CN104030644B - 一种用于高速铁路板式无砟轨道充填层的聚合物水泥砂浆 - Google Patents
一种用于高速铁路板式无砟轨道充填层的聚合物水泥砂浆 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于高速铁路无砟轨道充填层的聚合物水泥砂浆，该聚合物水泥砂浆由干料和液料两部分原料组成，于料由胶凝材料组分、弹性调整组分、膨胀组分、内养护组分、骨料组分、凝结调节组分组成，液料由聚合物乳液、减水剂、消泡剂、引气剂、水组成，干料和液料的质量比为100∶15-25，将干料和液料按比例搅拌均匀即可制得。该聚合物水泥砂浆具有凝结时间可控、粘结强度高、弹性模量可调、弹韧性好、耐久性高等优点，可取代水泥乳化沥青砂浆应用于无砟轨道充填层材料，或用作水泥乳化沥青砂浆充填层快速修复材料。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通工程材料领域，具体涉及一种用于高速铁路板式无砟轨道充填层的聚合物水泥砂浆。
背景技术
板式无砟轨道因其具有轨道平顺性高、刚度均匀性好、稳定性强等特点，成为我国时速300公里高速铁路采用的主要轨道结构型式，板式无砟轨道结构主要由预制轨道板、充填层、混凝土底座或水硬性支承层、钢轨扣件等构成。目前，应用最广泛的充填层材料是水泥乳化沥青砂浆。其中，水泥乳化沥青砂浆充填层层是关键结构部位，其主要功能为填充、支撑、承力、传力以及提供适当弹韧性，其性能对轨道结构的耐久性、列车运行的舒适性以及线路运营维护的难易性有直接的影响。因此，水泥乳化沥青砂浆垫层的耐久性对板式轨道结构的行车安全性及其使用寿命起到至关重要的作用。
工程实践表明，水泥乳化沥青砂浆材料因其特殊的性能，属于无砟轨道结构中的薄弱部位，在高速铁路服役过程中易于劣化损伤。从日本新干线运营经验来看，多数无砟轨道结构病害出现在水泥乳化沥青砂浆充填层。水泥乳化沥青砂浆主要存在以下问题：(1)与混凝土粘结力不足，造成易与轨道板或底座板混凝土出现离缝等病害；(2)耐久性不足，导致水泥乳化沥青砂浆在服役过程中易出现剥落等病害；(3)韧性不足，特别是低温下韧性较差，造成水泥乳化沥青砂浆易出现裂缝等病害。因此，为提高无砟轨道充填层的服役寿命，有必要研制一种耐久性更好的充填层材料。同时，对于已经出现的病害的充填层，由于高速铁路维修天窗时间短，为不影响行车，水泥乳化沥青砂浆充填层的修复材料必须具有快速固化的特点，同时其性能必须与水泥乳化沥青砂浆的性能相匹配。
聚合物水泥砂浆具有粘结强度高、材料韧性好、抗裂性好等优点，在混凝土结构修补方面得到了应用。但目前的聚合物水泥砂浆技术还存在以下问题，导致其不能直接应用于高速铁路无砟轨道结构充填层：(1)水泥乳化沥青砂浆充填层对材料性能有严格要求，特别是在弹性模量方面，单元板式无砟轨道要求弹性模量为100-300MPa，纵联板式无砟轨道要求弹性模量为7000-10000MPa，目前的聚合物水泥砂浆的弹性模量远高于充填层材料的要求，导致其性能与充填层要求不匹配，不能应用于无砟轨道充填层；(2)成本过高，为达到较好的韧性，往往需要添加较大量的聚合物，导致其成本过高，影响其推广应用；(3)收缩较大，在聚合物砂浆硬化过程中，聚合物破乳交联过程中会产生较大的收缩变形；(4)应用于“天窗时间”内充填层修复时，早期强度(2h)不足，无法满足快速修复后的通车要求。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供了一种性能与无砟轨道充填层材料性能要求匹配，具有较好耐久性和抗裂性，粘结力高，成本低，可用作高速铁路板式无砟轨道充填层材料的新型聚合物水泥砂浆，本发明的另一个目的是提供聚合物水泥砂浆作为板式无砟轨道充填层病害的修补材料。
本发明的技术方案：为了实现以上目的，本发明提供了一种用于高速铁路板式无砟轨道充填层的聚合物水泥砂浆，该聚合物水泥砂浆由干料和液料两部分组成，所述固料由下列重量分数的原料组成：
胶凝材料组分100份
弹性调整组分1-15份
膨胀组分5-20份
内养护组分0.01-0.5份
骨料组分80-130份
凝结调节组分0.01-2份
所述液料由下列重量分数的原料组成：
聚合物乳液100份
减水剂0.5-2份
消泡剂0.1-1份
引气剂0.01-0.5份
水100-200份
干料和液料的质量比为：100∶15-25；
上述胶凝材料组分为水泥与辅助胶凝材料的混合物，其中水泥40-80份，辅助胶凝材料20-60份。
上述胶凝材料组分为普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、高铝水泥、抗硫酸盐水泥中一种或两种以上的混合物。
上述辅助胶凝材料为粉煤灰、矿粉、硅灰、偏高岭土、石灰石粉、钢渣粉、磷渣粉、锂渣粉、硅微粉中的一种或两种以上的混合物。
上述弹性调整组分为橡胶粉、聚苯乙烯再生颗粒、玻化微珠、磺化沥青粉、橡胶颗粒、塑料颗粒中的一种或两种以上的混合物。
上述膨胀组分为硫铝酸钙膨胀剂、氧化镁膨胀剂、氧化钙膨胀剂中的一种或多种与铝粉的混合物。
上述内养护组分为丙烯酰胺类吸水树脂、丙烯酸钠盐类吸水树脂、淀粉类吸水树脂中的一种或两种以上的混合物。
上述骨料组分为石英砂、河砂、机制砂、尾砂中的一种或两种以上的混合物。
上述凝结调节组分为缓凝剂与促硬剂的混合物，其中缓凝剂为柠檬酸、酒石酸、糖钙、葡萄糖酸盐、磷酸盐、木质磺酸盐中的一种或两种以上的混合物，促硬剂为硫酸钠、碳酸锂、草酸锂、亚硝酸钠、甲酸钙、三乙醇胺、硝酸钙中的一种或两种以上的混合物。
上述聚合物乳液为苯丙乳液、丁苯胶乳、聚丙烯酸酯乳液、聚醋酸乙烯-乙烯酯共聚乳液、氯丁乳液、聚乙酸乙烯酯乳液中的一种或两种以上的混合物。。
上述减水剂为聚羧酸系减水剂、萘系减水剂、三聚氰胺系减水剂、氨基磺酸盐减水剂中的一种或两种以上的混合物。
上述消泡剂为有机硅类消泡剂、聚醚类消泡剂、脂肪酸类消泡剂中的一种或两种以上的混合物。
上述引气剂为皂苷类引气剂、松香及热聚物类引气剂、磺化木质素盐类引气剂、烷基苯磺酸盐类引气剂、脂肪酸及其盐类引气剂中的一种或两种以上的混合物。
上述聚合物水泥砂浆的生产工艺为：在干料混合机中先加入骨料组分、弹性调整组分搅拌均匀后，再加入胶凝材料组分、膨胀组分、内养护组分、凝结调节组分搅拌均匀后出料包装，制得干料组分；在液料混合机中依次加入聚合物乳液、水、减水剂、消泡剂并搅拌均匀，再加入引气剂搅拌均匀后出料包装，制得液料组分。
上述聚合物水泥砂浆的制备方法为：向砂浆搅拌机中依次加入经过计量的液料和干料，边加边搅，加料完成后持续搅拌2-3分钟至搅拌均匀，即可制得聚合物水泥砂浆。
本发明的工作机理：
(1)本发明创造性的在聚合物水泥砂浆中引入弹性组分，通过弹性组分的引入，使聚合物水泥砂浆的弹性模量可大幅降低，从而使聚合物砂浆的性能与板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆的弹性模量要求一致；
(2)本发明通过铝粉膨胀剂和硫铝酸钙膨胀剂、氧化镁膨胀剂、氧化钙膨胀剂中的一种或几种的复配，通过塑性阶段铝粉发气来实现砂浆在塑性阶段的膨胀性，保证灌注的饱满性；通过硫铝酸钙膨胀剂、氧化镁膨胀剂、氧化钙膨胀剂等来实现砂浆在硬化阶段的膨胀性，实现了聚合物砂浆在塑性-硬化全阶段的膨胀剂，从而实现了聚合物水泥砂浆的低收缩微膨胀特性；
(3)本发明创造性的在聚合物水泥砂浆中引入内养护组分，通过内养护的饱水-缓释机制，为聚合物水泥砂浆在水化硬化过程中持续提供水分，从而使聚合物水泥砂浆具有较好的抗裂性；
(4)本发明通过凝结调节组分的匹配，可以实现聚合物水泥砂浆凝结时间的可调，使其既可以具有一定的可工作时间，同时具有较高的早期强度；
(5)本发明通过引入消泡剂组分，解决了聚合物加入导致砂浆中有害大气泡的问题，同时引入引气剂组分，在聚合物水泥砂浆拌合物中引入大量有益的微小气泡，是聚合物砂浆具有较好流动性的同时具有较好的耐久性。
本发明的有益效果：本发明提供的一种用于板式无砟轨道充填层的聚合物水泥砂浆，经过大量试验研究，该聚合物水泥砂浆的各组分配比科学合理，该聚合物水泥砂浆具有以下优异的性能：(1)工作性好，具有较好的流动性，可以保证充填层灌注饱满；(2)早期强度高，2h强度可满足天窗时间完成维修的需要；(3)粘结强度高，与轨道板和底座板混凝土具有更高的粘结强度，减小了发生离缝的风险；(4)硬化体性能与水泥乳化沥青砂浆性能匹配，保证了充填层均匀受力；(5)收缩小，充填层出现裂缝的风险；(6)韧性好，即使在低温下仍具有良好的韧性；(7)抗裂性好、耐久性优异，可满足板式无砟轨道长期服役的需要；(8)材料适应性好，制备方法简单，对搅拌设备要求低；(9)成本较低，可用于工程大规模施工。
具体实施方式：
下面以实施例说明具体实施方式，这些实施例仅限于解释说明本发明，而不限定本发明的范围。
下述实施例中的试验方法，如无特殊说明，均为常规试验方法。下述实施例中所用的原材料，如无特殊说明，均为市售产品。
本发明所述的用于高速铁路板式无砟轨道充填层的聚合物水泥砂浆的生产工艺为：在干料混合机中先加入骨料组分、弹性调整组分搅拌均匀后，再加入胶凝材料组分、膨胀组分、内养护组分、凝结调节组分搅拌均匀后出料包装，制得干料组分；在液料混合机中依次加入聚合物乳液、水、减水剂、消泡剂并搅拌均匀，再加入引气剂搅拌均匀后出料包装，制得液料组分。
本发明所述的用于高速铁路板式无砟轨道充填层的聚合物水泥砂浆的制备方法为：向砂浆搅拌机中依次加入经过计量的液料和干料，边加边搅，加料完成后持续搅拌2-3分钟至搅拌均匀，即可制得聚合物水泥砂浆。
实施例1
聚合物水泥砂浆的组成：
固料由下列重量分数的原料组成：
胶凝材料组分：普通硅酸盐水泥50份，硫铝酸盐水泥10份，粉煤灰30份，石灰石粉10份；
弹性调整组分：磺化沥青粉1份；
膨胀组分：铝粉0.02份，氧化镁膨胀剂10份；
内养护组分：淀粉类吸水树脂0.01份；
骨料组分：河砂130份；
凝结调节组分：碳酸锂0.002份，酒石酸0.008份。
液料由下列重量分数的原料组成：
丁苯胶乳100份；
三聚氰胺减水剂1份，萘系减水剂1份；
聚醚消泡剂1份；
皂苷类引气剂0.02份；
水200份。
干料和液料的质量比为：100∶15。
该聚合物砂浆可用做纵联板式无砟轨道充填层材料。
该聚合物砂浆的主要性能见表1。
实施例2
聚合物水泥砂浆的组成：
固料由下列重量分数的原料组成：
胶凝材料组分：硫铝酸盐水泥56份，粉煤灰20份，硅灰5份，矿粉19份；
弹性调整组分：磺化沥青粉5份；
膨胀组分：铝粉0.03份，硫铝酸钙膨胀剂9份；
内养护组分：丙烯酰胺吸水树脂0.06份淀粉吸水树脂0.04份；
骨料组分：石英砂118份；
凝结调节组分：碳酸锂0.2份，柠檬酸0.5份。
液料由下列重量分数的原料组成：
苯丙乳液62份，丁苯胶乳38份；
聚羧酸减水剂1.2份；
有机硅消泡剂0.8份；
松香及热聚物类引气剂0.05份；
水119份。
干料和液料的质量比为：100∶21。
该聚合物砂浆可用做纵联板式无砟轨道充填层材料。
该聚合物砂浆的主要性能见表1。
实施例3
聚合物水泥砂浆的组成：
固料由下列重量分数的原料组成：
胶凝材料组分：硫铝酸盐水泥68份，偏高岭土15份，磷渣粉17份；
弹性调整组分：玻化微珠4份；
膨胀组分：铝粉0.1份，硫铝酸钙膨胀剂14.9份；
内养护组分：丙烯酰胺吸水树脂0.1份；
骨料组分：机制砂98份；
凝结调节组分：草酸锂0.1份，三乙醇胺0.3份，糖钙0.2份，葡萄糖酸盐0.05份。
液料由下列重量分数的原料组成：
聚丙烯酸酯乳液90份，氯丁乳液10份；
聚羧酸减水剂0.8份；
有机硅消泡剂0.3份，聚醚类消泡剂0.1份；
磺化木质素盐类引气剂0.1份；
水148份。
干料和液料的质量比为：100∶19。
该聚合物砂浆可用做纵联板式无砟轨道充填层快速修补材料。
该聚合物砂浆的主要性能见表1。
实施例4
聚合物水泥砂浆的组成：
固料由下列重量分数的原料组成：
胶凝材料组分：普通硅酸盐水泥80份，矿粉20份；
弹性调整组分：橡胶粉15份；
膨胀组分：铝粉0.01份，硫铝酸钙膨胀剂5份；
内养护组分：丙烯酰胺吸水树脂0.4份，丙烯酸钠盐类吸水树脂0.1份；
骨料组分：河砂80份；
凝结调节组分：硫酸钠1份，柠檬酸1份。
液料由下列重量分数的原料组成：
苯丙乳液100份；
萘系减水剂0.5份；
有机硅消泡剂0.1份；
烷基苯磺酸盐类引气剂0.01份；
水100份。
干料和液料的质量比为：100∶25。
该聚合物砂浆可用做单元板式无砟轨道充填层材料。
该聚合物砂浆的主要性能见表1。
实施例5
聚合物水泥砂浆的组成：
固料由下列重量分数的原料组成：
胶凝材料组分：普通硅酸盐水泥49份，粉煤灰25份，矿粉26份；
弹性调整组分：橡胶颗粒10份，塑料颗粒5份；
膨胀组分：铝粉0.02份，硫铝酸钙膨胀剂11份；
内养护组分：丙烯酰胺吸水树脂0.2份；
骨料组分：石英砂95份，尾砂30份；
凝结调节组分：甲酸钙0.5份，硝酸钙0.3份，磷酸盐0.2份。
液料由下列重量分数的原料组成：
聚丙烯酸酯乳液21份，聚醋酸乙烯-乙烯酯共聚乳液79份；
聚羧酸减水剂1.5份；
脂肪酸消泡剂0.2份；
引气剂0.3份；
水172份。
干料和液料的质量比为：100∶22。该聚合物砂浆可用做单元板式无砟轨道充填层材料。
该聚合物砂浆的主要性能见表1。
实施例6
聚合物水泥砂浆的组成：
固料由下列重量分数的原料组成：
胶凝材料组分：硫铝酸盐水泥20份，高铝水泥10份，抗硫酸盐水泥10份，硅微粉30份，硅灰5份，钢渣粉5份，锂渣粉20份；
弹性调整组分：聚苯乙烯再生颗粒10份；
膨胀组分：铝粉0.05份，氧化钙膨胀剂4.95份；
内养护组分：丙烯酸钠盐吸水树脂0.05份；
骨料组分：机制砂106份；
凝结调节组分：亚硝酸钠0.4份，木质磺酸盐1.2份。
液料由下列重量分数的原料组成：
聚乙酸乙烯酯乳液40份，聚醋酸乙烯-乙烯酯共聚乳液60份；
氨基磺酸盐减水剂1份；
脂肪酸消泡剂0.4份，有机硅消泡剂0.1份；
脂肪酸及其盐类引气剂0.2份，皂苷类引气剂0.3份；
水130份。
干料和液料的质量比为：100∶20。
该聚合物砂浆可用做单元板式无砟轨道充填层快速修补材料。
该聚合物砂浆的主要性能见表1。
表1实施例聚合物水泥砂浆性能
由表1可知，本发明提出的聚合物水泥砂浆性能与水泥乳化沥青砂浆性能匹配，工作性好，早期强度高，无收缩，粘结性好，可以用于板式无砟轨道充填层施工和快速修补。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能够理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种用于高速铁路板式无砟轨道充填层的聚合物水泥砂浆，其特征在于：该聚合物水泥砂浆由干料和液料两部分组成，所述干料由下列重量分数的原料组成：
胶凝材料组分100份
弹性调整组分1-15份
膨胀组分5-20份
内养护组分0.01-0.5份
骨料组分80-130份
凝结调节组分0.01-2份
所述液料由下列重量分数的原料组成：
聚合物乳液100份
减水剂0.5-2份
消泡剂0.1-1份
引气剂0.01-0.5份
水100-200份
所述干料和液料的质量比为：100∶15-25，所述胶凝材料组分为水泥与辅助胶凝材料的混合物，其中水泥40-80份，辅助胶凝材料20-60份，所述内养护组分为丙烯酰胺类吸水树脂、丙烯酸钠盐类吸水树脂、淀粉类吸水树脂中的一种或两种以上的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种聚合物水泥砂浆，其特征在于：所述水泥为普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、高铝水泥、抗硫酸盐水泥中一种或两种以上的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种聚合物水泥砂浆，其特征在于：所述辅助胶凝材料为粉煤灰、矿粉、硅灰、偏高岭土、石灰石粉、钢渣粉、磷渣粉、锂渣粉、硅微粉中的一种或两种以上的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种聚合物水泥砂浆，其特征在于：所述弹性调整组分为聚苯乙烯再生颗粒、玻化微珠、磺化沥青粉、橡胶颗粒、塑料颗粒中的一种或两种以上的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种聚合物水泥砂浆，其特征在于：所述膨胀组分为硫铝酸钙膨胀剂、氧化镁膨胀剂、氧化钙膨胀剂中的一种或多种与铝粉的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种聚合物水泥砂浆，其特征在于：所述骨料组分为石英砂、河砂、机制砂、尾砂中的一种或两种以上的混合物。
7.根据权利要求1所述的一种聚合物水泥砂浆，其特征在于：所述凝结调节组分为缓凝剂与促硬剂的混合物，其中缓凝剂为柠檬酸、酒石酸、糖钙、葡萄糖酸盐、磷酸盐、木质磺酸盐中的一种或两种以上的混合物，促硬剂为硫酸钠、碳酸锂、草酸锂、亚硝酸钠、甲酸钙、三乙醇胺、硝酸钙中的一种或两种以上的混合物。
8.根据权利要求1所述的一种聚合物水泥砂浆，其特征在于：所述聚合物乳液为苯丙乳液、丁苯胶乳、聚丙烯酸酯乳液、聚醋酸乙烯-乙烯酯共聚乳液、氯丁乳液、聚乙酸乙烯酯乳液中的一种或两种以上的混合物。
9.根据权利要求1所述的一种聚合物水泥砂浆，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸系减水剂、萘系减水剂、三聚氰胺系减水剂、氨基磺酸盐减水剂中的一种或两种以上的混合物。
10.根据权利要求1所述的一种聚合物水泥砂浆，其特征在于：所述消泡剂为有机硅类消泡剂、聚醚类消泡剂、脂肪酸类消泡剂中的一种或两种以上的混合物。
11.根据权利要求1所述的一种聚合物水泥砂浆，其特征在于：所述引气剂为皂苷类引气剂、松香及热聚物类引气剂、磺化木质素盐类引气剂、烷基苯磺酸盐类引气剂、脂肪酸及其盐类引气剂中的一种或两种以上的混合物。
12.根据权利要求1所述的一种聚合物水泥砂浆的生产工艺，其特征在于：在干料混合机中先加入骨料组分、弹性调整组分搅拌均匀后，再加入胶凝材料组分、膨胀组分、内养护组分、凝结调节组分搅拌均匀后出料包装，制得干料组分；在液料混合机中依次加入聚合物乳液、水、减水剂、消泡剂并搅拌均匀，再加入引气剂搅拌均匀后出料包装，制得液料组分。
13.根据权利要求1所述的一种聚合物水泥砂浆的制备方法，其特征在于：向砂浆搅拌机中依次加入经过计量的液料和干料，边加边搅，加料完成后持续搅拌2-5分钟至搅拌均匀，即可制得聚合物水泥砂浆。
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