硫鋁酸鹽系列水泥在鐵道工程中應(yīng)用

　　硫鋁酸鹽系列水泥是硫鋁酸鹽水泥和鐵鋁酸鹽水泥的統(tǒng)稱(chēng)，是建筑材料科學(xué)研究院主持研制成功的不同于硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥的新系列水泥。其中硫鋁酸鹽快硬水泥在20世紀(jì)70年代中期問(wèn)世以來(lái)，由于它具有早強(qiáng)快硬微膨脹特性，很快引起我們鐵道部門(mén)的興趣。從1976年開(kāi)始我們對(duì)硫鋁酸鹽快硬水泥混凝土的性能及在鐵道工程中的應(yīng)用進(jìn)行較系統(tǒng)地試驗(yàn)研究。其中關(guān)于硫鋁酸鹽水泥混凝土的負(fù)溫強(qiáng)度特性、耐化學(xué)腐蝕性能、超早強(qiáng)性能開(kāi)展了專(zhuān)題研究，同時(shí)，還結(jié)合鐵路的特點(diǎn)研制了一些可以更充分發(fā)揮該水泥特點(diǎn)的化學(xué)外加劑和有關(guān)產(chǎn)品。十幾年來(lái)，我們主持完成了與硫鋁酸鹽水泥有關(guān)的科研成果主要有：青藏鐵路拼裝橋梁負(fù)溫接頭材料研究（1980年）；ZM型早強(qiáng)砂漿錨桿（1983年）；ZP型早強(qiáng)噴射混凝土（1983年）；負(fù)溫早強(qiáng)混凝土在冬季施工中應(yīng)用（1987年）；噴射早強(qiáng)鋼纖維混凝土在加固工程中應(yīng)用（1988年）；路面快速修補(bǔ)用特快硬混凝土的研究（1992年）；軌枕道釘錨固新材料的研究（1995年）。使硫鋁酸鹽水泥在鐵路工程的混凝土冬季施工、噴錨加固、搶修和耐腐蝕工程中得到推廣應(yīng)用。通過(guò)近20年的試驗(yàn)研究和推廣應(yīng)用，已經(jīng)證明硫鋁酸鹽系列水泥在冬季混凝土施工、噴錨、加固、搶修和耐腐蝕工程中應(yīng)用是非常成功的，在其它方面的還有廣闊的前景。
一、在冬季混凝土施工中應(yīng)用
　　早在1975年，當(dāng)初我們承接青藏鐵路拼裝式橋梁柱接頭負(fù)溫施工的課題。由于青藏鐵路處于高寒地區(qū)，拼裝式橋梁施工都要在負(fù)溫下進(jìn)行，最低氣溫-25℃以下，接頭膠結(jié)材料要在負(fù)溫下施工難度很大。此時(shí)，得知建材院水泥所研制早強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥，我們立即對(duì)該水泥混凝土的低溫強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該水泥對(duì)溫度敏感，低溫強(qiáng)度仍然較低，但是，摻加適量亞硝酸鈉后，在負(fù)溫條件，不但強(qiáng)度發(fā)展大大加快，而且既使初期受凍不影響后期強(qiáng)度。通過(guò)大量試驗(yàn)研究和機(jī)理分析，認(rèn)為這種負(fù)溫特性雖然與亞硝酸鈉的促進(jìn)硬化、降低冰點(diǎn)、減水分散作用有很大關(guān)系，但主要還取決于硫鋁酸鹽水泥自身的特點(diǎn)。
　　1976年摻亞硝酸鈉的硫鋁酸鹽水泥負(fù)溫早強(qiáng)混凝土首先在青藏公路海拔4600米的一座公路試驗(yàn)橋上應(yīng)用，取得了成功。1977年12月份青藏鐵路拼裝橋首先從德令哈地區(qū)施工，接頭膠結(jié)材料采用硫鋁酸鹽負(fù)溫早強(qiáng)混凝土。施工期間最低氣溫-25℃，白天最高-10℃。負(fù)溫早強(qiáng)混凝土3天抗壓強(qiáng)度達(dá)28.3MPa，7天就超過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，解決了青藏鐵路拼裝橋梁的施工難題。1977年以來(lái)，由于硫鋁酸鹽水泥負(fù)溫早強(qiáng)混凝土試驗(yàn)取得成功，在華北和東北地區(qū)鐵路工程冬季施工中逐步得到推廣。1980年~1983年鐵道部建廠工程局在北京地區(qū)承建北方交大教學(xué)主樓和鐵科院一些宿舍樓，就采用了硫鋁酸鹽水泥負(fù)溫早強(qiáng)混凝土。最低氣溫達(dá)-15℃，大墻板表面系數(shù)很大，采用整塊大鋼模施工，施工難度很大。由于采用摻亞硝酸鈉的硫鋁酸鹽混凝土，50℃熱水拌合，混凝土3天強(qiáng)度就接近20MPa，28天超過(guò)35MPa，強(qiáng)度發(fā)展很快，后期強(qiáng)度也很高。北京鐵路局、沈陽(yáng)鐵路局也都陸續(xù)采用硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行負(fù)溫下快速施工。除建筑工程外，不少鐵路橋涵冬季施工也成功地采用硫鋁酸鹽水泥。1983年1月，北京郊區(qū)某火車(chē)站立交版涵的冬施就采用硫鋁酸鹽水泥，設(shè)計(jì)強(qiáng)度C20，墻厚50cm，最低溫度-15℃，用40~50℃熱水?dāng)嚢?，鋼模外二層草袋保溫?；炷翝仓?4小時(shí)混凝土溫度達(dá)25℃，第4天拆模，強(qiáng)度已大于20MPa。1982年冬，引灤入津隧洞工程，采用硫鋁酸鹽水泥澆筑明挖埋管道工程的框架，邊墻厚70cm，混凝土澆筑后10小時(shí)，內(nèi)溫達(dá)34℃，3天后降低溫到0℃抗壓強(qiáng)度已超過(guò)30MPa，強(qiáng)度發(fā)展很快。1981年北京某抗震試驗(yàn)室，34根鋼筋混凝土主柱必須在春節(jié)前安裝完畢，采用硫鋁酸鹽負(fù)溫早強(qiáng)混凝土，1天強(qiáng)度就達(dá)34MPa，28天超過(guò)55MPa。由于1天就可拆模，大大縮短了工期，34根主柱19天就全部完工。齊齊哈爾鐵路分局還用硫鋁酸鹽水泥配制超早強(qiáng)耐凍砂漿和混凝土，用于氣溫低于-25℃的負(fù)溫條件下?lián)屝薰こ獭Ｘ?fù)溫早強(qiáng)混凝土在冬季施工中應(yīng)用的研究科研成果于1987年通過(guò)鐵道部技術(shù)鑒定，而且納入《冬季施工手冊(cè)》，為在全國(guó)推廣應(yīng)用提供依據(jù)。
二、在噴錨加固工程中應(yīng)用
　　鐵路隧道施工時(shí)，作為初期支護(hù)目前一般采用噴射混凝土和錨桿加固技術(shù)，但由于采用普通水泥的噴射混凝土和砂漿錨桿其初期強(qiáng)度很低，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和作業(yè)安全，特別對(duì)于軟弱圍巖的隧道施工，更要求噴射混凝土和錨桿砂漿早期強(qiáng)度高，采用普通水泥顯然達(dá)不到早強(qiáng)要求。20世紀(jì)80年代初，我們利用硫鋁酸鹽水泥的早強(qiáng)快硬特點(diǎn)，進(jìn)行早強(qiáng)噴射混凝土和早強(qiáng)砂漿錨桿的試驗(yàn)研究，研制了TS型專(zhuān)用速凝劑和早強(qiáng)錨固包等新材料。　　　1981年在隴海鐵路吳莊隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，1982年在引灤入津隧洞工程中大量應(yīng)用，大秦鐵路的隧道施工都得到廣泛推廣應(yīng)用。由于采用了硫鋁酸鹽水泥和專(zhuān)用速凝劑，混凝土具有很高的小時(shí)強(qiáng)度，對(duì)于加快施工進(jìn)度，保證工程安全起了很大作用。ZP型早強(qiáng)噴混凝土1小時(shí)強(qiáng)度達(dá)2.5MPa，2小時(shí)達(dá)到10MPa，早強(qiáng)錨桿砂漿1小時(shí)就可承載，充分發(fā)揮早強(qiáng)快硬的特點(diǎn)。該項(xiàng)成果1983年通過(guò)鐵道部技術(shù)鑒定，隨后還編制了TS速凝劑和早強(qiáng)錨固包的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，還納入有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，在鐵路內(nèi)推廣應(yīng)用。這兩項(xiàng)技術(shù)還在建筑工程抗震加固和橋墩加固工程中推廣應(yīng)用。1983年至1985年期間，沈陽(yáng)鐵路局沈一大鐵路不少病害墩臺(tái)的加固，都大量采用硫鋁酸鹽水泥早強(qiáng)噴錨技術(shù)，不但提前完成加固任務(wù)，而且不影響列車(chē)正常通行，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益很顯著。在鐵道部許多工程局、鐵路局大修隊(duì)和工務(wù)段、房建段都很愿意使用硫鋁酸鹽快硬水泥進(jìn)行快速?lài)婂^加固施工。
三、在搶修工程中應(yīng)用
　　鐵路運(yùn)輸具有不能輕易中斷的特點(diǎn)，所以鐵路橋涵、隧洞等的加固、維修作業(yè)一般都不能影響運(yùn)輸，大量的加固維修工作都是搶修或快速施工。硫鋁酸鹽水泥的早強(qiáng)快硬特性非常適合于鐵路搶修施工。1985年京秦鐵路即將通車(chē)之前，不巧某立交橋由于火災(zāi)受損，而離開(kāi)工程驗(yàn)收時(shí)間只有一個(gè)多月。在我們建議下，采用硫鋁酸鹽水泥噴射法加固，圓滿(mǎn)地完成加固任務(wù)。沈陽(yáng)鐵路局許多橋梁和墩臺(tái)的加固都是采用硫鋁酸鹽水泥完成的，由于充分利用硫鋁酸鹽水泥早強(qiáng)快硬的特點(diǎn)，對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)挠绊懞苄　Ｍ瑫r(shí)，由于減少了列車(chē)振動(dòng)對(duì)混凝土的影響，加固質(zhì)量也很好。1983年，京原鐵路驛馬嶺隧道的整體道床混凝土嚴(yán)重破損，翻修計(jì)劃要停運(yùn)1個(gè)多月，由于采用硫鋁酸鹽水泥早強(qiáng)混凝土，只用18天就完成，提前十多天開(kāi)通運(yùn)輸，減少了大量運(yùn)輸損失。柳州鐵路局波寨2號(hào)隧道整體道床開(kāi)裂下沉，要求在行車(chē)間隙內(nèi)進(jìn)行搶修，由于采用硫鋁酸鹽水泥加促硬劑，并用壓力注漿方法進(jìn)行搶修，在不影響行車(chē)的條件下，搶修效果很好。水泥混凝土路面的破損在全國(guó)各地都很?chē)?yán)重，由于交通繁忙，修補(bǔ)速度要快，不能影響交通，硫鋁酸鹽水泥混凝土是很理想的修補(bǔ)材料。亞運(yùn)會(huì)期間北京二環(huán)路的破損路面要搶修，為了不影響白天交通，規(guī)定在夜間搶修，要求混凝土4小時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到20MPa以上。我們與北京市政管理局合作，以硫鋁酸鹽水泥為膠結(jié)料配制成功超早強(qiáng)混凝土。在北京之后，又在天津、石家莊、大慶、大連等城市市政和公路部門(mén)推廣應(yīng)用，收到很好的效果。
四、在耐腐蝕工程中應(yīng)用
　　我國(guó)西南、西北地區(qū)和沿海鐵路工程中，遇到很?chē)?yán)重的混凝土腐蝕問(wèn)題，其中硫酸鹽類(lèi)化學(xué)腐蝕尤為嚴(yán)重，至今仍沒(méi)有有效的解決辦法。早在修建成昆鐵路時(shí)曾用抗硫酸鹽水泥但效果并不理想。在修建青新鐵路和南疆鐵路第一期工程期間，我們對(duì)硫鋁酸鹽水泥的耐硫酸鹽腐蝕性能進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)該水泥耐硫酸鹽性能非常優(yōu)異，后又在西北鐵路現(xiàn)場(chǎng)和天津塘沽鹽場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)期埋設(shè)試驗(yàn)，都證明硫鋁酸鹽水泥即使在高濃度的鹵水中也有很好的耐腐蝕性能，尤其是在硫鋁酸鹽水泥中摻入20%以上的腐細(xì)礦渣后，耐腐蝕性能更加提高。在不少耐腐蝕工程中都采用了硫鋁酸鹽水泥。北京鐵路局天津工程段在某專(zhuān)用線通過(guò)漢沽鹽場(chǎng)時(shí)，有幾十座橋涵穿過(guò)苦鹵鹽池，環(huán)境水對(duì)混凝土有很?chē)?yán)重的腐蝕作用。為了預(yù)防腐蝕，許多橋涵基礎(chǔ)、墩臺(tái)和預(yù)制蓋板采用硫鋁酸鹽水泥，使用10多年效果很好。山西太陽(yáng)高速公路，在陽(yáng)泉有兩座特大橋，其樁基礎(chǔ)通過(guò)煤層時(shí)，有中等硫酸鹽腐蝕作用，建議采用硫鋁酸鹽水泥，灌筑了近100根水下灌注混凝土樁，為重點(diǎn)工程解決了技術(shù)難題。在沿海鐵路工程中，經(jīng)常遇到海水的腐蝕問(wèn)題，硫鋁酸鹽水泥也都發(fā)揮了很重要的作用。
　　硫鋁酸鹽系列水泥在鐵路工程中的其它領(lǐng)域還有廣闊的應(yīng)用前景，如大量鐵路混凝土制品，尤其是枕、橋梁、支柱等，都可以充分利用硫鋁酸鹽系列水泥的特性加式制造。
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