CA培训材料.docx
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CA培训材料
CA砂浆试验研究
1.概述
板式无碴轨道是由长钢轨、扣件系统、轨道板、水泥沥青砂浆、混凝土底座
及凸形挡台组成的一种新型轨道结构。
为了使板式轨道具有一定的弹性，并固定
轨道结构的位置，在混凝土底座和轨道板之间，以及凸形挡台周围填充缓冲材料
层，同时消除混凝土构件施工误差。
作为缓冲充填材料，应既有一定的弹性，又
有一定的强度，水泥砂浆强度足够高，但弹性不足，沥青弹性好，但强度低，受
温度影响大，因此采用了将二者结合的水泥沥青砂浆，一般采用水泥、乳化沥青、
砂及各种掺和料混合而成，通称CA砂浆。
CA砂浆较树脂材料成本低廉，可以大
规模的采用。
2.CA砂浆性能指标及试验方法
2.1CA砂浆的主要性能指标要求
CA砂浆的性能指标应满足表1的要求
表1CA砂浆的主要性能指标要求
序号
项目
单位
指标
1
抗压强度
1d
MPa
>0.1
7d
>0.7
28d
1.8〜2.5
2
弹性模量
MPa
100〜300
3
砂浆温度
r
5〜30
4
流动度
秒
16〜26
5
可工作时间
分
>30
6
含气量
%
8〜12
7
单位容积质量
Kg/I
>1.3
8
膨胀率
%
1〜3
9
材料分离度
%
<3
10
泛浆率
%
0
11
抗冻性
300次冻融循环试验后，相对动弹模量不得小于
60%质量损失率不得小于5%
12
耐候性
外观无异常，相对抗折强度不低于100%
2.2各性能指标的确定及试验方法
2.2.1抗压强度
1）性能指标
⑴由轮重决定的抗压强度
由于板式无碴轨道CA砂浆设计填充于轨道板板底及凸形挡台四周，因此其抗压强度的确定取决于设计轮重以及作用于凸形挡台上纵向力的大小。
在秦沈客运专线轨道结构的设计中，其设计轮重为300KN一般轨道板的外形尺寸为4930X2400X190mm考虑一块轨道板上最多作用一个转向架，以及轨
道板本身的重量（50KN,板底CA砂浆调整层最大工作应力为Smax:
Smax=P/A=（4X300000+50000）/（4930X2400）=0.1Mpa
因此，轮重作用下轨道板CA砂浆所需要的抗压强度为0.1Mpa。
⑵由作用于凸形挡台上纵向力决定的抗压强度
2L2
+F；
如图1所示，凸形挡台与轨道板间的CA砂浆填充层所承受的最大合力为:
F=（Fr+Fp-同
式中：
Fr—长钢轨的温度力；
Fp—轨道板本身的伸缩力;
片-轨道板与CA砂浆层之间的摩擦系数（按0.35）计;
V—轨道板的自身重（按50KN计）；
图1板式无碴轨道凸形挡台及周围CA砂浆受力图
1长钢轨温度力Fr；
根据秦沈客运专线板式轨道设计技术条件中的规定，线路设计纵向阻力为
7KN/m轨，对于一股线路，其长钢轨纵向力为14KN/m轨道板长度L按5m计,
由此可得:
Fr=LX14=5X14=70KN
W—轨道板的自重（按50KN计）；
2轨道板本身的伸缩力Fp：
Fp=0.5XLXnXtXK
式中:
L—轨道板长度（5m
n—轨道板线膨胀系数（1X10-5/10C计）;
K—凸形挡台周围CA砂浆的弹性系数（按150KN/mn计）。
由上式可计算出：
Fp=0.5X5000X1X10-5X10X150=37.5KN
3轨道横向阻力Fr：
轨道横向阻力按一股线路14KN计算，5m轨道板内的轨道横向阻力为70KN
W=0.35X50=17.5KN
将上述计算结果代入
（1）式，要得出凸形挡台周围CA砂浆层承受的最大合
力:
F=114KN=
合力F的作用方向：
cos0=（Fr+Fp-w）/F=（70+37.5-17.5）/114=0.79
在合力F的作用下凸形挡台周围CA砂浆层承受的最大应力:
式中：
r—凸形挡台的半径（250mm；
H—凸形挡台顶面与轨道板底面的最小高差［当轨道板下CA砂浆层厚度为
最大值100mm寸,H=凸形挡台高度（250）-100=150mm］。
代入
（2）时，可计算出纵向力作用下，凸形挡台周围最大CA砂浆层的最大应力：
S=1.70Mpa
考虑一般情况下Fr与Fc不可能同时产生最大值与，故其容许应力可增加
25%即：
Sbmax=Sb1.25=1.75/1.25=1.36Mpa。
综上所述，板式轨道CA砂浆的抗压强度主要由凸形挡台周围CA砂浆层的受
力条件所决定。
由于秦沈客运专线板式轨道CA砂浆的使用环境处在寒冷地区，在设计中必须考虑其抗冻性能，相应的强度指标要提高。
但另一方面，强度指标太高，弹性模量相应增大，势必影响其提供轨道适度弹性的设计初衷，借鉴日本
板式轨道CA砂浆的强度指标，设计要求CA砂浆28天的抗压强度指标应在1.8~2.5Mpa范围内。
为提高CA砂浆抗初期冻害性，提高施工工效，设计中，相应地对不同龄期
的强度提出下列要求：
1天龄期：
应达到0.1Mpa以上，以满足拆模、取出轨道板支撑螺栓的要求;
7天龄期：
应达到0.7Mpa以上,以满足轨道铺设时搁置重物的要求;
28天龄期：
应达到1.8~2.5Mpa以上,以满足线路竣工通车的要求。
2）试验方法
CA砂浆抗压强度试验采用“单轴压缩法”进行。
将流动度试验中拌制30分
钟后的砂浆，注入©50mm<50mm的圆柱体模型内，用石膏粉作表面处理。
在
试件达到上述各龄期后，测量试样承压面的尺寸，准确至0.02mm取3次平均值;
利用压力试验机以每分钟试件变形0.5mm加载速率,匀速加载当压力不再上升时
停止加载,其压力最大值即为该试件在各龄期时的抗压强度。
每次试验取三个试件，三个试件强度的算术平均值作为该组试件的强度。
2.2.2弹性模量
1）性能指标
与普通混凝土一样，CA砂浆的弹性模量与强度存在一定的相对应关系，一般地，抗压强度高，相应的弹性模量大，在上述CA砂浆的强度指标范围内，课题
组在配制各种砂浆配方的试验中，进行了大量试验，确定砂浆28天的弹性模量范围在100~300Mpa。
2）试验方法
CA砂浆弹性模量试验方法与抗压强度基本相同，试件为©50mm<50mm的圆柱体，利用压力试验机以每分钟0.5mm加载速率，匀速加载，加载至抗压强度的1/3,然后立即卸载，卸载速度与加载速度相同，如此重复三次试验，以第四次加载曲线的数据计算弹性模量。
由于CA砂浆具有一定的塑性，弹性模量曲线实际上是一条螺旋线，试验中取第四次加载曲线起始点的割线斜率为该试件的弹性模量。
E=S/£=（1/3Sb）/[（b-a）/h]=Sbh/3（b-a）
式中：
h—试件的高度;
sb—试件的抗压强度;
a—试验时第四次加载开始时的变形;
b—第四次加载至Sb/3时的变形。
每次试验共作三个试件，三个试件弹性模量的算术平均值作为该组试件的弹性模量。
2.2.3流动度与可工作时间
1）性能指标
CA砂浆流动度与可工作时间是保证板式轨道CA砂浆现场灌注施工质量的重
要指标。
从乳化沥青与水泥砂浆掺和到一起后，CA砂浆固化作用就开始了，砂浆的粘性逐渐增加，流动性逐渐丧失而最终固化。
为确定CA砂浆流动度指标，试验采用容积为640ml的特制漏斗进行测定,
将拌和好的砂浆注入漏斗，打开出口开始，至砂浆全部流出所经历的时间，即为流动度。
适宜的流动度对于砂浆的性能与灌注质量非常重要，流动度过小，砂浆材料会出现离析，影响其强度和耐久性;流动度过大，砂浆粘稠，就难以将轨道板与基础间的空隙填充密实，影响其强度和耐久性;流动度过大，直接影响灌注质量。
借鉴日本板式轨道CA砂浆的流动度指标，结合我国前期进行的大量试验,包括试验室内的实尺模型灌注结果，确定流动度指标在16~26s范围内，可满足性能与灌注要求。
影响CA砂浆流动度指标的因素很多，在拌和方式，投料顺序一定的条件下,流动度随温度、外加剂、主要原材料的配合比、水灰比的变化而不同。
CA砂浆的可工作时间是指CA砂浆处于规定的流动度范围内所经历的时间。
这个时间应该较长而不至于影响现场砂浆的灌注施工。
考虑到现场从砂浆拌和站
配制好的运输过程、灌注作业所需的时间，规定CA砂浆的可工作时间不少于30min。
2）试验方法
CA砂浆的流动度试验采用“漏斗法”进行。
漏斗容积为640ml，上口径为①70mm下口径为①10mm高度为450mm将配制好的砂浆注入漏斗内，打开出口
阀门，同时开始计时，砂浆从漏斗全部流出所经历的时间，即为砂浆的流动度——t（以s计）。
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
102030
累计时间T（min）
图2CA砂浆流动度与累计时间的对应关系
可工作时间的试验方法与流动度相同，但同一试样每隔5min做一次，并绘
出流动度曲线，即流动度与累计时间的对应关系（如图2示意）。
砂浆在流动度
224膨胀率
1）性能指标
CA砂浆灌注固化后，一般会产生2~3mm攵缩，直接影响板底砂浆的填充效果,
为此必须考虑在原材料中加入适量膨胀剂（如：
铝粉），使砂浆产生膨胀。
膨胀率的大小应严格控制，膨胀率过小，轨道板与砂浆间将产生空隙；膨胀率过大,会将状态调整好的轨道板抬起，直接影响轨道板的高低、轨向等线路几何状态。
考虑砂浆灌注后伸缩，设计中要求CA砂浆膨胀率应控制在0-3%之间。
2）试验方法
CA砂浆膨胀率采用量筒、游标卡尺进行测定，将配制好的CA砂浆注入容积
为250ml带刻度的量筒内，其上加一块玻璃板，用游标卡尺测定玻璃板至砂浆表面的高度。
膨胀率的计算如下式:
膨胀率（%=0.000314X（H0-H24）Xd2
式中：
H。
一初始高度（mm；
HL—24h后的高度（mm；d—量筒直径（mm。
2.2.5材料分离度
1）性能指标
在流动度较小、或砂的粒径偏大时，CA砂浆原材料之间会出现分离、泛浆
或沉淀现象，砂浆的强度和耐久性会相应降低，为保证CA砂浆固化体系的匀质
性，采用材料分离度作为匀质性评价的指标，借鉴日本板式轨道CA砂浆与我国
2）试验方法
材料分离度采用“等分法”进行测定。
制作
在砂浆龄期达28天后，将其分成上、下两等分，
①50X50mmi勺圆柱体砂浆试件,分别称重，计算其单位容积的质量。
材料分离度见下式：
材料分离度（%）=（下部单位容积质量-上部单位容积质量）
X0.5/上下部平均单位容积质量
2.2.6空气含量
1）性能指标
在CA砂浆的配制过程中导入适量的小气泡，可提高在寒冷、积雪地区CA砂
浆的抗冻性，这种气泡可缓和CA砂浆层内的自由水等受膨胀时产生的冰晶压力,根据日本铁路研究结果，空气量达9%以上时，抗冻害性有显著的提高，但若超过
16%时，砂浆层的密实度降低，影响其抗压强度。
为此，设计中将空气量控制在9~12%范围内。
空气量指标的定义如下式：
空气量=
理论单位容积质量-实测单位容积质量）/理论单位容积质量
其中：
理论单位容积质量
原材料总重量/各使用材料的容积总和（质量/密度）
在CA砂浆内导入空气后，相应地要采取添加适量的消泡剂以及特殊的拌和方法等措施，以提高CA砂浆的质量。
2）试验方法
如上述空气量的计算式可看出，空气量的试验主要是实测砂浆试件的单位容积的重量。
而要得出空气量的大小，在砂浆配制前，必须称量砂浆所用原材料的重量，了解原材料的比重，从而计算出砂浆理论单位重量。
试验将流动度试验过程中拌制30分中后的CA砂浆倒入1000ml的三角烧瓶内，测定其单位容重。
2.2.7泛浆率
1）性能指标
CA砂浆经拌和完成后，为避免拌和的不均匀，水未充分拌和及参与反应，而造成的CA砂浆性能不稳定，故应对CA砂浆泛浆率进行确定，CA砂浆的泛浆率规定为0。
2、试验方法
将CA砂浆注入聚乙烯袋内；排出袋内空气，封闭袋口，悬挂静置，经24小
时后，观察表面是否有泛浆水，按下式计算泛浆率:
泛浆率（%=VNZ100
式中：
V1—24小时以后的泛浆水（cc）
V0—CA砂浆的体积（CC）
2.2.8耐久性（抗冻性能）
1）性能指标
由于秦沈客运专线板式无碴轨道位于寒地区，对CA砂浆层的抗冻性能应引
起足够的重视。
日本铁路初期在北海道、秋田和长野等寒冷地区试铺时，发现CA砂浆在与空气接触的表面数毫米处有起泡、剥离和龟裂等受冻害而劣化的现象，
为此，研究部门按混凝土的耐久性能试验方法对不同配方的CA砂浆进行快速冻
融循环试验，以检验其耐久性。
根据其研究结果，提高CA砂浆抗冻性的对策，主要有以下三种:
⑴改进沥青乳化剂和减少砂的用量来减少搅和用水；
⑵使用消泡剂或聚合物使结构致密化，提高防水性;
⑶采用AE剂用微小气泡来缓冲冰晶压力是有效的；试验结果得出导入适量的空气量（9~12%）对防止冻害是最有效的措施。
借鉴日本铁路利用混凝土的耐久性能试验方法来检验CA砂浆耐久性长期实
践经验，秦沈客运专线板式轨道CA砂浆耐久性试验参照我国GBJ82-85《普通混
凝土长期性能和耐久性试验方法》中抗冻性能试验（快冻法）标准执行。
其试验方法与标准如下节所述。
2）试验方法与试验标准
参照混凝土抗冻性能试验方法，CA砂浆抗冻性能试验采用100X100X400mm
的棱柱体试件，每组三块，试件应在28天龄期时开始冻融试验，试验前在温度
15~20匕的水中浸泡，浸泡4天后进行试验。
试验主要设备仪器为：
混凝土冻融
循环试验机、动弹性模量测定仪、案称（感量5g）等。
冻融循环有如下主要规定:
⑴每次冻融循环在2~4h内完成，其中用于融化的时间不得少于冻融时间的
1/4；
⑵冻结融化终了时，试件中心温度控制在-17±20r和8±20r。
⑶每块试件从60r降至-150C所用的时间不少于冻结时间的1/2。
每块试件
从-150r升到60r所用的时间也不得少于整个融化时间的1/2，试件内外温差不
得超过280r。
⑷冻和融之间的转换时间不超过10min。
参照混凝土冻融试验标准，CA砂浆的冻融循环试验评定标准如下:
冻融循环300次后，相对动弹性模量不低于60%。
相对动弹性模量用动弹性模量测定仪进行测定，以三个试件平均值的计算结果作为该组试件的相对动弹性模量。
2.2.9耐候性
1）性能指标
由于板式无碴轨道除CA砂浆垫层外，其余各部件为混凝土、钢材、橡胶等
材料组成，气候对其的影响不大，且各种材料受气候影响程度经多年应用已有成
熟经验，考虑CA砂浆为一种新型材料，须测定其耐候性，确定其灌注完成后的使用寿命。
2）试验方法
将流动度试验合格的CA砂浆拌和10分钟后，注入40X40X160mm勺模型中，一次成型8组试件，每组试样数为3个，试件标准养护8天后，将其中4组试件放入快速耐候试验箱的试样夹具架，并将其插到转鼓上，按人工气候箱的操作规程开动机器，按试验条件进行试验，照射时间为500h。
同时将另外4组的对比试件继续标准养护。
当照射时间分别在0、100、300、500h时，分别对被照射试件
和同龄期未被照射的标准试件进行抗折试验，同时检查试件的外观变化情况。
按下式计算不同照射时间时CA砂浆的相对抗折强度：
R=R/R0X100%
R—不同照射时间被照射试件的抗折强度值，Mpa
R—不同照射时间时相同时段标准养护试件的抗折强度值，Mpa
R—不同照射时间时试件的相对抗折强度，％
试样的抗折强度值取每组三个试件抗折强度的算术平均值，即：
R=
（R1+R2+R）/3
3.CA砂浆原材料
3.1CA砂浆原材料及技术要求
3.1.1水泥采用强度等级为42.5R的普通硅酸盐或快硬硫铝酸盐水泥，其技术要求应符合GB175和JC714的规定。
应使用新鲜、保管好的水泥，贮存时间不得超过1个月，超过贮存期、受潮的不得使用。
3.1.2乳化沥青采用厂制阳离子乳化沥青。
其主要性能指标应满足表1
的要求。
采用桶装或散装贮存和运输，贮存时间不得超过3个月。
表1乳化沥青的主要性能指标要求
项目
单位
指标要求
试验方法
外观
浅褐色液体、均匀、
无机械杂质
JC/T797
颗粒电荷
+
JTJ052-T0653
恩氏粘度（25C）
5〜15
JTJ052-T0622
筛余物（1.18mm）
%
<0.1
JTJ052-T0652
贮存稳定性（1天，25C）
%
<1.0
JTJ052-T0655
低温贮存稳定性（-5C）
无粗颗粒或块状物
JTJ052-T0656
水泥混合性
%
<1.0
JTJ052-T0657
蒸
八、、发残留物
残留物含量
%
58〜63
JTJ052-T0651
针入度（25C，100g）
0.1mm
60〜120
JTJ052-T0604
延度（15C）
cm
>100
JTJ052-T0605
溶解度（三氯乙烯）
%
>97
JTJ052-T0607
3.1.3聚合物（P）乳液采用石油树脂系乳液，其主要性能指标应符合
表2的要求，贮存时间不得超过3个月。
表2P乳液的主要性能指标要求
项目
单位
指标要求
试验方法
pH
7〜9
GB/T8325
密度
g/cm3
1.0±0.1
GB/T11175
不挥发物
%
45±3
JISK6387-2
水泥混合性
%
<1
JISK2208
机械稳定性
%
<0.01
GB/T11175
3.1.4细骨料（砂）细骨料应采用河砂、山砂或机制砂。
细骨料应为最大
粒径小于2.5mm的岩石颗粒，不得包含软质岩、风化岩石的颗粒。
颗粒级配应符合表3的规定。
细骨料的其它技术要求应符合表4的规定。
细骨料应烘干后用防潮袋包装，含水率不大于1%,贮存和运输过程中，应
采取措施防止雨淋、杂物混入。
表3细骨料的颗粒级配要求
筛孔尺寸（mm）
过筛物的质量百分比（％）
筛余物的质量百分比（％）
2.36
100
0
1.18
90〜100
0〜10
0.60
60〜85
15〜40
0.30
20〜50
50〜80
0.15
5〜30
70〜95
表4细骨料的技术要求
序号
项目
单位
指标要求
试验方法
河砂、山砂
机制砂
1
细度模数
1.4〜2.2（泵送1.4〜1.8）
GB14684
2
表观密度
g/cm3
>2.55
3
吸水率
%
<3.0
4
泥块含量
%
<1.0
0
5
含泥量
%
<2.0
0
6
石粉含量
%
<1.0
7
有机物（比色法）
合格
3.1.5混合料可采用以硫铝酸钙（3CaO.3AI2O3.CaSO4为主体的分散剂和具有膨胀性的水泥混合料，或采用石灰系膨胀性混合料。
其技术要求应符合
JC476的规定。
3.1.6水添加水应不含油、酸、盐类等对CA砂浆质量有影响的有害物
质，宜采用饮用水。
其它要求应符合TB10210的规定。
3.1.7铝粉应采用鳞片状铝粉。
其主要技术指标应满足表5的要求。
表5铝粉的主要性能指标要求
3.1.8其它根据CA砂浆性能要求，在砂浆配方中可适量添加消泡剂、引气剂、稳定剂和防水料等外加剂。
3.2各种原材料主要作用
3.2.1水泥、砂
水泥及砂主要为CA砂浆提供一定的强度。
3.2.2乳化沥青
乳化沥青主要为CA砂浆提供一定的弹性，同时其内部的水参加水泥的水化反应。
3.2.3混合料、防水料
混合料加入用以补偿CA砂浆的凝结固化时的收缩，同时使CA砂浆的组织细
3.2.4消泡剂
消泡剂用于消除拌和初期CA砂浆内的大气泡。
3.2.5引气剂
引气剂引入定量的微小气泡。
3.2.6铝粉
铝粉使CA砂浆初期产生膨胀，达到与轨道板密贴的效果。
3.2.7水
水用于水泥的水化反应，同时保证CA砂浆具有一定的流动度。
3.2.8稳定剂
稳定剂采用表面活性剂，加入乳化沥青中，延缓水泥水化反应和乳化沥青破乳。
4.CA砂浆的配制
4.1抗冻型CA砂浆研究
4.1.1冻害分析
CA砂浆受冻害劣化的情况，与混凝土一样分固结体的冻害和未固结或未达龄期前的初期冻害。
1）初期冻害
普通CA砂浆是主要由水泥、乳化沥青、细骨料、水组成的多孔、不匀质多
相结构，利用了水泥的强度及沥青的弹性。
水主要来自占乳化沥青重量40%的乳
剂水及CA砂浆拌合用水，CA砂浆拌合后，部分水开始与水泥发生水化反应，成
为水泥浆，CA砂浆凝固并达到一定强度以前，水一直与水泥进行反应，CA砂浆
由于水泥的水化、凝结而要产生一定收缩。
而同时CA砂浆中的游离水较多，当
温度低时，游离水结冰造成CA砂浆体积膨胀，产生冰晶压力，且初期强度较低,
CA砂浆很容易发生冻胀破坏。
2）固结体的冻害
水泥水化全部完成后，仍有部分水以游离水的状态存在于CA砂浆中，当温
度降低后，CA砂浆中沥青随温度下降而体积收缩，同时由于游离水受冻产生的冰晶压力的影响而导致组织结构劣化，从而发生破坏。
故冻害产生的原因主要是CA砂浆的不匀质组织结构、结构中存在的游离水
和体积收缩。
4.1.2提高抗冻性的方针与措施
1）基本方针
经上述分析可知，通过改善CA砂浆的组织结构、减少拌合用水及补偿体积
收缩可防止冻害。
防止初期冻害主要采取提高CA砂浆早期强度、加速凝结时间、
适宜的养生条件等方针。
防止固结后冻害主要采取优化配合比、引入微小气泡、
减少干燥收缩等方针。
2）措施
⑴优化配合比、改进原材料。
采用42.5级早强普通硅酸盐水泥，加快CA砂浆的凝结固化时间，并提高CA
砂浆的早期强度;
加入膨胀性混合材料，用以补偿CA砂浆的凝结固化时的收缩;
加入防水性材料，增加CA砂浆的密实度，降低CA砂浆的透水率，阻止补给
水。
⑵引入一定量的微小气泡
加入消泡剂及引气剂，弓I入一定量的微小气泡。
在拌合时，加入适量的消泡
剂，使比较大的气泡破泡并细化。
加入引气剂，使引入的气泡含量稳定。
气泡的
主要作用是阻止补给水及水的游动和缓冲冰晶压力。
经试验发现，气泡含量在9~12%£围内效果最佳，气泡含量太小，对抗冻效
果不佳；气泡含量太大，会造成强度的下降。
气泡含量的大小主要取决与消泡剂、
引气剂的添加量、投料顺序和搅拌速度等因素。
需根据所采用材料的性能进行试
验，确定合理的配合比、投料顺序、搅拌速度等。
⑶减少拌合用水
通过减少拌合用水，降低CA砂浆内的水含量，减少冻害。
拌合用水过少,
又会造成CA砂浆流动度过小，影响施工及CA砂浆的早期强度。
用水量必须在保
证CA砂浆各项指标符合要求方可降低。
4.2CA砂浆配方
单
位
水泥
砂
乳化
升级会员 