翁智財，謝永江，鄭新國，劉 競，曾 志，李書明

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

水泥乳化瀝青砂漿是板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分[1-5]，對保證軌道平順性起到了重要作用，并起到填充、承力、傳力、緩沖的作用，是保證列車在高速運行下平穩(wěn)、舒適的關(guān)鍵材料，也是實現(xiàn)板式無砟軌道少維修、免維修的關(guān)鍵材料。

水泥乳化瀝青砂漿由乳化瀝青、水泥、細(xì)骨料、水、減水劑、消泡劑、鋁粉(或乳化瀝青、干料、水、減水劑、消泡劑)等材料采用特定設(shè)備及工藝拌制而成，具有良好的自流平性，在稍小的壓力下，可完全填滿軌道板和混凝土底座或支承層間的間隙(2～5 cm)，并且可對下部混凝土底座的結(jié)構(gòu)變形在某一限度內(nèi)進行修補。

由于水泥乳化瀝青砂漿具有原材料組成復(fù)雜、性能指標(biāo)要求高、制備技術(shù)難度大等特點，國內(nèi)外對其進行了大量的研究。很多學(xué)者在水泥乳化瀝青砂漿的配制、施工技術(shù)方面做了大量的研究工作，在水泥乳化瀝青砂漿的原材料、配合比、力學(xué)性能、耐久性能和施工技術(shù)等方面取得了豐碩的成果[6-12]。但是截止目前，國內(nèi)外對于水泥—瀝青復(fù)合膠凝材料的水化硬化機理方面研究報道甚少。本文擬通過采用TAM air水泥水化熱分析儀，對一定用量的水泥、乳化瀝青以及水的復(fù)合膠凝材料漿體的水化放熱進行測試，分析A/C(瀝青水泥比)、W/C(水灰比)的變化對水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料的水化影響，并揭示水泥乳化瀝青砂漿的水化放熱機理，為水泥乳化瀝青砂漿的凝結(jié)硬化研究提供理論依據(jù)。

1 原材料及配合比

1.1 原材料

試驗采用中國石油化工股份有限公司上海瀝青銷售分公司生產(chǎn)的高速鐵路專用陰離子型乳化瀝青，性能指標(biāo)見表1;水泥為采用唐山冀東水泥廠生產(chǎn)的盾石P·Ⅱ42.5水泥，比表面積為342 m2/kg，該水泥的物理性能見表2，化學(xué)組成見表3。水為蒸餾水。

表1 水泥乳化瀝青的性能指標(biāo)

表2 水泥的物理性能

表3 水泥化學(xué)組成 %

1.2 試驗配合比

結(jié)合板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿配合比的特點，綜合分析A/C和W/C的變化對水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料漿體的水化影響，主要從以下3個方面開展了試驗研究:①研究瀝青水泥比(取A/C=0和A/C=0.3)一定的條件下，不同水膠比的復(fù)合膠凝材料漿體水化熱情況;②研究水膠比(W/C=0.5)一定的條件下，不同瀝青水泥比的復(fù)合膠凝材料漿體的水化熱情況;③研究不同瀝青水泥比條件下，不同水膠比的復(fù)合膠凝材料漿體水化熱情況。水泥—乳化瀝青復(fù)合膠凝材料的水化熱試驗配合比見表4。

表4 水泥—乳化瀝青復(fù)合膠凝材料的水化熱試驗配合比

2 試驗方法

2.1 原材料的比熱

試驗用材料的比熱分別為:水泥為0.75 kJ/(kg·℃ )，水為 4.2 kJ/(kg·℃ )，乳化瀝青的比熱 C按混合物的比熱方法計算[15]

其中，∑Ci為混合物的比熱，∑Mj為混合物的質(zhì)量，mj為混合物中第j種物質(zhì)的質(zhì)量，ci為混合物中第i種物質(zhì)的比熱。在計算乳化瀝青的比熱時，忽略乳化劑的影響，固態(tài)瀝青的比熱為1.67 kJ/(kg·℃)，試驗用的乳化瀝青的固含量為60.0%，水分為40.0%，按上式計算出乳化瀝青的比熱為2.68 kJ/(kg·℃)。

2.2 試驗的制備及測試

試驗前，先用0.08 mm標(biāo)準(zhǔn)篩篩除水泥中的粗顆粒，然后將水泥在105℃條件下進行干燥，烘干至恒定質(zhì)量后，放置在干燥器中冷卻至室溫，裝罐密封保存。

試驗24 h前，將各原材料密封，并在(20±2)℃的溫度條件下恒溫。試驗在(20±2)℃的實驗室條件下進行。試驗時，按表4稱量各原材料的質(zhì)量，充分?jǐn)嚢杈鶆颍玫喂芪嚢韬玫臐{體，用分析天平快速準(zhǔn)確稱取拌合好漿體6.000 g及參比樣水的質(zhì)量，迅速放入TAM air水泥水化熱分析儀中，進行水泥—乳化瀝青復(fù)合膠凝材料的3 d水化熱測試。

3 試驗結(jié)果及分析

采用TAM air水泥水化熱分析儀，研究分析了A/C(瀝青水泥比)和W/C(水灰比)的變化對水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料的水化影響。

當(dāng)A/C為零時，不同水灰比(分別為 0.1，0.3，0.6，0.9，1.5)的膠凝材料水化熱試驗結(jié)果見圖1(a)。由圖1(a)可以看出，膠凝材料漿體的放熱速率隨水化齡期的延長呈先增加后降低趨勢，水灰比不同，放熱速率峰值出現(xiàn)的時間也有所不同，隨水灰比的增大，放熱速率的峰值出現(xiàn)的時間可滯后1～15 h;水化齡期越長，水化放熱速率也越小，當(dāng)水化齡期為90 h時，膠凝材料的水化放熱速率為峰值的3%甚至更低。不同水化齡期階段，膠凝材料漿體的水化放熱速率也有所不同。從膠凝材料加水拌合至水化15 h，當(dāng)水灰比較小時(水灰比≤0.6)，膠凝材料漿體的放熱速率隨水灰比的增加呈明顯降低趨勢;而在水灰比較大時(水灰比≥0.6)，膠凝材料漿體的放熱速率隨水灰比的增加略有增加，但整體的放熱速率差異不大。隨著水化齡期的延長，當(dāng)膠凝材料漿體水化15～90 h，膠凝材料漿體的放熱速率隨水灰比的增加，整體呈緩慢的增加趨勢?？偟膩碚f，水灰比對膠凝材料漿體的放熱速率有明顯的延緩作用。

圖1 A/C一定，不同W/C的膠凝材料漿體水化放熱速率

當(dāng)瀝青水泥比為0.3時(A/C一定)，不同水灰比(分別為 0.2，0.3，0.6，0.9，1.5)的膠凝材料水化熱試驗結(jié)果見圖1(b)。膠凝材料漿體的放熱速率隨水化齡期的增加也呈先增加后降低的趨勢，水灰比對膠凝材料漿體的放熱速率有明顯的延緩作用。主要體現(xiàn)在隨水灰比的增加，膠凝材料漿體的水化放熱速率峰值可滯后1～4 h;同時，在水化60 h之后，高水灰比的膠凝材料漿體的水化放熱速率比低水灰比的約高3倍。但整體來說，同一齡期、不同水灰比的水化放熱速率基本相差不大。

不同水化齡期的膠凝材料漿體水化情況也有所不同。從膠凝材料加水拌合至水化16 h階段，膠凝材料漿體的放熱速率隨水灰比的增加呈降低的趨勢，但整體降低的幅度很有限，其水化放熱速率峰值約降低10% ～15%;而在水化16～90 h階段，隨水化齡期的延長，膠凝材料的放熱速率隨水灰比的增加基本呈增加的趨勢(水灰比為0.2的除外)，但增加的幅度很小。對于水膠比為0.2膠凝材料漿體水化放熱速率還比水灰比為0.3的小，一方面由于復(fù)合膠凝材料漿體中拌合自由水很少，漿體中水泥顆粒基本被瀝青顆粒裹覆，與自由水的接觸面積減小，從而導(dǎo)致水化速率降低;另一方面漿體中的拌合自由水很少，不足以提供水泥的完全水化，造成漿體總的水化放熱量降低(見圖2)，所測得的水化速率因而變小。

圖2 A/C一定，不同W/C的膠凝材料漿體水化放熱量

當(dāng) A/C 不為零時(分別為 0.1，0.3，0.6，0.9，1.5)，不同水灰比(分別為 0.1，0.3，0.6，0.9，1.5)的膠凝材料水化熱試驗結(jié)果見圖3。膠凝材料漿體的放熱速率隨水化齡期的延長呈先增加后降低趨勢，隨水灰比和瀝青水泥比的增加，膠凝材料漿體的放熱速率峰值明顯呈滯后的現(xiàn)象。結(jié)合圖1～圖3可以看出，水灰比相同，A/C不為零的膠凝材料漿體的放熱速率明顯比A/C為零的小很多，約降低50%，同時其膠凝材料的水化放熱峰明顯往后推延，水化放熱速率峰值出現(xiàn)的時間推遲了2～30 h，整體而言瀝青水泥比越高，水化放熱速率峰值出現(xiàn)的時間滯后就越長。可以說，瀝青水泥比對膠凝材料的放熱速率的影響明顯大于水灰比的影響。是由于膠凝材料漿體中乳化瀝青的存在，使得水泥顆?；蛩a(chǎn)物的表面基本被瀝青顆粒裹覆，顯著地降低了水泥的水化放熱速率，瀝青的存在對膠凝材料漿體的水化有明顯的延緩作用。

膠凝材料漿體中總用水量一定(水灰比為0.5)，不同瀝青水泥比(A/C 分別為 0.1，0.3，0.5，0.6，0.7)的膠凝材料水化熱試驗結(jié)果見圖4。膠凝材料漿體的放熱速率隨水化齡期的延長呈先增加后降低趨勢。隨瀝青水泥比的不同，膠凝材料出現(xiàn)水化放熱速率峰值的時間也各異。當(dāng) A/C為0.1～0.5時，隨瀝青水泥比的增加，水化放熱速率峰值的時間將延緩5～10 h，且放熱速率峰值呈降低趨勢;當(dāng)A/C為0.5～0.7時，隨瀝青水泥比的增加，水化放熱速率峰值的時間將延緩2～5 h，且放熱速率峰值呈增大趨勢。造成這一現(xiàn)象的原因，可能與漿體中能夠形成漿體的自由水量及瀝青在漿體中分布有關(guān)，由于漿體總的用水量一定，當(dāng)瀝青水泥比較低時(A/C為0.1～0.5)，隨瀝青水泥比的增加，瀝青對漿體中水泥顆粒的裹覆越多，進一步降低水泥水化速率;而當(dāng)瀝青水泥比較高時(A/C為0.5～0.7)，雖然漿體中自由水的量減少了，但是在高瀝青水泥比時，漿體中瀝青的分布由分散相變?yōu)檫B續(xù)相，水泥的水化加速了瀝青的破乳，而瀝青的破乳又為水泥提供更多的可水化的水，反過來又促進了水泥的水化。

圖3 不同水灰比的膠凝材料漿體的水化放熱情況

圖4 水灰比一定(W/C=0.5)不同瀝青水泥比的膠凝材料漿體水化情況

4 結(jié)論

1)在相同水灰比情況下，水泥—瀝青復(fù)合膠凝材料漿體的水化放熱速率峰值將會比水泥凈漿膠凝材料漿體的滯后1～4 h，有的滯后時間甚至?xí)L。

2)當(dāng)膠凝材料體系中瀝青水泥比(乳化瀝青用量)一定時，對于沒有瀝青存在的膠凝材料漿體其水化放熱速率隨著水灰比(用水量)的增加有明顯的延緩作用，而對于有瀝青存在的膠凝材料漿體，水灰比對整個體系水化放熱速率的延緩作用將變得很微弱。

3)當(dāng)膠凝材料體系中水灰比(用水量)一定時，不論膠凝材料漿體中有無瀝青的存在，其膠凝材料漿體的水化放熱速率隨著瀝青水泥比(乳化瀝青用量)的增加有明顯的延緩作用，這種作用將隨著瀝青水泥比的增加變得更為顯著。

4)增加水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料中乳化瀝青的用量對降低膠凝材料的水化放熱速率和延緩水化放熱峰出現(xiàn)時間的作用，要比增加用水量的效果顯著。

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