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高速铁路专用支座砂浆

所属分类:特种砂浆及其应用 发布人:中国预拌干粉砂浆网 发布时间:2010-08-25 18:34
     摘要:选用低碱硫铝酸盐水泥,并通过试验选择合适的外加剂,成功研制出高速铁路专用支座砂浆材料。该砂浆材料可实现无外力作 用下的重力灌浆,浆体硬化后小时强度高,2 h抗压强度可达28 MPa,24 h抗折强度可达11.1 MPa,24 h抗压强度可达60 MPa,后期不倒 缩,90 d抗压强度可达90 MPa以上,且具有良好的微膨胀填充性能。  

  关键词:高速铁路;支座砂浆;重力灌浆  

 
 0引言
  
  高速铁路安全、舒适、快速的运行,对路基的稳定、桥梁的 刚度、轨道的平顺提出了更高的要求,因此路基、桥梁、轨道结 构与一般铁路干线存在很大不同,其施工方法与传统的铁路施 工工法有很大不同,主要表现在“先架后铺”工法的采用,即将 梁部工程作为下部工程之一,在路基形成及桥墩台施工的同时, 进行梁部的施工,运用大吨位架桥机、轮胎式或轮轨式运梁车 辅以提梁机进行架梁。箱梁架设主要是通过架桥机把运梁车 运来箱梁提、运到线下两墩间,进行纵向、横向对位后,梁体降 落到临时支承千斤顶上,当梁面高程满足要求后,进行重力灌 浆料注浆锚固支座,支座安装布置示意图如图1所示。  



  短工期、严安全、高标准给具有承上启下作用、保证桥梁安全的 支座的安装材料极高的要求。对于铁路客运专线现浇梁盆式橡胶支 座和圆柱面钢支座的安装,支座砂浆材料具有超早强性能、良好的膨 胀填充性能、后期强度不倒缩是其安全、耐久的重要保障。大量研究 表明,传统早强砂浆材料主要存在新拌浆体流动性不好、硬化浆体小 时强度低、收缩变形大、抗裂性能差和后期抗折强度低等缺点。砂浆材料的高流动性和超早强在某种意义上来讲是一对矛盾,尤其是浆体30 min内保持良好的自流平性能和浆体2 h 抗压强度大于20 MPa更是相互对立的关系。本文探索同时具有 高流动性及高小时强度的高铁专用支座砂浆材料,对超早强高 铁专用支座砂浆材料进行了试验研究。  

  1原材料选择及试验方案  

  1.1原材料选择  

  (1)水泥  

  为满足超早强的要求,应该首选快硬早强型水泥,常见的 早强型水泥有快硬硅酸盐水泥、高铝水泥、磷酸盐水泥、硫铝酸 盐水泥等。根据早强型水泥的性能特点,选择快低碱度铝酸盐 水泥作为超早强支座砂浆的胶凝材料,试验过程中选用了低碱 度硫铝酸盐42.5R级水泥,其矿物组成及性能见表1和表2。  



  (2)砂子  
  试验过程中为了提高超早强高铁专用支座砂浆材料的流 动性、强度及外观,选用了用洁净、粒径优良的白色石英砂,石 英砂级配见表3。  



  (3)辅助功能材料  
  在试验研究过程中为了使超早强高铁专用支座砂浆材料具 有较好的流动性能、流动度保持性能及较高的小时强度,选用的 功能性辅助材料及功能如下:减水组分,其功能主要为使支座 砂浆材料具有良好的流动性;缓凝组分为硼酸盐,其主要功能 在30min内保持支座砂浆材料具有良好的流动性,以满足工程施 工要求;早强组分为经高温煅烧而成的特种早强剂,其主要功能 是使支座砂浆材料在30min以后快速凝结硬化,达到2h抗压强 度大于20 MPa的要求,同时提高1 d的强度;消泡组分为有机硅 类消泡剂,其主要功能是降低支座砂浆材料在加水搅拌过程中 引入的微小气泡,改善力学性能和抗渗性能;抗裂组分为6 mm 长的聚丙烯纤维,其主要功能是提高支座砂浆材料的抗裂性能。  

  1.2试验方案及检测方法  

  根据低碱度硫铝酸盐水泥,研究减水组分、早强组分、缓凝组 分及消泡组分对支座砂浆材料性能的影响,并确定其最佳掺量。 支座砂浆材料拌合时,采用行星式水泥胶砂搅拌机搅拌,搅拌机应满足JC/T 681—2005的规定。搅拌制度为:将水加入 搅拌锅内,再加入支座砂浆干料,立即开动搅拌机慢速搅拌2min, 然后再快速搅拌1 min,最后再慢速搅拌1 min。  

  凝结时间试验按GB/T50080—2002凝结时间试验方法进行。 流动度试验按JC/T 986—2005《水泥基灌浆材料》规定进行。 抗压强度和抗折强度按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强 度检验方法(ISO法)》进行。将拌和好的支座砂浆材料倒入试 模,不振动。2 h抗压强度试件应在试验前2 min内拆模,拆模后 应立即按规定进行强度试验。长龄期强度试件是2 h拆模后水 养至相应龄期。 弹性模量按照JGJ70—90静力受压弹性模量试验方法进行。 膨胀率测定参照JC/T453—1992自由膨胀率试验方法进行。  

  2试验结果与讨论  
  2.1减水组分对支座砂浆材料工作性能的影响 超早强高铁专用支座砂浆材料应具有较好的流动性能,选 用经济合理的高效减水剂在降低用水量的同时,不但可以满足 灌浆材料流动度的要求,还能够显著提高强度。表4为减水组分 (粉体)对支座砂浆材料工作性能影响结果。  



  由试验结果可以看出,当以萘系减水剂作为减水组分时,虽 然强度能满足要求,但是初始流动度较低,当掺量增大到3.0% 时流动度值反而降低,而且出现泌水现象;以聚羧酸减水剂作 为减水组分时,掺量为0.3%时能满足要求,当掺量增大到0.5时 出现泌水现象,2 h强度降低较明显。根据《客运专线桥梁盆式 橡胶支座暂行技术条件》,支座砂浆材料初始流动度必须大于 320 mm,因此可确定聚羧酸高效减水剂作为减水组分效果最好, 其最佳掺量为0.4%。  

  2.2缓凝组分对支座砂浆材料工作性能  

  支座砂浆材料的可操作时间决定着工程质量及施工效率, 因此浆体必须具有合理的可施工与自流平时间。硫铝酸盐水泥 凝结较快,是钙矾石在该水泥浆体中的析晶特点所决定的。要 延长硫铝酸盐水泥的凝结时间,只能通过引入外加剂设法在水 化初始包裹硫铝酸盐水泥熟料颗粒,延迟钙矾石的生成,从而 控制浆体的凝结时间[5-6]。为满足支座砂浆材料浆体可以在规定时间(30 min)仍具有良好自流平性能的要求,引入了硼酸盐控 制浆体流动度30 min经时损失。 

  其原理是在水泥颗粒表面形成 硼酸钙包裹层,从而延缓水泥的水化。为保证能延缓水泥的凝 结,硼酸钙晶粒至少应将熟料表面全部覆盖住,若有缺口,则水 很容易由此处渗入进去,无法使水泥得到有效的缓凝,因此,加 入的硼酸盐量不能过少,但硼酸盐掺加量若太多,熟料颗粒周 围形成的硼酸钙包裹层就会过于厚实致密,如果水分子扩散的 推动力太小,将因为较大的扩散阻力而无法渗透过去,水泥浆 体实际上就处于一种静止的状态,必然造成缓凝过度,甚至不 凝。 

  表5为缓凝组分对支座砂浆材料浆体早期性能影响结果。 从以上试验结果可以得出,通过加入缓凝组分可以有效地 控制流动度经时损失值和凝结时间,随着掺量的增加,浆体经 时损失越小,但是加入缓凝组分会影响凝结时间及强度的发展, 因此为达到支座砂浆材料超早强的要求,必须引入合理的早强 组分,从保证支座砂浆能够获得较高的小时强度。  



  2.3早强组分对支座砂浆材料凝性能的影响  

  硼酸钙包裹层类似于凝胶体,具有半透膜的性质,水分子 和较小的离子可以缓慢渗透通过这层包裹层,一旦包裹层内熟 料因缓慢水化产生的结晶压力迫使包裹层破裂,水化就得以加 速。分析快硬硫铝酸盐水泥硬化机理,可通过引入化学组分(早强组分)降低浆体液相中CaO、Al2O3和SO3浓度,迫使水加速 渗透通过包裹层,促使包裹层内熟料迅速水化,从而使包裹层 在水化产物的结晶压力下快速破裂,浆体瞬间硬化,从而到达 超早强的目的。表6为早强组分对支座砂浆材料凝结时间 及强度发展的影响。  


  试验结果表明,在缓凝组分为0.3%时,加入0.03%的早强 组分可以有效地控制浆体的凝结时间和强度发展,因此可以得 出缓凝组分与早强组分的最佳配合比为10∶1。 3支座砂浆材料配合比及性能研究 根据以上减水组分、缓凝组分及早强组分对支座砂浆材料 性能的影响规律,为了使支座砂浆获得最优性能,因此各组分 之间存在最佳配合比,其配合比如表7所示。  



  线桥梁盆式橡胶支座暂行技术条件》的要求。此外根据试验方 法,对支座砂浆的28 d弹性模量进行了测试,按照JGJ 70—90 《建筑砂浆基本性能试验方法》进行试验,其28 d弹性模量可达 到32.1 GPa。根据客运专线桥梁盆式橡胶支座施工安装的要求, 用来支座砂浆的砂浆材料硬化后必须具有良好微膨胀填充性 能,按JC/T 453—1992自由膨胀率试验方法测得支座砂浆材料 28 d自由膨胀率为0.045%,后期膨胀值趋于稳定,90 d膨胀率 为0.047%。  

  4结论  

  通过大量试验研究分析,最终利用低碱硫铝酸盐水泥、聚羧 酸高效减水剂和石英砂,并选用研制的早强剂、硼酸盐、有机硅 消泡剂及抗裂纤维,成功研制出高速铁路专用支座砂浆材料。 该砂浆材料可实现无外力作用下的重力灌浆,浆体硬化后小时 强度高,2 h抗压强度可达28 MPa,24 h抗折可达11.1 MPa,抗 压24 h抗压强度可达60 MPa,后期不倒缩,90 d抗压强度可达 90 MPa以上,且具有良好的微膨胀填充性能。该砂浆材料硬化 浆体具有良好的微膨胀填充性能,28 d标养自由膨胀率可达 0.04%以上,56 d膨胀率趋于稳定,此外硬化浆体28 d弹性模量 可达32.1 GPa。