CA砂漿強度影響因素及強度機理研究

譚憶秋，歐陽劍，王金鳳，李云良，陳 瑤

(1.哈爾濱工業(yè)大學 交通科學與工程學院，150090 哈爾濱，yijianpiaoqian@126.com;2.中國海洋石油總公司石油煉油與銷售事業(yè)部，100029 北京)

CA砂漿強度影響因素及強度機理研究

譚憶秋1，歐陽劍1，王金鳳2，李云良1，陳 瑤1

(1.哈爾濱工業(yè)大學 交通科學與工程學院，150090 哈爾濱，yijianpiaoqian@126.com;2.中國海洋石油總公司石油煉油與銷售事業(yè)部，100029 北京)

為制得滿足高速鐵路建設(shè)的CA砂漿，制備了不同配比的CA砂漿，通過考查CA砂漿的強度并利用掃描電子顯微鏡觀測微觀結(jié)構(gòu)，研究砂的級配、砂灰比、乳化瀝青與水泥比等因素對CA砂漿固化體不同齡期強度的影響.研究表明:選擇粒徑為0.15～0.3 mm與0.3～0.6 mm的組合砂能有效地降低高強型CA砂漿材料的分離度，而對CA砂漿28 d的抗壓強度的影響不大;隨著砂灰比的增大，高強型CA砂漿1 d抗壓強度增大，當砂灰比超過1.4時，CA砂漿28 d抗壓強度明顯降低;隨著乳化瀝青與水泥質(zhì)量比的增大，高強型CA砂漿各齡期的抗壓強度都顯著下降.選擇合適粒徑的砂，合理的砂灰比和乳化瀝青與水泥質(zhì)量比是制得滿足高速鐵路建設(shè)要求的CA砂漿的前提.

高強型CA砂漿;抗壓強度;級配;砂灰比;乳化瀝青與水泥質(zhì)量比

板式無碴軌道與傳統(tǒng)的有碴軌道相比，其軌道穩(wěn)定性、剛度均勻性和耐久性等方面都優(yōu)于有碴軌道，并且具有養(yǎng)護維修工作量低的突出優(yōu)點，是目前高速鐵路上廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式.板式軌道結(jié)構(gòu)主要由軌道板、水泥瀝青砂漿彈性層(Cement asphalt mortar，以下簡稱CA砂漿)、混凝土底座、凸形擋臺及鋼軌扣件等構(gòu)成［1］.CA砂漿主要由水泥(C)、乳化瀝青(A)、砂(S)、水(W)和多種外加劑組成，是一種綜合水泥高強度和瀝青高彈性2種優(yōu)點的半剛性高性能有機無機復(fù)合材料.CA砂漿彈性層作為無碴軌道的重要組成部分，主要起到調(diào)平、緩沖和支撐的作用［2－3］.目前國際上CA砂漿主要有高強型和低強型兩大類.德國的指標中要求CA砂漿的28 d抗壓強度大于15 MPa，28 d彈性模量為7～10 GPa，通常稱為高強型CA砂漿［4－5］;日本指標中要求CA砂漿28 d抗壓強度在1.8～2.5 MPa，28 d彈性模量為200～600 MPa，通常稱為低強型CA砂漿.CA砂漿在線路運營過程中，要承受動載及靜載作用，因此其強度是非常重要的一個性能指標，CA砂漿必須滿足強度這一基本性能指標要求，才能滿足線路長期安全穩(wěn)定的運營要求.

CA砂漿作為一種新型的有機無機復(fù)合材料，其強度影響因素較為復(fù)雜.CA砂漿強度不僅與水泥、瀝青、砂、水之間的比例有關(guān)［6］，同時還與砂的級配有關(guān)［7］.本文研究了CA砂漿不同齡期的強度及其增長規(guī)律，研究了砂的級配、乳化瀝青與水泥質(zhì)量比m(A)/m(C)、砂與水泥質(zhì)量比m(S)/m(C)對于CA砂漿強度的影響，并對強度的形成機理進行了分析.

1 材料和方法

1.1 原材料

亞泰天鵝牌P.O 42.5水泥;中海油重交瀝青研究院所研制的陰離子慢裂型乳化瀝青，固含質(zhì)量為60%;一種過1.18 mm篩孔的河砂，篩分結(jié)果如表1，2種級配的河砂，粒徑分別為0.15～0.3 mm，0.3～0.6 mm;一般自來水;消泡劑;聚羧酸減水劑和最大粒徑為80 μm的鋁粉.

表1 河砂的篩分結(jié)果

1.2 試驗方法

CA砂漿試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，CA砂漿28 d齡期內(nèi)均在溫度為(20±2)℃內(nèi)養(yǎng)護，1 d時間內(nèi)為帶模養(yǎng)護.根據(jù)CA砂漿不同齡期的強度，加載速度控制在50～500 N/s，保證試件在30 s左右斷裂.

材料分離度反映了CA砂漿固化體的不均勻程度.測試方法是將攪拌好的 CA砂漿澆入Φ50 mm×50 mm的圓柱體模具中，待砂漿硬化后，將其取出平分為上、下兩等分，分別稱量上下兩部分的質(zhì)量，按下式計算材料分離度.CA砂漿的材料分離度應(yīng)不高于3.0%.

其中:M1為下半部質(zhì)量，M2為上半部質(zhì)量.

擴展度是反映CA砂漿流動性的一個指標，流動度越好，擴展度越大.測試用的擴展度筒的內(nèi)徑為50 mm，高為190 mm.擴展度筒放在一水平的玻璃板中間，將玻璃板表面與擴展度筒內(nèi)潤濕后，把拌制好的CA砂漿填入筒內(nèi)，直至筒的上緣，將筒迅速地垂直提高15 cm，待砂漿停止流動后測量其互相垂直的2個方向的擴展直徑.每組試樣進行2次擴展度的測定，取其算術(shù)平均值.CA砂漿拌合物的擴展度不能小于280 mm.

2 CA砂漿強度影響因素

2.1 砂的級配對強度的影響

CA砂漿的灌注施工方式要求CA砂漿具有很高的流動性，而流動性高的CA砂漿極易出現(xiàn)材料離析.因此，采用不容易離析且需水量較小的兩檔單粒徑的砂0.15～0.3 mm，0.3～0.6 mm按不同比例組合，來研究砂級配的變化對于材料分離度及強度的影響.保持m(A)/m(C)=0.45，絕對水灰比m(W)/m(C)=0.35不變，得到不同砂級配情況下的強度及分離度如表2所示.同時為作對比，采用表1中的河砂在相同配比下試驗，得到CA砂漿的分離度為4.7%，擴展度為320 mm.可以看出，由普通過1.18 mm篩孔的河砂拌合而成的CA砂漿的分離度很難達3%以下，而采用粒徑為0.6 mm以下的組合砂，分離度均能保持在3%以下，當0.15～0.3 mm砂的質(zhì)量超過40%以后，分離度可降低到1%以下，這說明在CA砂漿拌合物中，容易發(fā)生沉降導致材料離析的主要是0.6 mm以上的砂粒.在保持相等水灰比下，CA砂漿的擴展度隨砂變細而減小，即流動性能變差，這是因為干料的比表面積越大，包裹水的能力也越大，在漿體中起潤滑作用的游離水就越少.CA砂漿的抗折強度都能滿足大于3 MPa的要求.砂的級配組成中，0.15～0.3 mm的砂用量在60%以下時，抗壓強度沒多大變化，以后隨這檔砂的增加，強度呈增大趨勢.而 0.15～0.3 mm單粒徑砂構(gòu)成的CA砂漿28 d抗壓強度可達到15.2 MPa，滿足規(guī)范大于15 MPa的要求.

2.2 m(S)/m(C)的影響

保持m(A)/m(C)=0.45，絕對水灰比m(W)/m(C)=0.35不變，采用由兩檔粒徑0.15～0.3 mm、0.3 ～0.6 mm分別占60%和40%組合而成的級配砂，改變砂與水泥的質(zhì)量比，配制不同的CA砂漿，并測試其不同齡期的抗壓及抗折強度，試驗結(jié)果見表3.

從表3可以看出，CA砂漿的28 d抗折強度較大，都能滿足大于3 MPa要求.抗壓強度在m(S)/m(C)為1.0～1.4時無明顯變化，但繼續(xù)隨m(S)/m(C)的增大，強度開始下降，且下降速度很快.當m(S)/m(C)=1.6時，其28 d抗壓強度降為10.8 MPa.這是因為CA砂漿是由水泥和瀝青復(fù)合而成的砂漿，其強度主要由硬化后的水泥石決定，在m(S)/m(C)較小時，其強度無明顯變化，當m(S)/m(C)的比例增大時，水泥的含量相對不足，從而使CA砂漿抗壓強度降低，同時在保持水灰比不變的情況下，增大m(S)/m(C)會導致砂漿漿體變稠，而CA砂漿為自流平成型，不振搗，使得漿體的含氣量也會提高，導致強度下降.因此，制備抗壓強度高的CA砂漿，干料中m(S)/m(C)不宜大于1.4.1 d的CA砂漿1 d的不能滿足抗壓強度大于2 MPa、抗折強度大于1 MPa的要求，抗壓強度隨m(S)/m(C)的增加而增大，分析可能原因是固定m(A)/m(C)時，隨著m(S)/m(C)的增加致使CA砂漿拌合物中干料的質(zhì)量增大，從而加快乳化瀝青的破乳，使早期強度上升加快.考慮強度因素，干料中m(S)/m(C)取1.4左右為宜.

表2 不同砂級配情況下CA砂漿強度、分離度和擴展度

表3 不同m(S)/m(C)情況下CA砂漿的強度

2.3 m(A)/m(C)的影響

乳化瀝青能使CA砂漿具有良好的彈性，發(fā)揮CA砂漿彈性層減振降噪的功能.但是乳化瀝青用量不能過高，否則會影響CA砂漿的強度.根據(jù)文獻［4－5］，要求乳化瀝青用量與水泥的比值應(yīng)不小于0.35，因此本文選用m(A)/m(C)從0.35～0.55五個比值，保持m(S)/m(C)=1.4、絕對水灰比m(W)/m(C)=0.35不變，由 0.15～0.3 mm和0.3～0.6 mm兩檔單粒徑砂分別占60%和40%組成級配砂，所配制的CA砂漿各齡期的強度值如表4所示.

從表4可看出，隨著m(A)/m(C)的增加，CA砂漿硬化體的抗壓強度下降，下降幅度與m(A)/m(C)的增加值基本上能呈線性關(guān)系.m(A)/m(C)從0.35增加至0.55時，其1 d抗壓強度從1.81 MPa下降到0.42 MPa，下降幅度達76.8%，其7 d抗壓強度從 13.2 MPa下降到9.2 MPa，下降 30.3%，其 28 d抗壓強度從16.5 MPa下降到11.5 MPa，下降30.3%.1 d抗壓強度降幅比7 d和28 d降幅大很多，說明1 d抗壓強度受m(A)/m(C)的影響更大，說明乳化瀝青對水泥的水化具有明顯的緩凝作用［8］.1 d抗折強度隨m(A)/m(C)的增加而下降，而7 d及28 d的抗壓強度則基本不受m(A)/m(C)比值的影響.從表4也可看出，為使CA砂漿28 d抗壓強度大于15 MPa，m(A)/m(C)不宜超過0.45.

表4 不同m(A)/m(C)值的CA砂漿強度

圖1顯示了不同m(A)/m(C)比值時CA砂漿固化體28 d時的 SEM圖片.對比圖1(a)、1(b)，與m(A)/m(C)=0.35 相 比，m(A)/m(C)=0.55的CA砂漿微觀結(jié)構(gòu)，水泥水化產(chǎn)物較多被瀝青膜包裹，形成的空間結(jié)構(gòu)由水泥水化產(chǎn)物直接搭接較少，這使得CA復(fù)合膠凝材料自身強度下降，容易受力變形;相反，m(A)/m(C)=0.35的CA砂漿微觀結(jié)構(gòu)中，由于單位體積含量水泥增多，瀝青減少，較多的水泥水化產(chǎn)物未被瀝青包裹而直接接觸，搭接成良好的空間結(jié)構(gòu)形式，從而CA砂漿有較高的強度，不容易受力變形.CA砂漿的強度發(fā)展規(guī)律如圖2所示，從圖中可以看出CA砂漿的抗壓強度在1～7 d內(nèi)發(fā)展較快，7 d抗壓強度能達到28 d抗壓強度的80%左右.

圖1 CA砂漿28 d的SEM圖

圖2 CA砂漿抗壓強度發(fā)展規(guī)律

3 結(jié)論

1)選用較細的砂能明顯地降低材料分離度，用0.15～0.3 mm構(gòu)成的單粒徑砂所摻配的CA砂漿滿足28 d抗壓強度大于15 MPa的要求.

2)隨m(S)/m(C)的增大，CA砂漿1 d強度增大，當m(S)/m(C)為1.0～1.4時，CA砂漿有較高的28 d抗壓強度，繼續(xù)增加m(S)/m(C)的比值，CA砂漿28 d抗壓強度降低.

3)CA砂漿各齡期抗壓強度隨m(A)/m(C)增大而降低，為能使制備的CA砂漿28 d抗壓強度大于15 MPa，m(A)/m(C)不宜大于0.45.

4)CA砂漿的強度主要由水泥決定，而其彈性主要由乳化瀝青決定，水泥的水化及乳化瀝青的破乳則共同影響到CA砂漿的強度增長規(guī)律.

［1］傅代正，黃金田，鄭新國.橋上板式無碴軌道CA砂漿施工技術(shù)［J］.鐵道建筑技術(shù)，2002(6):28－31.

［2］KAZUYOSI O，YOSIO I.Compressive strength of the CA mortar and its temperature susceptibility［J］.Memoirs of the Faculty of Technology，1976，10(2):1－13.

［3］左景奇，姜其斌.板式軌道彈性墊層CA砂漿的研究［J］.鐵道建筑，2005(9):96 －98.

［4］鐵道部科學技術(shù)司.客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［5］劉世安，劉東紅.客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿疑難問題解答［M］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［6］王濤，胡曙光，王發(fā)洲，等.CA砂漿強度主要影響因素的研究［J］.鐵道建筑，2008(2):109－111.

［7］王強，阿茹罕，閻培渝.砂灰比和砂的級配對CA砂漿抗壓強度和流動度的影響［J］.鐵道科學與工程學報，2008，5(6):1－5.

［8］王濤，胡曙光，王發(fā)洲，等.瀝青乳液加料順序影響CA砂漿早期強度的機理研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2008(1):1－3.

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.

國家自然科學基金資助項目(51078114).

譚憶秋(1968—)，女，教授，博士生導師.

(編輯 魏希柱)