CA砂浆耐久性研究进展

２０１０年第１０期　（总第１３４期）　大众科技　ＤＡＺＨｏＮＧ　ＫＥ　Ｊ　Ｎｏ．１０。２０１０　（Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｌｙ　Ｎｏ．１　３４）　ＣＡ砂浆耐久性研究进展　罗宇飞　李豫伟　（广西产品质量监督检验院，广西南宁５３００２２）　【摘要】ＣＡ砂浆的耐久性是高速铁路无砟轨道材料性能的重要研究内容。文章重点综述了今年来国内在ＣＡ砂浆耐久　性方面的研究进展。总结了ＣＡ砂浆体积稳定性、耐疲劳性、抗冻性、耐化学侵蚀和老化性等方面的机理以及相应的应对措施，　并展望了未来的研究内容和方向。　【关键词】ＣＡ砂浆；耐久性；进展　【中图分类号】Ｕ２１３．２＋４　【文献标识码】Ａ　【文章编号】１００８—１１５１（２０１０）１０—００８２—０２　目前，我国已进入高速铁路建设与大规模发展的新时期，　将建成“四纵四横”高速铁路客运专线及三个区域城际快速　轨道交通系统。运营、已建和在建的高速铁路里程均为世界　第一，并且已经开始大规模，成系统地向世界其他国家出口。　高速铁路的基础是轨道结构，它比普通线路标准要求更　高、更严，因此广泛采用板式无碴轨道结构。这是一种以水　泥或沥青混凝土取代散粒道碴道床而成的轨道结构形式。它　是将预制好的轨道板直接“安放”在混凝土基座上，通过向　轨道板与底座问充填水泥沥青砂浆（ｃｅｍｅｎｔ　ａｓｐｈａｌ　ｔ　ｍｏｒｔａｒ，　简称ｃＡ砂浆）材料调整轨道板，以确保铺设精度。作为其重　要组成的ｃＡ砂浆是板式无碴轨道的关键结构性材料，填充于　轨道板与混凝土道床之问厚度约５０ｍｍ的扁平状空间内。主要　有３大作用：１．确保轨道能够承受荷载并具有一定弹性；２．　填充轨道板与混凝土底座之间的空隙，保证轨道的平稳；３．　当下部结构发生变形或破坏时，可以进行修补。ＣＡ砂浆由水　泥、乳化沥青、细骨料（砂）、混合料、水、铝粉、及功能外　加剂等多种原材料组成，经水泥水化硬化与沥青破乳胶结共　同作用而形成的新型有机无机复合粘弹性材料。和普通混凝　土的耐久性一样，随着使用时间的推移以及与使用环境的的　相互作用，其结构和性能将发生改变。这些改变与高速运行　的列车的安全性和舒适性息息相关，因此对ＣＡ砂浆的耐久性　的研究具有重要意义。　日本对ＣＡ砂浆的耐久性研究最早也最具有代表性。２Ｏ　世纪６０年代中期，日本结合新干线建设需求与自身的气候特　点开始进行ＣＡ砂浆的耐久性研究。由于所处地理位置与气候　的缘故，日本较为重视ｃＡ砂浆的抗冻性与耐海水侵蚀性能研　究。针对东北、上越地区寒冷气候特点，通过引气技术开发　了Ｎｏ．３３号砂浆配方（又称Ａ型砂浆）。但发现Ａ型砂浆在严　寒地区使用仍存在松散与开裂的问题，为此日本通过掺加一　些低温下柔韧性好的石油树脂类聚合物乳液（俗称Ｐ乳液）开　发了耐冻性ＣＡ砂浆（又称Ｂ型砂浆）。总之，日本对材料配方　确定的ｃＡ砂浆进行了工作性能、常规力学性能、施工工艺、　耐久性和耐侯性方面进行了研究，并提出了ＣＡ砂浆的技术指　标。　我国的气候特点是复杂多样，具有高温，高寒，冻土，　梅雨，海水等多种气候条件。这对ｃＡ砂浆的耐久性提出了更　高的挑战，对此，国内研究人员做了很多工作。　轨连接，维修相对困难；同时高速铁路的荷载作用频率更快，　对ｃＡ砂浆的耐久性提出了高要求。在板式无碴轨道结构中，　ｃＡ砂浆处于轨道板之下，不直接承受列车轮轨的冲击作用，　但冲击荷载通过钢轨与轨道板传递到砂浆层，而且凸形挡台　周围的ｃＡ砂浆还会受到强烈的沿轨道线路方向的纵向力作　用。根据文献［３］，高速列车轮重作用于ｃＡ砂浆的垂直荷载　为０．ｉ　ＭＰａ，凸形挡台作用于ＣＡ砂浆的纵向力约为１．３６　ＭＰａ。　基于此，ｃＡ砂浆设计的抗压强度（２Ｏ℃）为１．８～２．５　ＭＰａ。若　按最小抗压强度１．８　ＭＰａ计算，垂直荷载与纵向力的应力水　平分别为０．０５和０．７６。　目前，国内对ｃＡ砂浆疲劳性能研究文献较少。～般而言：　所承受的应力水平越高，ｃＡ砂浆的疲劳寿命越短；环境温度　越高，疲劳寿命越大。同时，增加ｃＡ砂浆层的厚度，可以提　高轨道结构的弹性和受力均匀性，减小ＣＡ砂浆疲劳破坏的概　率。已有研究建立了ＣＡ砂浆的疲劳次数（Ｎ）与应力水平（Ｓ）相　关性的数值模拟方程，如：文献［４］通过建立疲劳次数（Ｎ）与　应力水平（ｓ）的相关性，得到ｃＡ砂浆在２Ｏ℃时的疲劳次数对　数值ＬｇＮ与应力水平Ｓ的疲劳关系方程：Ｓ一０．１０２ＬｇＮ＋Ｉ．３３８８　（相关系数Ｒ　＝０．９８５５）。文章同时指出其疲劳特性具有较大环　境温度依赖性。文献［２］根据ＣＡ砂浆的疲劳曲线，提出ｃＡ砂　浆一２０℃下用疲劳循环次数（Ｎ）与应力比（ｓ）表示的疲劳方程　为：Ｓ一０．０９９　３８ＬｇＮ＋１．１３４　３（相关系数＝Ｏ．９９２８）。从上述２　个疲劳方程可以看出，ｃＡ砂浆由于粘弹性特点保证了其在不　同环境温度条件下均具有良好的耐疲劳性能，并且疲劳寿命　对数值与应力水平之问存在较好的线性相关性。这些都给轨　道的使用安全和寿命预测带来了好处。　（二）ＣＡ砂浆的抗冻性　正负温交替环境中工作的ＣＡ砂浆存在着冻融破坏的问　题。通常认为冻害主要是由ＣＡ砂浆的不匀质组织结构及结构　中存在的游离水造成ｃＡ砂浆体积收缩所致。ｃＡ砂浆除了应具　有一般意义上的物理力学性能外，还必须具有良好的低温、　负温早强性能，优越的抗冻融破坏能力。为避免低温及冻融　对ＣＡ砂浆的性能带来灾难性的后果，需要对砂浆进行专门的　抗冻性设计和施工。胡曙光等研究表明：ｃＡ砂浆３５０次冻融　循环相对弹性模量随着沥青乳液与水泥相对质量比从１．４增　至１．７时，分别降至７５％和９２％，表明抗冻性能随着沥青乳液　与水泥相对质量比的增加而增强；但是硫铝酸盐水泥的抗冻　（一）ｃＡ砂浆的耐疲劳性能　铺设于轨道的ｃＡ砂浆层受到有车经过的高应力和无车是　的低应力的交替作用，从而形成了疲劳受力的情形。由于高　速铁路维修天窗时间短，而且板式无碴轨道全程采用无缝钢　【收稿日期】２０１０—０６～２２　性能较差，３５０次冻融循环剩余相对弹性模量４５％￣５５％：同　时部分有机添加剂可以在基准之上提高一定的抗冻性。文献　［２］总结了针对不同冻害可供采取的措施，包括引入微气泡，　组织致密化，降低透水率，减少干燥收缩，缓和冰晶压力，　【作者简介】罗宇飞（１９　Ｒ（１一），男，广西桂林人，广西产品质量监督检验院检验员，助理工程师；李豫伟（１９７５一），男，　河南叶县人，广西产品质量监督检验院副主任，助理工程师。　８２—　快硬，加强养护，提高变形能力等方法。　（三）化学侵蚀与老化　研究化学环境对ＣＡ砂浆性能的影响，是其耐久性研究的　个重要方面。其中主要包括两个方面的内容：其一是外界　的酸，油，水，盐等对ｃＡ砂浆的侵蚀作用，其二是自身的老　化，两者通常复合作用于ｃＡ砂浆。　１．化学侵蚀及老化的定义。化学侵蚀主要是指由于降水，　大气环流，列车遗落等途径带来的酸，油，碱，盐，有害离　子等与砂浆中的某些成分发生反应，而引起的材料性能恶化。　而老化是砂浆重要组分沥青长期暴露于光、氧、水灯自然气　候条件下，发生一系列的物理化学变化，使其性质发生劣化。　２．体积变形特性。为保持板式轨道关键材料ｃＡ砂浆的体　积稳定，针对上述引起体积变形的原因，探讨了膨胀剂种类、　掺量以及不同养护湿度对以砂浆依时变形特性的影响。文献　［２，５］等研究了膨胀剂种类、掺量和养湿度对以砂浆依时变形　特性的影响。结果表明，铝粉作膨胀剂时，以砂浆在０～１２ｈ　内膨胀，１６ｈ后收缩，铝掺量对其硬化后变形基本无影响。ｕ　型膨胀剂对以砂浆１２ｈ内的收缩补偿作用较小，２０ｈ后体积产　生明显胀，７ｄ时膨胀率最大，后收缩，且其收缩率随膨胀剂　掺量增加而降低。　（五）展望　ｃＡ砂浆是集工作性、力学性、耐久性等性能为一体的填　充减振砂浆，其各项性能之间既相互联系又相互制约。填充　性能要求ＣＡ砂浆具有良好的灌注性、均质性和自流平密实性，　减振性能要求ＣＡ砂浆具有良好的支撑力、弹性性能与长期耐　２．耐化学腐蚀研究。耐化学侵蚀在文献［２］中作了较系统　的研究。其研究表明：（１）酸环境可以显著降低砂浆的强度。　Ａ／Ｃ增大耐酸较好，并且酸浓度越高对强度的影响越小。这与　水泥水化产物的暴露量有关，沥青含量高的砂浆中水化产物　久及耐候性能，因而ｃＡ砂浆耐久性需系统研究的内容多且复　暴露少，因而侵蚀减少。（２）耐盐、耐碱性与耐酸性有类似　杂。与混凝土的耐久性研究相比，我国的ＣＡ砂浆的耐久性研　的结论，与Ａ／Ｃ有关，沥青含量高影响较小。（３）油类侵蚀　究还停留在经验水平上，缺乏系统性研究，国外除日本以外　主要是列车遗落机油所致。机油能够明显侵蚀ＣＡ砂浆，降低　研究更少。我国气候环境的多样性也为研究者提供丰富的研　其强度和质量。随着Ａ／Ｃ值增加，ＣＡ砂浆经过机油侵蚀后的　究方向。因此，如果进一步研究将为给我国的研究人员提供　强度和质量损失率增大。　了一个取得大量原创性科学技术成果的机会。同时，因为在　３．耐老化研究。沥青与空气接触并与大气中的氧发生反　ｃＡ砂浆真实的使用过程中，往往是多个因素（如疲劳与冻融、　应（光氧化和热氧化）是ＣＡ砂浆服役期间老化的主要原因。一　化学侵蚀），甚至是全因素的同时对其耐久性产生影响，所以，　般认为温度对沥青的氧化有很大影响，热加速了沥青的氧化，　综合多因素对ＣＡ砂浆耐久性影响的研究无疑将对其使用安　而氧化物的分解导致了主链断裂的自动氧化过程，故老化过　全，寿命预期及日常维护等更具有现实意义。　程也称之为热氧老化；沥青材料受到光辐射时特别是紫外波　段光辐射，分子结构就会受到破坏，从而导致沥青材料很光　【参考文献】　氧化老化。对于同种沥青材料而言，热氧化老化要强于光氧　［１］Ｈａｒａｄａ　Ｙ，Ｔｏｔｔｏｒｉ　Ｓ　Ｉｔａｉ　Ｎ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｅｍｅｎｔ　ａｓｐｈａｌｔ　化作用。　ｍｏｒｔａｒ　ｆｏｒ　ｓｌａｂ　ｔｒａｃｋｓ　ｉｎ　ｃｏｌｄ　ｃｌｉｍａｔｅ．Ｑｕａｒｔｅｒｌｙ　Ｒｅｐｏｒｔ　ｏｆ　为减轻氧化作用对砂浆性能的影响，通常加入抗老化剂　ＲＴＲＩ　（Ｒａｉｌｗａｙ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ），　获得改性沥青，再以其与水泥等其它组分拌合制备ＣＡ砂浆。　１９８３，１５（１）：６２—６７．　实验表明这种方法能显著的提高ｃＡ砂浆的耐老化性。在制备　『２王涛．２１高速板式无碴轨道ＣＡ砂浆的研究与应用［Ｄ】．武汉：　过程中尽量避免高温作业，和富氧接触也是减弱老化影响的　武汉理工大学，２００８．　重要手段。　［３】赵坪锐，刘学毅．板式轨道动力特性分析及参数研究　铁　（四）体积稳定性　道建筑，２００４，（５）．　１．体积变形机理。在没有外在荷载的作用下，ｃＡ砂浆硬　『４１王发洲，刘志超．高速铁路板式无碴轨道用ＣＡ砂浆的疲劳　化体结构主要有五种体积变形，分别是化学减缩、塑性收缩、　特性卟武汉理工大学学报，２００８，３０（１１）．　白收缩、干燥收缩、温度引起的热胀冷缩。不同组成或处于　【５】胡曙光，王涛，王发洲，等．ＣＡ砂浆抗冻性能的影响因素研究　不同条件的ＣＡ砂浆，以上各种收缩变形在总的体积变形中所　【Ｔ】．武汉理工大学学报，２００８，３０（８）：３０—３３．　占的比例是不同的。分析占主导作用的收缩变形对于提高ｃＡ　［６】张倩，赵洁，史梦琪，等．自然因素作用下沥青老化化学机理　分析Ｕ１．西安建筑科技大学学报（自然科学版），　砂浆耐久性非常重要，有助于寻求减小ＣＡ砂浆收缩的技术措　施，以长时间保持轨道结构的稳定。　２００４，３６（４）：４５７－４５９．　（上接第１２８页）　（三）结语　建筑是凝固的音乐，而上海世博园区正是由绿色音符组　成的优美乐章。“绿染世博”，在上海世博会园区内，所有场　馆建筑都以生态可持续为基本宗旨，呈现出最精彩、最集中、　最前沿、最适用的绿色建筑技术。然而，当这些超前的技术　被引入到现实生活中时，究竟该如何规划设计诠释？这需要　图１９汉堡之家外观：型似抽屉状　一图２０汉堡式传统红砖外墙：　　我们不断地思考和创新，通过更深入的研究、更广泛的实践，　隔热、隔音、密闭性强　在绿色建筑创作和低碳城市规划之路上走得更好、更远。　【参考文献】　【１】中国社会科学院城市发展与环境研究中心．城市蓝皮书　【Ｍ】．北京：社会科学文献出版社，２００９．　【２】辛章平，张银太．低碳经济与低碳城市阴．城市发展研　究，２００８（４）：９８—１０２．　图２１汉堡之家内部构造图　［３］龙惟定．低碳经济与建筑节能发展ＵＪ．建设科技，２００８　（３）：１５－２０．　８３．