李海燕，邵丕彥

(中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

含氣量對CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿性能的影響

李海燕，邵丕彥

(中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

為了考察含氣量對CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿性能的影響，分別制備出含氣量3%，6%，9%，12%，15%的水泥乳化瀝青砂漿，并對其膨脹率、吸水率、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、超聲波傳播時(shí)間、抗凍性能等進(jìn)行研究。結(jié)果表明:隨著含氣量的增大，砂漿的膨脹率逐漸降低，吸水率逐漸增大，其中當(dāng)含氣量＞12%時(shí)，砂漿吸水率增大幅度明顯;隨著含氣量的增大，砂漿的抗壓強(qiáng)度、彈性模量略有降低、超聲波傳播時(shí)間變長;砂漿的抗凍性能隨含氣量的增大先增強(qiáng)后降低。

水泥乳化瀝青砂漿 含氣量 性能

水泥乳化瀝青砂漿墊層材料作為板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，主要起支撐、調(diào)整尺寸并提供彈韌性等作用[1]。作為一種工程材料，耐久性能是影響其大規(guī)模工程應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。水泥乳化瀝青砂漿的耐久性能主要通過抗凍性能與耐候性能兩個(gè)指標(biāo)來表征。其中，就抗凍性能而言，通常是采用加入引氣劑引入微小氣泡，同時(shí)加入消泡劑消除體系中較大的有害氣泡的方法。在引氣劑與消泡劑協(xié)同作用下，大量微小封閉的氣泡均勻分布在砂漿體系內(nèi)，隔斷了砂漿內(nèi)部大量的連通孔隙，使得孔隙中的水分在凍結(jié)過程中產(chǎn)生過冷現(xiàn)象(使其冰點(diǎn)降低)，從而減輕砂漿的受凍破壞，增強(qiáng)其抗凍性能[2-3]。引入微小氣泡，并控制合理的含氣量對砂漿的耐久性能是有利的，但含氣量對砂漿其他性能的影響還需通過試驗(yàn)驗(yàn)證。本文就不同含氣量的水泥乳化瀝青砂漿的性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

乳化瀝青:采用鐵科院金化所自主研發(fā)的SL-1型高鐵陽離子乳化瀝青。

干料:主要由P·Ⅱ52.5硅酸鹽水泥、細(xì)度模數(shù)1.45機(jī)制砂及添加劑等組成。

聚合物乳液:TD-08S型聚合物乳液。

消泡劑:有機(jī)硅消泡劑。

引氣劑:MPAE引氣劑。

試驗(yàn)采用的各種原材料的性能均滿足《客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》(科技基[2008]74號)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。

1.2 主要試驗(yàn)設(shè)備

攪拌容量16.5 L的日本進(jìn)口25AM-Qr中型砂漿攪拌機(jī)，攪拌速度可調(diào);1 000 ml三角燒瓶;電子天平;CMT5045微機(jī)控制電子萬能(拉力)試驗(yàn)機(jī);超聲波測定儀;快速凍融試驗(yàn)機(jī)。

1.3 試驗(yàn)制備

在固定乳化瀝青、聚合物乳液、干料配合比的條件下，通過適當(dāng)調(diào)整制備工藝，分別制備出含氣量3%，6%，9%，12%，15%的水泥乳化瀝青砂漿，并成型φ50 mm×50 mm圓模、100 mm×100 mm×400 mm的抗凍試模等，對試件進(jìn)行了砂漿吸水率、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗凍性等測試[4]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含氣量對水泥乳化瀝青砂漿膨脹率的影響

在研究過程中測試了不同含氣量下水泥乳化瀝青砂漿的膨脹率，結(jié)果見圖1。

圖1 砂漿膨脹率隨含氣量的變化趨勢

由圖1可得，在相同鋁粉摻量條件下，砂漿的膨脹率隨含氣量的增大逐漸變小。含氣量增大表明砂漿內(nèi)部微小氣泡數(shù)量增多，氣泡間距變小。當(dāng)砂漿中的鋁粉在堿性作用下發(fā)氣時(shí)，微小氣泡彼此接觸形成大氣泡或者連通孔道的幾率增大，而大氣泡在砂漿內(nèi)部是不穩(wěn)定存在的，在砂漿硬化前，一部分氣體會(huì)從砂漿內(nèi)部逸出[5]，氣體逸出導(dǎo)致砂漿體積收縮，從而抵消了鋁粉產(chǎn)生的部分膨脹率，因而隨著含氣量的增大，砂漿的膨脹率逐漸變小。

2.2 含氣量對水泥乳化瀝青砂漿吸水率的影響

φ50 mm×50 mm圓模在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后對其表面清潔處理，初始質(zhì)量記為M0，分別將含氣量3%，6%，9%，12%，15%的水泥乳化瀝青砂漿圓模放入水中浸泡 1 d，7 d，14 d，28 d，56 d，將試件取出后處理至表干，此時(shí)質(zhì)量記為Mn。

試驗(yàn)測得不同含氣量水泥乳化瀝青砂漿不同浸泡時(shí)間的吸水率見圖2。

圖2 不同含氣量水泥乳化瀝青砂漿吸水率隨時(shí)間的變化

由圖2可見，隨著含氣量的增大砂漿的吸水率逐漸變大，當(dāng)含氣量為15%時(shí)砂漿吸水率明顯增大。吸水率增大表明水更容易進(jìn)入砂漿體系內(nèi)部。含氣量增大后砂漿內(nèi)部的微小氣泡更加豐富，當(dāng)含氣量進(jìn)一步增大時(shí)，氣泡間距變小，而且氣泡趨向在漿體界面富集，從而導(dǎo)致砂漿外部的水在毛細(xì)管力的作用下進(jìn)入砂漿內(nèi)部，并儲(chǔ)存在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔道中，因而吸水率隨著砂漿含氣量的變大而增加。

2.3 含氣量對水泥乳化瀝青砂漿力學(xué)性能的影響

在研究過程中測試了不同含氣量水泥乳化瀝青砂漿在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)1 d，7 d，28 d的抗壓強(qiáng)度、彈性模量，測試結(jié)果見圖3。同時(shí)采用超聲波測定儀測試了在不同含氣量的相同尺寸砂漿試件中的傳播時(shí)間，見表1。

圖3 不同含氣量水泥乳化瀝青砂漿的抗壓強(qiáng)度及彈性模量

表1 超聲波在砂漿試件中的傳播時(shí)間 μs

由圖3可得，水泥乳化瀝青砂漿的抗壓強(qiáng)度、彈性模量均隨含氣量的增大而降低。這是由于含氣量增大時(shí)，砂漿體系中的微小氣泡逐漸增多，這在一定程度上降低了砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性，進(jìn)而影響砂漿的抗壓強(qiáng)度，因此含氣量的增大會(huì)降低砂漿的抗壓強(qiáng)度;同樣由于微小氣泡的存在，使得砂漿彈性增強(qiáng)，變形增大，最終導(dǎo)致砂漿彈性模量下降。

表1數(shù)據(jù)顯示，隨著含氣量的增大，超聲波在砂漿中的傳播時(shí)間變長。這是因?yàn)槌暡ǖ膫鞑ニ俣扰c介質(zhì)的密度成正比，隨著含氣量的增大，砂漿內(nèi)部的氣孔更加豐富，因而砂漿的致密性與均勻性變差，從而導(dǎo)致傳播時(shí)間變長。

砂漿力學(xué)性能及超聲波傳播時(shí)間變化均顯示，隨著含氣量的增大，砂漿的結(jié)構(gòu)致密性逐漸變差。

2.4 含氣量對水泥乳化瀝青砂漿抗凍性能的影響

抗凍性能主要是反映砂漿在凍結(jié)、融化反復(fù)作用下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在水泥乳化瀝青砂漿結(jié)構(gòu)形成后，組成材料中的瀝青隨溫度降低會(huì)產(chǎn)生體積收縮，而此時(shí)在毛細(xì)管力作用下進(jìn)入砂漿結(jié)構(gòu)內(nèi)部的游離水受凍會(huì)產(chǎn)生膨脹與冰晶壓力，在收縮—膨脹的作用下導(dǎo)致砂漿結(jié)構(gòu)遭受破壞。由此看來，砂漿的抗凍性除了受材料本身影響之外，還與體系中的孔隙結(jié)構(gòu)和含氣量直接相關(guān)，因此測試了不同含氣量水泥乳化瀝青砂漿的抗凍性能，結(jié)果見圖4。

圖4 不同含氣量砂漿300次凍融循環(huán)后的相對彈性模量、質(zhì)量損失率

由圖4可得:隨含氣量的增大，砂漿的相對動(dòng)彈模量先增大后降低;而質(zhì)量損失率則先降低后增大。當(dāng)含氣量較低時(shí)，砂漿體系中氣泡含量較少，砂漿的整體結(jié)構(gòu)剛性較強(qiáng)、彈韌性和抗形變能力較差，因而緩沖體系內(nèi)游離水受凍產(chǎn)生膨脹與冰晶壓力的能力較差，此時(shí)在凍結(jié)—融化的反復(fù)作用下外層砂漿的結(jié)構(gòu)容易受到破壞，因此砂漿相對動(dòng)彈模量較低、質(zhì)量損失率較大、抗凍性能較差。隨著含氣量的增大，體系中氣泡含量逐漸增多，砂漿的彈性和抗形變能力增強(qiáng)，能夠較好緩沖砂漿結(jié)構(gòu)中游離水產(chǎn)生的冰晶壓力，抗凍性能增強(qiáng)。當(dāng)含氣量再繼續(xù)增大時(shí)，砂漿體系中過多的氣泡反而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)致密性變差、抗壓強(qiáng)度降低;而且部分氣泡容易在界面富集形成類似蜂窩狀結(jié)構(gòu)，砂漿吸水率增大;最終在凍結(jié)—融化的作用下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞、出現(xiàn)砂漿剝落，因而砂漿抗凍性能變差、質(zhì)量損失率變大。

圖5和圖6是凍融前后孔的微觀形態(tài)。

圖5 凍融前孔微觀結(jié)構(gòu)

圖5和圖6清楚地顯示出凍結(jié)—融化循環(huán)對水泥乳化瀝青砂漿內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的增大作用，凍融前孔徑40 μm的氣孔最多，300次凍融循環(huán)后160 μm的氣孔最多[6]。體系中游離水的膨脹與冰晶壓力導(dǎo)致了孔隙的變大，而孔隙的變大又進(jìn)一步加速了砂漿的破壞?？梢姙榱吮ＷC砂漿具有良好的抗凍性，含氣量必須保持在合理的區(qū)間。

圖6 凍融后孔微觀結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

1)隨著含氣量的增大，砂漿的膨脹率逐漸降低、吸水率逐漸增大，其中當(dāng)含氣量＞12%時(shí)，砂漿吸水率增大幅度明顯。

2)隨著含氣量的增大，砂漿體系中的微小氣泡含量增加、砂漿密實(shí)性降低、彈性增強(qiáng)、變形增大，從而導(dǎo)致砂漿的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均略有降低、超聲波傳播時(shí)間變長。

3)隨著含氣量的增大，砂漿的抗凍性能先增強(qiáng)后降低。凍結(jié)—融化過程體系中游離水的膨脹與冰晶壓力導(dǎo)致了孔隙的變大，而孔隙的變大又進(jìn)一步加速了砂漿的破壞。為了保證砂漿具有良好的抗凍性能，含氣量必須保持在合理的區(qū)間。

[1]吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社，1999.

[2]范沈撫.摻引氣劑混凝土性能的研究[J].混凝土與水泥制品，1991(1):11-23.

[3]趙國堂.高速鐵路無碴軌道結(jié)構(gòu)[M].北京:中國鐵道出版社，2006.

[4]中華人民共和國鐵道部.科技基2008[74]號 客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件[S].北京:中國鐵道出版社，2008.

[5]賈恒瓊，李海燕，吳韶亮，魏曌.CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿微膨脹性能研究[J].鐵道建筑，2010(9):101-102.

[6]中國鐵道科學(xué)研究院.無砟軌道乳化瀝青水泥砂漿的研發(fā)-A分報(bào)告之一:SL-1型水泥乳化瀝青砂漿的研究[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2008.

U213.2+44;U214.1+6

A

1003-1995(2012)06-0133-03

2011-12-16;

2012-02-20

鐵道部科技研究開發(fā)項(xiàng)目(2007G044-K-1)

李海燕(1967— )，男，黑龍江綏化人，副研究員，碩士。

(責(zé)任審編 孟慶伶)