一种耐寒型板式无砟轨道填充层用砂浆及其制备方法

1.本发明属于高速铁路建造材料技术领域，具体涉及一种耐寒型板式无砟轨道填充层用砂浆及其制备方法。


背景技术：

2.无砟轨道是以整体性较好的混凝土或沥青混凝土承载层代替散体的石砟道床，与有砟轨道相比，无砟轨道更能适应高速铁路对高稳定性、高平顺性及线路高使用率的要求，为了提高轨道在高速行车下的高稳定性、安全性和平顺性，同时减少轨道维修量，无砟轨道已成为各国高速铁路发展的主要方向。
3.高速铁路板式无砟轨道结构从上到下分为钢轨、垫板、轨道板、填充层、隔离层和底座板等六部分组成。在这六部分中，填充层结构具有至关重要的作用，并且也是板式无砟轨道施工中技术难度最大的一部分。填充层属于后施工结构，但是要求与上层的属于预制钢筋混凝土结构的轨道板最终形成整体复合结构，共同起到承载和传力的作用。钢筋混凝土结构的轨道板和道岔板其变形很小，要求后施工的ca砂浆或自密实混凝土填充层必须要具有高的界面粘结强度和低的收缩变形性能，与预制钢筋混凝土的轨道板实现紧密结合，保持协调的变形性能。根据目前国内外的相关理论和试验研究表明，轨道板底面粗糙度越大，ca砂浆或自密实混凝土充填层与轨道板粘结及咬合作用越大，轨道板与充填层协同工作性能越好。
4.水泥乳化沥青砂浆的弹韧性主要来自沥青相，沥青相含量越大，其弹韧性越好，弹模越低，延性越高。所以，低弹模高延性水泥乳化沥青砂浆中沥青组分的体积百分数较高，一般超过50％。从微细观结构上看，低弹模高延性水泥乳化沥青砂浆是以沥青相为连续相，水泥水化物和砂子为分散相的复合砂浆，其力学性能具有沥青材料的粘弹性特征。因此，在常温下具有优良弹韧性的沥青材料，在低温下就可转变为无延展性或延展性很小的硬脆固体。同样，用道路石油沥青制备的乳化沥青，再将其与水泥、砂子、水和一些添加剂拌制水泥乳化沥青砂浆，其弹韧性也会随温度降低而逐渐变差，甚至丧失弹韧性，表现显著地硬脆性。已有试验段表明，严寒地区板式轨道结构中水泥乳化沥青砂浆充填层开裂是主要劣化现象之一，其根本原因是水泥乳化沥青砂浆的低温弹韧和抗裂性较差。所以，为提高我国严寒地区高速铁路和铁路客运专线的运行安全性、舒适性和耐久性，迫切需要解决水泥乳化沥青砂浆低温弹韧性的技术难题。
5.中国发明专利申请cn201210591335.6中公开的“一种用于严寒地区板式无砟轨道的水泥乳化沥青砂浆”，所涉及的就是采用乳化沥青和聚合物乳液(例如，丙烯酸乳液、丁苯橡胶乳液、氯丁橡胶乳液等)的混合乳液，即改性乳化沥青的方法制得的水泥乳化沥青砂浆。该专利申请所涉及的技术方法制得的水泥乳化沥青砂浆，其低温弹韧性和抗裂性是有限的，没有很好地解决本发明涉及的技术难题。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种耐寒型板式无砟轨道填充层用砂浆及其制备方法，该填充层砂浆具有优良的低温弹韧性，与轨道板和底座板粘结强度高、施工简便、模量适中，具有流动性与稳定好、力学性能适宜、低温弹韧性和抗裂性极佳的优点，特别适用于严寒地区高速铁路板式无砟轨道的填充层。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种耐寒型板式无砟轨道填充层用砂浆，其特征在于，按重量份计，包括以下原料：
[0009][0010]
优选的，所述改性乳化沥青的制备方法，包括以下步骤：
[0011]
(1)将蒙脱土加入蒸馏水中，室温下搅拌1-3h，随后加入十八烷二甲基苄基氯化铵，在70-90℃下回流反应2-4h，反应完成后经过滤、洗涤、干燥处理，得到白色固体；随后将得到的白色固体加入无水乙醇中，接着加入氨丙基三乙氧基硅烷、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮，进行搅拌反应，反应完成后进行旋转蒸发，得到改性蒙脱土；
[0012]
(2)将石油沥青加热至熔融，随后加入步骤(1)中得到改性蒙脱土，在分散乳化机中剪切反应，得到改性沥青；
[0013]
(3)将纤维素醚加入水中搅拌均匀，随后加入脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，搅拌均匀后用盐酸调节其ph值为1-3，得到混合液，将步骤(2)中的改性沥青加热至熔融后加入胶体磨，接着加入混合液、环氧树脂，进行乳化3-5min，即得所述改性乳化沥青。
[0014]
优选的，步骤(1)中所述蒙脱土、十八烷二甲基苄基氯化铵、氨丙基三乙氧基硅烷、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮的质量比为100:1-3:0.5-2:10-15，所述搅拌反应温度为60-70℃，反应时间为8-10h；步骤(2)中所述石油沥青、改性蒙脱土的质量比为100:3-8，所述剪切反应转速为4000-5000r/min，温度为160-180℃，时间为1-2h；步骤(3)中所述纤维素醚、水、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、改性沥青、环氧树脂的质量比为0.5-1.5:30-40:1-3:70-90:4-10，所述熔融温度为160-170℃。
[0015]
优选的，所述干粉料由以下重量份的原料混合均匀而成：水泥70-90份、细砂100-140份、石英砂30-60份、膨胀剂0.5-2份、铝粉0.03-0.05份。
[0016]
优选的，所述膨胀剂为氧化镁膨胀剂；所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥、52.5普通
(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷与木质素纤维进行接枝反应，提高木质素纤维的疏水性，接上的γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷也可提高木质素纤维的分散性，使其在砂浆中分散均匀，同时木质素纤维在砂浆料中的加筋作用使砂浆料具有较好的柔韧性、弹性恢复性及低温应变值，互相搭接的木质素纤维能提高砂浆的抗拉强度，从而提高填充层砂浆低温抗裂性能。
[0028]
(3)本发明制备的耐寒型板式无砟轨道填充层用砂浆，在乳化沥青中加入环氧树脂，既改善了沥青的低温性能和弹性，又提高了ca砂浆的流动度、早期强度、稳定性和耐候性；同时，加入改性木质素纤维，在提高水泥砂浆的耐水性的同时改善了乳化沥青的耐低温性能，且改性后的木质素纤维也增大了轨道板、底座板与填充层的粘结性能。与现有技术相比，本发明制备的填充层用砂浆具有优良的低温弹韧性，与轨道板和底座板粘结强度高、施工简便、模量适中，具有流动性与稳定好、力学性能适宜、低温弹韧性和抗裂性极佳的优点，特别适用于严寒地区高速铁路板式无砟轨道的填充层。
具体实施方式
[0029]
下面将结合实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030]
所述聚羧酸粉体减水剂购自辽宁科隆精细化工股份有限公司，牌号为sp409；所述纤维素醚购自武汉润兴源科技有限公司，为羟丙基甲基纤维素，型号为lh20m；所述石油沥青为90#石油沥青；所述脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠购自山东启智化工新材料有限公司；所述环氧树脂购自万青化学科技有限公司，牌号为wsr 6101(e44)；所述木质素纤维购自泰安市安丰新材料科技有限公司，纤维长度为1-3mm。
[0031]
实施例1
[0032]
一种耐寒型板式无砟轨道填充层用砂浆的制备方法，步骤如下：
[0033]
按照重量配比称取原料，将210份水、200份改性乳化沥青和3份乙二醇依次加入砂浆搅拌机内，在30rpm下搅拌3min；随后加入800份干粉料、2份聚羧酸粉体减水剂、5份石膏粉、10份改性木质素纤维，在70rpm下搅拌8min，搅拌完成后降低转速至20rpm，搅拌2min，即得所述砂浆。
[0034]
其中，所述干粉料由以下重量份的原料混合均匀而成：水泥70份、细砂100份、石英砂30份、膨胀剂0.5份、铝粉0.03份；所述膨胀剂为氧化镁膨胀剂；所述水泥为42.5快硬硫铝酸盐水泥；所述细砂的平均粒径为0.1mm；所述石英砂为平均粒径为1.5mm。
[0035]
所述改性乳化沥青的制备方法，包括以下步骤：
[0036]
(1)将100g蒙脱土加入500ml蒸馏水中，室温下搅拌1h，随后加入1g十八烷二甲基苄基氯化铵，在70℃下回流反应4h，反应完成后经过滤、洗涤、干燥处理，得到白色固体；随后将得到的白色固体加入500ml无水乙醇中，接着加入0.5g氨丙基三乙氧基硅烷、10g2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮，在60℃下搅拌反应10h，反应完成后进行旋转蒸发除去乙醇，得到改性蒙脱土；
[0037]
(2)将100g石油沥青加热至170℃熔融，随后加入步骤(1)中得到改性蒙脱土(3g)，
在分散乳化机中剪切反应，剪切反应转速为4000r/min，温度为160℃，时间为2h，得到改性沥青；
[0038]
(3)将0.5g纤维素醚加入30g水中搅拌均匀，随后加入1g脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，搅拌均匀后用盐酸调节其ph值为1，得到混合液，将步骤(2)中的改性沥青(70g)加热至熔融后加入胶体磨，接着加入混合液、4g环氧树脂，进行乳化3min，即得所述改性乳化沥青。
[0039]
所述改性木质素纤维的制备方法，包括以下步骤：
[0040]
(a)将10g木质素纤维加入到150g、5wt％的过氧化氢溶液中，在60℃浸泡18h，浸泡完成后经进行过滤、洗涤、烘干，得到预处理木质素纤维；
[0041]
(b)将步骤(a)中得到的预处理木质素纤维(100g)加入500ml丙酮中，随后加入2g乙酸酐、5gγ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、0.5g二月桂酸二丁基锡，在氮气条件下搅拌反应，反应温度为80℃，反应时间为6h，反应完成后经过滤、洗涤、烘干，即得所述改性木质素纤维。
[0042]
实施例2
[0043]
一种耐寒型板式无砟轨道填充层用砂浆的制备方法，步骤如下：
[0044]
按照重量配比称取原料，将250份水、300份改性乳化沥青和5份聚乙二醇(peg-200)依次加入砂浆搅拌机内，在35rpm下搅拌2min；随后加入900份干粉料、4份聚羧酸粉体减水剂、7份石膏粉、15份改性木质素纤维，在80rpm下搅拌6min，搅拌完成后降低转速至25rpm，搅拌2min，即得所述砂浆。
[0045]
其中，所述干粉料由以下重量份的原料混合均匀而成：水泥80份、细砂120份、石英砂45份、膨胀剂1份、铝粉0.04份；所述膨胀剂为氧化镁膨胀剂；所述水泥为52.5普通硅酸盐水泥；所述细砂的平均粒径为0.2mm；所述石英砂为平均粒径为2mm。
[0046]
所述改性乳化沥青的制备方法，包括以下步骤：
[0047]
(1)将100g蒙脱土加入500ml蒸馏水中，室温下搅拌2h，随后加入2g十八烷二甲基苄基氯化铵，在80℃下回流反应3h，反应完成后经过滤、洗涤、干燥处理，得到白色固体；随后将得到的白色固体加入500ml无水乙醇中，接着加入1g氨丙基三乙氧基硅烷、13g 2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮，在65℃下搅拌反应9h，反应完成后进行旋转蒸发除去乙醇，得到改性蒙脱土；
[0048]
(2)将100g石油沥青加热至170℃熔融，随后加入步骤(1)中得到改性蒙脱土(6g)，在分散乳化机中剪切反应，剪切反应转速为4500r/min，温度为170℃，时间为1.5h，得到改性沥青；
[0049]
(3)将1g纤维素醚加入35g水中搅拌均匀，随后加入2g脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，搅拌均匀后用盐酸调节其ph值为2，得到混合液，将步骤(2)中的改性沥青(80g)加热至熔融后加入胶体磨，接着加入混合液、7g环氧树脂，进行乳化4min，即得所述改性乳化沥青。
[0050]
所述改性木质素纤维的制备方法，包括以下步骤：
[0051]
(a)将10g木质素纤维加入到200g、7wt％的过氧化氢溶液中，在65℃浸泡15h，浸泡完成后经进行过滤、洗涤、烘干，得到预处理木质素纤维；
[0052]
(b)将步骤(a)中得到的预处理木质素纤维(100g)加入500ml丙酮中，随后加入4g乙酸酐、7gγ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、1g二月桂酸二丁基锡，在氮气条件下搅拌反应，反应温度为90℃，反应时间为4h，反应完成后经过滤、洗涤、烘干，即得所述改性
木质素纤维。
[0053]
实施例3
[0054]
一种耐寒型板式无砟轨道填充层用砂浆的制备方法，步骤如下：
[0055]
按照重量配比称取原料，将280份水、350份改性乳化沥青和6份丙二醇依次加入砂浆搅拌机内，在40rpm下搅拌3min；随后加入1000份干粉料、5份聚羧酸粉体减水剂、10份石膏粉、20份改性木质素纤维，在90rpm下搅拌4min，搅拌完成后降低转速至30rpm，搅拌2min，即得所述砂浆。
[0056]
其中，所述干粉料由以下重量份的原料混合均匀而成：水泥90份、细砂140份、石英砂60份、膨胀剂2份、铝粉0.05份；所述膨胀剂为氧化镁膨胀剂；所述水泥为42.5粉煤灰水泥；所述细砂的平均粒径为0.3mm；所述石英砂为平均粒径为2.5mm。
[0057]
所述改性乳化沥青的制备方法，包括以下步骤：
[0058]
(1)将100g蒙脱土加入500ml蒸馏水中，室温下搅拌3h，随后加入3g十八烷二甲基苄基氯化铵，在90℃下回流反应2h，反应完成后经过滤、洗涤、干燥处理，得到白色固体；随后将得到的白色固体加入500ml无水乙醇中，接着加入2g氨丙基三乙氧基硅烷、15g 2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮，在70℃下搅拌反应8h，反应完成后进行旋转蒸发除去乙醇，得到改性蒙脱土；
[0059]
(2)将100g石油沥青加热至170℃熔融，随后加入步骤(1)中得到改性蒙脱土(8g)，在分散乳化机中剪切反应，剪切反应转速为5000r/min，温度为180℃，时间为1h，得到改性沥青；
[0060]
(3)将1.5g纤维素醚加入40g水中搅拌均匀，随后加入3g脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，搅拌均匀后用盐酸调节其ph值为3，得到混合液，将步骤(2)中的改性沥青(90g)加热至熔融后加入胶体磨，接着加入混合液、10g环氧树脂，进行乳化5min，即得所述改性乳化沥青。
[0061]
所述改性木质素纤维的制备方法，包括以下步骤：
[0062]
(a)将10g木质素纤维加入到250g、10wt％的过氧化氢溶液中，在70℃浸泡12h，浸泡完成后经进行过滤、洗涤、烘干，得到预处理木质素纤维；
[0063]
(b)将步骤(a)中得到的预处理木质素纤维(100g)加入500ml丙酮中，随后加入5g乙酸酐、10gγ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、2g二月桂酸二丁基锡，在氮气条件下搅拌反应，反应温度为100℃，反应时间为2h，反应完成后经过滤、洗涤、烘干，即得所述改性木质素纤维。
[0064]
对比例1
[0065]
一种耐寒型板式无砟轨道填充层用砂浆的制备方法，步骤如下：
[0066]
按照重量配比称取原料，将210份水、200份乳化沥青和3份乙二醇依次加入砂浆搅拌机内，在30rpm下搅拌3min；随后加入800份干粉料、2份聚羧酸粉体减水剂、5份石膏粉、10份改性木质素纤维，在70rpm下搅拌8min，搅拌完成后降低转速至20rpm，搅拌2min，即得所述砂浆。
[0067]
其中，所述干粉料由以下重量份的原料混合均匀而成：水泥70份、细砂100份、石英砂30份、膨胀剂0.5份、铝粉0.03份；所述膨胀剂为氧化镁膨胀剂；所述水泥为42.5快硬硫铝酸盐水泥；所述细砂的平均粒径为0.1mm；所述石英砂为平均粒径为1.5mm。
[0068]
所述乳化沥青的制备方法，包括以下步骤：
[0069]
将0.5g纤维素醚加入30g水中搅拌均匀，随后加入1g脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，搅拌均匀后用盐酸调节其ph值为1，得到混合液，将70g沥青加热至160℃熔融后加入胶体磨，接着加入混合液，进行乳化3min，即得所述乳化沥青。
[0070]
所述改性木质素纤维的制备方法，包括以下步骤：
[0071]
(a)将10g木质素纤维加入到150g、5wt％的过氧化氢溶液中，在60℃浸泡18h，浸泡完成后经进行过滤、洗涤、烘干，得到预处理木质素纤维；
[0072]
(b)将步骤(a)中得到的预处理木质素纤维(100g)加入500ml丙酮中，随后加入2g乙酸酐、5gγ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、0.5g二月桂酸二丁基锡，在氮气条件下搅拌反应，反应温度为80℃，反应时间为6h，反应完成后经过滤、洗涤、烘干，即得所述改性木质素纤维。
[0073]
对比例2
[0074]
一种耐寒型板式无砟轨道填充层用砂浆的制备方法，步骤如下：
[0075]
按照重量配比称取原料，将210份水、200份改性乳化沥青和3份乙二醇依次加入砂浆搅拌机内，在30rpm下搅拌3min；随后加入800份干粉料、2份聚羧酸粉体减水剂、5份石膏粉、10份木质素纤维，在70rpm下搅拌8min，搅拌完成后降低转速至20rpm，搅拌2min，即得所述砂浆。
[0076]
其中，所述干粉料由以下重量份的原料混合均匀而成：水泥70份、细砂100份、石英砂30份、膨胀剂0.5份、铝粉0.03份；所述膨胀剂为氧化镁膨胀剂；所述水泥为42.5快硬硫铝酸盐水泥；所述细砂的平均粒径为0.1mm；所述石英砂为平均粒径为1.5mm。
[0077]
所述改性乳化沥青的制备方法，包括以下步骤：
[0078]
(1)将100g蒙脱土加入500ml蒸馏水中，室温下搅拌1h，随后加入1g十八烷二甲基苄基氯化铵，在70℃下回流反应4h，反应完成后经过滤、洗涤、干燥处理，得到白色固体；随后将得到的白色固体加入500ml无水乙醇中，接着加入0.5g氨丙基三乙氧基硅烷、10g2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮，在60℃下搅拌反应10h，反应完成后进行旋转蒸发除去乙醇，得到改性蒙脱土；
[0079]
(2)将100g石油沥青加热至熔融，随后加入步骤(1)中得到改性蒙脱土(3g)，在分散乳化机中剪切反应，剪切反应转速为4000r/min，温度为160℃，时间为2h，得到改性沥青；
[0080]
(3)将0.5g纤维素醚加入30g水中搅拌均匀，随后加入1g脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，搅拌均匀后用盐酸调节其ph值为1，得到混合液，将步骤(2)中的改性沥青(70g)加热至熔融后加入胶体磨，接着加入混合液、4g环氧树脂，进行乳化3min，即得所述改性乳化沥青。
[0081]
按照《客运专线crts i型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)的要求，将实施例1-3和对比例1-2制备得到的耐寒型板式无砟轨道填充层用砂浆进行性能测试，与混凝土界面粘结强度根据db34/t 3840-2021中附录d《沥青路面层间粘结强度试验方法测试结果》进行测试，测试结果如下表1：
[0082]
表1
[0083]
[0084][0085]
从表1中可以看出，本发明制备的耐寒型板式无砟轨道填充层用砂浆的流动度、可工作时间、分离度、含气量、表观密度、泛浆率、膨胀率、抗压强度(1d、7d、28d)、弹性模量(28d)、耐候性指标都符合crts i型水泥乳化沥青砂浆的技术要求，同时，其还具有优异的低温力学性能与混凝土界面粘结强度，可以大大缓解轨道板和底座板的脱离、脱粘、剥离以及自身的开裂、破碎等病害，改善砂浆的耐寒性，具有良好的应用前景；与未加入改性乳化沥青的对比例1和未加入改性木质素纤维的对比例2相比，表现出优异的性能。
[0086]
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。