CA砂浆强度影响因素及强度机理研究

谭忆秋，欧阳剑，王金凤，李云良，陈 瑶

(1.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院，150090 哈尔滨，yijianpiaoqian@126.com;2.中国海洋石油总公司石油炼油与销售事业部，100029 北京)

CA砂浆强度影响因素及强度机理研究

谭忆秋1，欧阳剑1，王金凤2，李云良1，陈 瑶1

(1.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院，150090 哈尔滨，yijianpiaoqian@126.com;2.中国海洋石油总公司石油炼油与销售事业部，100029 北京)

为制得满足高速铁路建设的CA砂浆，制备了不同配比的CA砂浆，通过考查CA砂浆的强度并利用扫描电子显微镜观测微观结构，研究砂的级配、砂灰比、乳化沥青与水泥比等因素对CA砂浆固化体不同龄期强度的影响.研究表明:选择粒径为0.15～0.3 mm与0.3～0.6 mm的组合砂能有效地降低高强型CA砂浆材料的分离度，而对CA砂浆28 d的抗压强度的影响不大;随着砂灰比的增大，高强型CA砂浆1 d抗压强度增大，当砂灰比超过1.4时，CA砂浆28 d抗压强度明显降低;随着乳化沥青与水泥质量比的增大，高强型CA砂浆各龄期的抗压强度都显著下降.选择合适粒径的砂，合理的砂灰比和乳化沥青与水泥质量比是制得满足高速铁路建设要求的CA砂浆的前提.

高强型CA砂浆;抗压强度;级配;砂灰比;乳化沥青与水泥质量比

板式无碴轨道与传统的有碴轨道相比，其轨道稳定性、刚度均匀性和耐久性等方面都优于有碴轨道，并且具有养护维修工作量低的突出优点，是目前高速铁路上广泛应用的结构形式.板式轨道结构主要由轨道板、水泥沥青砂浆弹性层(Cement asphalt mortar，以下简称CA砂浆)、混凝土底座、凸形挡台及钢轨扣件等构成［1］.CA砂浆主要由水泥(C)、乳化沥青(A)、砂(S)、水(W)和多种外加剂组成，是一种综合水泥高强度和沥青高弹性2种优点的半刚性高性能有机无机复合材料.CA砂浆弹性层作为无碴轨道的重要组成部分，主要起到调平、缓冲和支撑的作用［2－3］.目前国际上CA砂浆主要有高强型和低强型两大类.德国的指标中要求CA砂浆的28 d抗压强度大于15 MPa，28 d弹性模量为7～10 GPa，通常称为高强型CA砂浆［4－5］;日本指标中要求CA砂浆28 d抗压强度在1.8～2.5 MPa，28 d弹性模量为200～600 MPa，通常称为低强型CA砂浆.CA砂浆在线路运营过程中，要承受动载及静载作用，因此其强度是非常重要的一个性能指标，CA砂浆必须满足强度这一基本性能指标要求，才能满足线路长期安全稳定的运营要求.

CA砂浆作为一种新型的有机无机复合材料，其强度影响因素较为复杂.CA砂浆强度不仅与水泥、沥青、砂、水之间的比例有关［6］，同时还与砂的级配有关［7］.本文研究了CA砂浆不同龄期的强度及其增长规律，研究了砂的级配、乳化沥青与水泥质量比m(A)/m(C)、砂与水泥质量比m(S)/m(C)对于CA砂浆强度的影响，并对强度的形成机理进行了分析.

1 材料和方法

1.1 原材料

亚泰天鹅牌P.O 42.5水泥;中海油重交沥青研究院所研制的阴离子慢裂型乳化沥青，固含质量为60%;一种过1.18 mm筛孔的河砂，筛分结果如表1，2种级配的河砂，粒径分别为0.15～0.3 mm，0.3～0.6 mm;一般自来水;消泡剂;聚羧酸减水剂和最大粒径为80 μm的铝粉.

表1 河砂的筛分结果

1.2 试验方法

CA砂浆试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，CA砂浆28 d龄期内均在温度为(20±2)℃内养护，1 d时间内为带模养护.根据CA砂浆不同龄期的强度，加载速度控制在50～500 N/s，保证试件在30 s左右断裂.

材料分离度反映了CA砂浆固化体的不均匀程度.测试方法是将搅拌好的 CA砂浆浇入Φ50 mm×50 mm的圆柱体模具中，待砂浆硬化后，将其取出平分为上、下两等分，分别称量上下两部分的质量，按下式计算材料分离度.CA砂浆的材料分离度应不高于3.0%.

其中:M1为下半部质量，M2为上半部质量.

扩展度是反映CA砂浆流动性的一个指标，流动度越好，扩展度越大.测试用的扩展度筒的内径为50 mm，高为190 mm.扩展度筒放在一水平的玻璃板中间，将玻璃板表面与扩展度筒内润湿后，把拌制好的CA砂浆填入筒内，直至筒的上缘，将筒迅速地垂直提高15 cm，待砂浆停止流动后测量其互相垂直的2个方向的扩展直径.每组试样进行2次扩展度的测定，取其算术平均值.CA砂浆拌合物的扩展度不能小于280 mm.

2 CA砂浆强度影响因素

2.1 砂的级配对强度的影响

CA砂浆的灌注施工方式要求CA砂浆具有很高的流动性，而流动性高的CA砂浆极易出现材料离析.因此，采用不容易离析且需水量较小的两档单粒径的砂0.15～0.3 mm，0.3～0.6 mm按不同比例组合，来研究砂级配的变化对于材料分离度及强度的影响.保持m(A)/m(C)=0.45，绝对水灰比m(W)/m(C)=0.35不变，得到不同砂级配情况下的强度及分离度如表2所示.同时为作对比，采用表1中的河砂在相同配比下试验，得到CA砂浆的分离度为4.7%，扩展度为320 mm.可以看出，由普通过1.18 mm筛孔的河砂拌合而成的CA砂浆的分离度很难达3%以下，而采用粒径为0.6 mm以下的组合砂，分离度均能保持在3%以下，当0.15～0.3 mm砂的质量超过40%以后，分离度可降低到1%以下，这说明在CA砂浆拌合物中，容易发生沉降导致材料离析的主要是0.6 mm以上的砂粒.在保持相等水灰比下，CA砂浆的扩展度随砂变细而减小，即流动性能变差，这是因为干料的比表面积越大，包裹水的能力也越大，在浆体中起润滑作用的游离水就越少.CA砂浆的抗折强度都能满足大于3 MPa的要求.砂的级配组成中，0.15～0.3 mm的砂用量在60%以下时，抗压强度没多大变化，以后随这档砂的增加，强度呈增大趋势.而 0.15～0.3 mm单粒径砂构成的CA砂浆28 d抗压强度可达到15.2 MPa，满足规范大于15 MPa的要求.

2.2 m(S)/m(C)的影响

保持m(A)/m(C)=0.45，绝对水灰比m(W)/m(C)=0.35不变，采用由两档粒径0.15～0.3 mm、0.3 ～0.6 mm分别占60%和40%组合而成的级配砂，改变砂与水泥的质量比，配制不同的CA砂浆，并测试其不同龄期的抗压及抗折强度，试验结果见表3.

从表3可以看出，CA砂浆的28 d抗折强度较大，都能满足大于3 MPa要求.抗压强度在m(S)/m(C)为1.0～1.4时无明显变化，但继续随m(S)/m(C)的增大，强度开始下降，且下降速度很快.当m(S)/m(C)=1.6时，其28 d抗压强度降为10.8 MPa.这是因为CA砂浆是由水泥和沥青复合而成的砂浆，其强度主要由硬化后的水泥石决定，在m(S)/m(C)较小时，其强度无明显变化，当m(S)/m(C)的比例增大时，水泥的含量相对不足，从而使CA砂浆抗压强度降低，同时在保持水灰比不变的情况下，增大m(S)/m(C)会导致砂浆浆体变稠，而CA砂浆为自流平成型，不振捣，使得浆体的含气量也会提高，导致强度下降.因此，制备抗压强度高的CA砂浆，干料中m(S)/m(C)不宜大于1.4.1 d的CA砂浆1 d的不能满足抗压强度大于2 MPa、抗折强度大于1 MPa的要求，抗压强度随m(S)/m(C)的增加而增大，分析可能原因是固定m(A)/m(C)时，随着m(S)/m(C)的增加致使CA砂浆拌合物中干料的质量增大，从而加快乳化沥青的破乳，使早期强度上升加快.考虑强度因素，干料中m(S)/m(C)取1.4左右为宜.

表2 不同砂级配情况下CA砂浆强度、分离度和扩展度

表3 不同m(S)/m(C)情况下CA砂浆的强度

2.3 m(A)/m(C)的影响

乳化沥青能使CA砂浆具有良好的弹性，发挥CA砂浆弹性层减振降噪的功能.但是乳化沥青用量不能过高，否则会影响CA砂浆的强度.根据文献［4－5］，要求乳化沥青用量与水泥的比值应不小于0.35，因此本文选用m(A)/m(C)从0.35～0.55五个比值，保持m(S)/m(C)=1.4、绝对水灰比m(W)/m(C)=0.35不变，由 0.15～0.3 mm和0.3～0.6 mm两档单粒径砂分别占60%和40%组成级配砂，所配制的CA砂浆各龄期的强度值如表4所示.

从表4可看出，随着m(A)/m(C)的增加，CA砂浆硬化体的抗压强度下降，下降幅度与m(A)/m(C)的增加值基本上能呈线性关系.m(A)/m(C)从0.35增加至0.55时，其1 d抗压强度从1.81 MPa下降到0.42 MPa，下降幅度达76.8%，其7 d抗压强度从 13.2 MPa下降到9.2 MPa，下降 30.3%，其 28 d抗压强度从16.5 MPa下降到11.5 MPa，下降30.3%.1 d抗压强度降幅比7 d和28 d降幅大很多，说明1 d抗压强度受m(A)/m(C)的影响更大，说明乳化沥青对水泥的水化具有明显的缓凝作用［8］.1 d抗折强度随m(A)/m(C)的增加而下降，而7 d及28 d的抗压强度则基本不受m(A)/m(C)比值的影响.从表4也可看出，为使CA砂浆28 d抗压强度大于15 MPa，m(A)/m(C)不宜超过0.45.

表4 不同m(A)/m(C)值的CA砂浆强度

图1显示了不同m(A)/m(C)比值时CA砂浆固化体28 d时的 SEM图片.对比图1(a)、1(b)，与m(A)/m(C)=0.35 相 比，m(A)/m(C)=0.55的CA砂浆微观结构，水泥水化产物较多被沥青膜包裹，形成的空间结构由水泥水化产物直接搭接较少，这使得CA复合胶凝材料自身强度下降，容易受力变形;相反，m(A)/m(C)=0.35的CA砂浆微观结构中，由于单位体积含量水泥增多，沥青减少，较多的水泥水化产物未被沥青包裹而直接接触，搭接成良好的空间结构形式，从而CA砂浆有较高的强度，不容易受力变形.CA砂浆的强度发展规律如图2所示，从图中可以看出CA砂浆的抗压强度在1～7 d内发展较快，7 d抗压强度能达到28 d抗压强度的80%左右.

图1 CA砂浆28 d的SEM图

图2 CA砂浆抗压强度发展规律

3 结论

1)选用较细的砂能明显地降低材料分离度，用0.15～0.3 mm构成的单粒径砂所掺配的CA砂浆满足28 d抗压强度大于15 MPa的要求.

2)随m(S)/m(C)的增大，CA砂浆1 d强度增大，当m(S)/m(C)为1.0～1.4时，CA砂浆有较高的28 d抗压强度，继续增加m(S)/m(C)的比值，CA砂浆28 d抗压强度降低.

3)CA砂浆各龄期抗压强度随m(A)/m(C)增大而降低，为能使制备的CA砂浆28 d抗压强度大于15 MPa，m(A)/m(C)不宜大于0.45.

4)CA砂浆的强度主要由水泥决定，而其弹性主要由乳化沥青决定，水泥的水化及乳化沥青的破乳则共同影响到CA砂浆的强度增长规律.

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Factors influencing strength of cement asphalt mortar and strength mechanism

TAN Yi-qiu1，OUYANG Jian1，WANG Jin-feng2，LI Yun-liang1，CHEN Yao1

(1.School of Transportation Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China，yijianpiaoqian@126.com;2.Petroleum Refining and Marketing Division，China National Offshore Oil Corporation，100029 Beijing，China)

In order to obtain the CA mortar that can satisfy high-speed railway construction，CA mortar with different proportion was prepared.Through studying strength of CA mortar and Observating its microstructure by scan electron microscopy，the strength and its development of CA mortar was studied by changing sand gradation，the ratio of sand to cement and the ratio of asphalt emulsion to cement.Results show that using combination of two kinds of sand with particle size of 0.15－0.3 mm and 0.3－0.6 mm in CA mortar can reduce the material separation greatly while posing little effect on the 28 d compressive strength of high strength CA mortar.With the increment ofm(S)/m(C)，the 1 d compressive strength of high strength CA mortar increases but the 28 d compressive strength doesn’t change initially until reaching the critical point 1.4，which drags huge decline for it.The compressive strength of high strength CA mortar of different ages are significantly declining with the increment ofm(A)/m(C).Selecting the appropriate size sand，m(S)/m(C)andm(A)/m(C)is the premise to obtain the CA mortar that can satisfy high-speed railway construction.

high strength cement asphalt(CA)mortar;compressive strength;gradation;m(S)/m(C);m(A)/m(C)

U214.1

A

0367－6234(2011)10－0080－04

2010－06－12.

国家自然科学基金资助项目(51078114).

谭忆秋(1968—)，女，教授，博士生导师.

(编辑 魏希柱)