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【摘 要】以CA砂浆28d抗压强度为考察指标,研究了水泥、乳化沥青、砂、外加水对砂浆强度的影响。结果表明,影响CA砂浆强度的主次因素依次为水泥、乳化沥青和水的用量。文章介绍了制备满足强度要求的CA砂浆,其水泥、乳化沥青和砂用量的合适范围。
【关键词】CA砂浆；乳化沥青；抗压强度；用量
水泥乳化沥青砂浆(cement asphalt mortar ,简称CA砂浆)[1]，[2]是高速铁路板式轨道的刚性轨道板与混凝土道床之间的调平减振结构层材料,它是由水泥、乳化沥青、砂和多种外加剂组成,经水泥与沥青共同作用胶结硬化而成的一种新型有机无机复合材料，包括I型和II型两种。
CA砂浆的强度与水泥、沥青、砂、外加水的用量有重要关系,而这种原材料用量与CA砂浆强度之间的关系目前缺乏系统研究。本文研究了水泥、乳化沥青、砂和引气剂用量对CA砂浆硬化体强度的影响规律和合适掺量,研究结果可对该类材料的制备与研究提供有价值的参考。
目前《客运专线铁路CRTS II型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》（以下称《技术条件》）中对II型砂浆28d强度的要求为不低于15MPa。
1、原材料与试验方法
1.1 试验原材料
①水泥:小野田PII52.5；②乳化沥青:自制慢裂慢凝型,固含量60%；③砂:河砂,细度模数1.6，级配满足《技术条件》；④减水剂:江苏博特新材料有限公司生产聚羧酸系减水剂PCA-I；⑤水:自来水； ⑥铝粉:细度≥200目,鳞片状；⑦消泡剂:主要成分为有机硅。
1.2 试验方法
所有试验都按照《技术条件》相关规定进行。其中抗压强度采用电伺服sans压力机测试；砂浆的含气量采用Zement含气量测定仪测试。
2、试验与结果
2.1 水泥、乳化沥青和砂对CA砂浆强度的影响
水泥、乳化沥青、砂和水是CA砂浆的四种主要原材料,它们在CA 砂浆硬化体中所占的比例决定着CA砂浆的强度大小。因为当在同一正交实验中将四种材料全部引入时，配合比无法设计；因此，首先研究了水泥、乳化沥青和砂三种材料对CA砂浆最终强度的影响规律和合适的用量范围。
该正交试验为四因素（其中一因素为空白）、三水平的L9(43) 试验,试验因素水平表见表1。
表1 正交试验实验因素水平 kg/m3
因素水泥(A) 乳化沥青掺量(B) 砂(C)
水平1 570 240 1050
水平2 525 255 900
水平3 480 270 750
该实验中，制备试件时控制砂浆保证砂浆的流动度与含气量等性能基本相同；以CA 砂浆28d的抗压强度为考察指标。试验原材料比例和抗压强度结果见表2。
表2 正交实验结果及极差分析
试验编号 A B C 28d抗压强度/MPa
1 1 1 1 18.13
2 1 2 2 17.04
3 1 3 3 15.81
4 2 1 2 17.69
5 2 2 3 15.88
6 2 3 1 16.30
7 3 1 3 16.27
8 3 2 1 14.95
9 3 3 2 14.06
抗压强度/MPa k1 16.993 17.363 16.460
k2 16.623 15.957 16.263
k3 15.390 15.987 16.150
极差R 1.900 1.973 0.473
注: k1 、k2 和k3 代表各水平相应的3次试验强度的平均值。
表2的实验结果说明,当砂用量在750～1050km3范围内变化时，对CA砂浆的强度几乎没有影响；当水泥用量降低或乳化沥青用量增加时，CA砂浆的强度都逐步降低。
图1为根据表2中的强度实验结果绘制的等高线，横坐标和纵坐标分别单方水泥用量与沥青用量。根据图1可以直接得出合适的材料用量范围。
图1中还可以观察到表示同一强度的等高线呈一定的线性分布趋势，这就表示当水泥用量与乳化沥青用量满足的一定的比例关系时，砂浆的强度等级相同。但图中乳化沥青量在高于260kg/m3时无明显规律，这是因为正交配合比中未考察用水量。
2.2 外加水用量对CA砂浆强度的影响
尽管乳化沥青、水泥用量对砂浆强度影响很大，但水泥基材料的强度还是会受到用水量的影响。在上述正交实验中由于要求砂浆状态相同，未对用水量进行考察。表3为调整外加水用量考察对28d强度的影响。
表3 外加水用量对CA砂浆强度的影响
水泥kg/m3 乳化沥青kg/m3 wkg/m3 PCA/‰ 含气量/% 28d抗压强度/MPa
570 255 165 0 8.5 17.3
570 255 145 0.5 7.8 17.7
570 255 125 1.05 8.0 18.0
从表3可以看出，随着外加水用量的减少，CA强度逐渐增加，但是相对于水泥或乳化沥青用量对强度的影响程度，用水量的影响较小：水泥用量变化35kg/m3时，CA砂浆强度变化约1MPa；而乳化沥青变化15kg/m3,CA砂浆强度变化约1.5MPa左右；而用水量变化40kg/m3时，砂浆强度变化不足1MPa。
2.3 结论
通过上述实验可以发现，在CA砂浆的四种主要材料中，对砂浆强度影响最大的是乳化沥青用量，并且乳化沥青用量越高，砂浆强度越低，其次是水泥用量，水泥用量越高，砂浆强度越高；再次是用水量，用水量越高，砂浆强度越低；而砂用量在750～1050kg/m3范围内对CA砂浆的强度基本没有影响；另外，从以水泥用量与乳化沥青用量与强度关系的等高线可见，这两种材料满足一定比例关系时，砂浆的强度等级可能不变。
3、分析
（1)水泥 王振军，李顺勇通过红外光谱的研究发现[3]，在CA砂浆中,水泥颗粒及其水化产物与乳化沥青破乳产生的沥青以物理结合方式存在,未与砂浆中的沥青发生化学反应，没有新的物质生成；通过电子探针发现硬化CA砂浆结构致密处的Ca和Si含量较高。由此可以推论水泥是在CA砂浆体系中唯一提供强度的材料。因此，水泥用量的增加必然会提高CA砂浆的强度。
（2）水 水及乳化沥青的用量的提高都会对砂浆强度的增长都有不利的影响。其中增加用水量对强度不利是水泥基材料的共性。
（3）乳化沥青 乳化沥青是由乳化剂（表面活性剂）、沥青和水组成；其中乳化剂用量一般不超过5％，沥青用量大于60％，其余部分为水。它是CA砂浆中特有的一种材料，并且是该体系中对强度影响最大的一个因素，它起到了抑制水泥水化，降低砂浆的强度的作用。
其中水的作用与外加水有类似的作用。
有研究表明，硬化CA砂浆中还存在自由的沥青颗粒，也有部分沥青以絮状结构甚至网络结构存在，而沥青本身并不能提供明显的强度。徐静、张勇等通过对CA砂浆的粒度分析[4]，认为乳化沥青会吸附于水泥颗粒表面，并在破乳后形成沥青膜对水泥颗粒形成包裹，阻碍水分进入，使水泥水化速度下降。有研究发现，硬化CA砂浆中还存在。
另外徐静、张勇的研究[4]还发现，采用不同乳化剂对砂浆的强度也有不同的影响。
因此，乳化沥青中的三种主要材料以四种方式影响CA砂浆的强度：①用水量提高砂浆的水灰比；②沥青成膜阻碍水泥水化；③低强度的沥青作为体积填料；④乳化剂的影响。
参考文献
[1]左景奇，姜其斌. 板式轨道弹性垫层CA砂浆的研究[J]. 铁道建筑，2005，（9）
[2]傅代正，郑新国. 桥上板式无砟轨道CA砂浆施工技术[J]. 铁道建筑技术，2002，（6）
[3]王振军，李顺勇. 水泥乳化沥青砂浆(CAM) 的微观结构特征[J]. 武汉理工大学学报，2009，31（6）
[4]徐静，张勇. CA砂浆强度的影响因素及作用机理研究[J]. 铁道建筑，2010，（9）
【关键词】CA砂浆；乳化沥青；抗压强度；用量
水泥乳化沥青砂浆(cement asphalt mortar ,简称CA砂浆)[1]，[2]是高速铁路板式轨道的刚性轨道板与混凝土道床之间的调平减振结构层材料,它是由水泥、乳化沥青、砂和多种外加剂组成,经水泥与沥青共同作用胶结硬化而成的一种新型有机无机复合材料，包括I型和II型两种。
CA砂浆的强度与水泥、沥青、砂、外加水的用量有重要关系,而这种原材料用量与CA砂浆强度之间的关系目前缺乏系统研究。本文研究了水泥、乳化沥青、砂和引气剂用量对CA砂浆硬化体强度的影响规律和合适掺量,研究结果可对该类材料的制备与研究提供有价值的参考。
目前《客运专线铁路CRTS II型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》（以下称《技术条件》）中对II型砂浆28d强度的要求为不低于15MPa。
1、原材料与试验方法
1.1 试验原材料
①水泥:小野田PII52.5；②乳化沥青:自制慢裂慢凝型,固含量60%；③砂:河砂,细度模数1.6，级配满足《技术条件》；④减水剂:江苏博特新材料有限公司生产聚羧酸系减水剂PCA-I；⑤水:自来水； ⑥铝粉:细度≥200目,鳞片状；⑦消泡剂:主要成分为有机硅。
1.2 试验方法
所有试验都按照《技术条件》相关规定进行。其中抗压强度采用电伺服sans压力机测试；砂浆的含气量采用Zement含气量测定仪测试。
2、试验与结果
2.1 水泥、乳化沥青和砂对CA砂浆强度的影响
水泥、乳化沥青、砂和水是CA砂浆的四种主要原材料,它们在CA 砂浆硬化体中所占的比例决定着CA砂浆的强度大小。因为当在同一正交实验中将四种材料全部引入时，配合比无法设计；因此，首先研究了水泥、乳化沥青和砂三种材料对CA砂浆最终强度的影响规律和合适的用量范围。
该正交试验为四因素（其中一因素为空白）、三水平的L9(43) 试验,试验因素水平表见表1。
表1 正交试验实验因素水平 kg/m3
因素水泥(A) 乳化沥青掺量(B) 砂(C)
水平1 570 240 1050
水平2 525 255 900
水平3 480 270 750
该实验中，制备试件时控制砂浆保证砂浆的流动度与含气量等性能基本相同；以CA 砂浆28d的抗压强度为考察指标。试验原材料比例和抗压强度结果见表2。
表2 正交实验结果及极差分析
试验编号 A B C 28d抗压强度/MPa
1 1 1 1 18.13
2 1 2 2 17.04
3 1 3 3 15.81
4 2 1 2 17.69
5 2 2 3 15.88
6 2 3 1 16.30
7 3 1 3 16.27
8 3 2 1 14.95
9 3 3 2 14.06
抗压强度/MPa k1 16.993 17.363 16.460
k2 16.623 15.957 16.263
k3 15.390 15.987 16.150
极差R 1.900 1.973 0.473
注: k1 、k2 和k3 代表各水平相应的3次试验强度的平均值。
表2的实验结果说明,当砂用量在750～1050km3范围内变化时，对CA砂浆的强度几乎没有影响；当水泥用量降低或乳化沥青用量增加时，CA砂浆的强度都逐步降低。
图1为根据表2中的强度实验结果绘制的等高线，横坐标和纵坐标分别单方水泥用量与沥青用量。根据图1可以直接得出合适的材料用量范围。
图1中还可以观察到表示同一强度的等高线呈一定的线性分布趋势，这就表示当水泥用量与乳化沥青用量满足的一定的比例关系时，砂浆的强度等级相同。但图中乳化沥青量在高于260kg/m3时无明显规律，这是因为正交配合比中未考察用水量。
2.2 外加水用量对CA砂浆强度的影响
尽管乳化沥青、水泥用量对砂浆强度影响很大，但水泥基材料的强度还是会受到用水量的影响。在上述正交实验中由于要求砂浆状态相同，未对用水量进行考察。表3为调整外加水用量考察对28d强度的影响。
表3 外加水用量对CA砂浆强度的影响
水泥kg/m3 乳化沥青kg/m3 wkg/m3 PCA/‰ 含气量/% 28d抗压强度/MPa
570 255 165 0 8.5 17.3
570 255 145 0.5 7.8 17.7
570 255 125 1.05 8.0 18.0
从表3可以看出，随着外加水用量的减少，CA强度逐渐增加，但是相对于水泥或乳化沥青用量对强度的影响程度，用水量的影响较小：水泥用量变化35kg/m3时，CA砂浆强度变化约1MPa；而乳化沥青变化15kg/m3,CA砂浆强度变化约1.5MPa左右；而用水量变化40kg/m3时，砂浆强度变化不足1MPa。
2.3 结论
通过上述实验可以发现，在CA砂浆的四种主要材料中，对砂浆强度影响最大的是乳化沥青用量，并且乳化沥青用量越高，砂浆强度越低，其次是水泥用量，水泥用量越高，砂浆强度越高；再次是用水量，用水量越高，砂浆强度越低；而砂用量在750～1050kg/m3范围内对CA砂浆的强度基本没有影响；另外，从以水泥用量与乳化沥青用量与强度关系的等高线可见，这两种材料满足一定比例关系时，砂浆的强度等级可能不变。
3、分析
（1)水泥 王振军，李顺勇通过红外光谱的研究发现[3]，在CA砂浆中,水泥颗粒及其水化产物与乳化沥青破乳产生的沥青以物理结合方式存在,未与砂浆中的沥青发生化学反应，没有新的物质生成；通过电子探针发现硬化CA砂浆结构致密处的Ca和Si含量较高。由此可以推论水泥是在CA砂浆体系中唯一提供强度的材料。因此，水泥用量的增加必然会提高CA砂浆的强度。
（2）水 水及乳化沥青的用量的提高都会对砂浆强度的增长都有不利的影响。其中增加用水量对强度不利是水泥基材料的共性。
（3）乳化沥青 乳化沥青是由乳化剂（表面活性剂）、沥青和水组成；其中乳化剂用量一般不超过5％，沥青用量大于60％，其余部分为水。它是CA砂浆中特有的一种材料，并且是该体系中对强度影响最大的一个因素，它起到了抑制水泥水化，降低砂浆的强度的作用。
其中水的作用与外加水有类似的作用。
有研究表明，硬化CA砂浆中还存在自由的沥青颗粒，也有部分沥青以絮状结构甚至网络结构存在，而沥青本身并不能提供明显的强度。徐静、张勇等通过对CA砂浆的粒度分析[4]，认为乳化沥青会吸附于水泥颗粒表面，并在破乳后形成沥青膜对水泥颗粒形成包裹，阻碍水分进入，使水泥水化速度下降。有研究发现，硬化CA砂浆中还存在。
另外徐静、张勇的研究[4]还发现，采用不同乳化剂对砂浆的强度也有不同的影响。
因此，乳化沥青中的三种主要材料以四种方式影响CA砂浆的强度：①用水量提高砂浆的水灰比；②沥青成膜阻碍水泥水化；③低强度的沥青作为体积填料；④乳化剂的影响。
参考文献
[1]左景奇，姜其斌. 板式轨道弹性垫层CA砂浆的研究[J]. 铁道建筑，2005，（9）
[2]傅代正，郑新国. 桥上板式无砟轨道CA砂浆施工技术[J]. 铁道建筑技术，2002，（6）
[3]王振军，李顺勇. 水泥乳化沥青砂浆(CAM) 的微观结构特征[J]. 武汉理工大学学报，2009，31（6）
[4]徐静，张勇. CA砂浆强度的影响因素及作用机理研究[J]. 铁道建筑，2010，（9）