发明内容
针对以上现有技术的不足,本发明的目的之一是提供一种无砟轨道路基本体回填材料,所述回填材料早期强度高、流动性好、抗离析、新旧界面结合能力强,能够高效、安全的完成路基本体开挖后的回填,并完全能够保证施工质量且不影响第二天的列车运行。
为实现上述目的,本发明的具体技术方案如下:
一种无砟轨道路基本体回填材料,其原料包括以下质量百分数的各组分:水泥20~32%,碎石40~55%,砂20~33%,改性增稠剂0.02~0.1%,减水剂0.5~1%,复合掺合料2~5%;
所述改性增稠剂由黄原胶和三萜皂苷经过接枝共聚反应得到。
本发明利用三萜皂苷提取液对黄原胶进行接枝改性,得到具备引气效果且易分散的改性增稠剂;黄原胶是一种由五糖单元重复组成的聚合体,由一个主链和三个侧链构成;是一种集增稠、悬浮、乳化、稳定于一体的生物胶。黄原胶分子中含有-COOH-、-OH等强极性基团,分子间靠氢键作用形成规则的双螺旋结构,双螺旋结构之间依靠微弱的相互作用力形成网络结构,这些螺旋结构因静电力和空间位阻效应等使其水溶液具有良好的增粘、流变、抗盐和抗剪切性能;但同时因侧链的存在,黄原胶的聚集态结构复杂,分子间作用力较大,其在水溶液中分散困难,易成团,溶解性较差。三萜皂苷提取液是皂角和皂荚等皂苷类物质的提取物,皂苷由皂苷元与糖构成,其中葡萄糖单元具有很多羟基,能与水分子形成氢键,亲水性很强,而苷元是亲油性的憎水基。皂苷分子属于非离子型表面活性剂,将其作为混凝土引气剂使用,具有水溶性好,分散性强,发泡力强,气泡间距小,稳泡时间长等优点。本发明将分散性强且具备引气效果的皂苷分子与黄原胶进行接枝共聚,在保留黄原胶优异的增稠、悬浮、触变性能的同时,可以改善其分散性,并赋予其一定的引气性能,得到具备引气效果且易分散的改性增稠剂。此外,黄原胶和三萜皂苷进行接枝共聚,可减少体系粘度大对三萜皂苷引气效果的抑制性,进而提高混凝土的扩展度和自密实性;将所述改性增稠剂掺入到混凝土材料中,在黄原胶与三帖皂苷的相互作用下,可保证混凝土在流动度很大时不离析分层,同时可在浆体中引入大量的微小气泡,极大的改善其流动性,达到自流平自密实的效果。
优选的,所述改性增稠剂的制备方法包括以下步骤:
S1.将所述黄原胶与水在30~40℃下搅拌均匀,再加入引发剂,搅拌均匀,得到混合液A;
S2.将交联剂与水搅拌均匀,再加入三萜皂苷提取液,搅拌均匀,得到混合液B;
S3.将混合液B滴加到混合液A中,滴加完毕后升温至55~65℃,恒温反应2~3h,然后经过抽滤、洗涤、干燥、研磨得到所述改性增稠剂。
优选的,所述黄原胶与三萜皂苷提取液的质量比为(0.5~1.5):1;所述引发剂的质量为黄原胶和三萜皂苷提取液总质量的0.5~1.5%;所述交联剂的质量为黄原胶和三萜皂苷提取液总质量的0.5~1.5%。
优选的,所述引发剂包括过硫酸铵、过硫酸钾或过硫酸钠中的至少一种;所述交联剂包括二乙烯基苯、二异氰酸酯或N-N-亚甲基双丙烯酰胺中至少一种。
优选的,所述复合掺合料由碱激发剂和掺合料复配而成,1d活性指数大于125%,28d 活性指数大于100%。
更优选的,所述碱激发剂包括硅酸钠或甲酸钙中的至少一种,所述掺合料包括煅烧偏高岭土、硅灰或超细矿粉中的至少一种。
优选的,所述黄原胶的有效物质含量≥99%,稠度6-8cp,剪切性能指数5-7,灰分≤16%;所述三萜皂苷提取液的主要有机成分为五环三萜类皂苷,活性物含量≥35%,固含量≥45%,表面张力≥32.5mm/N,起始泡沫高度≥180mm。
优选的,所述回填材料的原料还包括以下各组分:按水泥重量计,有机硅憎水剂0.2~0.5%、抗裂纤维0.3~0.5%、酒石酸0.01~0.1%,碳酸锂0.01~0.1%。
优选的,所述水泥由普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复配而成,所述硫铝酸盐水泥的质量占比为水泥总量的60~90%。
优选的,所述碎石为精选天然洁净碎石,长宽比为(1~1.2):1,最大公称粒径不大于 16mm,级配范围为5~16mm,针片状颗粒含量≤5%,含泥量≤0.5%,压碎值≤10%。
优选的,所述砂由10~20目、20~40目、40~80目精选洁净干燥黄色石英砂复配而成,三者质量比为20~40:30~40:30~40。
本发明的另一目的是提供所述的一种无砟轨道路基本体回填材料的制备方法,步骤如下:按比例将各原料进行混合,即得到所述回填材料。
本发明的再一目的是提供所述的一种无砟轨道路基本体回填材料的应用方法,步骤如下:将所述回填材料与水混合搅拌,水料比为0.06~0.08,得到拌合物;然后在道床板顶部开孔位置安装可控制流速的卸料斗,往卸料斗中倒入所述拌合物,直至道床板以下的路基本体已开挖部分整体回填饱满为止。
与现有技术相比,本发明的有益之处在于:
(1)本发明利用三萜皂苷接枝改性黄原胶制备改性增稠剂,可以改善黄原胶的分散性,并赋予其引气性能;使制备得到的改性增稠剂在具有极佳的触变性和悬浮稳定性的同时,具备良好的引气性能。将所述改性增稠剂应用于混凝土中,可赋予混凝土浆体极佳的触变性,防止大流态混凝土的离析分层,同时可在浆体中引入大量的均匀微泡,在改善孔隙结构的同时,极大的改善混凝土的流动性、抗冻性和耐久性。与共掺相比,黄原胶与三萜皂苷接枝共聚的有益之处在于,水溶性极佳的三萜皂苷可改善黄原胶的水溶性和分散性,同时可减少体系粘度大对三萜皂苷引气效果的抑制性,进而提高混凝土的扩展度和自密实性。
(2)本发明的回填材料,出机扩展度为610~660mm,流动性极佳,可自流平自密实且无离析无泌水,能满足狭小间隙的快速注浆要求;硬化体切开后骨料分布均匀,浆体无分层、结构密实无空隙。
(3)本发明的通过先提前制备回填材料干粉料,用防水袋进行定量包装;现场加水搅拌即可使用,浇筑前,在道床板中心开孔位置安装可控制流速的卸料斗,然后将搅拌均匀的回填材料倒入卸料斗中,当回填材料从道床板两侧的线间封闭层和路肩封闭层溢出至与道床板平行,即可结束施工。与传统施工方法相比,此方法方便快捷,省时省力。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,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条件下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
以下实施例和对比例中,除非特殊说明,所用原材料如下:水泥由普通硅酸盐水泥42.5 与快硬硫铝酸盐水泥52.5按质量比30:70复合而成;复合掺合料选用硅酸钠为激发剂,煅烧偏高领土和硅灰为掺合料,三者按质量比0.6:49.2:49.2进行复配;碎石为精选天然洁净碎石,长宽比为(1~1.2):1,级配范围为5~16mm,针片状颗粒含量≤5%,含泥量≤0.5%,压碎值≤10%;砂为精选洁净干燥黄色石英砂,级配及质量比为:10~20目:20~40目:40~70目=30:30:40;黄原胶为速溶型,有效物质含量99.5%,三萜皂苷提取液中活性物含量40%,固含量50%,引发剂为过硫酸铵,交联剂为N-N-亚甲基双丙烯酰胺。
三萜皂苷提取液的制备方法为水提取-醇萃取法,具体步骤如下:将100g皂荚用粉碎机打碎,然后将打碎的皂荚装入1000ml的三口烧瓶中,加入500g去离子水,加热至40℃,加入10g无水硫酸铝,恒温5h后,过滤,去掉滤渣,在滤液中再次加入10g无水硫酸铝,在40℃下恒温5h后再次过滤;在滤液中加入500ml质量分数为95%的乙醇,然后过滤,将滤液在85℃下恒温30min除掉乙醇,然后在100℃继续加热30min,除掉部分水分,所得浓缩液即为三萜皂苷提取液。
实施例1
本实施例的无砟轨道路基本体回填材料,按重量计,包括以下各组分:水泥2800g,碎石4700g,砂2200g,复合掺合料300g,改性增稠剂5g,减水剂50g,有机硅憎水剂9g,抗裂纤维9g,酒石酸1g,碳酸锂1g;
所述改性增稠剂的制备方法包括以下步骤:
S1.将2g黄原胶分两次加入到100g水中,水温加热至40℃,搅拌分散30min,再加入0.04g引发剂,恒温搅拌15min,得到混合液A;
S2.将0.04g交联剂加入到100g水中,搅拌分散10min,再加入2g三萜皂苷提取液分散10min,得到混合液B;
S3.用蠕动泵将混合液B缓慢滴加到混合液A中,滴加速度为3mL/min,搅拌速度为50r/min,滴加完毕后升温至65℃,恒温反应3h;然后经抽滤、洗涤、烘干、球磨后得到所述改性增稠剂。
本实施例的无砟轨道路基本体回填材料的制备方法,步骤如下:按重量称取各原料加入强制性混料机中预混4~5min,制成干混料,用高防水牛皮纸编织袋分装待用,得到回填材料。
实施例2
实施例2与实施例1基本相同,区别之处在于,本实施例的无砟轨道路基本体回填材料的原料中,按重量计,包含水泥2000g,碎石4200g,砂3300g,复合掺合料500g,改性增稠剂5g,减水剂40g,有机硅憎水剂10g,抗裂纤维8g,酒石酸1g,碳酸锂1g。
实施例3
实施例3与实施例1基本相同,区别之处在于,本实施例的无砟轨道路基本体回填材料的原料中,按重量计,包含水泥3200g,碎石4000g,砂2500g,复合掺合料200g,改性增稠剂5g,减水剂65g,有机硅憎水剂14g,抗裂纤维14g,酒石酸2g,碳酸锂2g。
实施例4
实施例4与实施例1基本相同,区别之处在于,本实施例的无砟轨道路基本体回填材料的原料中,按重量计,包含水泥2200g,碎石5500g,砂2000g,复合掺合料300g,改性增稠剂4g,减水剂45g,有机硅憎水剂7g,抗裂纤维7g,酒石酸1.5g,碳酸锂1.5g。
实施例5
实施例5与实施例1基本相同,区别之处在于,所述改性增稠剂的制备方法中,黄原胶为1g,三萜皂苷提取液为2g,即黄原胶与三萜皂苷提取液的重量比为0.5:1。
实施例6
实施例6与实施例1基本相同,区别之处在于,所述改性增稠剂的制备方法中,黄原胶为3g,三萜皂苷提取液为2g,即黄原胶与三萜皂苷提取液的重量比为1.5:1。
对比例1
对比例1与实施例1基本相同,区别之处在于,本对比例的无砟轨道路基本体回填材料的原料中,按重量计,包含以下组分:水泥3100g,碎石4700g,砂2200g,改性增稠剂 5g,减水剂50g,其他组分20g,即不使用复合掺合料,相应增加水泥用量。
对比例2
对比例2与实施例1基本相同,区别之处在于,所述改性增稠剂的制备方法中,黄原胶为0.6g,即黄原胶与三萜皂苷提取液的重量比为0.3:1。
对比例3
对比例3与实施例1基本相同,区别之处在于,所述改性增稠剂的制备方法中,黄原胶为3.6g,即黄原胶与三萜皂苷提取液的重量比为1.8:1。
对比例4
对比例4与实施例1基本相同,区别之处在于,本对比例的无砟轨道路基本体回填材料的原料中缺少改性增稠剂。
对比例5
对比例5与实施例1基本相同,区别之处在于,本对比例的无砟轨道路基本体回填材料的原料中,将5g改性增稠剂替换成5g黄原胶;即黄原胶是不经过改性的。
对比例6
对比例6与实施例1基本相同,区别之处在于,本对比例的无砟轨道路基本体回填材料的原料中,将5g改性增稠剂替换成2.5g黄原胶和2.5g三萜皂苷提取液,即黄原胶与三萜皂苷共掺。
试验例
将实施例1~6及对比例1~6的回填材料按照水料比0.07:1(水与回填料的重量比)用混凝土搅拌机拌合3min,然后进行相应的性能测试。其中,扩展度、含气量和自由泌水率按照GB/T 50080《普通拌和物性能试验方法》进行测试;抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度按照GB/T 50081《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试(成型时无需振捣);干缩率按照GB/T 50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试;间隙通过率按照Q/CR596-2017《高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土》进行测试;断面情况是目测观察硬化试件断面骨料的匀质性,若断面骨料分布均匀,无沉底无分层现象,用“√”表示,反之用“×”表示。测试结果见表1。
表1
无砟轨道路基本体回填材料的本质是一种高流态的自密实混凝土,在实际使用中,要通过狭小的间隙,在半封闭的空间内达到自密实自流平的效果;因此材料的扩展度、间隙通过率是能够正常施工的关键因素。根据实际经验,扩展度在620~680mm时灌注效果较好,扩展度低于600mm时流动性不够,高于700mm时易离析分层。间隙通过率的标准要求不得大于18mm,此项指标越小说明材料在自流平过程中通过障碍的能力越强。自密实混凝土要求泌水率为0,即不得出现泌水情况,因为泌水一般是浆体粘聚性差、离析分层引起的,混凝土泌水时不仅浆体状态差,流动性与可灌注性降低,且力学性能和耐久性均会降低。
从表1数据可以看出,本发明实施例1~6的回填材料的扩展度为610~660mm,自由泌水率为0,间隙通过率为8~12mm,断面骨料分布均匀,无沉底无分层现象;说明本发明的回填材料具有良好的流动性,可自流平自密实且无离析无泌水,能满足狭小间隙的快速注浆要求;且硬化体切开后骨料分布均匀,浆体无分层、结构密实无空隙。其中实施例1 的综合性能较好且性价比最优,与实施例1相比,实施例2的水泥用量减少,扩展度和抗压强度略有降低;实施例4的水泥用量减少,同时碎石用量增加,扩展度和抗压强度进一步降低,间隙通过率上升;通过比较实施例1和5可知,实施例5降低了黄原胶与三萜皂苷的重量比,扩展度略有升高,但是含气量增大,抗压强度略有降低;通过比较实施例1 和6可知,实施例6增加了黄原胶与三萜皂苷的重量比,扩展度降低,含气量略有减小,抗压强度升高,同时间隙通过率略有上升。
与实施例1相比,对比例1缺少复合掺合料,2h和1d抗压强度分别降低7Mpa和8Mpa,即早强强度大幅度降低;对比例2降低黄原胶的用量,含气量增大,抗压强度降低,且自由泌水率大于0;对比例3增加黄原胶的用量,扩展度小于600mm,流动性不够;对比例 4缺少改性增稠剂,扩展度小于600mm,流动性不够,同时自由泌水率为1.2,间隙通过率大于18mm,抗压强度显著降低,干缩率增大;说明浆体状态差,浆体包裹性差,流动性与可灌注性降低,且力学性能和耐久性均降低;对比例5的还原胶未经过改性,含气量降低至0.8%,扩展度小于600mm,流动性不够;对比例6的黄原胶与三萜皂苷进行共掺,未发生聚合反应,扩展度小于600mm,含气量降低至1.8%,流动性不够,且间隙通过率大于18mm;通过比较实施例1和对比例6可知,黄原胶与三萜皂苷发生接枝共聚反应,可以降低体系粘度大对三萜皂苷引气效果的抑制性,提高引气效果,进而提高混凝土的扩展度和自密实性。综上所述,需按照本发明的改性增稠剂的制备方法,还原胶与三萜皂苷的用量比需在本发明的范围内,才能使回填材料具有良好的流动性,可自流平自密实且无离析无泌水,能满足狭小间隙的快速注浆要求。
应用例
将实施例1制备的无砟轨道路基本体回填材料应用于某铁路项目的路基离缝修补,其施工方法如下:
P1.在施工现场将回填材料与水加入混凝土搅拌机中,水料比为0.07,搅拌2~3min,得到拌合物待用;
P2.在道床板2顶部开孔位置安装可控制流速的卸料斗1,往卸料斗1中倒入步骤P1得到的拌合物,直至道床板2以下的路基本体已开挖部分整体回填饱满为止。
其中,步骤P2中回填饱满的判定依据为:回填材料3从道床板2两侧的线间封闭层和路肩封闭层溢出至与道床板2平行;图3为开挖后回填部位及浇筑示意图,图中阴影部分代表回填材料,a代表路肩封闭层,b代表线间封闭层;图4为开挖完毕待回填路基本体的示意图;图5为路基本体回填完毕的示意图。
本发明的回填材料的扩展度、高间隙通过性、自密实性、早期强度和凝结时间均非常适合无砟轨道路基本体开挖后的狭小密闭空间的回填,且适合天窗点施工,不影响第二天的列车运行。能够很好的填充开挖后的路基本体,而且该材料的粘接强度高,能够保证与道床板的粘结,不出现空吊和离缝,该材料高抗渗性能很好的阻绝地下水及外来雨水的侵蚀,极好的保证维修质量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。