沪杭高速铁路水泥乳化沥青砂浆施工质量控制与管理

李 群

(沪杭铁路客运专线股份有限公司，上海 200237)

1 概述

沪杭高速铁路是我国“四纵四横”客运专线网络的重要组成部分，正线全长160 km，设计时速为350 km。沪杭高速铁路设计采用CRTSⅡ型板式无砟轨道结构，其结构从上至下主要由钢轨扣件、预制轨道板、水泥乳化沥青砂浆充填层、混凝土底座(或水硬性支承层)等构成。水泥乳化沥青砂浆充填层作为轨道结构的一部分永久的参与工作。沪杭高速铁路能以350 km/h的运行速度平稳运行，跟水泥乳化沥青砂浆充填层所起到的作用是密不可分的。

为保证砂浆垫层能够满足CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的功能要求，水泥乳化沥青砂浆必须同时具备良好的施工性能、物理性能、力学性能和耐久性能。这些性能相互关联、相互影响，很大程度上取决于施工质量控制和管理。

2 水泥乳化沥青砂浆性能要求

2.1 施工性能

水泥乳化沥青砂浆施工性能指流动性、稳定性、匀质性、可工作时间等，包括拌和物温度、扩展度、流动度和分离度。控制好水泥乳化沥青砂浆的施工性能是保证水泥乳化沥青砂浆质量的关键。施工性能应在以下几个方面控制:

(1)拌和物温度

拌和物温度是影响水泥乳化沥青砂浆施工性能的重要因素之一。在搅拌过程中，原材料温度过高、水泥水化放热、颗粒状组分材料间的摩擦、机械高速运转等因素都会使砂浆温度升高。拌和物温度过高，导致水泥水化加快放热使砂浆温度进一步升高，这会影响新拌砂浆的流动性、匀质性、稳定性，严重的易导致水泥乳化沥青砂浆破乳或工作性能损失过快，影响施工。温度过低，对水泥乳化沥青砂浆的灌注质量、强度发展和施工进度产生较大的影响。所以水泥乳化沥青砂浆的温度应控制在5～35℃。

(2)扩展度

扩展度是衡量水泥乳化沥青砂浆流动性能的一个重要指标，它反映了砂浆的自身状态和自流平能力，直接影响砂浆的灌板效果和灌板质量。合适的扩展度是保证板底水泥乳化沥青砂浆充盈饱满的必要条件之一。扩展度过小(小于280 mm)，水泥乳化沥青砂浆在板腔内很难流开，砂浆不能充满板腔。砂浆扩展度过大(大于330 mm)，砂浆易产生离析分层，更严重时会使砂浆表面出现气泡层、泌水现象，严重影响砂浆的性能。扩展度应控制在280～320 mm。

(3)流动度

流动度是衡量砂浆黏稠性的重要指标。当扩展度达到要求且恒定时，流动度小砂浆显稠性状态，流动度大砂浆显黏性状态。为了达到砂浆的最佳灌板状态，砂浆流动度应控制在80～120 s。

(4)分离度

分离度是表征砂浆匀质性的重要指标。水泥乳化沥青砂浆是由多组分多物相混合而成，其中有固相、液相和气相。其中有密度较大的水泥和砂，还有密度较小的水、减水剂、消泡剂和空气。在重力作用下密度较大材料会下沉，密度较小的会上浮，造成砂浆匀质性不好出现分层。要保证砂浆分离度合格，就要保证砂浆匀质性。

2.2 物理性能

水泥乳化沥青砂浆的物理性能有密度和体积的变化，其评价指标为含气量、容重和膨胀率。控制好水泥乳化沥青砂浆的物理性能也是非常重要的。物理性能应从以下几个方面控制。

(1)含气量和容重

水泥乳化沥青砂浆中有很多表面活性剂，在高速搅拌的过程中会产生很多气泡，而砂浆内含有一定数量的微小气泡，对砂浆的流动性、抗离析分层性和抗冻性都是有好处的。但是过大的含气量会降低砂浆的强度、弹性模量和砂浆的耐久性能。当砂浆含气量过大时就得加入消泡剂来降低砂浆中的气泡含量。砂浆的含气量最好控制在4%～8%之间。容重跟含气量成线性关系。含气量越大容重越小，反之亦然。砂浆含气量还跟弹性模量有一定关系，容重越小弹性模量越小，反之亦然。

(2)膨胀率

由于水泥乳化沥青砂浆是填充精调后轨道板与底座板之间空隙的一种填充材料，充分填充是水泥乳化沥青砂浆的最主要特性。对于水泥乳化沥青砂浆来说，在凝结硬化过程中产生体积收缩现象是必不可免的，为了砂浆充分的填满板腔具有一定的黏结力，砂浆必须具有一定的体积膨胀性，所以，必须在砂浆里添加膨胀组分来弥补砂浆的收缩。砂浆膨胀率应控制在0～2%。

2.3 力学性能

为保证水泥乳化沥青砂浆填充层能为轨道提供一定的支撑、承力和传力的作用，要求砂浆具有良好的力学性能。

水泥乳化沥青砂浆的力学性能指抗折强度、抗压强度、弹性模量等。值得注意的是，由于水泥乳化沥青砂浆强度较低，试验过程中应控制加载速度。抗压强度的加载速度应控制在50～500 N/s，且必须保证试件在30～90 s断裂。水泥乳化沥青的力学指标要求:1 d、7 d、28 d所对应的折压强度分别为 1 MPa/2 MPa，2 MPa/10 MPa，3 MPa/15 MPa，28 d 弹性模量为 7 ～10 GPa。

实际上，基质沥青不同生产乳化沥青所用的乳化剂和稳定剂的掺量不同，不同的乳化沥青拌的砂浆状态及性能也有很大差别，所以建议要放宽对1 d强度的要求，但不得影响水泥乳化沥青砂浆后期强度及其他性能。

2.4 耐久性能

水泥乳化沥青砂浆的耐久性能的控制是非常关键的，没有很好的耐久性就不能保证砂浆为轨道提供适当的刚度和弹韧性，也不能保证砂浆在设计年限里正常发挥作用。水泥乳化沥青砂浆的耐久性能控制主要是在砂浆的抗冻性和抗疲劳性能两个方面。

水泥乳化沥青砂浆的抗冻性采用盐冻法，并用单位面积剥落量和相对动弹模量表征砂浆的抗冻性能。抗冻性的控制指标是:剥落量≤2 000 g/m2，相对动弹模量≥60%。影响砂浆的抗冻性主要跟含气量和砂浆的水泥含量有关。砂浆的抗疲劳性是指砂浆抵抗1万次疲劳荷载作用的能力。

总而言之，要保证水泥乳化沥青砂浆作为CRTSⅡ型板式无砟轨道的关键工程材料之一发挥其应有作用，应要保证砂浆本身的性能满足以上要求。这也是保证水泥乳化沥青砂浆充填层质量的先决条件。

3 原材料质量控制

原材料质量是影响水泥乳化沥青砂浆性能和砂浆垫层灌注质量的重要因素，所以，确保水泥乳化沥青砂浆施工质量和性能就必须严格控制进入到施工现场的原材料质量。

3.1 原材料质量技术要求

水泥乳化沥青砂浆是由乳化沥青、干粉料、水、减水剂和消泡剂等混合经特定工艺搅拌具有特定性能的砂浆。水泥乳化沥青砂浆的组成材料很多，除含多种无机和有机化合物外，还含有多种表面活性剂，是一个复杂的多组分、多物相的介质稳悬浮浆体，其分散均匀性、稳定性和各组分间的相容性非常重要。所以原材料的选择和质量控制就非常关键。原材料的技术要求要严格按照《客运专线铁路CRTSⅡ板式板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》(科技基［2008］74号文)的规定实施。

3.2 原材料储存和管理

原材料质量对水泥沥青砂浆的性能具有重大的影响，必须采取源头控制和使用中控制双管齐下的管理方式，力争在原材料源头控制住材料质量。

(1)原材料进场应及时建立原材料管理台账。台账内容应包括进货日期、材料名称、品种、规格、数量、生产单位、生产日期、质量证明文件、复验报告编号、使用区段里程等。

(2)原材料储存按品种、规格型号、生产厂家分别储存，不允许混装、混堆。

(3)原材料储存必须针对不同材料制定严格的管理措施。乳化沥青、干料、减水剂等应遮光储存，避免阳光直射。其中，干料储存还需采取防水、防潮措施;乳化沥青存储罐应配有搅拌装置，采取相应的保(降)温措施，并定期对乳化沥青进行搅拌。

(4)原材料使用过程中，必须严格控制乳化沥青和干料的使用温度，要求控制在5～30℃范围内。当环境温度低于5℃时，应对原材料采取必要的保温措施。

4 水泥乳化沥青砂浆配合比设计

水泥乳化沥青砂浆配合比关系到砂浆施工性能、力学性能和耐久性能，应充分考虑原材料性能、施工设备和环境条件等因素，寻求最佳平衡点，确保水泥乳化沥青砂浆满足施工质量。

4.1 配合比设计原则

按照工作性能、力学性能以及耐久性能满足设计要求、经济合理为总体要求进行水泥乳化沥青砂浆配合比设计，遵循以下四大原则:

(1)乳化沥青用量控制在250～280 kg/m3;

(2)干料用量控制在1 450～1 500 kg/m3;

(3)充分考虑施工环境温度条件;

(4)充分考虑设备选型。

4.2 设计方法

水泥乳化沥青砂浆配合比根据原材料的品质、施工工艺、施工环境及施工设备等对工作性能的要求、强度、耐久性，通过原材料选择、计算、室内试配、线外放大试验及调整等步骤最终选定。配制的水泥乳化沥青砂浆的工作性能、力学性能、耐久性能必须满足《客运专线铁路CRTSⅡ板式板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》(科技基［2008］74号文)的要求，并控制在最佳范围之内。

4.3 配合比调整

水泥乳化沥青砂浆配合比调整应根据不同施工温度、不同砂浆搅拌车及其搅拌工艺、不同施工条件等进行相应调整。配合比调整时掌握调整参数有可能产生对砂浆的影响，并需在基准配合比的基础上适当调整减水剂、消泡剂的用量，不得对沥青用量、干料用量及拌和用水量进行调整。但当乳化沥青、干料的生产原材料、生产配比等发生改变时，施工单位应及时重新选定配合比。

4.4 工艺性试验

为确保水泥沥青砂浆施工质量的稳定性、施工工艺的先进性、施工设备的可靠性以及施工队伍的专业性。各施工单位在正式作业前必须根据本施工段不同的原材料、不同的施工机械、不同的环境条件等分别进行工艺性试验。

水泥乳化沥青砂浆采用专用砂浆搅拌车进行现场拌制，搅拌工艺对水泥乳化沥青砂浆的性能产生较大的影响。砂浆搅拌车除原材料计量与输送必须满足精度要求外，其搅拌机应与水泥乳化沥青砂浆具有良好的适应性，要求拌制砂浆必须满足匀质性、含气量和气泡尺寸的要求。搅拌速度过低，不能将干粉料完全搅拌均匀，砂浆中会有成块的干料块;搅拌速度过高，对乳化沥青的机械稳定性提出了更高的要求;搅拌时间过长，对施工进度产生较大的影响，搅拌时间过短，砂浆的均匀质不好，因此，要求采用合适的搅拌工艺进行水泥乳化沥青砂浆的搅拌。

目前，水泥乳化沥青砂浆采用的搅拌设备的搅拌形式主要有2种，即卧轴式和立式强制式。对于这2种搅拌设备，适宜的搅拌工艺如下:在慢速搅拌30 r/min时依次投入乳化沥青、减水剂、消泡剂，然后将搅拌速度提高到中速，在中速90 r/min搅拌时加入干料;干料加完后，快速120 r/min搅拌120 s;再低速搅拌60 s出机。

5 现场施工质量控制

水泥乳化沥青砂浆是一种施工敏感性材料，施工操作的各个环节均将不同程度影响到水泥乳化沥青砂浆垫层的力学性能与耐久性能。现场施工质量控制主要从轨道板铺设、轨道板精调、轨道板压紧、轨道板润湿、轨道板封边、砂浆灌注及砂浆养护等几个方面加以严格控制。

5.1 轨道板铺设

轨道板铺设前要对轨道板底面及底座板进行彻底清洗。轨道板就位时，要严格按技术条件、施工细则的要求对轨道板的情况进行检查，检查合格的轨道板方允许进行铺设。轨道板在生产及存放过程中，板底相应地会产生一些浮浆及灰尘，而浮浆及灰尘的存在会影响砂浆与轨道板的粘接。铺设前，要使用高压水枪对轨道板底的浮浆、尘土进行彻底清洗。

在轨道板铺设前采用高压水枪对底座板进行彻底清洗，清除板底上的灰尘、积土、杂物等，并对清洗后的底座板进行薄膜覆盖处理，以避免扬尘对清洗后的底座产生新的污染。

5.2 轨道板精调

轨道板精调测量系统(SPPS)是针对高速铁路的CRTSⅡ型板式无砟轨道施工时铺设轨道板而专门研制的精确测量定位系统。利用本系统可精确测量出待调轨道板与设计位置间的横向和高程偏差，并将调整量发送至与调整工位对应的显示器上，指导工人将轨道板调整至设计位置处。轨道板精调应满足高程±0.3 mm、平面±0.3 mm的精度要求。两块相邻轨道板承轨台的相对高程控制在±0.3 mm之内。

5.3 轨道板扣压

轨道板精调后，应立即对轨道板进行扣压。精调后的轨道板处于六点支撑的状态，极其不稳定，较小的扰动就能使其产生位移，而现场产生扰动的因素多，如机械的振动、人员的行走、环境的影响等等，因此要求及时对精调好的轨道板进行扣压。

扣压时，扣压力度不宜过大，以免使悬空状态的轨道板产生变形及位移。轨道板的扣压数量也是一个重要方面。对于平板，要求设至少6个扣压装置，其装置布置见图1;对于高差板，要求设至少8个扣压装置，见图2。压紧装置见图3。

图1 平板的扣压示意

图2 高差板的扣压示意

图3 压紧装置

5.4 轨道板底及底座板润湿

底座板及轨道板的润湿对砂浆灌注影响极大，也是一个十分难操作及控制的工序，要引起足够的重视，并派有责任心的专职人员进行操作。

底座板润湿不好时，在砂浆灌注过程中会吸取与其接触的砂浆的水分，使其迅速变稠、变干，砂浆变稠、变干后，会形成“层流”现象，造成砂浆分层(图4)。而且，砂浆中会产生较多的贯穿孔，见图5。

图4 分层

图5 贯穿孔

底座板及轨道板润湿过量，板腔内有明水或积水存在，砂浆表面易出现黑色沥青或白色乳化剂析出现象，见图 6、图 7。

因此，要求底座及轨道板的润湿应在封边施工前进行，采用高压水枪对底座及轨道板底进行冲洗，直到轨道板及底座板吸水饱和为止，封边前用棉布或吹风机清干板腔内的明水或积水。同时，对观察孔、灌浆孔进行密封，防止水分蒸发，使板腔形成一个有足够湿度的空间。封边后应尽快进行砂浆灌注。从润湿到灌浆的时间不宜太长，控制在2～3 h之内。

图6 沥青析出

图7 乳化剂析出

5.5 轨道板封边

封边施工的好坏是保证水泥乳化沥青砂浆顺利灌注的基本条件。一旦产生漏浆，会对施工现场造成极大的污染，严重时会使砂浆无法灌注饱满，封边施工应引起足够的重视。

封边施工分为端部封边施工及侧面封边施工。

端部封边施工不宜采用水泥砂浆封边，水泥砂浆封边会造成水泥砂浆封边附近的水泥乳化沥青砂浆失水、变黑，形成长的微裂缝，在干燥情况下，会产生贯穿裂纹，使端部砂浆与整体脱离。端部封边施工可采用吸水性小的水泥乳化沥青砂浆或有压缩性的塑料板材(图8)。

图8 轨道板端部用有压缩性的塑料板材封边

轨道板纵向封边应采用角钢加封边带材料封边(图9、图10)的工艺。因为封边带具有良好的透气性能和密封性能，使用时，通过夹板和夹具固定在轨道板的边缘，实现对轨道板与底座板之间空隙的密封，待垫层砂浆凝固后，即可取下，使用方便、随封随灌、省时省力，利于施工组织安排，且克服了使用砂浆封边产生大量建筑垃圾等缺陷，在有效密封砂浆的同时，具有良好的密封性能和透气性能，进而保证垫层砂浆的充盈度良好。

封边时，先将精调爪用U形隔离槽进行密封，然后沿轨道板及支承层混凝土将封边材料布置平整，人工拉扯平齐后用角钢紧贴轨道板及支承层混凝土进行初步扣压，然后通过夹具对夹板进行固定，固定完成后即可进行水泥乳化沥青砂浆的灌注施工。由于密封带具有一定的透气功能，只需在轨道板的4个角部设立排气孔即可。

图9 轨道板纵向的角钢加封边带封边工艺

图10 轨道板纵向封边

5.6 水泥乳化沥青砂浆灌注

水泥沥青砂浆施工前，应针对工程特点、环境条件与施工条件设计初步灌注方案，进行实尺灌注试验，对水泥沥青砂浆的性能、轨道板膨胀情况进行测定，同时对灌板效果进行揭板检查，检查轨道板与水泥沥青砂浆的粘接情况、水泥沥青砂浆表面状态、板底砂浆充盈度等，以此确定水泥沥青砂浆的灌注工艺。水泥沥青砂浆灌注过程中，不得无故更改事先确定的灌注方案。

水泥沥青砂浆灌注时，应持续对砂浆进行低速搅拌。水泥沥青砂浆的灌注应一次完成，且灌注速度不能忽快忽慢，要保证匀速的灌入板腔内。为了能更好的控制灌注速度和时间，减少灌注过程中带入的大气泡，建议用“水泥乳化沥青砂浆专用灌注漏斗”进行砂浆灌注试验(图11、图12)。

图11 专用灌注漏斗

图12 灌浆

砂浆灌注注意事项如下。

(1)水泥沥青砂浆灌注时应通过灌浆漏斗注入，自由倾落高度不宜大于1.5 m，以避免水泥沥青砂浆的分层离析。

(2)水泥沥青砂浆灌注时，待观察到排气孔满断面流出砂浆，并确认气泡完全排出后，及时对排气孔进行封堵。待排气孔封堵完成、注入漏斗砂浆高出板底最高处砂浆一定高度后可停止灌注，具体情况根据确定的施工工艺、砂浆性能及轨道板的上浮情况进行确定。

(3)当气温高于40℃或低于5℃时，不允许进行砂浆灌注施工。当天最低气温低于－5℃时，全天不允许进行砂浆灌注。雨天不得进行水泥沥青砂浆施工，并应对灌注后未硬化的水泥沥青砂浆进行覆盖，防止雨水进入轨道板底。

(4)当砂浆流动性失去时，将注入孔中多余的砂浆掏出，使砂浆的表面距离轨道板上沿约15 cm。

5.7 砂浆养护

根据已有工程实践经验，为防止轨道板和砂浆界面出现“浅层离缝”，要求封边材料的拆除时间不宜早于7 d，至少要带模养护3 d以上，带模养护时，在封边材料上洒水对砂浆保湿养护。拆除封边材料后对裸露的水泥乳化沥青砂浆及时涂刷养护剂，防止砂浆失水收缩。

此外，水泥沥青砂浆抗压强度达到1.0 MPa后，可拆除精调千斤顶。水泥沥青砂浆抗压强度达到3.0 MPa以上后方可在轨道板上承重。当前期养护完毕后，应拆除封边材料和扣压装置。当同条件成型的砂浆抗压强度达到9.0 MPa时，应及时进行轨道板纵向连接，同时进行宽窄接缝施工。

6 结语

水泥乳化沥青砂浆充填层作为CRTSⅡ型板式无砟轨道系统结构的重要组成部分，具有技术含量高、施工难度大以及质量控制要求高的特点。因此，在保证水泥乳化沥青砂浆性能满足设计要求的同时，切实加强对水泥乳化沥青砂浆施工质量的现场监控，并不遗余力地做到以下3点。

(1)管理标准化

全面实施质量管理，形成系统贯彻标准，加强全面质量意识，严格执行岗位质量责任制，制度落实，人员落实。

(2)工艺先进化

制定科学合理的施工工艺流程，固化施工工艺，强化施工细节，严格按相关标准及作业指导书施工。

(3)注重经验总结

施工过程中应注重积累经验，不断总结，确保充填层砂浆在设计使用年限内实现其功能定位。

［1］铁道部工程管理中心.客运专线无砟轨道施工手册［M］.北京:中国铁道出版社，2009.

［2］铁科技基［2008］74号，.客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件［S］.北京:中国铁道出版社，2008.

［3］赵建超，徐 烨.京津城际轨道交通工程Ⅱ型板式无碴轨道垫层砂浆的性能研究［J］.铁道标准设计，2008(5).

［4］王正寿.CRTSⅡ型板水泥乳化沥青灌浆施工技术［J］.铁道标准设计，2010(7).