Effect of Functional Chemical Admixtures on the Performance of Cement Asphalt Mortar Used in Ballastless Track

Chemical admixtures are of paramount importance to the performance of modern cement based composites. In this paper, we performed a series of tests to investigate the effects of chemical admixtures on the cement asphalt mortar(CA mortar), i e, compressive strength, frost resistance, permeability, fatigue resistance, pore structure and microstructure. In particular, two types of chemical admixtures were tested, i e, defoamer(tributyl phosphate(TBP)) and polycarboxylate superplasticizer(PS). The results indicate that the addition of TBP and PS eliminates big bubbles and promotes small non-connected pores forming in matrix. Besides, an optimum dosage of TBP and PS may be determined with respect to the frost resistance, permeability and fatigue resistance of CA mortar. Further elaborative discussions are presented as well as experimental evidences from mercury intrusion porosimetry, scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy.

Compressive Strength Development and Microstructure of Cement-asphalt Mortar

The compressive strength developing process and the microstructure of cement-asphalt mortar （CA mortar） were investigated.The fluidity of CA mortar has a great influence on its strength.The optimum value of spread diameter of slump flow test is in the range of 300 to 400 mm.The compressive strength of CA mortar keeps a relatively high growth rate in 56 days and grows slowly afterwards.The residual water of hydration in CA mortar freezes under minus environmental temperature which can lead to a significant reduction of the strength of CA mortar.Increasing A/C retards asphalt emulsion splitting and thus prolongs the setting process of CA mortar.The hydration products of cement form the major structural framework of hardened CA mortar and asphalt is a weak phase in the framework but improves the viscoelastic behavior of CA mortar.Therefore,asphalt emulsion should be used as much as possible on the condition that essential performance criterions of CA mortar are satisfied.

基于弯沉斜率的CRTS-Ⅱ板CA砂浆层脱空长度评估方法

列车运动条件下CA砂浆层脱空病害的定量检测缺乏有效的评估指标,而基于轨道/车辆响应特征和轨道线形变化的检测方法以定性判断为主。为解决上述问题,采用弯沉斜率作为脱空长度病害的评估指标,开展多种条件下脱空长度的定量评估研究。首先,基于欧拉伯努利梁理论和Winkler模型,推导出轨道板弯沉斜率与变形速度之间的关系。建立车辆-轨道有限元动力学模型,设置多种不同的脱空长度。其次,研究列车以不同速度通过病害区域时,轨道板表面特定区域变形速度的分布情况,统计该过程中轨道板最大变形速度出现的位置与轮对中心的间距。再次,基于线性递减粒子群优化算法,求解最优的变形速度测量位置。最后,分析弯沉斜率的变化规律及其与脱空长度的关联。研究结果表明:弯沉斜率与脱空长度呈正相关,因此弯沉斜率不仅可以用于砂浆层脱空的识别,还可以用于脱空长度的定量评估;在不同的脱空工况下,变形速度的最优测量位置位于列车轮对中心前方2.4 m处,该位置对应的变形速度能更有效地反映出脱空产生的影响;在不同的速度条件下,弯沉斜率的平均绝对百分比误差的平均值为13.7%,对应位置变形速度的平均绝对百分比误差的平均值为112.93%;揭示了不同脱空工况条件下弯沉斜率的变化规律,给出了7种脱空条件下弯沉斜率变化的参考范围。

养护条件对CA砂浆微观结构及强度的影响规律

为探究养护条件对水泥乳化沥青砂浆微观结构及抗压强度的影响规律,设置了干养((25±2)℃,湿度(65±5)%)与湿养((25±2)℃,湿度(90±5)%)2种不同的养护条件,通过抗压强度试验、环境扫描电镜(SEM)、低场核磁共振(NMR)对不同养护条件下的CA砂浆抗压强度、微观形貌、孔隙结构进行了测试。研究结果表明:干养状态下的CA砂浆在各龄期下抗压强度均显著高于湿养状态下的CA砂浆;微观结构测试结果显示养护条件造成的湿度差异以及沥青的综合作用显著影响了CA砂浆的水化过程,在干养的CA砂浆中形成了独特的有机-无机互穿蜂窝结构,使其在较大的孔隙率下,仍能获得较高的抗压强度。因此在实际的工程中,应尽量避免在潮湿的环境下浇筑CA砂浆,以提高成型后CA砂浆的抗压强度。

沥青混合料与CA砂浆的阻尼特性研究

当前,沥青混合料为道路路面主要材料,CA砂浆(水泥沥青砂浆:Cement Asphalt Mortar,简称CA砂浆)垫层主要应用在高速铁路轨下基础。论文立足二者阻尼性能的特点,探讨沥青混合料和CA砂浆在不同影响环境(频率)下的阻尼规律、阻尼差异性,并进行对比。结果表明,CA砂浆与沥青混合料在低频段阻尼具有相同的变化趋势;在某一频率为界限的低频段,CA砂浆显现出较沥青混合料更好的阻尼特性,而高频段,沥青混合料表现出较CA砂浆更好的阻尼性能。

CA砂浆的流变特性

CA砂浆是应用在板式轨道结构中的一种新型有机无机复合灌浆材料,其流变性能直接决定CA砂浆的灌注效果.通过流变仪研究了新拌CA浆体的瞬态与稳态流变特性及其影响因素.结果表明,CA浆体属于非牛顿流体,表现在低剪切速率时,CA浆体的粘度随时间先减小后增大;中高剪切速率时,其粘度先随时间减小后趋于稳定.在绝对水灰比固定条件下,随着沥青乳液与水泥质量比、硅灰和流变助剂掺量的增大,CA浆体的粘度增加;随着粉煤灰掺量的增加,CA浆体粘度略有降低.

CA砂浆抗冻性能的影响因素研究

为提高CA砂浆的抗冻性能,研究了各组成材料对其抗冻性的影响。结果表明,沥青相对含量越高,抗冻性能越好,沥青乳液与水泥相对质量比(A/C值)从1.4增至1.7时,350次冻融循环相对弹性模量分别降至75%和92%;随着冻融循环次数的增加,CA砂浆质量呈增加趋势,沥青相对含量越高,冻融循环后质量增加率越小;但采用硫铝酸盐水泥(SAC)代替普硅水泥(C)制备的CA砂浆抗冻性较差,350次冻融循环剩余相对弹性模量45%—55%;相对于基准CA砂浆的抗冻性能,加入橡胶粉(CRB)、聚合物胶粉(P3)、有机纤维(FR)和硅灰(SF)能提高CA砂浆的抗冻性能,提高幅度以CRB最大,FR次之,P3更次之,SF最小。

CA砂浆强度影响因素及强度机理研究

为制得满足高速铁路建设的CA砂浆,制备了不同配比的CA砂浆,通过考查CA砂浆的强度并利用扫描电子显微镜观测微观结构,研究砂的级配、砂灰比、乳化沥青与水泥比等因素对CA砂浆固化体不同龄期强度的影响.研究表明:选择粒径为0.15～0.3 mm与0.3～0.6 mm的组合砂能有效地降低高强型CA砂浆材料的分离度,而对CA砂浆28 d的抗压强度的影响不大;随着砂灰比的增大,高强型CA砂浆1 d抗压强度增大,当砂灰比超过1.4时,CA砂浆28 d抗压强度明显降低;随着乳化沥青与水泥质量比的增大,高强型CA砂浆各龄期的抗压强度都显著下降.选择合适粒径的砂,合理的砂灰比和乳化沥青与水泥质量比是制得满足高速铁路建设要求的CA砂浆的前提.

膨胀剂对CA砂浆依时变形特性的影响

为保持板式轨道关键弹性垫层CA（cement asphalt）砂浆的体积稳定性，研究了膨胀剂种类、掺量和养护湿度对CA砂浆依时变形特性的影响．结果表明，铝粉作膨胀剂时，CA砂浆在0—12h内膨胀，16h后收缩，铝粉掺量对其硬化后变形基本无影响．U型膨胀剂对CA砂浆12h内的收缩补偿作用较小，20h后体积产生明显膨胀，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．复掺铝粉和U型膨胀剂的CA砂浆7d时膨胀率达到最大，后收缩，收缩率随养护湿度增大而减小，介于0．035％0～0．100％o之间．M型膨胀剂能明显地降低CA砂浆的后期收缩，180d龄期收缩率降低0．16％o以上．

掺沥青乳液水泥体系的凝结时间对CA砂浆性能的影响

研究了水泥组成、沥青乳液与水泥的质量比等因素对掺沥青乳液水泥净浆的凝结时间及CA砂浆的材料分离度、流动度、可工作时间、抗压强度等性能的影响规律．结果表明：使用早期强度高、水化速度快的水泥，采用硫铝酸盐水泥适量取代普通硅酸盐水泥，调整沥青乳液与水泥的质量比均可促进掺沥青乳液水泥净浆的凝结与CA砂浆的胶结硬化，从而改善CA砂浆综合性能．但硫铝酸盐水泥对普通硅酸盐水泥的取代率不宜超过20％，沥青乳液与水泥的质量比应控制在1．5～1．7．

CA砂浆的离析与泌水机理探讨

通过研究CA砂浆(水泥乳化沥青砂浆)的流变性能及乳化沥青的储存稳定性,提出了CA砂浆抗离析的关键控制指标.结合经典胶体理论和水泥水化理论,探讨了电解质对乳化沥青稳定性的影响,分析了水泥水化与乳化沥青破乳的交互影响.研究表明:CA砂浆属于典型的赫-巴(HB)流体,屈服应力及黏度是控制其离析的重要指标;水泥通过水化向溶液释放高价阳离子,进而影响乳化沥青的稳定性;CA砂浆的泌水是水泥水化与乳化沥青破乳相互作用的结果,离析是泌水的必要条件.

纤维对CA砂浆拌合物性能的影响

为探明有机纤维对CA砂浆(水泥沥青砂浆)工作性能的影响规律,试验研究了4种不同规格的纤维对CA砂浆拌合物流动度、扩展度、泌水及分层的影响.分析结果显示:纤维长度和品种对CA砂浆流动度和扩展度均有明显的影响;纤维在一定程度上能改善CA砂浆的泌水,且长纤维效果优于短纤维;纤维掺量对CA砂浆泌水影响不明显,提高掺量可以改善CA砂浆的分层特性,掺量大于1.2kg/m3后可以完全消除CA砂浆的分层.

纤维对CA砂浆塑性开裂的影响

为研究纤维对CA砂浆抗塑性开裂性能的影响规律,采用自制开裂试验装置结合图像分析法研究了纤维品种、掺量及长径比等参数对CA砂浆抗塑性开裂性能的影响。结果表明,PVA纤维对CA砂浆抗裂性的影响最为显著,并略优于PET纤维,PP纤维最次;三角形截面的PP纤维抗裂性优于圆形截面的PP纤维;CA砂浆的抗塑性开裂性能随纤维掺量的增大逐渐提高,当体积掺量超过0.14%后,抗裂性增幅趋缓;纤维的长径比对其抗裂性有一定影响,直径相同的情况下,12 mm及3 mm长的PP纤维抗裂性优于6 mm长的PP纤维。研究结果可为CA砂浆用纤维的技术标准提供一定的理论与技术支撑,具有一定的理论和工程意义。

加载速率对CA砂浆抗压强度的影响

CA砂浆中沥青的大量存在使得其力学性能具有较强的时间依赖性.首先研究了CA砂浆抗压强度在不同加载速率下的变化规律及沥青乳液与水泥的相对质量比、砂的细度模数与外掺料硅灰(SF)和橡胶粉(CR)对CA砂浆抗压强度时间依赖性的影响.结果表明:CA砂浆的抗压强度随加载速率的升高呈增加趋势,沥青的相对含量越低,增加趋势越明显;砂的细度模数越小,CA砂浆的抗压强度对加载速率的稳定性越好,但同时会导致CA砂浆的流动性损失过大.SF和CR对CA砂浆表现出的时间依赖性有不同程度的改善作用.同时提出了沥青在CA砂浆中的理想分布模型,对其力学性能的时间依赖性进行了解释.

沥青乳液加料顺序影响CA砂浆早期强度的机理研究

采用水化热-时间曲线和电阻率-时间曲线研究沥青乳液加料顺序引起CA砂浆早期强度不同的原因,研究结果表明,先加沥青乳液对水泥具有较强的缓凝作用,而后加沥青乳液的缓凝作用较弱,这是导致后加沥青乳液能显著提高CA砂浆早期强度的根本原因。

CA砂浆泌水的影响因素分析

针对CA砂浆的泌水问题,研究流动性和材料配合比对泌水的影响规律.以泌水率为考察指标,研究了流动性、水与水泥质量比(m(W)m/(C))、减水剂与水泥质量比(m(SP)m/(C))、消泡剂与水泥质量比(m(DF)m/(C))、乳化沥青与水泥质量比(m(A)m/(C))和砂与水泥质量比(m(S)m/(C))对泌水率的影响.结果表明,流动性对CA砂浆泌水影响显著,流锥时间越短、扩展度越大,泌水率越高,且扩展度不宜大于330mm;m(W)m/(C)和m(SP)m/(C)越大,流动性越高,泌水率越高;消泡剂用量越低,含气量越高,泌水率越低;乳化沥青用量过高或过低都会增加泌水率,m(A)m/(C)为0.4时较为适宜;泌水率随砂用量的提高而增加.因此,降低流动性,减少水、减水剂、消泡剂和砂用量,以及适宜的乳化沥青用量,都有利于改善CA砂浆的泌水问题.

CA砂浆用阴离子乳化沥青稳定性研究

针对CA砂浆对乳化沥青性能的特殊要求,研究乳化设备、乳化剂、助剂、沥青含量等对乳化沥青储存稳定性的影响。结果表明:不同的乳化设备、乳化剂的用量、助剂的种类及用量、沥青的含量等均对乳液稳定性有较大的影响;在SD-2乳化剂的用量(w)为3.5%、缔合型增稠剂T的用量(w)为0.4%、羧甲基纤维素钠的用量(w)为0.06%、沥青质量分数为60%时,使用胶体磨生产的乳化沥青及使用该乳化沥青制备的CA砂浆的性能均能满足《客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》的要求。

CRTSⅠ型CA砂浆动态压缩试验及本构关系研究

研究目的：水泥乳化沥青砂浆（CA砂浆）层充填在CRTSI型板式无砟轨道的轨道板和底座板之间，起着支承、传载、调整、减振隔振等功能，因此需要全面研究CA砂浆的力学性能。本文以现场取样CA砂浆圆柱体试件为对象，考虑10^-5s^-1～10^-2s^-1四种不同应变率，在位移和应变率双重控制下，测试动力加载条件下单轴受压应力-应变全曲线；研究抗压强度、峰值应变、弹性模量等力学参数的应变率效应以及本构方程。研究结论：（1）应变率对CA砂浆的力学性能影响显著；（2）CA砂浆的抗压强度、弹性模量和峰值应变均随应变率的增加而增大，其中抗压强度应变率敏感性最强，在10^-5s^-1～10^-2s^-1应变率范围内，强度可提高2．5倍左右；（3）CA砂浆在不同应变率下的应力-应变曲线形状相似，不同应变率下CA砂浆的应力-应变关系可以用本文提出的有理分式表达；（4）通过与试验数据对比发现，本文提出的不同应变率下CA砂浆的本构方程与试验结果吻合较好，研究成果可为CA砂浆率型本构模型的建立提供试验基础，从而应用于板式轨道的动力设计中。

水泥乳化沥青混合料中合理CA比的试验研究

采用强度、收缩、疲劳等试验手段分析了水泥沥青复合胶浆中水泥用量与其对应的最佳沥青用量的质量比(CA比)对水泥乳化沥青混合料(CAM)路用性能的影响,通过扫描电镜观察不同CA比下水泥沥青复合胶浆的微观结构,以解释不同CA比对于水泥与沥青的交互作用机理以及混合料性能的影响.结果表明:随着CA比的增大,水泥沥青复合胶浆由柔性向刚性转变;CAM的强度、高温稳定性和水稳定性提高,干缩程度增加,柔韧性、低温性能和疲劳性能存在峰值.综合考虑水泥与沥青之间的交互作用机理以及CAM路用性能试验结果,推荐水泥沥青复合胶浆中合理CA比宜在1.2左右.

不同初始静态荷载下CA砂浆动态抗压特性试验研究

采用WDW系列电子万能试验机对水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)试件进行单轴压缩试验,研究应变速率以及预加初始静态荷载对CA砂浆动态抗压强度和变形特性的影响。试验结果表明:随着应变速率的增大,CA砂浆的极限抗压强度和弹性模量都呈指数增大,并给出了相应的经验公式;预加初始静态荷载对CA砂浆的动态强度影响明显,随着初始荷载的增加,CA砂浆的强度降低。在应变速率发生变化的位置,CA砂浆的切线模量发生改变,在板式无砟轨道的动力计算中应该考虑这一特点。