ca砂漿試驗研究
1. 概述
板式無碴軌道是由長鋼軌、扣件系統、軌道板、水泥瀝青砂漿、混凝土底座及凸形擋臺組成的一種新型軌道結構。為了使板式軌道具有一定的彈性，並固定軌道結構的位置，在混凝土底座和軌道板之間，以及凸形擋臺周圍填充緩衝材料層，同時消除混凝土構件施工誤差。作為緩衝充填材料，應既有一定的彈性，又有一定的強度，水泥砂漿強度足夠高，但彈性不足，瀝青彈性好，但強度低，受溫度影響大，因此採用了將二者結合的水泥瀝青砂漿，一般採用水泥、乳化瀝青、砂及各種摻和料混合而成，通稱ca砂漿。
ca砂漿較樹脂材料成本低廉，可以大規模的採用。
2. ca砂漿效能指標及試驗方法
2.1 ca砂漿的主要效能指標要求
ca砂漿的效能指標應滿足表1的要求
表1 ca砂漿的主要效能指標要求
2.2各效能指標的確定及試驗方法
2.2.1抗壓強度
1）效能指標
⑴由輪重決定的抗壓強度
由於板式無碴軌道ca砂漿設計填充於軌道板板底及凸形擋臺四周，因此其抗壓強度的確定取決於設計輪重以及作用於凸形擋台上縱向力的大小。
在秦沈客運專線軌道結構的設計中，其設計輪重為300kn。一般軌道板的外形尺寸為4930×2400×190mm。考慮一塊軌道板上最多作用乙個轉向架，以及軌道板本身的重量（50kn），板底ca砂漿調整層最大工作應力為δmax:
δmax=p/a=(4×300000+50000)/(4930×2400)=0.1mpa
因此，輪重作用下軌道板ca砂漿所需要的抗壓強度為0.1mpa。
⑵由作用於凸形擋台上縱向力決定的抗壓強度
如圖1所示，凸形擋臺與軌道板間的ca砂漿填充層所承受的最大合力為：
f= （fr+fp-w）2+fc21)
式中：fr——長鋼軌的溫度力；
fp——軌道板本身的伸縮力；
——軌道板與ca砂漿層之間的摩擦係數（按0.35）計；
w—軌道板的自身重（按50kn計）；
圖1 板式無碴軌道凸形擋臺及周圍ca砂漿受力圖
①長鋼軌溫度力fr；
根據秦沈客運專線板式軌道設計技術條件中的規定，線路設計縱向阻力為7kn/m軌，對於一股線路，其長鋼軌縱向力為14kn/m。軌道板長度l按5m計，由此可得：
fr=l×14=5×14=70kn
w—軌道板的自重（按50kn計）；
②軌道板本身的伸縮力fp：
fp=0.5×l×η×t×k
式中:l—軌道板長度（5m）
η—軌道板線膨脹係數（1×10-5/10c計）；
k—凸形擋臺周圍ca砂漿的彈性係數（按150kn/mm計）。
由上式可計算出：
fp=0.5×5000×1×10-5×10×150=37.5kn
③軌道橫向阻力fr：
軌道橫向阻力按一股線路14kn計算，5m軌道板內的軌道橫向阻力為70kn。
w=0.35×50=17.5kn
將上述計算結果代入(1)式,要得出凸形擋臺周圍ca砂漿層承受的最大合力:f=114kn。
合力f的作用方向：
cosθ=( fr+fp-w)/f=(70+37.5-17.5)/114=0.79
在合力f的作用下凸形擋臺周圍ca砂漿層承受的最大應力：
δb=f/a=f/(1+ cosθ)rh2)
式中：r—凸形擋臺的半徑（250mm）；
h—凸形擋臺頂面與軌道板底面的最小高差[當軌道板下ca 砂漿層厚度為最大值100mm時,h=凸形擋臺高度(250)-100=150mm]。
代入（2）時，可計算出縱向力作用下，凸形擋臺周圍最大ca砂漿層的最大應力：δ=1.70mpa。
考慮一般情況下fr與fc不可能同時產生最大值與，故其容許應力可增加25%，即：δbmax=δb1.25=1.75/1.25=1.36mpa。
綜上所述，板式軌道ca砂漿的抗壓強度主要由凸形擋臺周圍ca砂漿層的受力條件所決定。由於秦沈客運專線板式軌道ca 砂漿的使用環境處在寒冷地區，在設計中必須考慮其抗凍效能，相應的強度指標要提高。但另一方面，強度指標太高，彈性模量相應增大，勢必影響其提供軌道適度彈性的設計初衷，借鑑日本板式軌道ca砂漿的強度指標，設計要求ca 砂漿28天的抗壓強度指標應在1.
8~2.5mpa範圍內。
為提高ca砂漿抗初期凍害性，提高施工工效，設計中，相應地對不同齡期的強度提出下列要求：
1天齡期：應達到0.1mpa以上,以滿足拆模、取出軌道板支撐螺栓的要求；
7天齡期：應達到0.7mpa以上,以滿足軌道鋪設時擱置重物的要求；
28天齡期：應達到1.8~2.5mpa以上,以滿足線路竣工通車的要求。
2）試驗方法
ca砂漿抗壓強度試驗採用「單軸壓縮法」進行。將流動度試驗中拌制30分鐘後的砂漿，注入φ50mm×50 mm的圓柱體模型內，用石膏粉作表面處理。,在試件達到上述各齡期後,測量試樣承壓面的尺寸，準確至0.
02mm。取3次平均值；利用壓力試驗機以每分鐘試件變形0.5mm載入速率,勻速載入當壓力不再上公升時停止載入,其壓力最大值即為該試件在各齡期時的抗壓強度。
每次試驗取三個試件，三個試件強度的算術平均值作為該組試件的強度。
2.2.2彈性模量
1）效能指標
與普通混凝土一樣，ca砂漿的彈性模量與強度存在一定的相對應關係，一般地，抗壓強度高，相應的彈性模量大，在上述ca砂漿的強度指標範圍內，課題組在配製各種砂漿配方的試驗中，進行了大量試驗，確定砂漿28天的彈性模量範圍在100~300mpa。
2）試驗方法
ca 砂漿彈性模量試驗方法與抗壓強度基本相同，試件為 φ50mm×50mm的圓柱體，利用壓力試驗機以每分鐘0.5mm載入速率,勻速載入,載入至抗壓強度的1/3, 然後立即解除安裝，解除安裝速度與載入速度相同，如此重複三次試驗，以第四次載入曲線的資料計算彈性模量。
由於ca砂漿具有一定的塑性，彈性模量曲線實際上是一條螺旋線，試驗中取第四次載入曲線起始點的割線斜率為該試件的彈性模量。
e=δ/ε=(1/3δb)/[(b-a)/h]= δb h /3(b-a)
式中：h—試件的高度；
δb—試件的抗壓強度；
a—試驗時第四次載入開始時的變形；
b—第四次載入至δb/3時的變形。
每次試驗共作三個試件，三個試件彈性模量的算術平均值作為該組試件的彈性模量。
2.2.3流動度與可工作時間
1）效能指標
ca砂漿流動度與可工作時間是保證板式軌道ca砂漿現場灌注施工質量的重要指標。從乳化瀝青與水泥砂漿摻和到一起後，ca砂漿固化作用就開始了，砂漿的粘性逐漸增加，流動性逐漸喪失而最終固化。
為確定ca砂漿流動度指標，試驗採用容積為640ml的特製漏斗進行測定，將拌和好的砂漿注入漏斗，開啟出口開始，至砂漿全部流出所經歷的時間，即為流動度。適宜的流動度對於砂漿的效能與灌注質量非常重要，流動度過小，砂漿材料會出現離析，影響其強度和耐久性；流動度過大，砂漿粘稠，就難以將軌道板與基礎間的空隙填充密實，影響其強度和耐久性；流動度過大，直接影響灌注質量。借鑑日本板式軌道ca砂漿的流動度指標，結合我國前期進行的大量試驗，包括試驗室內的實尺模型灌注結果，確定流動度指標在16~26s範圍內，可滿足效能與灌注要求。
影響ca砂漿流動度指標的因素很多，在拌和方式，投料順序一定的條件下，流動度隨溫度、外加劑、主要原材料的配合比、水灰比的變化而不同。
ca砂漿的可工作時間是指ca砂漿處於規定的流動度範圍內所經歷的時間。這個時間應該較長而不至於影響現場砂漿的灌注施工。考慮到現場從砂漿拌和站配製好的運輸過程、灌注作業所需的時間，規定ca砂漿的可工作時間不少於30min。
2）試驗方法
ca砂漿的流動度試驗採用「漏斗法」進行。漏斗容積為640ml，上口徑為φ70mm，下口徑為φ1 0mm，高度為450mm，將配製好的砂漿注入漏斗內，開啟出口閥門，同時開始計時，砂漿從漏斗全部流出所經歷的時間，即為砂漿的流動度——t（以s計）。
可工作時間的試驗方法與流動度相同，但同一試樣每隔5min做一次，並繪出流動度曲線，即流動度與累計時間的對應關係（如圖2示意）。砂漿在流動度設計範圍內的時間。即為砂漿的可工作時間——t（以min計）。
2.2.4膨脹率
1）效能指標
ca砂漿灌注固化後，一般會產生2~3mm收縮，直接影響板底砂漿的填充效果，為此必須考慮在原材料中加入適量膨脹劑（如：鋁粉），使砂漿產生膨脹。膨脹率的大小應嚴格控制，膨脹率過小，軌道板與砂漿間將產生空隙；膨脹率過大，會將狀態調整好的軌道板抬起，直接影響軌道板的高低、軌向等線路幾何狀態。
考慮砂漿灌注後伸縮，設計中要求ca砂漿膨脹率應控制在0~3%之間。
2）試驗方法
ca砂漿膨脹率採用量筒、游標卡尺進行測定，將配製好的ca砂漿注入容積為250ml帶刻度的量筒內，其上加一塊玻璃板，用游標卡尺測定玻璃板至砂漿表面的高度。膨脹率的計算如下式：
膨脹率（%）=0.000314×(h0-h24) ×d2
式中: h0—初始高度（mm）;
h24—24h後的高度（mm）;
d— 量筒直徑（mm）。
2.2.5材料分離度
1）效能指標
在流動度較小、或砂的粒徑偏大時，ca 砂漿原材料之間會出現分離、泛漿或沉澱現象，砂漿的強度和耐久性會相應降低，為保證ca砂漿固化體系的勻質性，採用材料分離度作為勻質性評價的指標，借鑑日本板式軌道ca砂漿與我國前期試驗的結果，確定ca 砂漿的材料分離度在3%以下。
2）試驗方法
材料分離度採用「等分法」進行測定。製作φ50×50mm的圓柱體砂漿試件，在砂漿齡期達28天後，將其分成上、下兩等分，分別稱重，計算其單位容積的質量。材料分離度見下式：
材料分離度（%）=（下部單位容積質量-上部單位容積質量）
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