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高速铁路板式无碴轨道CA砂浆的研究与应用

王涛  
【摘要】: 高速铁路是我国交通建设发展的重要方向。无碴轨道具有结构整体性与稳定性好以及修量少的优点,是铁路高速化的发展方向。板式轨道是一种先进的无碴轨道结构形式,它由混凝土道床、CA砂浆层、轨道板等部分组成,其中CA砂浆是用于轨道板与混凝土道床之间的结构层,主要起支承轨道板、缓冲高速列车荷载的作用。CA砂浆(cement asphalt mortar,简称CA砂浆)是由水泥、沥青乳液等多种材料组成的一种有机无机复合材料。作为全面支承轨道板的垫层结构,要求其具有足够的强度和必要的弹性,其性能好坏直接影响到板式轨道结构的耐久性、安全性与经济性。随着我国高速铁路网建设规划的全面实施,无碴轨道技术已成为当前急需重点研究与快速开发的关键技术。 本文通过对CA材料物理力学性能、耐久性和耐候性能的系统试验、足尺工程试验以及CA材料设计制备理论研究,揭示了CA材料的组成、结构与性能之间的相互影响和变化规律,为促进该类材料的发展应用提供了重要的参考。 本文进行的主要工作和取得的重要成果有: 研究并揭示了水泥水化硬化与沥青乳液破乳胶结相互作用的机理,阐释了CA砂浆胶结硬化与结构形成全过程,将其分为悬浮分散、水泥水化与沥青乳液破乳胶结、沥青连续网络结构形成、硬化体结构发展四个阶段,建立了以沥青为连续相、水泥等无机材料为分散相的CA砂浆空间网络结构模型,为设计、制备CA砂浆提供了理论依据。 依据CA砂浆的理想结构模型,结合砂浆硬化体结构的组成,提出了计算CA砂浆中无机材料表层沥青膜厚的理论公式,并建立了沥青膜厚度和材料性能的相关性,提出了制备CA砂浆的最佳沥青用量控制与修正方法,对高性能CA砂浆材料的制备具有指导意义。 针对CA砂浆材料组成复杂、各组成之间性能影响较大的问题,提出了其原材料的相适性与评价方法,系统研究了沥青乳液、水泥、砂、外加剂之间的相适性,探明了原料组成与沥青乳液/水泥、水灰比等关键制备参数对CA砂浆工作性与强度的影响规律,建立了CA砂浆原料选择准则,确定了制备高性能CA砂浆的关键技术参数,提出了配合比设计方法。 系统研究了CA砂浆的粘弹性力学行为,探明了其组成与配比对其粘弹性力学性能的影响规律,建立了其应力应变方程。依据时温叠加原理,运用Arrhenius方程和sigmoidal函数等数学方法对CA砂浆在不同加载频率下的性能进行拟合,推导出参考温度下的全曲线,用此拟合曲线可对CA砂浆在高频和低频作用下的使用性能进行预测。研究了CA砂浆在低温与常温条件下的疲劳性能,并建立了18℃与-20℃条件下的疲劳方程,对其疲劳寿命进行了预测。 结合CA砂浆的使役条件,系统研究了CA砂浆的体积稳定性、抗冻性、抗化学介质侵蚀性能和耐候性,综合分析了各种性能的影响因素及其作用规律,掌握了CA砂浆体积依时变形与冻融破坏规律,提出了体积增稳与抗冻性改善措施,探明了CA砂浆抗化学介质侵蚀与耐候性规律,建立了残留物沥青老化性能与CA砂浆老化性能之间的关系,为制备高耐久与耐候性CA砂浆提供了重要的参考依据。 论文在系统研究了CA砂浆的组成、结构与性能之间关系的基础上,结合工程实际,进行了CA砂浆的制备、灌注工艺及参数等工程应用技术研究,并成功进行了足尺寸轨道板灌注应用。灌浆效果表明,该材料完全满足现有高速铁路板式无碴轨道结构建设要求。


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