CA砂浆的干燥收缩及补偿研究

朱晓斌，洪锦祥，丁邵文

(1.江苏省建筑科学研究院有限公司 高性能土木工程材料国家重点实验室，南京 210008;2.江苏博特新材料有限公司，南京 210008)

CA砂浆(cement asphalt mortar，也称 CAM)是填充于板式无砟轨道的刚性轨道板与支承层之间的弹性减振关键结构层材料，主要起支承轨道板、缓冲高速列车荷载与减振以及调整施工误差的作用。它由水泥、乳化沥青、砂和多种外加剂组成，是水泥与乳化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［1-10］。

CA砂浆作为一种大水灰比、高流态灌注砂浆，在胶结硬化过程中约产生1% ～3%的体积收缩［3］，通过掺加铝粉和膨胀剂可以补偿其体积收缩。铝粉与碱作用生成的氢气主要补偿CA砂浆早期(12 h以内)的收缩，而氧化镁类、钙矾石类及氢氧化钙类膨胀剂或与水泥水化产物反应或直接与水反应的生成物使固相体积增加，从而使CA砂浆硬化体产生体积膨胀，其共同特点是对CA砂浆早期膨胀无影响，主要补偿后期收缩［11］。

目前，板式无砟轨道技术在我国还处于试验应用阶段，CA砂浆的长期体积稳定性还未引起人们的重视。研究CA砂浆的长期体积稳定性对推动无砟轨道技术的应用具有一定的理论和工程意义。

1 材料与试验方法

1.1 原材料和配合比

水泥:P·Ⅱ 52.5硅酸盐水泥;乳化沥青:阴离子型乳化沥青，固含量60%;砂:河砂，细度模数1.8～2.0;减水剂:聚羧酸类高效减水剂;消泡剂:有机硅类超强消泡剂;水:洁净自来水;膨胀剂:采用两种膨胀剂，钙矾石类膨胀剂和氧化钙类膨胀剂;掺合料:无机惰性矿渣;纤维:江苏派尼尔有限公司生产的6 mm聚丙烯纤维，直径 25 ～28 μm。

CA砂浆基本配合比见表1。减水剂掺量0.2%，消泡剂0.14‰，两者均以水泥质量计;膨胀剂按质量百分数等量取代掺合料;纤维按干料(水泥、砂子和掺合料)的质量百分数外掺。

表1 CA砂浆基本配合比 kg/m3

1.2 试验方法

CA砂浆的膨胀率按《膨胀水泥膨胀率试验方法》(JC/T313—1982(1996))的测试方法进行，砂浆棒尺寸为25 mm×25 mm×280 mm，测试仪器为 JD-18型投影万能测长仪，测试时间为 2，3，7，14，28，45，60，90，120，150 d和180 d。CA砂浆的变形以其硬化前后的膨胀率表征，正表示膨胀，负则为收缩。标准养护条件为(20±3)℃，相对湿度90%以上;室内自然养护条件为(20±3)℃，相对湿度为(65±10)%。

2 结果与讨论

2.1 CA砂浆的干缩性能

乳化沥青、水泥和水灰比对CA砂浆干燥收缩的影响分别见图1、图2和图3。结果表明:CA砂浆28 d以前为快速收缩阶段，收缩量约占74% ～78%，28 d至60 d是缓慢收缩阶段，收缩量约占12% ～14%，60 d以后收缩基本趋于稳定，该阶段收缩缓慢，收缩量约占8%～11%。随着乳化沥青用量的增加或者水泥用量的减少，CA砂浆干燥收缩逐渐减小，水灰比对 CA砂浆干燥收缩影响并不明显。需要说明的是，此处水灰比中的“水”仅指拌合水，而从广义上还应该包括乳化沥青(固含量60%)中的水，因此狭义上的水灰比0.225，0.250和0.275经过换算后得到广义上的水灰比应为0.440，0.469和0.497，可见CA砂浆属于大水灰比高流态砂浆。

图1 乳化沥青对CA砂浆干缩的影响

图2 水泥对CA砂浆干缩的影响

图3 水灰比对CA砂浆干缩的影响

一般认为，水泥基材料干燥收缩主要由水泥石的收缩引起，导致水泥石干燥收缩的原因为水泥石内吸附水的蒸发引起凝胶体收缩和毛细孔内自由水的蒸发造成毛细孔负压。乳化沥青用量的提高或水泥用量减少都意味着CA砂浆中胶凝材料相对含量下降，即CA砂浆中水泥石的相对含量也降低了，因此提高A/C值(乳化沥青与水泥质量比)有利于减少CA砂浆的干燥收缩。此外，乳化沥青破乳后形成的沥青膜在硬化CA砂浆中对水泥石有一定的“裹覆作用”，在一定程度上可以减少水分的丧失，因此乳化沥青相对含量提高也可以改善CA砂浆的干燥收缩性能。水灰比较高的情况下，CA砂浆内部的毛细管较粗大，由水分迁移形成的毛细负压也较小。各水灰比间虽略存差异，但均属大水灰比范畴，因此难以改变其本质特征。加上沥青膜的“裹覆效应”在一定程度上将使各组试件之间干燥收缩的差异更加不明显。

2.2 CA砂浆收缩的补偿技术

膨胀剂对CA砂浆体积稳定性的影响见图4和图5。结果表明:钙矾石类膨胀剂掺量为8%时，CA砂浆3 d前持续膨胀并达到最大值，7 d以后进入收缩阶段;掺量为10%和12%时，CA砂浆3 d前持续膨胀并达到最大值，此后收缩速率超过膨胀速率，宏观膨胀值不断减小，7 d以后进入收缩阶段。从稳定以后的减缩效果看，8%和10%的钙矾石类膨胀剂减缩效果相当，收缩率约降低了35%，12%时减缩效果更优，收缩率降低了44%。氧化钙类膨胀剂对CA砂浆体积变形的影响与钙矾石类膨胀剂类似，3 d前持续膨胀，此后收缩速率大于膨胀速率，宏观膨胀值不断下降，直至CA砂浆进入收缩阶段。氧化钙类膨胀剂掺量越高，减缩效果越明显，6.25%和8.75%的氧化钙类膨胀剂收缩率分别降低了42%和68%，而掺量为11.25%时，CA砂浆在整个观察期内都呈微膨胀状态。

图4 钙矾石类膨胀剂对CA砂浆体积稳定性的影响

PP纤维对CA砂浆后期体积稳定性的影响见图6。由图6可见，PP纤维对CA砂浆后期减缩没有明显的影响。

图5 氧化钙类膨胀剂对CA砂浆体积稳定性的影响

图6 PP纤维对CA砂浆体积稳定性的影响

3 结论

1)乳化沥青用量的增大或水泥用量的减小都有利于减小CA砂浆的干燥收缩，水灰比对CA砂浆的干燥收缩影响不大。

2)掺加钙矾石类膨胀剂和氧化钙类膨胀剂后，CA砂浆3 d前持续膨胀并达到最大值，此后膨胀值逐渐减小。膨胀剂掺量越大，减缩效果越明显，钙矾石类膨胀剂掺量为8%和10%时减缩效果相当，收缩率降低了约35%，掺量提高至12%，收缩率降低了44%;氧化钙类膨胀剂掺量为6.25%和8.75%时，收缩率分别降低了42%和68%，掺量提高至11.25%时，CA砂浆一直呈微膨胀状态。PP纤维对CA砂浆后期体积变形几乎没有影响。

［1］贾恒琼，李海燕，吴韶亮，等．CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆微膨胀性能研究［J］．铁道建筑，2010(9):101-102.

［2］左景奇，姜其斌，傅代正．板式轨道弹性垫层 CA砂浆的研究［J］．铁道建筑，2005(9):96-98.

［3］江成．CA试验研究报告［R］．北京:铁道科学研究院，2001.［4］左景奇，蔡彬芬，曾凡辉，等．铁路或城市轻轨无砟轨道用水泥沥青砂浆及其制造方法和施工方法:中国，200410023087.0［P］．2005-01-12.

［5］谷坤鹏，王成启．新建铁路线CA砂浆施工质量控制的研究［J］．铁道建筑，2010(9):139-142.

［6］丁庆军，王发洲，王涛，等．一种膨胀可控的 CA砂浆材料:中国，ZL200610018437.3［P］．2007-09-19.

［7］HARADA Y，TOTTORI S，ITAI N．Development of cement asphalt mortar for slab tracks in cold climate［R］．Quarterly Report of RTRI(Railway Technical Research Institute)，1983，15(1):62-67.

［8］HARADA Y．Development of ultrarapid-hardening cementasphalt mortar for grouted-ballast track structure［R］．Quarterly Report of RTRI(Railway Technical Research Institute)，1976，17(1):6-11.

［9］HARADA Y．Development and utility of grout for a track structure with grout filled ballast［R］．Quarterly Report of RTRI(Railway Technical Research Institute)，1976，15(1):25-27.

［10］王涛．高速铁路板式无砟轨道CA砂浆的研究与应用［D］．湖北:武汉理工大学土木工程与建筑学院，2008.

［11］胡曙光，王涛，王发洲．膨胀剂对 CA砂浆依时变形特性的影响［J］．西南交通大学学报，2008，43(3):341-345.