崔樹(shù)國(guó)

（唐山市交通運(yùn)輸局，河北 唐山 063000）

無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)因其良好的穩(wěn)定性和整體性、維修量少的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于高速鐵路建設(shè)。CA砂漿（cement asphalt mortar簡(jiǎn)稱(chēng)“CA砂漿”）是板式無(wú)碴軌道的關(guān)鍵組成部分，主要起到減緩軌道震動(dòng)和保證軌道平穩(wěn)的作用。CA砂漿主要由水泥、乳化瀝青、砂和各種外加劑組成，經(jīng)水泥與瀝青共同作用膠結(jié)硬化而成的一種新型有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料[1，2]。

CA砂漿拌合后，部分水與水泥發(fā)生水化反應(yīng)。在砂漿凝固并達(dá)到一定強(qiáng)度以前，水一直與水泥進(jìn)行反應(yīng)，CA砂漿由于水泥的水化、凝結(jié)而產(chǎn)生一定收縮。同時(shí)CA砂漿的絕對(duì)用水量（瀝青乳液中的水分和外加水）比水泥水化所需用水量高，造成在水泥水化硬化后期CA砂漿內(nèi)部仍然存在大量的游離水，當(dāng)溫度低時(shí)，游離水結(jié)冰導(dǎo)致CA砂漿體積膨脹，產(chǎn)生的冰晶壓力使CA砂漿遭受凍脹破壞。凍脹破壞嚴(yán)重影響軌道的運(yùn)行安全性和CA砂漿的耐久性能[3，4]。

CA砂漿的抗凍性能與其內(nèi)部氣泡結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。含氣量、比表面積和氣泡間隔系數(shù)是CA砂漿氣泡結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)，氣泡間隔系數(shù)能綜合反應(yīng)其氣泡結(jié)構(gòu)性質(zhì)，是最重要要的參數(shù)。CA砂漿配制過(guò)程中，材料組成的變化會(huì)顯著影響CA砂漿的孔結(jié)構(gòu)，減水劑作為一種重要的外加劑被廣泛應(yīng)用于CA砂漿的制備，其種類(lèi)的改變將造成CA砂漿孔結(jié)構(gòu)特征的改變，從而影響其抗凍性能。CA砂漿主要分為I型CA砂漿和II型CA砂漿，I型砂漿有機(jī)物所占比例較高（為30%），組料中水泥與瀝青用量相當(dāng)。其性能特點(diǎn)為組成復(fù)雜、環(huán)境敏感性高、強(qiáng)度及彈性模量低。Ⅱ型砂漿有機(jī)物所占比例較低（小于15%），組成以無(wú)機(jī)材料為主，性能表現(xiàn)為水泥材料的基本特征，強(qiáng)度及彈性模量高[5，6]。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于CA砂漿抗凍性能的研究主要集中于Ⅰ型CA砂漿，鮮見(jiàn)于Ⅱ型CA砂漿的研究?；诖耍疚膶?duì)CRTSⅡ型CA砂漿進(jìn)行了快速凍融試驗(yàn)，并結(jié)合對(duì)CRTSⅡ型CA砂漿氣泡特征參數(shù)的測(cè)定，綜合分析了CRTSⅡ型CA砂漿的抗凍性性能及其與孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：P.I 52.5硅酸鹽水泥；瀝青乳液：自制慢裂快凝型改性瀝青乳液，固含量60%、密度1.02g/cm3，篩上剩余量0.22%；砂：普通河砂，細(xì)度模數(shù)1.06；鋁粉：細(xì)度≥200目，鱗片狀；膨脹劑：UEA型膨脹劑；引氣劑：主要成分為松香類(lèi)熱聚物；消泡劑：有機(jī)硅類(lèi)消泡劑；采用了三種液體減水劑，固含量均為30%左右：A為聚羧酸系減水劑，減水率為28%；B為木質(zhì)素系減水劑，減水率為12%；C為萘系減水劑，減水率為19%。

1.2 試驗(yàn)方法

物理力學(xué)性能測(cè)試參照客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路CRTSⅡ，Ⅰ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件。

凍融性能測(cè)試用CA砂漿試塊尺寸為100×100×400mm的長(zhǎng)方體試塊，自然養(yǎng)護(hù)90d。利用KDR-V系列混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)，對(duì)經(jīng)受25次、50次、75次、100次、125次、150次凍融循環(huán)的CRTSⅡ型CA砂漿進(jìn)行凍融性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用電子秤稱(chēng)量試件質(zhì)量，利用DTW18型動(dòng)彈儀測(cè)量試件的共振頻率及動(dòng)彈模量。

利用MIC-840-01型硬化混凝土孔隙結(jié)構(gòu)分析儀測(cè)量CRTSⅡ型CA砂漿的孔隙特征，該分析儀為我國(guó)首次引進(jìn)，能夠測(cè)量CA砂漿內(nèi)部的氣孔特征參數(shù)：比表面積、含氣量、氣泡間隔系數(shù)等。CRTSⅡ型CA砂漿試件測(cè)試面積為3 600mm2，像素刪除標(biāo)準(zhǔn)值取10，圓形度值取0.6。CA砂漿氣泡特征參數(shù)計(jì)算公式如下：

單位面積內(nèi)的氣泡數(shù)：

式中，測(cè)定面積為S；氣泡個(gè)數(shù)為N。累計(jì)氣泡面積：

式中，ai為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中第i個(gè)氣泡的面積，i=1～N。

平均氣泡面積：

含氣量：

平均氣泡直徑：

比表面積：

氣泡間距系數(shù)：

式中，P為漿體含量，%。

2 試驗(yàn)配合比及試驗(yàn)結(jié)果

CA砂漿有3組配合比（如表1所示），其中干混料由水泥、砂、膨脹劑、鋁粉、穩(wěn)定劑等外加劑組成。第1～3組為采用了不同類(lèi)型的減水劑。

表1 CA砂漿配合比 單位：kg/m3

2.1 CA砂漿初始拌合物性能

從表2看出聚羧酸減水劑的減水率最高，其次是萘系減水劑，最小的是木質(zhì)系減水劑，可以看出流動(dòng)度最好的為1號(hào)試樣，流出時(shí)間最短，而摻加木質(zhì)素系減水劑的流動(dòng)性最差。此外，盡管加入了減水劑，但由于各配合比中用水量相同，因此1d抗壓強(qiáng)度相差不大。含氣量略有差別，摻加萘系的最大，而摻加木質(zhì)素的最小。

表2 CA砂漿初始拌合物性能

2.2 凍融試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)25次、50次、75次、100次、125次和150次凍融循環(huán)后，CRTSⅡ型CA砂漿試塊的質(zhì)量損失率變化如圖1所示。

圖1 CA砂漿質(zhì)量損失率

從圖1和圖2可以看出，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)較低時(shí)（75次以?xún)?nèi)），質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈性模量變化很小，甚至不發(fā)生變化，只有在達(dá)到一定循環(huán)次數(shù)（如100次后），試件內(nèi)部發(fā)生細(xì)裂紋后質(zhì)量損失率增加較快，其質(zhì)量損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而顯著升高。而且相對(duì)動(dòng)彈性模量發(fā)生了明顯變化。

圖2 CA砂漿相對(duì)動(dòng)彈性模量

CA砂漿經(jīng)凍融循環(huán)后，摻加木質(zhì)系減水劑的CA砂漿質(zhì)量損失率最大，摻加萘系減水劑的次之，摻加聚羧酸系減水劑的最小。凍融循環(huán)過(guò)程中，影響CA砂漿質(zhì)量變化的主要因素是砂漿表層孔隙吸水量和砂漿表層掉渣量的相對(duì)變化值。表層孔隙吸水會(huì)導(dǎo)致CA砂漿質(zhì)量增加，表層掉渣會(huì)導(dǎo)致CA砂漿質(zhì)量降低。在本試驗(yàn)條件下的150次凍融循環(huán)以?xún)?nèi)時(shí)，表層掉渣量大于表層吸水量，因此CA砂漿質(zhì)量損失率增加。

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，CA砂漿相對(duì)動(dòng)彈模量均呈降低趨勢(shì)。摻加聚羧酸系減水劑的CA砂漿剩余相對(duì)動(dòng)彈模量最高，其抗凍性能最好。不同種類(lèi)減水劑由于組成成份不同，其作用效果表現(xiàn)出差異性，因此，對(duì)CA砂漿抗凍性能的影響也不相同。

3 CA砂漿孔結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果

3.1 CA砂漿孔結(jié)構(gòu)的微觀形貌

采用掃描電鏡觀測(cè)了摻加三種不同類(lèi)型減水劑的CA砂漿微觀形貌，結(jié)果如圖3所示。

圖3 CA砂漿微觀形貌

已有研究表明減水劑類(lèi)型會(huì)對(duì)水泥水化產(chǎn)物的微觀形貌產(chǎn)生比較顯著的影響[7]。從圖3可以看出，摻加三種減水劑的CA砂漿的微觀形貌差異也較大。其中，摻聚羧酸系減水劑的CA砂漿整體結(jié)構(gòu)比較致密，大孔數(shù)量較少，大部分孔均以細(xì)小孔的形式出現(xiàn)。而摻加木質(zhì)系減水劑、萘系減水劑的CA砂漿微觀形貌則明顯疏松的多，二者表面均可見(jiàn)大量明顯孔，并伴隨細(xì)小裂縫。并且，摻加木質(zhì)系減水劑的CA砂漿大孔數(shù)量顯著多于摻加其他兩種減水劑的CA砂漿，并且其孔徑分布差異較大。加入萘系減水劑的CA砂漿雖然也有大量孔洞，但可看到其孔徑大小差異較小，孔洞均勻。正是這種孔隙結(jié)構(gòu)存在的差異，造成CA砂漿抗凍性能的差別，即：大孔少、孔徑分布均勻的孔結(jié)構(gòu)有利于提高CA砂漿的抗凍性。

3.2 CA砂漿孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

摻加三種不同減水劑的CA砂漿氣孔特征參數(shù)結(jié)果如表3所示。

表3 摻加不同類(lèi)型減水劑的CA砂漿孔特征參數(shù)

由表3可以得出，在相同的測(cè)試面積內(nèi)，摻加聚羧酸系減水劑的CA砂漿的氣泡數(shù)目最多，總氣泡面積最大，但其平均氣泡徑和氣泡間隔系數(shù)卻最??；摻加木質(zhì)系減水劑的CA砂漿的氣泡個(gè)數(shù)最少，但其平均氣泡徑和氣泡間隔系數(shù)卻最大；加入萘系減水劑的CA砂漿的氣泡間隔系數(shù)介于上述兩者之間。氣泡間隔系數(shù)是綜合反應(yīng)材料抗凍性能的關(guān)鍵微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，是與CRTSII型CA砂漿抗凍性最為密切的參數(shù)。在一定范圍內(nèi)，氣泡間隔系數(shù)越小，抗凍性越好。圖4表示了CRTSII型CA砂漿泡徑分布情況。

圖4 CA砂漿氣孔孔徑分布

圖4顯示了CA砂漿的氣泡徑主要集中在0～90μm的范圍內(nèi)。摻加三種減水劑的CA砂漿氣泡徑分布在上述范圍之內(nèi)的氣泡數(shù)目分別達(dá)到總氣泡數(shù)的93.1%、92.8%和87.3%。與摻加木質(zhì)系減水劑的CA砂漿相比，摻加聚羧酸系減水劑和萘系減水劑的CA砂漿的氣孔直徑在0～40μm之間的氣泡數(shù)相對(duì)較多，而氣泡徑大于90μm的氣泡數(shù)相對(duì)各自氣泡總數(shù)較少。

綜上所述，摻加聚羧酸系減水劑和萘系減水劑的CA砂漿擁有較多的相對(duì)微小孔、較小的平均氣泡徑和較小的氣泡間隔系數(shù)，即有較均勻的氣泡分布。這種氣孔分別形式有利于緩沖凍融破壞應(yīng)力，提高了CA砂漿的抗凍性能；而對(duì)于摻加木質(zhì)系減水劑的CA砂漿而言，其擁有相對(duì)較多的大孔、更大的平均泡徑及氣泡間隔系數(shù)，這導(dǎo)致了其抗凍性能最低。

4 結(jié)論

綜上所述，可得出如下結(jié)論：

a）在150次凍融循環(huán)內(nèi)，CRTSII型CA砂漿的質(zhì)量損失率隨著凍融次數(shù)的增大而增大；相對(duì)動(dòng)彈模量隨著凍融次數(shù)的增加而降低，但在100次凍融循環(huán)以?xún)?nèi)，并不顯著。

b）摻加聚羧酸系減水劑和萘系減水劑的CA砂漿擁有較多的相對(duì)微小孔、較小的平均氣泡徑和較小的氣泡間隔系數(shù)，即有較均勻的氣泡分布，該種氣泡結(jié)構(gòu)有利于提高CRTSII型CA砂漿的抗凍性能。

c）摻加不同種類(lèi)減水劑對(duì)CA砂漿抗凍性能及孔結(jié)構(gòu)特征有影響，因此，在CRTSII型CA砂漿的配制過(guò)程中應(yīng)考慮減水劑對(duì)其性能的影響。

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