摘 要

近年来，高速铁路飞速发展，而板式无砟轨道结构稳定性好、使用寿命长和方便维修，是当今世界上最先进的轨道技术，是高铁未来发展的方向。作为板式无砟轨道垫层的关键材料之一，CA砂浆面临着巨大的市场开发前景。

本文主要以板式无砟轨道技术的发展切入，通过理论分析及实验辅助分析的方式对乳化沥青水泥砂浆的相关力学性能及强度形成进行深入的探索与研究。研究的具体内容有：CA砂浆的原材料组成、CA砂浆的工作性能试验和三点弯曲试验等相关力学性能试验，研究了不同材料掺量比对CA砂浆强度性能的影响，其中重点研究了不同PVA纤维含量对CA砂浆的实际作用意义。通过试验对比分析确定了乳化沥青水泥砂浆的最佳配合比，并完成三点弯曲梁静态模拟。

关键字：CA砂浆；PVA纤维；配合比设计；性能试验

Abstract

In recent years, high-speed railway develops rapidly, and the stability of ballastless slab track has long service life and convenient maintenance, which is the world's most advanced track technology and the direction of the future development of high-speed rail. As one of the key materials for the cushion of ballastless slab track, CA mortar faces a huge market development prospect.

The paper mainly focuses on the development of ballastless slab track technology. Through theoretical analysis and experimentally-assisted analysis, the relevant mechanical properties and strength formation of emulsified asphalt cement mortar are deeply explored and studied. The specific contents of the research include: the raw material composition of CA mortar, the working performance test of CA mortar, and the three-point bending test and other related mechanical performance tests. The influence of the ratio of different materials on the strength properties of CA mortar was studied. Focused on the practical significance of different PVA fiber content on CA mortar. The optimum mix ratio of emulsified asphalt cement mortar was determined through comparative analysis of tests. And complete static simulation of three-point bending beam.

Key words：emulsified asphalt concrete；PVA；mix proportion design；property research

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 板式无砟轨道用CA砂浆及其研究进展 1

1.2.1 板式无砟轨道分类及基本组成 1

1.2.2 水泥沥青砂浆简介 3

1.2.3 国内外CA砂浆研究进展 3

1.3 本文研究内容和目标 5

1.3.1 研究基本内容 5

1.3.2 目标 5

第2章 CA砂浆原材料与实验方法 6

2.1 乳化沥青水泥砂浆的基本组成 6

2.1.1 乳化沥青 6

2.12 硅酸盐水泥 7

2.1.3 细集料（砂） 7

2.1.4 消泡剂 7

2.1.5 PVA纤维 8

2.1.6 水 8

2.2 CA砂浆性能测试方法 8

2.2.1 工作性能试验 8

2.2.1 力学性能试验方法 10

第3章 CA砂浆材料配合比设计 12

3.1 CA砂浆配合比设计试验 12

3.1.1 试验设备 12

3.1.2 试验具体操作过程 12

3.2 CA砂浆力学性能影响分析 14

3.2.1 乳化沥青的影响 15

3.2.2 水灰比的影响 15

3.2.3 PVA纤维的影响 16

3.3 CA砂浆配合比优化设计 19

第4章 CA砂浆试件断裂数值模拟 20

4.1 断裂数值模拟目的 20

4.2 断裂数值模拟分析 20

第5章 结论与展望 25

5.1 结论 25

5.2 展望 25

参考文献 26

致谢 27

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

近年来，高速铁路发展极为迅速，已经成为人们日常出行非常重要的交通工具之一。同时铁路的发展对于国家来说有着极其重要的战略地位。一是发展高速铁路可以解决运输能力不足的问题。当前我国物流发展迅速，公路运输和航空运输远不能满足需要，发展高速铁路，可以极大地解决运输能力不足，为国民经济平稳发展提供充足的运力保障。二是发展高速铁路是构建资源节约、环境友好的可持续交通体系的需要。铁路运输在节能、减小土地占用和部分国家重点资源性战略物质的运输方面具有很大优势，对于交通科学发展具有重大意义。三是发展高速铁路能推动城乡协调发展，促进工业化和城乡协调发展。高速铁路能大大缩减我国南北、东西方向人才流通和物质运输的时空距离，带动相关产业有经济发达区向发展区的转移铁路是国民经济大动脉和关键基础设施，加快推进铁路建设，既利当前，又利长远，对稳增长、调结构、惠民生具有重要意义。

而作为板式无砟轨道垫层关键材料的乳化沥青，其核心技术被德国、日本等少数国家所垄断，转让费高昂，而且进口的产品品种单一，不能根据工程的实际情况进行调整，给该种材料的应用造成一定的困难。这种材料和造价上的限制已成为水泥沥青砂浆实现国产化的最大障碍。因此，开发出具有自主知识产权的乳化沥青材料，对于缩小国内乳化沥青水泥砂浆的研究与国外先进水平的差距，为我国高速铁路的发展，推动我国新材料、新技术的发展，并且为实际的高速铁路工程建设做出贡献具有重要意义。

1.2 板式无砟轨道用CA砂浆及其研究进展

1.2.1 板式无砟轨道分类及基本组成

板式无砟轨道结构是高速铁路建设中采用的主要结构形式之一，其性能较为稳定，方便维护，施工方便，工业化水平高^[1]。

（1）CRTS-I型板式无砟轨道

该板式无砟轨道主要引进于日本新干线板式无砟轨道，并在此基础上吸收再创新。其主要结构如图所示（图1-1），由钢轨、弹性扣件、轨道板、乳化沥青水泥砂浆填充层、混凝土凸型挡板等结构组成^[2]。该结构采用了低弹性模量、低强度的乳化沥青砂浆作为填充层，该层位于混凝土底座板与轨道板间厚度为40~100mm的缝隙间，在施工过程中起到缓冲减震的作用。底座之间相互独立，轨道板之间由周围树脂层和混凝土凹型挡板固定。

图1-1 CRTS-I型板式无砟轨道结构

（2）CRTS-II型板式无砟轨道

该板式无砟轨道主要引进于德国板式无砟轨道，并在此基础上吸收再创新。其主要结构如图所示（图1-2）。CRTS-II型板式无砟轨道^[3]相对于CRTS-I型板式无砟轨道所用的CA砂浆的结构组成有较大区别，该结构采用了高弹性模量、高强度的乳化沥青砂浆充填，主要起竖向和水平位移约束、支撑、传力的作用。CRTS-II型板式无砟轨道制备过程中，直接将CA砂浆铺设在混凝土支撑层或浇筑在混凝土底座上，轨道板之间由螺栓纵向固定。所以这种结构的板式无砟轨道整体性更强。

图1-2 CRTS-II型板式无砟轨道结构

在上面的两种板式无砟轨道结构中，CRTS-I型板式无砟轨道结构高度低，道床宽度小，自重较小，能在一定程度上节省钢筋混凝土用料，有效控制成本，但不会降低轨道板实际承受列车载荷的有效强度。而且凹型挡板能对轨道进行定位，使得施工更为方便。此外乳化沥青砂浆调整层对施工过程中产生的误差能进行控制和修复，轨道板底部的弹性橡胶垫层保证轨道在工作中能提供优良的减震效果。CRTS-I型板式无砟轨道广泛应用于日本新干线铁路，虽然我国对该结构轨道进行吸收再创新，但在乳化沥青水泥砂浆材料等关键制备技术上，仍与国外存在一定差距。我国正处于铁路高速发展时期，关键技术的不成熟导致采购维护成本上升，不利于铁路交通的的长远发展。为实现相关技术的国产自主化，缩小国内外差距，基于此，本文对板式无砟轨道所需的乳化沥青砂浆材料进行研究。

1.2.2 水泥沥青砂浆简介

水泥沥青砂浆（cement asphalt mortar，称CAM，简称CA砂浆），是高速铁路CRTS型板式无砟轨道的关键结构性材料。是由水泥、乳化沥青、集料、水和多种外加剂等多种原材料组成，经水泥水化硬化与沥青破乳胶结共同作用而形成的一种新型有机无机复合材料^[4~5]。

我国主要使用的CA砂浆有两种，分别为CRTS I型CA砂浆和CRTS II型CA砂浆，两者间的组成及性能特点差异见表1-1。

表1-1 CRTS I型CA砂浆和CRTS II型CA砂浆对比

1.2.3 国内外CA砂浆研究进展

（1）国外发展：

国外在板式无砟轨道CA砂浆的应用研究上比较深入的主要有日本和德国，前者主要研究CRTS-I型所用的CA砂浆，后者主要研究CRTS-II型所用的砂浆，两种型号的CA砂浆在组成和性能特点上有很大区别。

德国方面：在板式无砟轨道技术研究方面，德国同日本一样处于世界领先地位，其主要代表有博格板和BZ砂浆。在2003年，博格公司提出新型乳化沥青水泥砂浆配方，将CA砂浆材料强度提高至15Mpa，且将原本低弹性模量、低强度的CA砂浆向高弹模、高强度的方向进行转变，极大提升了轨道结构强度。最后博格公司对该技术进行进一步的改良和总结，研制出了目前的BZ砂浆^[6]。

日本方面：日本地界狭长，南北温差较大，四周环海，隶属于海洋性气候。立足于本国国情，日本为了使CA砂浆能适应复杂多变的地理环境，针对性的进行了CA砂浆的改良工作。1965年，日本在开始第一条高铁的建设时，将乳化沥青、水泥、细骨料及其它联结料以合适的比例进行混合配制出适于本国气候的CA砂浆，以此作为铁路轨道板下的充填材料。为提高铁路的抗冻性和增强其抗裂性，研究人员在砂浆中掺入了p乳剂和玻璃纤维；为改善在寒冷季节所导致的施工阶段中初期冻害，采用了超快硬性水泥材料；为研发用于修补破损处所用的CA砂浆，掺入聚合物、玻璃纤维等材料^[7~8]。经过多年试验研究，日本在CA砂浆核心研制技术上累计了丰富的经验。总之，对于乳化沥青水泥砂浆材料配比方面的研究，日本在工作性能、耐久性、力学性能、施工工艺等方面进行了大量改进，且提出了符合本国国情的技术指标。温暖地区砂浆改良→寒冷地区砂浆改良→现场修补砂浆改良的过程，是日本高速铁路60多年的发展史^[9~10]。

（2）国内发展：

由于我国轨道交通起步较晚，CA砂浆的研究和应用相比于其他高铁技术较发达的西方国家和日本更为落后，且相关核心技术受到国外严格封锁，我国科研人员通过引进，借鉴，消化，吸收，再创新的方式研制出适用于我国环境的乳化沥青砂浆技术。王涛等对制备乳化沥青时的原料添加顺序对CA砂浆早期强度的影响进行了研究^[11]；左景奇等对比了日本CA砂浆与秦沈铁路线国产CA砂浆之间的差异，对乳化沥青的制备工艺进行进一步升级^[12]；马银华等通过对柔性纤维水泥进行弯拉疲劳试验表明纤维对裂缝扩张的控制有十分显著的作用^[13]；结合京津城际轨道交通工程，中铁大桥局赵建超等通过现场试验，研究了材料配合比、温度、添加剂等因素对砂浆垫层的影响，探讨了垫层砂浆各项指标之间的关系，并以此指导施工^[14]；张运华等通过对CA砂浆中乳化沥青的初步研究，探讨了不同种类乳化剂对水泥沥青存储稳定性、水泥适应性的影响^[15]；张敬义、金守华等将我国CA砂浆同日本进行对比分析，从砂浆性能、关键制备技术等进行了总结^[16~17]。李悦等对CA砂浆的进一步分析，研究了其动力学性能和耐久性等。

此外我国相关科研单位和研究机构也对CA砂浆技术进行了深入研究，主要有武汉理工大学、中南大学、重庆交通大学和中国铁道科学研究院等。

我国对乳化沥青水泥砂浆关键技术进行了大量深入研究，但综合现有文献和工程现场施工可以看出，仍存在以下问题：

（1）在不同施工环境下难以控制CA砂浆的施工质量。沥青混合料拌和时产生的高温会加速水分流失和水泥硬化，且各个施工工序需要严格控制时间，紧密衔接。在无砟轨道施工阶段，需将CA砂浆灌注到轨道板下。灌注时CA砂浆需满足一定的流动性、含气量、容重和稠度等合适的条件。面对不同施工环境，温度和湿度的变化都会使CA砂浆的质量发生变化，如流动性不强、含气量大、填充不够密实等问题。

（2）CA砂浆的强度较低和温度敏感度较高^[18]。由于CA砂浆中添加了乳化沥青，会使材料的分离度增大，同时也会产生材料强度（抗折强度，抗压强度等）下降、支撑力下降的问题，对材料的力学性能造成不良影响。温度对沥青破乳和水泥水化影响比较大，主要体现在温度升高，砂浆用水量增加，正常工作时间大幅减小。

1.3 本文研究内容和目标

本文主要基于现有的文献资料，通过理论分析及实验辅助分析的方式对乳化沥青水泥砂浆的配合比设计及相关力学性能进行深入的探索与研究。

1.3.1 研究基本内容

（1）通过文献研究以及工程应用研究，完成优化乳化沥青水泥砂浆配合比设计；

（2）研究了不同水灰比、乳化沥青和PVA纤维等掺量对CA砂浆性能的影响；

（3）通过三点弯曲等试验探明CA砂浆的工作性能和力学性能研究。

1.3.2 目标

（1）掌握具有流动性与均质性好、力学性能良好的CA砂浆配合比设计方法；

（2）掌握PVA纤维增韧乳化沥青水泥砂浆材料在不同环境下的最优配比；

（3）掌握乳化沥青-水泥砂浆的配合比设计理论，熟练应用水工砂浆配合比计算方法与基本实验技能。

第2章 CA砂浆原材料与实验方法

2.1 乳化沥青水泥砂浆的基本组成

乳化沥青水泥砂浆是由数种有机无机材料，经过水泥水化硬化和沥青破乳胶结共同作用而形成的一种新型有机无机复合材料。本实验中所涉及的主要原材料有沥青乳液、硅酸盐水泥、细集料（砂）、消泡剂、减水剂、PVA纤维和水等。为制备高性能水泥砂浆材料，需严格把控各原材料质量。

2.1.1 乳化沥青

乳化沥青是CA砂浆中的关键组成成分，其质量好坏关系到CA砂浆的各项指标，如工作性、力学性能、耐久性等。鉴于工作温度相对较高，需要大量的燃料加热集料和沥青，本次实验中，我们选择了工业沥青乳液即冷半沥青，其主要技术指标见表2-1；试验用乳化沥青见图2.1。

表2-1 沥青乳液主要指标数据

图2.1 试验用乳化沥青

2.12 硅酸盐水泥

沥青水泥混凝土改性的主要作用力为沥青乳液与水等有机物聚合产生水化作用，因此，利用沥青乳液对混凝土改性的重要因素之一便是水泥的质量，本次实验研究采用华新水泥厂生产的普通硅酸盐水泥，，参照相关规范，列出其性能参数指标，见表2-2。

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