田冬梅，鄧德華，劉贊群，鐘 磊，杜火文

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

根據(jù)現(xiàn)場觀測判斷及試驗(yàn)室前期室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析，確定水損害是造成水泥乳化瀝青砂漿(簡稱SL砂漿)充填層劣化的主要原因之一。雨水通過軌道板與砂漿填充層間的縫隙及砂漿充填層連通孔向其內(nèi)部滲透擴(kuò)散，這一過程與SL砂漿的組成、孔結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)特性均有緊密聯(lián)系，其中水對其表面的潤濕性就是一個主要的影響因素。接觸角是一種簡單快捷的表征材料被水潤濕性的方法，接觸角越小，表明材料被水潤濕性越好，即材料親水性越大;反之，接觸角越大，表面材料被水潤濕性越小，即材料憎水性越大。目前針對氣—液—固體系的接觸角的一些常用測定方法有:躺滴或氣泡法、吊片法、水平液體表面法、動靜態(tài)粉末表面接觸角測定法等，其中以躺滴法為最常用的接觸角測試方法［1］。對于理想的固體平整表面，當(dāng)液滴在固體表面達(dá)到平衡時，存在唯一符合Young－laplace方程的接觸角，而固體真實(shí)表面特征:(1)從微－納米或原子的尺度上來看，任何固體的真實(shí)表面是凹凸不平的;(2)絕大多數(shù)固體表面在不同方位上是各向異性的;(3)同種固體的表面性質(zhì)會發(fā)生與制備過程密切相關(guān)的變化;(4)固體表面的缺陷會引起表面性質(zhì)的變化;(5)暴露在空氣中，固體表面會被污染引起表面性質(zhì)的變化［2］。由于這些原因，使得固體真實(shí)表面的接觸角總是在相對穩(wěn)定的2個角度之間變化，這種現(xiàn)象即稱為接觸角滯后現(xiàn)象，上限為前進(jìn)接觸角θA、下限為后退接觸角θR，二者之差Δθ=θA－θR定義為接觸角滯后性。

本試驗(yàn)采用躺滴法測試SL砂漿不同表面的前進(jìn)接觸角，研究瀝灰比(固體瀝青與水泥質(zhì)量比，記為w(A)/w(C))、不同表面(上成型面、下成型面、自然斷面)及其表面特征、不同的乳化瀝青(A1，A2和A3)等因素對SL砂漿接觸角和潤濕性的影響規(guī)律。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料及配比

配制SL砂漿的原材料為:湖南盛林建材科技有限公司生產(chǎn)的水泥乳化瀝青干粉料;3種乳化瀝青，分別為改性陽離子乳化瀝青(記為A1瀝青)，復(fù)合離子型乳化瀝青(記為A2瀝青)，陰離子乳化瀝青(記為A3瀝青)，3種瀝青固含量均約為60%;拌合水為自來水，外加劑為有機(jī)硅消泡劑，溶液濃度為10%。具體配比見表1，各組砂漿的水灰比(w(W)/w(C))固定不變，研究的變量為瀝灰比(w(A)/w(C))。

1.2 試樣制備

圓柱體試件尺寸為50 mm×50 mm。按照配比將拌制均勻的水泥乳化瀝青砂漿澆注入放置在光滑玻璃板上的塑料磨具內(nèi)，上表面暴露在空氣中，試驗(yàn)室溫度為(25±2)℃、相對濕度為(65±5)%，24 h硬化后脫模，繼續(xù)置于此環(huán)境中養(yǎng)護(hù)至60 d進(jìn)行測試。

1.3 性能測試

接觸角測試:本試驗(yàn)主要對砂漿試樣的上成型面、下成型面、自然斷面(中間劈裂面)的前進(jìn)接觸角進(jìn)行測試。在室溫25℃下，采用上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JC2000C1接觸角測試儀，測試蒸餾水在試樣不同表面的接觸角。測試過程如下:將待測試樣放置在接觸角測試儀的載物臺上，手動進(jìn)樣控制旋鈕在滴定針管口形成1滴體積為0.3～0.5μL的蒸餾水滴，垂直移動載物臺使待測試樣表面與水滴接觸形成水滴，待水滴在表面穩(wěn)定后(時間不超過60 s)凍結(jié)圖像，采用圖像分析法計算接觸角，取該表面5個不同位置的水滴接觸角的平均值作為蒸餾水在該表面的接觸角。

砂漿上成型面取樣瀝青殘留物比例測試:采用CCl4溶液溶解砂漿取樣，經(jīng)濾紙過濾去掉殘渣，將濾液置于100℃烘箱中至濾液恒重，計算蒸發(fā)殘留物及固體瀝青量占取樣的質(zhì)量比。

砂漿上成型面物質(zhì)礦物組成測定:采用日本理學(xué)Rigaku－TTRIII型全自動X射線衍射儀(X－ray diffractometer，XRD)測試試樣表面物質(zhì)的礦物組成，銅靶，步長為 0.02°，掃描速率為 8(°)/min，掃描范圍為5°～80°。

表1 SL砂漿配比Table 1 Mixture of SL mortar

2 結(jié)果與討論

圖1所示為水滴在A1－3試件不同表面的狀態(tài)照片。從圖1可以看出:砂漿試件的3種表面中，上成型面的接觸角最小，自然斷面的接觸角最大。一般來說，砂漿試件的上成型面有一層富瀝青皮，而自然斷面是粗糙面。由圖1可知:富含瀝青皮的表面接觸角反而較小。

圖1 不同表面接觸角示意圖Fig.1 Contact angle schematics of different surfaces

圖2～4所示為3種乳化瀝青砂漿不同表面接觸角與w(A)/w(C)關(guān)系。由圖2～4可知:隨著w(A)/w(C)增加，砂漿試樣上成型面、下成型面、自然斷面的接觸角均有不同程度增加，說明隨著試樣中瀝青含量的增加，試樣表面的憎水性逐漸增加，可潤濕性逐漸降低。這是因?yàn)闉r青是憎水性有機(jī)材料［2］，而純水泥砂漿是親水性材料，當(dāng)二者復(fù)合后，水泥乳化瀝青砂漿的親水性隨瀝灰比增加而減小。

圖2 SL砂漿上成型面接觸角與w(A)/w(C)關(guān)系Fig.2 Curve of w(A)/w(C)and contact angle of upper surface of SL mortar

由圖2可以看出:當(dāng)瀝灰比由0.05增加到0.95時，除個別測試數(shù)據(jù)外，A1，A2和A3組試件上成型面的接觸角均小于90°，呈現(xiàn)親水性，且接觸角與瀝灰比的關(guān)系不是很明顯。又試件上、下成型面接觸角數(shù)值相差較大，下成型面接觸角均大于90°，呈現(xiàn)憎水性。同一試件上、下成型面的潤濕性呈現(xiàn)相反規(guī)律，筆者認(rèn)為可能是由于乳化瀝青中乳化劑分子的表面潤濕作用造成的。根據(jù)文獻(xiàn)［3－5］，筆者對于本試驗(yàn)結(jié)果的解釋是:砂漿試件澆注成型后，由于乳化瀝青密度小，必然上浮在砂漿表面，砂漿試件上成型面暴露在空氣中，無論高w(A)/w(C)還是低w(A)/w(C)試件，在水分蒸發(fā)后其表面均會形成一層富瀝青皮。這層富瀝青皮形成過程中，分散在水中的瀝青顆粒，包裹在其表面的乳化劑分子在界面上定向排列，當(dāng)乳化劑分子以非極性部位自相結(jié)合時，形成憎水基朝向?yàn)r青顆粒，親水基朝外的表面膜，因此，砂漿試件上表面的富瀝青皮可能(尚未找到測試方法來證明)存在一層憎水基與瀝青皮結(jié)合而親水基朝外的乳化劑分子，使得測試的接觸角小于90°，呈現(xiàn)親水性;而下成型面測試的接觸角則較真實(shí)地反映水在水泥乳化瀝青砂漿表面的接觸角，及其被水潤濕性與瀝青含量的關(guān)系。

對比表2中3種乳化瀝青自然成膜表面、蒸發(fā)殘留物表面及90號基質(zhì)瀝青表面與水接觸角測試值，可以看出:A2和A32種乳化瀝青蒸發(fā)殘留物及基質(zhì)瀝青表面接觸角均大于90°，呈現(xiàn)憎水性;而與其對應(yīng)的自然成膜物表面測試的接觸角卻明顯小于90°，與上述結(jié)果一致。

由圖3可以看出:除w(A)/w(C)為0.05組試樣的上、下成型面及自然斷面接觸角均小于90°外，其余試樣下成型面、自然斷面接觸角均大于90°，說明w(A)/w(C)小于0.05的水泥乳化瀝青砂漿表面可被水潤濕，即占水泥質(zhì)量5%的瀝青不足以改變水泥材料的親水性。

圖3 SL砂漿下成型面接觸角與w(A)/w(C)關(guān)系Fig.3 Curve of w(A)/w(C)and contact angle of lower surface of SL mortar

圖4 SL砂漿自然斷面接觸角與w(A)/w(C)關(guān)系Fig.4 Curve of w(A)/w(C)and contact angle of natural section of SL mortar

表2 瀝青膜表面接觸角Table 2 Contact angle of asphalt membrane

由圖4可以看出，除 w(A)/w(C)為0.05組外，其余各組試樣自然斷面接觸角均大于110°，且絕大多數(shù)均比上、下成型面接觸角大，這是由于自然斷面的表面粗糙度的增加，由于表面不均勻，液滴在固體表面上展開要克服一系列由于高低不平而造成的勢壘。當(dāng)液滴振動能小于這種勢壘時，液滴只是處于亞穩(wěn)狀態(tài)，而非平衡態(tài)，因此，粗糙表面測試的接觸角偏大［6－9］。Wenzel于 1936 年提出Wenzel方程，引入粗糙度因子，以表征表面粗糙度對接觸角的影響［1］。

由圖2亦可以看出:瀝灰比相同而瀝青種類不同的砂漿試件上成型面與水接觸角也存在差異。例如，A3組砂漿試件上成型面與水的接觸角小于A1和A2組砂漿試件的大多數(shù)接觸角測試值。原因可能有2方面:

(1)與瀝青乳粒表面乳化劑分子的離子特性及其與水泥、砂子的相互作用有關(guān)。在水泥乳化瀝青砂漿攪拌過程中，吸附在瀝青乳粒表面的乳化劑分子同樣受到水泥顆粒、砂子顆粒的吸附，這種吸附作用與乳化劑分子的極性有關(guān)［5］，一般砂子表面呈陰性，對陽離子型乳化劑分子有很強(qiáng)的吸附力，而對陰離子型乳化劑分子的吸附力較弱;水泥顆粒表面既有陰性又有陽性，因此，水泥顆粒對兩種極性的乳化劑分子均有較強(qiáng)的吸附力。水泥乳化瀝青砂漿中砂子的體積含量最大，而且顆粒粒徑較小，其總表面積也較大，因此，由陰離子型乳化瀝青拌制的砂漿，在凝結(jié)硬化過程中，瀝青乳粒表面的陰離子乳化劑分子被砂子表面吸附的量較少，殘留在瀝青中的乳化劑分子較多，因而，這種砂漿試件因乳化劑作用而導(dǎo)致其憎水性較弱，而陽離子型乳化瀝青拌制的砂漿試件則相反，被砂子顆粒表面吸附的乳化劑分子較多，砂漿試件表面憎水性較強(qiáng)。

(2)與瀝青乳粒表面乳化劑分子與水分子形成氫鍵有關(guān)。如前所述，試件成型硬化后表面形成一層富瀝青皮，其表面可能存在一層憎水基與瀝青皮結(jié)合而親水基朝外的乳化劑分子，當(dāng)蒸餾水滴在試件表面時，乳化劑分子的親水基所帶的負(fù)電荷原子與水分子的H－O鍵形成氫鍵作用，而氫鍵的強(qiáng)弱與原子的電負(fù)性、原子半徑有關(guān)，電負(fù)性越大，原子半徑越小，氫鍵作用越強(qiáng)［10］。一般陰離子乳化劑與水分子形成的氫鍵為O—H…O，而陽離子乳化劑與水分子形成的氫鍵為O—H…N，而O—H…O比O—H…N作用力大。氫鍵作用越強(qiáng)水分在試件表面越容易鋪展，測試的潤濕角越小。由此可得，水泥乳化瀝青砂漿表面被水潤濕性與乳化瀝青的極性有關(guān)，由陽離子型乳化瀝青拌制的水泥乳化瀝青砂漿被水潤濕性較差，憎水性較強(qiáng)。

水泥乳化瀝青砂漿表面被水潤濕性還與新拌砂漿中瀝青乳粒的分散均勻性有關(guān)，尤其是當(dāng)瀝灰比較小和采用陽離子型乳化瀝青時。如圖5所示的A1－0.05組的2個試件，其上成型面接觸角的測試值分別為116°(試件1)和61.21°(試件 2)，即這2個砂漿試件表面的潤濕特性呈相反規(guī)律。這種現(xiàn)象的原因主要是乳化瀝青在新拌砂漿中分布不均勻，從圖5也可看到:試件1的上成型面瀝青較多，而試件2的上成型面瀝青較少。另外，由于試件的瀝灰比僅有0.05，雖然試樣的上成型面形成富瀝青區(qū)域，但表面定向排列的乳化劑分子的排列緊密程度非常弱，并未形成一層連續(xù)的瀝青膜。由表3可見:試件1上成型面的瀝青含量是試件2的3倍，而且其表面較粗糙，水分要在表面鋪展需要克服由于起伏不平造成的勢壘，故接觸角測試值大于90°;試件2的上成型面的水泥漿比例較大，硬化后表面有一層光滑的亮膜，礦物成分除石英外，主要為Ca(OH)2碳化后產(chǎn)物CaCO3(見圖6)，故接觸角測試值小于90°。A2－0.05組砂漿試件也存在類似現(xiàn)象，但A3－0.05組試樣在成型過程中及硬化后，瀝青乳粒在砂漿中分布較均勻，未出現(xiàn)上述現(xiàn)象。這再次說明乳化瀝青的極性對水泥乳化瀝青砂漿被水潤濕性有較大影響。

圖5 A1－0.05試樣表面特征Fig.5 Surface characteristic of A1 －0.05 group specimens

圖6 表面物質(zhì)XRD曲線Fig.6 X －ray diffraction(XRD)analysis of surface substance

表3 試樣上成型面取樣蒸發(fā)殘留物質(zhì)量比Table 3 Mass ratio of evaporating residues of upper surface specimen

有研究表明［3］:若某混合物中含有少量表面張力較小的組分，則這些組分便會在表面上聚集，導(dǎo)致分布不均勻。由于瀝灰比為0.05，新拌砂漿中乳化瀝青體積比很小。另外，如上所述，新拌砂漿中砂子表面對陽離子乳化劑分子有較強(qiáng)的吸附性，因此，用陽離子型乳化瀝青拌制的砂漿，當(dāng)乳化瀝青含量較少時，由于砂子表面對乳化劑分子的吸附作用而導(dǎo)致瀝青乳粒憎水性較強(qiáng)，因而使得新拌砂漿中瀝青分布不均勻。筆者亦觀察到A1－0.05組的新拌砂漿，其表面漂浮不均勻的瀝青乳粒帶，先澆注的試樣(試件1)上成型表面的瀝青乳粒含量比后澆注的試樣(試件2)的高，而陰離子乳化瀝青就不易發(fā)生此現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)隨著瀝灰比增加，水泥乳化瀝青砂漿中瀝青含量逐漸增加，由于瀝青材料的憎水性使得砂漿表面與水的接觸角呈增加趨勢，表面被水潤濕性逐漸降低。

(2)試驗(yàn)室成型的水泥乳化瀝青砂漿硬化體表面均會形成富瀝青皮，這層瀝青皮表面存在一層親水基朝向空氣的乳化劑分子，其表面活性作用使得表面與水接觸角小于90°，呈現(xiàn)親水性。對于CRTS I型板式無砟軌道，其砂漿充填層采用袋注法施工，由于灌注袋的作用而使得砂漿充填層表面存在一層富瀝青皮，因此，雖然砂漿充填層表面致密，但有一定的親水性。

(3)試驗(yàn)室成型的水泥乳化瀝青砂漿硬化體的自然斷面，由于其表面粗糙度較大，除瀝灰比為0.05外，其與水的接觸角均大于90°，不易被水潤濕，且與瀝灰比關(guān)系不大。對于CRTS II型板式無砟軌道，其砂漿充填層采用封邊模腔法灌注施工，砂漿充填層與軌道板底面間界面粘結(jié)在一起，當(dāng)界面離縫后，砂漿充填層表面是一個自然斷面，因而其不易被水潤濕，這對砂漿充填層抗水性有利。

(4)水泥乳化瀝青砂漿表面被水潤濕性與乳化瀝青的極性有關(guān)，陽離子型乳化瀝青有利于提高砂漿的憎水性，而由陰離子乳化瀝青拌制的砂漿更易被水分潤濕，受到水侵害。這歸因于新拌砂漿中水泥和砂子顆粒表面極性及其對乳化劑分子的吸附作用，尤其是砂子顆粒表面對陽離子乳化劑分子的強(qiáng)吸附作用。

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