李海燕，邵丕彥

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

含氣量對(duì)CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿性能的影響

李海燕，邵丕彥

(中國(guó)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(duì)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(duì)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(zhǎng);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(wú)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(guò)抗凍性能與耐候性能兩個(gè)指標(biāo)來(lái)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(guò)程中產(chǎn)生過(guò)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(duì)砂漿的耐久性能是有利的，但含氣量對(duì)砂漿其他性能的影響還需通過(guò)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(yáng)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(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》(科技基[2008]74號(hào))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(wàn)能(拉力)試驗(yàn)機(jī);超聲波測(cè)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(guò)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(duì)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(cè)試[4]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含氣量對(duì)水泥乳化瀝青砂漿膨脹率的影響

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

圖1 砂漿膨脹率隨含氣量的變化趨勢(shì)

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(duì)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(duì)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(cè)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(jiàn)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(jiàn)，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(duì)水泥乳化瀝青砂漿力學(xué)性能的影響

在研究過(guò)程中測(cè)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(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。同時(shí)采用超聲波測(cè)定儀測(cè)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(jiàn)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(zhǎng)。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(zhǎng)。

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(duì)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(lái)，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(cè)試了不同含氣量水泥乳化瀝青砂漿的抗凍性能，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同含氣量砂漿300次凍融循環(huán)后的相對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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?jiàn)為了保證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(zhǎng)。

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(guò)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(guó)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(guó)堂.高速鐵路無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.

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

[5]賈恒瓊，李海燕，吳韶亮，魏曌.CRTSⅠ型板式無(wú)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(guó)鐵道科學(xué)研究院.無(wú)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(guó)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(kāi)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)