萬赟，洪錦祥，徐靜，朱曉斌，王文峰

（1.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇南京 210008；2.高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇南京 210008）

水泥乳化瀝青砂漿（簡稱CA 砂漿）是一種由水泥、乳化瀝青、細集料等組成的、具有一定強度及彈性模量的有機無機復(fù)合材料，是目前高速鐵路建設(shè)的關(guān)鍵材料之一.目前國內(nèi)對CA 砂漿強度的影響因素有諸多研究，取得了很多成果［1－5］.但在基本配合比參數(shù)的影響方面，卻眾說紛紜，各種原材料用量、mA／mC都被認為是重要影響因素［4－8］.本文從研究CRTS Ⅱ型CA 砂漿強度出發(fā)，分析了CA 砂漿中對強度具有決定意義的配合比參數(shù)，同時，通過SEM 分析了CA 砂漿微觀形貌，基于混凝土細觀力學(xué)基本理論，建立了CA 砂漿28d抗壓強度的理論模型，并對該模型進行了校驗.

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

水泥：小野田P·Ⅱ52.5水泥；乳化瀝青：自制慢裂慢凝型陰離子乳化瀝青，固含量60%（質(zhì)量分數(shù)）；砂：河砂，細度模數(shù)1.6；水：自來水；鋁粉：鱗片狀，細度≥74μm（200目）；消泡劑：有機硅消泡劑.

1.2 試驗方法

攪拌、成型以及各項性能測試均參照《CRTS Ⅱ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》（下稱《技術(shù)條件》）相關(guān)規(guī)定進行.

由于乳化瀝青中含有40%（質(zhì)量分數(shù)）的水，因此CA 砂漿的配合比包含兩部分水：乳化瀝青中的水及外加水.如無特別說明，本文中用水量（mW）均指總用水量，即上述兩部分水之和，同時將乳化瀝青中不含水部分（主要為瀝青，并有少量乳化劑）用mA′表示.

考慮含氣量對強度有影響［8］，試驗中保持各組砂漿含氣量相近.由于所選因素已經(jīng)限定了各種原材料用量，因此，在不摻減水劑的情況下，是無法滿足《技術(shù)條件》對流動性的要求的；又因為摻減水劑可能會影響砂漿強度［6］，所以正交試驗中沒有調(diào)整各組砂漿的流動性.

2 正交試驗

水泥用量（mC）和瀝青用量（mA′）對CA 砂漿28d抗壓強度的影響如圖1所示.

圖1 CA 砂漿28d抗壓強度分布Fig.1 Distribution of 28dcompressive strength for CA mortar

從圖1可以看出，提高mA′，降低mC，CA 砂漿抗壓強度降低，但單獨一種材料用量并不能決定CA 砂漿的抗壓強度.圖1中的等強度線表明，乳化瀝青用量與水泥用量的比例（mA′／mC）與CA 砂漿28d抗壓強度密切相關(guān)，是決定其28d抗壓強度的一個重要因素.

由于CA 砂漿仍然需要需要通過水泥水化獲得強度，因此mW／mC同樣是CA 砂漿28d強度的重要影響因素.

以上分析表明，mA′／mC與mW／mC是決定CA砂漿28d抗壓強度的重要因素，而常被認為是重要因素的mC卻無顯著影響.因此，本文選擇mA′／mC，mW／mC和mC作為影響因素進行正交試驗.

2.1 正交試驗設(shè)計及結(jié)果

根據(jù)前文選定的3個影響因素，本文設(shè)計了四因素（一因素為空）、三水平的L9（34）正交試驗，如表1所示.

表1 強度影響因素正交設(shè)計表Table 1 Levels and factors affecting the 28dstrength of CA mortar

根據(jù)表1進行的正交試驗及CA 砂漿28d抗壓強度試驗結(jié)果如表2所示，各影響因素在不同水平下的抗壓強度如圖2所示.

表2 CA砂漿28d抗壓強度正交試驗結(jié)果Table 2 28dcompressive strength results of the orthogonal experiment

圖2 各影響因素在不同水平下的抗壓強度Fig.2 Compressive strength of factors at different levels

2.2 分析討論

從表2，圖2可以看出，隨著mA′／mC與mW／mC的增加，CA 砂漿28d的抗壓強度都呈顯著降低趨勢，而mC對抗壓強度影響不大，當mA′／mC從0.222增加到0.282時，CA 砂漿的抗壓強度下降了4.48MPa，當mW／mC從0.42增加到0.54時，CA砂漿的抗壓強度下降了2.55MPa，而mC沒有明顯的影響趨勢.

由此可見，在正交試驗的3個影響因素中，mA′／mC影響最大，其次是mW／mC，而mC影響很小.但這僅僅是3個因素影響程度的相對比較，并不能說明mA′／mC與mW／mC是決定CA 砂漿28d抗壓強度的因素，也不能完全否認mC的作用.要了解這3個影響因素的不同價值，需要對正交數(shù)據(jù)進行方差分析，檢驗其顯著性.顯著性判定是將計算出的F 值與《F 檢驗的臨界值F 分布表》中相應(yīng)自由度的F值進行比較，具體分4種情況：F＞F0.01時，因素影響特別顯著；F0.01≥F＞F0.05時，因素影響顯著；F0.05≥F＞F0.10時，因素有一定影響；F0.10≥F 時，因素沒有影響［9］.

根據(jù)表2進行的方差分析結(jié)果如表3所示.

表3 CA砂漿28d抗壓強度影響因素方差分析結(jié)果Table 3 Influence significance of the 28dcompressive strength for CA mortar

從表3可看出，mA′／mC，mW／mC與mC三因素的F 值分別為263.20，69.80，5.97，自由度均為2.與該正交試驗相應(yīng)自由度的F0.01，F(xiàn)0.05，F(xiàn)0.10值分別為99，19，9.由此可以判定mA′／mC對CA 砂漿28d抗壓強度影響非常顯著，mW／mC影響顯著，而mC無影響.同理可證明，mA′亦非顯著影響因素.

3 機理分析及CA 砂漿強度理論模型公式

3.1 機理分析

通過SEM 觀 察了不同mA′／mC的CA 砂漿及水泥砂漿的微觀形貌，見圖3.在圖3中觀察不到除瀝青、水泥及其水化產(chǎn)物以外的任何新物相，這就說明CA 砂漿仍然是通過水泥水化形成結(jié)構(gòu)及強度的體系，瀝青在體系中以填料的形式存在，屬水泥基材料的范疇.因此，可用混凝土細觀力學(xué)的理論來分析其強度.眾所周知，瀝青幾乎無強度，因此其作用可與空隙等同.

顯著性分析表明，mA′／mC對CA 砂漿28d抗壓強度的影響遠大于mW／mC的影響，因此，mA′／mC對CA 砂漿抗壓強度的影響不僅僅是空隙率的影響.從圖3可以看出，隨著mA′／mC的增加，水化產(chǎn)物減少，說明mA′／mC影響了水泥的水化程度.mA′／mC影響水泥水化程度有兩方面原因：一是瀝青覆蓋于水泥及其水化產(chǎn)物表面，阻礙了水向水泥的遷移，從而影響了水泥的進一步水化；二是乳化劑對CA 砂漿抗壓強度有一定影響［8］.正是由于存在這兩種作用，使mA′／mC對CA 砂漿抗壓強度的影響顯著性大于mW／mC的影響.

圖3 不同mA′／mC下CA 砂漿的微觀形貌Fig.3 Microscopic pictures of different mA′／mC

3.2 CA砂漿抗壓強度理論模型

CA 砂漿抗壓強度理論模型通過兩部分進行表征：一部分表征體系中水泥石的水化程度，這部分由mA′／mC決定，另一部分表征內(nèi)部孔隙率，由mA′／mC與mW／mC共同決定.

根據(jù)混凝土的艾布拉姆斯抗壓強度公式［10］：

本文提出了CA 砂漿抗壓強度公式：

對式（2）兩邊同時取對數(shù)，得：

其中：y ＝ln k1′，a＝ln k2′＋ln k3′，b＝ln k3′.

式（3）表明：CA 砂漿28d強度的對數(shù)與mA′／mC和mW／mC存在線性關(guān)系.

根據(jù)式（3）對本文正交試驗數(shù)據(jù)進行了回歸，回歸方程組如下：

其中：

常數(shù)項y 為：

表4 二元回歸計算表Table 4 Parameters of binary regression calculation

解以上方程組得：

再由式（5）可得：y＝4.5387

則所求方程為：

該回歸方程的相關(guān)系數(shù)為：

R 非常接近1，故所得方程在正交試驗范圍內(nèi)應(yīng)用較為理想.

對于配合比參數(shù)不在本文正交試驗范圍內(nèi)的情況，以水泥28d膠砂強度和Ⅰ型CA 砂漿28d強度為例，分別在低、高mA′／mC兩種極端情況下，校驗了本文模型與實際情況的符合程度.

當mW／mC為0.5時，水泥膠砂28d的抗壓強度檢測值為56.7 MPa，而本文模型的計算值為49.5MPa，考慮到成型及加載制度的差異，兩者非常接近［2－3，6，8］.

當mA′／mC＝0.9，mW／mC＝0.7時，根據(jù)眾多學(xué)者公布的資料可知，Ⅰ型CA 砂漿的實際強度約為2.0MPa，而本文模型的計算值為0.5MPa，二者的差異是由于不同乳化瀝青對強度的影響不同所致［8］.這表明式（6）在較大范圍內(nèi)與實際情況相符.

4 結(jié)論

mA′／mC，mW／mC是決定CA 砂漿28d 抗壓強度的主要因素；mW／mC對CA 砂漿抗壓強度的影響機理與其在混凝土中的影響機理相同；mA′／mC除了對孔隙率產(chǎn)生影響外，同時還會影響水泥水化程度，因此mA′／mC對CA 砂漿抗壓強度的影響更顯著；建立了基于孔隙率與水化程度的CA 砂漿28d抗壓強度的理論模型.

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