科技日报：高铁运行感觉不颠 水泥乳化沥青砂浆里藏“玄机”

[导读] 妈妈，为啥高铁不颠啊?针对乳化沥青砂浆关键技术从乳化剂的研制、乳化沥青用改性剂、乳化沥青砂浆的制备、砂浆的性能优化和施工方面,他们有9项专利在手。

水泥砂浆灌注现场

11月初的一个下午，记者坐在从老家回京的高铁上。窗外的景色飞速切换，车厢内是乘客们聊天、喝茶、玩手机游戏的声音。

忽然，坐在旁边的小女孩儿向大人发问，“妈妈，为啥火车跑这么快，我们却不觉着颠啊?”女人面露难色，一句“因为它稳”就搪塞了过去。

女孩的问题让记者也充满好奇，“高速列车的振动冲击能量是如何被吸收掉的?铁轨下究竟布置着怎样的结构?”

为此，记者几经打听，找到了中铁四局安徽中铁工程材料科技公司的总工程师黄海，这位80后专家告诉记者，因为轨道下，有一块“夹心饼干”。

——— 刚柔并济 以柔为主 ———

硬度和弹性兼顾的“夹心饼干”

要想认识这块“夹心饼干”，还要从铁路的轨道板说起。

常规铁路是在无数小块石头道砟所组成道床的基础上铺设枕木或混凝土轨枕，然后铺设钢轨，显然有这么多小石块的线路不适用于时速高达300公里的高铁。高铁使用的是无砟轨道，“砟”指的就是小石块。

以CRTS Ⅱ型板式无砟轨道为例，轨道板每块长6.45米、宽2.55米、厚0.2米，被固定在混凝土基座上。混凝土基座和轨道板就是黄海口中的两块饼干，有了它们的强力支撑，高速列车就有了结实的跑道。

但是，这还不够。施工人员会在轨道板和底座中间灌注一种叫做“水泥乳化沥青砂浆”的物质——液态时很黏稠，又恰好是巧克力色，这就是黄海口中的夹心。

“水泥乳化沥青砂浆是板式无砟轨道结构弹性调整层的关键组成部分。”黄海介绍道，它由乳化沥青、水泥、混合材、细骨料、水、铝粉及其他添加剂等原材料，经特殊工艺搅拌而成。砂浆凝固后不仅将二者紧密的连接在一起，也充当着弹性垫层的角色。

“刚柔并济，以柔为主。”黄海这样形容其力学特点。因为这种砂浆的流动度好、可工作时间长，在早期有膨胀、后期收缩小等特点，硬化成型后的水泥乳化沥青砂浆可起到稳定轨道几何精度和吸收振动冲击能量的双重作用。

——— 处处都有乳化沥青身影 ———

“柏油马路”和“水泥路面”

紧锣密鼓，有条不紊。记者在沪昆高铁江西段的施工现场看到，轨道板扣在混凝土底座板上面，轨道板四周用精调爪固定，并使轨道板和底座板之间留有缝隙。轨道板表面分布着三个圆孔，工人将砂浆从位于轨道板中间的孔灌入，然后通过另外两个观察孔随时控制灌注速度及灌注量。

沪昆线是国内目前施工里程最长、规模最大的高铁在建项目，安徽中铁工程材料科技有限公司负责江西段和湖南段的乳化沥青、干粉料供应，其中乳化沥青供应量约为35000吨。

“就是在这个缝隙填充入水泥乳化沥青砂浆。混凝土的刚度很大，弹性非常差，而砂浆里面有大量的沥青，提供了弹性，与水泥形成的刚性一起支撑住轨道结构，从而把冲击荷载的能量吸收掉。”黄海说。从2008年开始，武广客专、沪宁城际、京沪高铁、石武客专、杭甬客专等高速铁路都有这种砂浆的身影。

记者问，如果不用呢?

“开车时，有没有注意到，柏油马路和水泥路面跑起来效果不一样，柏油路跑起来又安静又舒服，而水泥路面跑起来就‘咔啦卡啦’。”该公司党委书记沈伟山的比喻非常贴切。

记者了解到，在国内发展高速铁路之前，对高速铁路用乳化沥青及水泥乳化沥青砂浆拥有成熟生产技术的只有日本及欧洲少数国家。目前，国内采用的水泥乳化沥青砂浆技术分为两条路线：阳离子型乳化沥青配合低弹模水泥乳化沥青砂浆和阴离子型乳化沥青配合高弹模水泥乳化沥青砂浆。

——— 乳化剂充当“双面胶” ———

板式热交换器大大提升生产效率

“水泥乳化沥青砂浆的关键原材料和技术核心是乳化沥青。”有趣的是，乳化沥青是一种违背物性的产物。

沥青在常温下是固态的，但我们希望使用过程中，在常温下让沥青保持液态，以便于施工。另外沥青是油性的，不溶于水，但我们还需要其与水结合形成稳定的液态，因为它还要和水泥、骨料形成砂浆。所以乳化剂就充当了“双面胶”，一面(亲油基)是和沥青结合在一起，另一面(亲水基)和水粘在一起，这样沥青就能稳定地存在于水体系里面了。

或是温度变化，或是强力搅拌，都会“破乳”——水分离出来，沥青小颗粒重新聚集在一起，又形成沥青质。于是，技术人员又会想办法让乳化沥青在接触到水泥和沙子后，不要因为水泥水化反应而迅速破乳，要留给现场工作人员充分的时间施工，这是高铁专用乳化沥青和普通乳化沥青最大的区别。

在安徽中铁工程材料科技公司的生产车间里，黄海告诉记者，生产过程中乳化液会被加热到60摄氏度，沥青会加热到140摄氏度，按照一定配比经过研磨后出来的乳化沥青成品大约在90摄氏度，这样的温度势必会影响施工现场的使用效果和使用质量，因为在现场使用中要求是不超过30摄氏度。由于运输车采用的是保温设备，所以运输途中温度也不会降下来，放在厂里自然降温又会大大影响生产效率，所以他们创造性地研发了大型板式换热器和大功率制冷机等冷却系统。

另外，产品运输到工地将产生庞大的物流费用，且长距离运输和产品备货、储存也会带来很大风险，因此，他们又建立了集装箱式可移动式乳化沥青生产线，并根据该生产线同时进料的特点，确定了乳化沥青的生产工艺和参数，实现高铁乳化沥青的移动式生产。

——— 引进消化吸收再创新 ———

外国技术人员，请勿靠近

有一个日本厨子，用当地上等的调料、特制的雪花粉，花了三个月做了一个小馄饨;尝了这个馄饨后，中国师傅因地制宜，以常见辅料、大众的富强粉，一天就蒸了十几锅大包子，不但更皮实，也更好吃，营养价值也更高。

这就是我国科研人员引进消化吸收再创新的能力。2007年开始，我国引进了日本的“板式无砟轨道垫层水泥乳化沥青砂浆和乳化沥青”技术，后来又引进了德国版本，但问题也随之而来——两种高铁技术在这两个国家的应用里程较短，核心原材料均为进口，价格昂贵，进货周期长，随着近几年来两种轨道板的大规模应用，进口原材料已无法满足需求;同时，由于我国地大物博，各地施工环境及地材性能差异较大，一成不变的进口原材料限制了乳化沥青砂浆的适应性和应用范围。

因此，对水泥乳化沥青砂浆中的关键材料进行消化、吸收并再创新，提高产品的适应性，成为了技术创新发展的突破点。

“用我们的话讲就是希望把这个产品做得皮实点。”黄海举例说，日本用的超细水泥，国内非常少，日本用的机制砂，要求也非常高，在国内大面积施工很少能做到这么高的材料标准。黄海和全国同时期做技术攻关的人想法一样，就是用工地所在地区的品质并不是很好的材料，实现更好的产品性能。“南方的沙子好，我们在东北施工总不能来南方拉沙子吧。”

经过近几年的不断创新，该公司生产的乳化沥青打破了国外对高速铁路乳化沥青砂浆关键技术的垄断，其性能和现场砂浆应用情况被业界给予高度评价。针对乳化沥青砂浆关键技术从乳化剂的研制、乳化沥青用改性剂、乳化沥青砂浆的制备、砂浆的性能优化和施工方面，他们有9项专利在手。

“以前德国工程人员来的时候是做技术指导，但随着时间慢慢推移，我们会让他们站得远远的，因为我们怕技术泄密。”黄海笑着说。(滕继濮)