CN105669076A - 一种无砟轨道底座板混凝土用触变剂 - Google Patents

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Abstract

本发明属无砟轨道建造技术领域，特别涉及一种无砟轨道曲线超高段底座板混凝土用触变剂。针对曲线超高段底座板混凝土浇筑时的排水坡度与曲线超高不易控制难题，发明了一种改善新拌混凝土形状保持能力的触变剂，其各组分为(重量比)：凹凸棒土0.5～4份、海泡石0.5～5份、气相二氧化硅0.02～0.38份、硅灰2～30份、三萜皂苷0.06～0.5份、纤维素醚0.03～0.5份、纤维0～2.5份。该触变剂可大幅提升新拌混凝土静态形态稳定性，浇筑后能定坡成型；同时，不增加动态变形能，在泵送、浇筑、振捣等施工中具有良好流变性能，便于施工。本发明对确保无砟轨道底座板排水坡度与曲线超高的施工质量控制具有重要意义。

Description

一种无砟轨道底座板混凝土用触变剂
技术领域
本发明属无砟轨道建造技术领域，尤其涉及一种曲线超高段无砟轨道底座板混凝土用触变剂。
背景技术
无砟轨道是我国高速铁路建设采用的主要结构型式之一。混凝土底座是无砟轨道的重要结构部位和主要承重构件。为将无砟轨道表面积水及时、有效排出，设计要求在底座混凝土表面两侧设置横向排水坡(现一般要求≥4％)。但是，既有工程实践表明，曲线超高段底座横向排水坡度设置和高程控制一直是现场底座混凝土施工的难点，长期以来，未得到有效、准确控制，并由此对后续上部无砟轨道结构的施工与质量控制乃至线路开通运营后的无砟轨道耐久性均产生了不利的影响，体现在以下方面：
(1)底座横向排水坡度不足，甚至出现“反坡”
原因：为达到设计排水坡度，底座板混凝土浇筑振捣后，施工人员需对底座两侧进行多次“抹坡”处理，现场发现，经“抹坡”处理后，尽管底座横向坡度在短时间内满足要求，但由于此时混凝土尚具有一定的流动性，在重力作用下，混凝土具有流平趋势，进而导致坡度消失，甚至“反坡”。若推迟“抹坡”处理的时间，即混凝土失去流动性后再进行“抹坡”，此时抹坡难度大，坡度难以形成。因而，通过对抹坡时间点的掌握来有效控制横向坡度的难度亦较大。
危害：经调研，无论是已建线路，还是在建线路，均存在因底座横向排水坡度不足导致无砟轨道充填层两侧积水的问题。雨水积存甚至倒流，不断冲刷无砟轨道充填层，该问题与板式无砟轨道结构易出现的离缝问题的叠合复加作用，更加速了板式无砟轨道结构的劣化，进而影响到无砟轨道结构耐久性。该叠合作用对无砟轨道结构更不利的影响已在多条线路中出现，亟待解决。
(2)曲线超高段底座高程控制偏差较大，甚至出现“开裂”、“露筋”、“填充层超厚或超薄”
原因：该问题在曲线段底座混凝土施工时(超高10cm以上)表现尤为突出。为达到设计超高，除按设计调整底座钢制模板外，在混凝土浇筑振捣后，施工人员需对底座进行多次“收坡提浆”处理，但现场发现，经“收坡”处理后，尽管底座超高在短时间内满足要求，但由于此时混凝土尚具有一定的流动性，在重力作用下，混凝土具有流平趋势，进而导致超高消失。施工人员不得不多次进行处理，因而费工费力，且效果并不理想；进而出现了在超高侧已浇筑混凝土上再新浇筑一定量的混凝土以达到设计超高等不规范的施工处理方法，这导致底座高程控制偏差较大，对底座上部充填层厚度控制不利；另外，超高侧底座混凝土在硬化前受重力作用易出现纵向开裂。
危害：当底座高程与设计相比明显偏高时，迫于上部轨道设计高度所限，只能对底座板打磨减薄，这不仅费工费力，而且必然破坏底座拉毛，甚至打磨掉混凝土保护层并露出了底座钢筋进而影响到无砟轨道结构的耐久性，或者直接灌注了水泥乳化沥青砂浆，其灌注高度不足2cm，低于设计的最低限值(2cm)要求；当底座明显偏低时，为满足上部轨道设计高度要求，不得不采取再加铺一层混凝土或灌注超过设计要求厚度的填充层，而填充层材料(水泥乳化沥青砂浆或自密实混凝土)一般成本较高，这种处理方式不仅大幅增加建设成本；而且，因填充层厚度大幅超过设计要求又带来了新的、潜在、未知的结构安全与稳定性问题。类似问题在国内已建多条板式无砟轨道线路均屡次出现过。例如，某即将开通线路的CRTSII型水泥乳化沥青砂浆充填层厚度大于8cm，严重超过了设计限值(4cm)；某正进行联调联试线路的底座板因经严重打薄处理，造成底座钢筋外露且已严重锈蚀，不得不进行专业维修处理。
出现上述问题的主要原因是，目前用于底座施工的普通混凝土经抹坡或收坡处理后，静置时仍具有一定流动性，导致混凝土所成坡度在硬化前无法有效保持与定型，导致抹坡或收坡后的排水坡度、曲线超高“消失殆尽”，目前国内外没有一种有效的技术措施或触变剂能够克服普通混凝土在底座板施工时出现的上述问题。专利“一种水泥基体系用触变剂及其制备方法”提供的触变剂仅能保证混凝土在大流动性条件下不离析、不泌水，不能提高新拌混凝土的坡度保持能力；专利“一种预拌砂浆保水触变剂及其制备方法”提供的触变剂仅改善砂浆的保水性和粘聚性，也不能提高新拌砂浆的坡度保持能力，且不适于底座板混凝土的应用。
因而，针对上述问题，发明出一种适用于无砟轨道底座板混凝土用触变剂，提高用于底座板混凝土的施工与使用性能，进而实现混凝土在动态处理时(如：泵送、浇筑、振捣等)，具有良好的流变性能，便于施工；在静态放置时(如：抹坡、收坡处理完成后)，具有良好的形状保持能力，便于坡度定型，即混凝土经抹坡、收坡处理后，排水或超高坡度都能够有效保持，从而为现场解决上述底座施工问题提供简单、有效、可靠的技术途径。
发明内容
本发明针对普通混凝土在硬化前无法有效保持与定型，导致底座板设计超高不满足要求及排水坡度不能顺利实现以及处理起来费工、费时、费力等难题，发明了一种用于无砟轨道底座板混凝土用触变剂来制备高触变性混凝土。该混凝土在动态处理时(如：泵送、浇筑、振捣等)，具有良好的流变性能，便于施工；在静态放置时(如：抹坡、收坡处理完成后)，具有良好的形状保持能力，便于坡度定型，即混凝土经抹坡、收坡处理后，排水或超高坡度都能够有效保持，从而为现场解决上述底座施工问题提供简单、有效、可靠的技术途径，进而确保了无砟轨道底座板的施工质量与效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种无砟轨道底座板混凝土用触变剂，触变剂由凹凸棒土、海泡石、气相二氧化硅、硅灰、三萜皂苷、纤维素醚、纤维复合组成，各组分用量为(重量比)：凹凸棒土0.5～4份、海泡石0.1～5份、气相二氧化硅0.02～0.38份、硅灰2～30份、三萜皂苷0.06～0.5份、纤维素醚0.03～0.5份、纤维0～2.5份。触变剂中各功能组分与各胶凝材料协同作用改善了混凝土触变性能，提高了新拌混凝土静态屈服应力，降低了动态屈服应力，改善了混凝土坡度保持能力，实现了混凝土在动态处理时(如：泵送、浇筑、振捣等)，具有良好的流变性能，便于施工；在静态放置时(如：抹坡、收坡处理完成后)，具有良好的形状保持能力，便于坡度定型。该新拌混凝土静态屈服应力能达到10Nm以上，动态屈服应力能降至至6Nm以下，在泵送压力无明显增加情况下，浇注并抹坡完成后的混凝土坡度保持能力达到95％以上；同时，该高触变性混凝土硬化后的力学、耐久、体积稳定性能等满足相关无砟轨道底座板混凝土的技术要求。
一种无砟轨道底座板混凝土用触变剂，所述的凹凸棒土主要化学成分为(Mg，Al)5Si8O20·4H2O，平均粒径小于20μm，呈纤维状，能在水泥浆体中形成凝胶，实现了在静态时，凹凸棒土凝胶在浆体中呈束状、交织状分布，一方面在浆体中形成杂乱网格，对浆体与骨料均起到束缚、限位作用，提高了混凝土坡度保持与定型能力，另一方面，纤维状的凹凸棒土增加了浆体的表面粗糙度，对骨料滚动起到限位效果，表现为新拌混凝土静态屈服应力以及静/动态屈服力矩比明显增加；在动态时，浆体受剪切应力，凹凸棒土形成的网络结构破坏，随剪切位移方向在浆体中定向分布，束缚、限位作用得以解除，确保了混凝土具有良好流变性能，便于施工。
一种无砟轨道底座板混凝土用触变剂，所述的海泡石，粒度200目以上，呈纤维状，能提高浆体的保水性，在浆体处于静态时，海泡石纤维能在浆体中交织分布，在浆体中形成杂乱网格，对骨料均起到束缚、限位作用，提高了混凝土坡度保持能力。
一种无砟轨道底座板混凝土用触变剂，所述的气相二氧化硅比表面积大于100m2/g，有效改善水泥浆体的悬浮性和触变性，提高浆体的和易性与可塑性，并改善新拌混凝土的形状保持能力。
一种无砟轨道底座板混凝土用触变剂，所述的硅灰为圆球状颗粒，比表面积大于10m2/g，可有效改善浆体的保水效果，提高浆体粘度；同时，其微型滚珠状形态，在提高浆体粘度的同时，增加了浆体的流动性，有利于降低新拌混凝土的动态屈服应力，并大幅降低新拌混凝土的泵送阻力；并提高混凝土的密实度和强度。
一种无砟轨道底座板混凝土用触变剂，所述的三萜皂苷主要组成是单糖基、苷键和苷元基，是一个既含亲水基因又含憎水基因的非离子型表面活性物质，易溶于水，对酸、碱和硬水有较强的化学稳定性，其主要性能满足表1的要求。该组分能在搅拌过程中在水泥浆体中形成稳定的微小气泡，这些微小气泡能调节混凝土浆体稠度并改善混凝土流变性能。通过调节三萜皂苷的用量，改变混凝土浆体中的微小气泡数量。根据原材料特点，也可选用具有类似功能的表面活性剂，以在浆体中引入稳定的微小气泡。
表1三萜皂苷溶液试验结果(25℃)
一种无砟轨道底座板混凝土用触变剂，所述的纤维素醚是甲基、羧甲基、乙基、羟乙基、羟丙基甲基或羧甲基羟乙基等类型中的一种或几种纤维素醚，用于提高浆体稠度，提高浆体定型能力。
一种无砟轨道底座板混凝土用触变剂，所述的纤维是聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、天然植物纤维、玻璃纤维、岩石纤维等中的一种或几种，长度0.2mm～36mm，能在水泥浆体中形成杂乱网格，对浆体与骨料均起到束缚、限位作用，进而提高了混凝土坡度保持与定型能力。根据原材料特点及新拌混凝土工作性能，选用适当的纤维长度、掺量和类型，以增强纤维对浆体的束缚、限位作用，改善混凝土的触变性能和流变性能。
与现有用于底座板施工的普通混凝土相比，采用本发明触变剂制备的高触变性混凝土具有以下优点：
(1)高触变性混凝土在提高新拌混凝土静态屈服应力的情况下，降低了动态屈服应力，新拌混凝土坡度保持能力得以改善。
(2)高触变性混凝土用于无砟轨道底座板浇筑施工，在泵送压力无明显增加、施工性能无明显变化的情况下，硬化后的曲线段超高坡度、排水坡度等保持率在98％以上，明显优于普通粉煤混凝土。这有利于确保底座板乃至其上充填层的施工质量以及服役性能。
(3)由于触变剂中的气相二氧化硅、硅灰对混凝土强度、密实度的改善作用，降低了三萜皂苷表面活性剂引入气泡对混凝土强度的不利影响，确保了混凝土的强度不因触变剂的加入而有所降低。
综上所述，本发明通过采用触变剂制备高触变性混凝土以改善混凝土施工质量，提高用于底座板混凝土的施工与使用性能，进而实现混凝土在动态处理时(如：泵送、浇筑、振捣等)，具有良好的流变性能，便于施工；在静态放置时(如：抹坡、收坡处理完成后)，具有良好的形状保持能力，便于坡度定型，即混凝土经抹坡、收坡处理后，排水或超高坡度都能够有效保持，具有施工快捷、成本经济、耐久环保、实用可靠、适用性高等诸多优势，技术经济性显著，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
以下通过具体实施例介绍本发明的实现和所具有的有益效果，但本发明并不局限于此，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例1提供了一种用于无砟轨道底座板混凝土用触变剂，加入到混凝土后，对新拌混凝土动静屈服应力、坡度保持能力以及混凝土硬化后的力学、耐久性能进行了测试，并与现有的普通混凝土测试结果进行了比较，具体内容如下：
高触变性混凝土与普通混凝土的配合比见表2。其中，单方高触变性混凝土的触变剂用量为12.2kg/m3，其组成为凹凸棒土2.28kg/m3、海泡石0.8kg/m3、硅灰7.6kg/m3、气相二氧化硅0.2kg/m3、三萜皂苷0.07kg/m3、纤维素醚0.05kg/m3、木质素纤维1.2kg/m3。
表2高触变性混凝土与普通混凝土的配合比
序号 水泥 粉煤灰 触变剂 河砂 碎石 水 减水剂
普通混凝土 266 114 0 745 1120 152 3.8
高触变性混凝土 266 101.8 12.2 745 1120 152 4.4
其中，新拌混凝土坡度模拟试验测定坡度保持率的具体方法为：根据高速铁路无砟轨道线路设计最大超高不超过175mm，对应正弦坡度约为12.2％，将360mm长、200mm宽、150mm高的木模放在振动台上，采用45mm高的垫块将木模一侧垫高(对应的正弦坡度为12.5％)，浇注混凝土，振捣并抹平；然后，将垫块轻轻撤掉，混凝土在重力作用下，坡度将有所变化，采用游标卡尺每隔3cm测量变形稳定后的混凝土与木模水平面的间距H。绘制混凝土坡度变形曲线，计算新拌混凝土所成坡度最高点、最低点，并以此计算混凝土坡度保持率。
高触变性混凝土与普通混凝土的测试结果见表3。
表3高触变性混凝土与普通混凝土的测试结果
由表3可见，高触变性混凝土与普通混凝土相比，在力学、抗渗、电通量等指标均满足设计要求的情况下，尽管其动态屈服应力有一定提高，但其静态屈服应力提高的幅值更大，表现为静/动态屈服力矩比增加至1.8，而且新拌混凝土的坡度保持率由60.0％增加至95.5％，坡度保持能力得以改善。这主要与触变剂各功能组分对混凝土触变性能的改善有关。触变剂中凹凸棒土、纤维素醚、纤维、硅灰以及海泡石提高了混凝土中的水泥浆体稠度，提高浆体定型能力，增强了混凝土浆体的坡度保持能力；触变剂中凹凸棒土和、海泡石和纤维在浆体中呈束状、交织状分布，一方面在浆体中形成杂乱网格，对浆体与骨料均起到束缚、限位作用，提高了混凝土坡度保持与定型能力，另一方面，纤维状的结构增加了浆体的表面粗糙度，对骨料滚动起到限位效果，表现为新拌混凝土静态屈服应力以及静/动态屈服力矩比明显增加；在动态时，浆体受剪切应力，凹凸棒土和纤维形成的网络结构破坏，随剪切位移方向在浆体中定向分布，束缚、限位作用得以解除，确保了混凝土具有良好流变性能，便于施工。另外，触变剂中三萜皂苷提高混凝土的含气量，增加了水泥浆体中微小气泡的数量，进而调节了混凝土浆体稠度并改善混凝土流变性能。触变剂中的硅灰和气相二氧化硅提高了混凝土的强度，抵消了触变剂中三萜皂苷提高混凝土的含气量而对混凝土强度的不利影响。
综上所述，相比于普通混凝土，高触变性混凝土的静态屈服应力与坡度保持能力提以明显提高，这对于曲线段超高底座板混凝土施工后的坡度保持具有重要意义。
实施例2
本发明实施例2提供了一种用于无砟轨道底座板混凝土的触变剂，采用普通混凝土、高触变性混凝土分别于某客专试验段进行无砟轨道底座板浇注，以此评价普通混凝土、高触变性混凝土用于曲线超高段现场混凝土施工中的坡度保持能力。具体内容如下：
在某客专按设计超高各分别经泵送浇筑了100m长无砟轨道底座板(其中，普通混凝土用于上行线，高触变性混凝土用于对应一侧的下行线，以保持试验坡度一致)，其配合比见表3，其中，单方高触变性混凝土触变剂用量为10.63kg/m3，其组成为凹凸棒土2kg/m3、海泡石0.8kg/m3、硅灰6kg/m3、气相二氧化硅0.3kg/m3、三萜皂苷0.06kg/m3、纤维素醚0.07kg/m3、聚丙烯纤维0.6kg/m3、玄武岩纤维0.3kg/m3、玻璃纤维0.5kg/m3。
表4用于某客专试验底座板浇注的高触变性混凝土与普通混凝土的配合比
序号 水泥 粉煤灰 触变剂 河砂 碎石 水 减水剂
普通混凝土 320 80 0 740 1110 148 4.0
高触变性混凝土 320 69.37 10.63 740 1110 150 4.4
混凝土硬化后，每10m作为一横断面，共取试验段范围内的10m至90m范围内9个断面，分别测量上、下行线对应断面的高、低侧高程，其高程差与无砟轨道宽度比值作为实际坡度，并与设计坡度相比得坡度保持率，经测试计算，普通混凝土的坡度保持率为65％，高触变性混凝土的坡度保持率高达98％。
另外，在现场施工过程中，发现泵送普通混凝土、高触变性混凝土的泵送压力基本接近，均为8MPa-12MPa；另外，在浇注、振捣等施工环节，普通混凝土、高触变性混凝土的施工性能无明显差别。
因此，经试验段工程试验表明，采用高触变性混凝土进行无砟轨道底座板施工，在新拌混凝土泵送压力无明显增加、施工性能无明显变化的情况下，改善了新拌混凝土的坡度保持能力，进而有利于确保曲线段超高底座板乃至其上充填层的施工质量。

Claims (8)

1.一种无砟轨道底座板混凝土用触变剂，其特征在于：所述的触变剂由凹凸棒土、海泡石、气相二氧化硅、硅灰、三萜皂苷、纤维素醚、纤维复合组成，各组分用量为(重量比)：凹凸棒土0.5～4份、海泡石0.1～5份、气相二氧化硅0.02～0.38份、硅灰2～30份、三萜皂苷0.06～0.5份、纤维素醚0.03～0.5份、纤维0～2.5份。该触变剂可显著提高新拌混凝土的静态屈服应力，降低了其动态屈服应力，不仅有效改善了新拌混凝土的静态形态保持能力，浇筑后能定坡成型；同时，不增加新拌混凝土的动态变形能，改善了新拌混凝土在泵送、浇筑、振捣施工中的流变性能，便于施工操作。
2.如权利要求1所述的触变剂，其特征在于：所述的凹凸棒土，主要化学成分为(Mg，Al)5Si8O20·4H2O，平均粒径小于20μm。
3.如权利要求1所述的触变剂，其特征在于：所述的海泡石，粒度200目以上，呈纤维状。
4.如权利要求1所述的触变剂，其特征在于：所述的气相二氧化硅比表面积大于100m2/g。
5.如权利要求1所述的触变剂，其特征在于：所述的硅灰为圆球状颗粒，比表面积大于10m2/g。
6.如权利要求1所述的触变剂，其特征在于：所述的三萜皂苷是一个既含亲水基因又含憎水基因的非离子型表面活性物质，易溶于水，能在搅拌过程中在水泥浆体中形成稳定的微小气泡。
7.如权利要求1所述的触变剂，其特征在于：所述的纤维素醚是甲基、羧甲基、乙基、羟乙基、羟丙基甲基或羧甲基羟乙基等类型中的一种或几种混合而成。
8.如权利要求1所述的触变剂，其特征在于：所述的纤维是聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、天然植物纤维、玻璃纤维、岩石纤维等中的一种或几种混合而成，长度0.2mm～36mm。
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