硫铝酸盐系列水泥在铁道工程中应用

　　硫铝酸盐系列水泥是硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥的统称，是建筑材料科学研究院主持研制成功的不同于硅酸盐水泥和铝酸盐水泥的新系列水泥。其中硫铝酸盐快硬水泥在20世纪70年代中期问世以来，由于它具有早强快硬微膨胀特性，很快引起我们铁道部门的兴趣。从1976年开始我们对硫铝酸盐快硬水泥混凝土的性能及在铁道工程中的应用进行较系统地试验研究。其中关于硫铝酸盐水泥混凝土的负温强度特性、耐化学腐蚀性能、超早强性能开展了专题研究，同时，还结合铁路的特点研制了一些可以更充分发挥该水泥特点的化学外加剂和有关产品。十几年来，我们主持完成了与硫铝酸盐水泥有关的科研成果主要有：青藏铁路拼装桥梁负温接头材料研究（1980年）；ZM型早强砂浆锚杆（1983年）；ZP型早强喷射混凝土（1983年）；负温早强混凝土在冬季施工中应用（1987年）；喷射早强钢纤维混凝土在加固工程中应用（1988年）；路面快速修补用特快硬混凝土的研究（1992年）；轨枕道钉锚固新材料的研究（1995年）。使硫铝酸盐水泥在铁路工程的混凝土冬季施工、喷锚加固、抢修和耐腐蚀工程中得到推广应用。通过近20年的试验研究和推广应用，已经证明硫铝酸盐系列水泥在冬季混凝土施工、喷锚、加固、抢修和耐腐蚀工程中应用是非常成功的，在其它方面的还有广阔的前景。
一、在冬季混凝土施工中应用
　　早在1975年，当初我们承接青藏铁路拼装式桥梁柱接头负温施工的课题。由于青藏铁路处于高寒地区，拼装式桥梁施工都要在负温下进行，最低气温-25℃以下，接头胶结材料要在负温下施工难度很大。此时，得知建材院水泥所研制早强硫铝酸盐水泥，我们立即对该水泥混凝土的低温强度进行试验，发现该水泥对温度敏感，低温强度仍然较低，但是，掺加适量亚硝酸钠后，在负温条件，不但强度发展大大加快，而且既使初期受冻不影响后期强度。通过大量试验研究和机理分析，认为这种负温特性虽然与亚硝酸钠的促进硬化、降低冰点、减水分散作用有很大关系，但主要还取决于硫铝酸盐水泥自身的特点。
　　1976年掺亚硝酸钠的硫铝酸盐水泥负温早强混凝土首先在青藏公路海拔4600米的一座公路试验桥上应用，取得了成功。1977年12月份青藏铁路拼装桥首先从德令哈地区施工，接头胶结材料采用硫铝酸盐负温早强混凝土。施工期间最低气温-25℃，白天最高-10℃。负温早强混凝土3天抗压强度达28.3MPa，7天就超过设计强度，解决了青藏铁路拼装桥梁的施工难题。1977年以来，由于硫铝酸盐水泥负温早强混凝土试验取得成功，在华北和东北地区铁路工程冬季施工中逐步得到推广。1980年~1983年铁道部建厂工程局在北京地区承建北方交大教学主楼和铁科院一些宿舍楼，就采用了硫铝酸盐水泥负温早强混凝土。最低气温达-15℃，大墙板表面系数很大，采用整块大钢模施工，施工难度很大。由于采用掺亚硝酸钠的硫铝酸盐混凝土，50℃热水拌合，混凝土3天强度就接近20MPa，28天超过35MPa，强度发展很快，后期强度也很高。北京铁路局、沈阳铁路局也都陆续采用硫铝酸盐水泥进行负温下快速施工。除建筑工程外，不少铁路桥涵冬季施工也成功地采用硫铝酸盐水泥。1983年1月，北京郊区某火车站立交版涵的冬施就采用硫铝酸盐水泥，设计强度C20，墙厚50cm，最低温度-15℃，用40~50℃热水搅拌，钢模外二层草袋保温。混凝土浇筑后24小时混凝土温度达25℃，第4天拆模，强度已大于20MPa。1982年冬，引滦入津隧洞工程，采用硫铝酸盐水泥浇筑明挖埋管道工程的框架，边墙厚70cm，混凝土浇筑后10小时，内温达34℃，3天后降低温到0℃抗压强度已超过30MPa，强度发展很快。1981年北京某抗震试验室，34根钢筋混凝土主柱必须在春节前安装完毕，采用硫铝酸盐负温早强混凝土，1天强度就达34MPa，28天超过55MPa。由于1天就可拆模，大大缩短了工期，34根主柱19天就全部完工。齐齐哈尔铁路分局还用硫铝酸盐水泥配制超早强耐冻砂浆和混凝土，用于气温低于-25℃的负温条件下抢修工程。负温早强混凝土在冬季施工中应用的研究科研成果于1987年通过铁道部技术鉴定，而且纳入《冬季施工手册》，为在全国推广应用提供依据。
二、在喷锚加固工程中应用
　　铁路隧道施工时，作为初期支护目前一般采用喷射混凝土和锚杆加固技术，但由于采用普通水泥的喷射混凝土和砂浆锚杆其初期强度很低，严重影响施工进度和作业安全，特别对于软弱围岩的隧道施工，更要求喷射混凝土和锚杆砂浆早期强度高，采用普通水泥显然达不到早强要求。20世纪80年代初，我们利用硫铝酸盐水泥的早强快硬特点，进行早强喷射混凝土和早强砂浆锚杆的试验研究，研制了TS型专用速凝剂和早强锚固包等新材料。　　　1981年在陇海铁路吴庄隧道进行现场试验，1982年在引滦入津隧洞工程中大量应用，大秦铁路的隧道施工都得到广泛推广应用。由于采用了硫铝酸盐水泥和专用速凝剂，混凝土具有很高的小时强度，对于加快施工进度，保证工程安全起了很大作用。ZP型早强喷混凝土1小时强度达2.5MPa，2小时达到10MPa，早强锚杆砂浆1小时就可承载，充分发挥早强快硬的特点。该项成果1983年通过铁道部技术鉴定，随后还编制了TS速凝剂和早强锚固包的行业标准，还纳入有关设计规范，在铁路内推广应用。这两项技术还在建筑工程抗震加固和桥墩加固工程中推广应用。1983年至1985年期间，沈阳铁路局沈一大铁路不少病害墩台的加固，都大量采用硫铝酸盐水泥早强喷锚技术，不但提前完成加固任务，而且不影响列车正常通行，社会效益和经济效益很显著。在铁道部许多工程局、铁路局大修队和工务段、房建段都很愿意使用硫铝酸盐快硬水泥进行快速喷锚加固施工。
三、在抢修工程中应用
　　铁路运输具有不能轻易中断的特点，所以铁路桥涵、隧洞等的加固、维修作业一般都不能影响运输，大量的加固维修工作都是抢修或快速施工。硫铝酸盐水泥的早强快硬特性非常适合于铁路抢修施工。1985年京秦铁路即将通车之前，不巧某立交桥由于火灾受损，而离开工程验收时间只有一个多月。在我们建议下，采用硫铝酸盐水泥喷射法加固，圆满地完成加固任务。沈阳铁路局许多桥梁和墩台的加固都是采用硫铝酸盐水泥完成的，由于充分利用硫铝酸盐水泥早强快硬的特点，对铁路运输的影响很小。同时，由于减少了列车振动对混凝土的影响，加固质量也很好。1983年，京原铁路驿马岭隧道的整体道床混凝土严重破损，翻修计划要停运1个多月，由于采用硫铝酸盐水泥早强混凝土，只用18天就完成，提前十多天开通运输，减少了大量运输损失。柳州铁路局波寨2号隧道整体道床开裂下沉，要求在行车间隙内进行抢修，由于采用硫铝酸盐水泥加促硬剂，并用压力注浆方法进行抢修，在不影响行车的条件下，抢修效果很好。水泥混凝土路面的破损在全国各地都很严重，由于交通繁忙，修补速度要快，不能影响交通，硫铝酸盐水泥混凝土是很理想的修补材料。亚运会期间北京二环路的破损路面要抢修，为了不影响白天交通，规定在夜间抢修，要求混凝土4小时抗压强度达到20MPa以上。我们与北京市政管理局合作，以硫铝酸盐水泥为胶结料配制成功超早强混凝土。在北京之后，又在天津、石家庄、大庆、大连等城市市政和公路部门推广应用，收到很好的效果。
四、在耐腐蚀工程中应用
　　我国西南、西北地区和沿海铁路工程中，遇到很严重的混凝土腐蚀问题，其中硫酸盐类化学腐蚀尤为严重，至今仍没有有效的解决办法。早在修建成昆铁路时曾用抗硫酸盐水泥但效果并不理想。在修建青新铁路和南疆铁路第一期工程期间，我们对硫铝酸盐水泥的耐硫酸盐腐蚀性能进行系统试验研究，发现该水泥耐硫酸盐性能非常优异，后又在西北铁路现场和天津塘沽盐场进行长期埋设试验，都证明硫铝酸盐水泥即使在高浓度的卤水中也有很好的耐腐蚀性能，尤其是在硫铝酸盐水泥中掺入20%以上的腐细矿渣后，耐腐蚀性能更加提高。在不少耐腐蚀工程中都采用了硫铝酸盐水泥。北京铁路局天津工程段在某专用线通过汉沽盐场时，有几十座桥涵穿过苦卤盐池，环境水对混凝土有很严重的腐蚀作用。为了预防腐蚀，许多桥涵基础、墩台和预制盖板采用硫铝酸盐水泥，使用10多年效果很好。山西太阳高速公路，在阳泉有两座特大桥，其桩基础通过煤层时，有中等硫酸盐腐蚀作用，建议采用硫铝酸盐水泥，灌筑了近100根水下灌注混凝土桩，为重点工程解决了技术难题。在沿海铁路工程中，经常遇到海水的腐蚀问题，硫铝酸盐水泥也都发挥了很重要的作用。
　　硫铝酸盐系列水泥在铁路工程中的其它领域还有广阔的应用前景，如大量铁路混凝土制品，尤其是枕、桥梁、支柱等，都可以充分利用硫铝酸盐系列水泥的特性加式制造。
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