 纤维素 | 强度调节剂 | |
| 实施例6 | 99 | 1 | 200 | 0.008 | 0.5 | 0.03 | 0.33 |
| 实施例8 | 91 | 9 | 200 | 0.008 | 0.3 | 0.04 | 0.27 |
| 实施例9 | 97 | 3 | 200 | 0.007 | 0.8 | 0.02 | 0.41 |
| 实施例10 | 97 | 3 | 230 | 0.008 | 0.3 | 0.03 | 0.22 |
| 实施例11 | 94 | 6 | 190 | 0.009 | 0.3 | 0.05 | 0.16 |
| 实施例12 | 99 | 1 | 200 | 0.01 | 0.4 | 0.03 | 0.41 |
实施例5、实施例7的制备工艺
启动搅拌机，在30±5rpm搅拌速度下依次加入乳化沥青、聚合物乳液、水、消泡剂，搅拌0.5分钟将液料搅拌均匀后；
提高搅拌速度至80±5rpm，然后加入水泥、膨胀剂、砂子、以及与部分水泥混合均匀的纤维素、纤维、铝粉、强度调节剂等，最后加入引气剂等；
加料结束后提高转速至115±10rpm，搅拌120-480秒，降低转速至30±5rpm，搅拌1-3min；
进行水泥乳化沥青砂浆温度、流动度、含气量等性能测试，将砂浆性能控制在温度5-40℃、流动度18-26s、含气量8%-12%。
实施例6、实施例8、实施例9、实施例10、实施例11、实施例12的制备工艺如下：
启动搅拌机，在30±5rpm搅拌速度下依次加入乳化沥青、聚合物乳液、水、消泡剂，搅拌0.5分钟将液料搅拌均匀后；
提高搅拌速度至80±5rpm，然后加入干料，最后加入引气剂等；
加料结束后提高转速至115±10rpm，搅拌120-480秒，降低转速至30±5rpm，搅拌1-3min；
进行水泥乳化沥青砂浆温度、流动度、含气量等性能测试，将砂浆性能控制在温度5-40℃、流动度18-26s、含气量8%-12%。
实施例5-12提供的水泥乳化沥青砂浆的性能检测结果见表6-1、表6-2。
表6-1实施例5-8制备水泥乳化沥青砂浆性能检测结果
表6-2实施例9-12制备水泥乳化沥青砂浆性能检测结果
以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。
Claims (40)
1.一种水泥乳化沥青砂浆，按质量份数计，该水泥乳化沥青砂浆包含：乳化沥青110-160份，聚合物乳液10-30份，水泥90-100份，砂子150-250份，强度调节剂0-0.5份，膨胀剂0-10份，纤维0-1.0份，纤维素0-0.05份，铝粉0.004-0.015份，消泡剂0-0.1份，引气剂0-1.2份，水0-25份；
其特征在于，以质量份数计，所述乳化沥青包含：基质沥青或改性沥青55-65份；水35-45份；稳定剂0.1-1.0份；增稠剂0-1.0份；pH调节剂0-2.0份；界面改性剂0.1-1.5份；以及阳离子型乳化剂0.6-1.8份、非离子型乳化剂0.4-1.2份和任选的两性离子型乳化剂0-1.0份与矿物乳化剂0-0.6份，并且所述乳化剂总计1.0-4.0份；
所述界面改性剂为聚氧乙烯醚、烷基胺与聚羧酸型高分子表面活性剂的混合物，其中根据使用条件的不同，以质量份数计，在界面改性剂中三种组分的比例为，聚氧乙烯醚占0-1份，烷基胺占0-0.5份，聚羧酸型高分子表面活性剂占1.0-2.5份。
2.根据权利要求1所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述基质沥青为50#-130#重交通道路石油沥青；
所述改性沥青选自天然橡胶改性沥青、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青、丁苯橡胶改性沥青、氯丁橡胶改性沥青、顺丁橡胶改性沥青和丁基橡胶改性沥青中的一种或几种。
3.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述基质沥青为70#-90#重交通道路石油沥青。
4.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述改性沥青为SBS改性沥青和/或丁苯橡胶改性沥青。
5.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述阳离子乳化剂选自烷基胺、酰胺、咪唑啉、环氧乙烷二胺、胺化木质素和季铵盐中的一种或几种；所述非离子乳化剂选自聚氧乙烯型、多元醇型和聚醚型中的一种或几种；所述矿物乳化剂选自粘土和石灰中的一种或两种；所述两性离子型乳化剂选自氨基酸型、羧酸基甜菜碱、磺基甜菜碱、磷酸脂甜菜碱、咪唑啉型中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述粘土选自陶土和膨润土中的一种或两种。
7.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述稳定剂为无机盐类。
8.根据权利要求7所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述稳定剂选自可溶性氯化物盐、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐和硅酸盐中的一种或几种。
9.根据权利要求8所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述稳定剂选自氯化钙、氯化钠、氯化铵、硫酸钠和硅酸钠中的一种或几种。
10.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述pH值调节剂为酸或碱；其中，酸为无机酸和/或有机酸，碱为强碱性物质和/或弱碱性物质。
11.根据权利要求10所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述酸选自盐酸、硫酸、硝酸、冰醋酸、柠檬酸、脂肪酸和水杨酸中的一种或几种。
12.根据权利要求10所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种或几种。
13.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述增稠剂是天然或合成的化合物，选自淀粉、明胶、胺类、聚乙烯醇、纤维素、聚丙烯酸盐、聚醚、聚氨酯和聚脲中的一种或几种。
14.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述乳化沥青的制备方法包括以下步骤：
(1)将基质沥青或改性沥青加热至熔融备用；
(2)将乳化剂、增稠剂、稳定剂和界面改性剂加入到水中搅拌溶解，用pH调节剂调节溶解所得乳液的pH值至2-12；
(3)将步骤(1)得到的基质沥青或改性沥青与步骤(2)得到的乳液混合乳化，即得乳化沥青。
15.根据权利要求14所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述乳化沥青的制备方法步骤(3)中，所述混合乳化采用乳化机进行。
16.根据权利要求15所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述乳化沥青的制备方法步骤(3)中，所述乳化机转速为10000±1000rpm。
17.根据权利要求14所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述基质沥青加热至熔融的温度为110℃-140℃；所述改性沥青加热至熔融的温度为140℃-180℃；
在所述步骤(2)中，所述水的温度为40℃-70℃；所述溶液调节pH值后的温度为50℃-60℃；
在所述步骤(3)中，所述乳化沥青中的沥青颗粒粒径为1μm-5μm。
18.根据权利要求17所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述基质沥青加热至熔融的温度为120℃-130℃。
19.根据权利要求17所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述改性沥青加热至熔融的温度为150℃-160℃。
20.根据权利要求17所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述水的温度为55℃-65℃。
21.根据权利要求17所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，在所述步骤(3)中，所述乳化沥青中的沥青颗粒粒径为1.0μm-2.5μm。
22.根据权利要求17所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，在所述步骤(3)中，所述乳化沥青经搅拌冷却至温度低于35℃后使用。
23.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述水泥选自42.5及42.5以上等级的早强硅酸盐水泥，42.5及42.5以上等级普通硅酸盐水泥，42.5及42.5以上等级的矿渣水泥，42.5及42.5以上等级的粉煤灰水泥和42.5及42.5以上等级的快硬硫铝酸盐水泥中的一种或几种。
24.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述砂子选自机制砂、山砂和细河砂中的一种或几种。
25.根据权利要求24所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述砂子的表观密度大于2.55g/cm3，含泥量小于2.0％，最大粒径小于2.36mm、95％以上能通过0.6mm方孔筛，细度模数在1.2～2.0内。
26.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述膨胀剂选自硫铝酸钙-石灰石类、硅铝酸盐熟料-明矾石类、硅铝酸盐熟料-氧化铝类、铝酸钙类、明矾石类和石灰-明矾石复合类中的一种或几种。
27.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述聚合物乳液选自橡胶乳液和/或乙烯/醋酸乙烯共聚物乳液。
28.根据权利要求27所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述橡胶乳液选自改性丙烯酸橡胶乳液、丁苯橡胶乳液、氯丁橡胶乳液、苯丙橡胶乳液中的一种或几种。
29.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述消泡剂选自有机硅树脂、有机磷酸酯、高级醇、乙二醇、聚乙二醇、二氧化硅与有机硅树脂配合物、聚丙二醇、丙二醇与环氧乙烷的加聚物和高级脂肪酸皂中的一种或几种。
30.根据权利要求29所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述有机硅树脂为改性有机硅树脂。
31.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述引气剂选自松香酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠和木质素磺酸钙中的一种或几种。
32.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述强度调节剂选自柠檬酸、硼酸、硼砂、酒石酸、葡萄糖酸钠、甲酸钙、乙酸钙、亚硝酸钠、硫酸钠、碳酸锂、氯化钙、氯化钠、萘系、聚羧酸类和木质素磺酸盐中的一种或几种。
33.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述纤维素选自甲基纤维素、羟乙基甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、苄基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、氰乙基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素和苯基纤维素中的一种或几种。
34.根据权利要求33所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述纤维素为甲基纤维素和/或乙基纤维素。
35.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述纤维选自聚丙稀纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维、玻璃纤维和矿物纤维中的一种或几种。
36.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述铝粉为表面裹覆硬脂酸的微细铝粉末。
37.根据权利要求36所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述铝粉为表面裹覆硬脂酸的细度为240-300目的铝粉末。
38.根据权利要求1至37中任一项所述的水泥乳化沥青砂浆的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)在搅拌转速为30±5rpm的搅拌条件下，加入乳化沥青、聚合物乳液、消泡剂和水，搅拌30-60秒使液料混合均匀；
(2)提高搅拌转速至80±5rpm，加入一部分水泥、膨胀剂、砂子以及与另一部分水泥预混的纤维、纤维素、铝粉和强度调节剂，最后加入引气剂，提高搅拌速度至115±10rpm再搅拌120-480秒，降低转速至30±5rpm，搅拌1-3min。
39.根据权利要求1至37中任一项所述的水泥乳化沥青砂浆的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)在搅拌转速为30±5rpm的搅拌条件下，加入乳化沥青、聚合物乳液、消泡剂和水，搅拌30-60秒使液料混合均匀；
(2)提高转速至80±5rpm，加入由水泥、膨胀剂、砂子、纤维、纤维素、铝粉和强度调节剂等混合均匀预制而成的干料，最后加入引气剂，提高搅拌速度至115±10rpm再搅拌120-480秒，降低转速至30±5rpm，搅拌1-3min。
40.根据权利要求1至37中任一项所述的水泥乳化沥青砂浆的使用方法，该使用方法包括以下步骤：
(1)将灌注袋固定安装在混凝土底座与轨道板之间的空隙内；
(2)将水泥乳化沥青砂浆通过中转罐经由灌注漏斗注入砂浆灌注袋中，砂浆应一次性连续流入灌注袋以防止产生气泡，开始时砂浆应缓慢灌注，随后加快灌注速度，当砂浆灌注超过灌注袋的三分之二时，则应逐步降低灌注速度以排除砂浆与轨道板之间的缝隙，直至灌注袋被砂浆充分填充，同时保证灌注袋排气口砂浆高度在30cm以上，将灌注袋的灌注口、排气口用支架固定支撑；
(3)灌注结束后，将灌注袋灌浆口与排气口余下的砂浆挤入灌注袋，挤压程度以确保砂浆充填饱满、砂浆垫层与轨道板边角密贴、离缝＜0.6mm为准，同时将灌注口、排气口根部用卡子扎紧；
(4)当水泥乳化沥青砂浆抗压强度大于0.1MPa后，将灌注口、排气口处砂浆沿灌注袋边缘切除，并将切口封闭。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: BEIJING RAILWELD CO., LTD. CHINA ACADEMY OF RAILWA Effective date: 20150327 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
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Effective date of registration: 20150327 Address after: 100081 Beijing city Haidian District Daliushu Road No. 2 Applicant after: Railway Scientific Research Academy Metal And Chemical Research Institute Applicant after: Beijing China Academy of Railway Science New Material & Technology Co., Ltd. Applicant after: China Academy of Railway Sciences Address before: 100081 Beijing city Haidian District Daliushu Road No. 2 Applicant before: Railway Scientific Research Academy Metal And Chemical Research Institute |
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| GR01 | Patent grant |