邵丕彥，李海燕，王 濤

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

水泥乳化瀝青砂漿層(Cement Asphalt Mortar，簡稱CA砂漿)處于板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中預(yù)制混凝土軌道板與底座之間，主要起到支撐、調(diào)整、緩沖協(xié)調(diào)等作用［1-3］。在《客運專線鐵路CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》［4］(科技基［2008］74 號)中，CA 砂漿的性能指標(biāo)包括施工性能、力學(xué)性能和耐久性能。其中，砂漿的施工性能不僅是其能否使用的前提和基礎(chǔ)，同時還與砂漿墊層的力學(xué)性能和耐久性密切相關(guān)，是砂漿技術(shù)體系優(yōu)劣的關(guān)鍵表征。

CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿的施工性能指標(biāo)包括砂漿的溫度、流動度和可工作時間，含氣量、膨脹率、分離度和泛漿率等，其中前三項表征的是砂漿的溫度適應(yīng)性和流動性，含氣量關(guān)系到砂漿的抗凍性，分離度和泛漿率涉及到砂漿的勻質(zhì)性，膨脹率用于提高砂漿在板下的充填飽滿度，所有這些均為砂漿制備和施工中必須嚴(yán)格控制的關(guān)鍵指標(biāo)。膨脹率已在文獻(xiàn)［5］中進(jìn)行了探討，本文對砂漿其余的施工性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究，分析了其相關(guān)的影響因素。

1 CA砂漿施工性能試驗

1.1 原材料

自制的陽離子乳化瀝青，水泥、砂子、引氣劑、消泡劑、聚合物乳液、鋁粉等原材料的性能指標(biāo)均滿足技術(shù)條件的要求。

1.2 主要試驗設(shè)備

攪拌容量16.5 L的品川25AM-Qr中型砂漿攪拌機(jī)，攪拌速度可調(diào);J型漏斗;棒狀溫度計;秒表，精度0.1 s;1 000mL三角燒瓶;電子天平，感量1 g;φ50的聚乙烯袋等。

1.3 砂漿的制備和性能測試

按砂漿的配合比稱取相應(yīng)質(zhì)量的乳化瀝青、聚合物乳液、水、消泡劑等，慢速攪拌30 s將液料混合均勻，依次加入水泥、砂子(或由其制備的干料)以及引氣劑，高速攪拌3～5min后，按照技術(shù)條件中的方法和要求進(jìn)行砂漿各項施工性能的測試。

2 試驗結(jié)果和討論

2.1 砂漿的溫度、流動度和可工作時間

由于水泥乳化瀝青砂漿是在現(xiàn)場攪拌制備、灌注到軌道板下5 cm左右厚度的縫隙中，因此要求砂漿在較寬的溫度范圍(5℃ ～40℃)內(nèi)具有較好的流動性和較長的流動性保持時間，以實現(xiàn)不同季節(jié)、不同溫度下現(xiàn)場施工時灌注飽滿、充填密實的要求。砂漿的流動性通過流動度進(jìn)行表征，其含義是一定體積的砂漿流過J型漏斗所需要的時間，以秒來表示。一般的，流動度越小，說明砂漿通過漏斗所需的時間越短，砂漿的流動性越好;反之，則流動性較差。砂漿的流動度除了與原材料種類和砂漿配比有關(guān)外，還受到環(huán)境溫度的影響。現(xiàn)場施工時，通過增減外加水量來調(diào)節(jié)砂漿的流動度。流動度過大，則砂漿的流動性差，難以充填飽滿;流動度太小，說明外加水量過大，影響砂漿的耐久性。通常將砂漿的流動度控制在18～26 s之間，砂漿的流動度在此范圍內(nèi)可持續(xù)的時間稱為砂漿的可工作時間，要求不低于30min。

本研究采用 4 種乳化瀝青樣品 1#，2#，3#，4#，采用相同的砂漿配比，通過外加水量的變化調(diào)整砂漿的流動度，分別在5℃，23℃，40℃的恒溫恒濕實驗室中進(jìn)行砂漿的制備，測定其流動度和可工作時間，測得的結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同拌合溫度下、不同乳化瀝青制備的砂漿的流動度與拌合時間的關(guān)系

1)在相同的拌合條件下，不同乳化瀝青樣品制備的水泥乳化瀝青砂漿，隨拌合時間的增長，流動度增加，但不同樣品的增加幅度不同，變化程度大小的順序依次為 1#，2#，3#，4#;在5 ℃ 時，在 18 ～26 s的限值范圍內(nèi)，1#砂漿的可工作時間＜30min，其余3個可工作時間均＞1 h;在23℃時，2#的可工作時間縮短至30min左右，3#，4#的可工作時間仍然 ＞1 h;40℃ 時，只有4#的可工作時間＞1 h。

2)不同拌合溫度下，相同的樣品，隨著拌合溫度的提高，砂漿的流動度隨拌合時間的增加而逐漸增大，砂漿的可工作時間逐漸縮短，變化程度由大到小的順序依次為 1#，2#，3#，4#。

乳化瀝青和水泥、砂子等混合后，一方面，其中的表面活性劑不斷地吸附到水泥和砂子的表面，導(dǎo)致瀝青顆粒周圍的表面活性劑逐漸減少，乳化瀝青的穩(wěn)定性逐漸降低，并開始破乳凝聚;另一方面，水泥吸水開始水化，混合物中自由水的量逐漸減少，以靜電斥力和空間位阻穩(wěn)定作用而保持分散狀態(tài)的乳液粒子逐漸靠攏，穩(wěn)定性下降，也開始破乳凝聚;乳化瀝青的破乳凝聚以及包裹在砂子及水泥周圍，導(dǎo)致體系的黏度增加，流動性下降。吸附到水泥表面的乳化劑起到分散減水的作用，降低了砂漿的拌合用水量，增加了砂漿的流動性;這兩種作用共同進(jìn)行，決定了砂漿流動度的變化及趨勢。經(jīng)過高速攪拌后，砂漿的各個組分基本混合均勻，分散作用基本結(jié)束，主要由水泥水化和瀝青破乳所控制，因而總體的趨勢是流動度隨著慢速拌合時間的延長而增加。在其他材料相同的情況下，流動度增加的幅度和速度主要取決于乳化瀝青的破乳速度，在慢裂乳化瀝青的范疇中，則取決于所采用的各種乳化劑的種類和配比。一般的，復(fù)合乳化劑中離子型的種類和用量與非離子型乳化劑用量應(yīng)該相對均衡，在通過靜電斥力和空間位阻起到乳化瀝青穩(wěn)定作用的同時，能夠控制乳化劑在水泥、砂子等表面的吸附速度，進(jìn)而限制乳化瀝青的破乳速度，以實現(xiàn)穩(wěn)定的流動度以及較長的可工作時間。在相同拌合條件下1#，2#，3#，4#樣品的變化規(guī)律和趨勢說明了這一點。

隨著拌合溫度的提高，水泥的水化和乳化劑的吸附速度逐漸加快，乳化瀝青的破乳速度相應(yīng)增加，導(dǎo)致砂漿的流動度變化逐漸加大，可工作時間逐漸縮短。復(fù)合乳化劑的離子性越強(qiáng)，乳化劑的吸附作用越快，則流動度的變化趨勢愈加明顯。相同樣品在不同拌合溫度下的試驗結(jié)果說明了這一點。

試驗結(jié)果表明，無論是在低溫還是高溫條件下，3#，4#樣品的拌合都很穩(wěn)定，可工作時間較長，尤其是4#樣品，在40℃的拌合溫度下，1 h的流動度變化＜4 s，體現(xiàn)出良好的溫度適應(yīng)性。

2.2 砂漿的分離度和泛漿率

水泥乳化瀝青砂漿是由多種有機(jī)無機(jī)組分按一定的比例混合在一起制備的復(fù)合材料，其中液相由熱力學(xué)不穩(wěn)定的乳化瀝青和聚合物乳液、消泡劑、引氣劑和水等構(gòu)成，固相由水泥、砂子、鋁粉、膨脹劑等組成。兩相必須均勻地混合并凝結(jié)固化，才能將水泥砂漿強(qiáng)度好、耐久性強(qiáng)的優(yōu)點與瀝青、聚合物的彈韌性結(jié)合起來，賦予固化的水泥乳化瀝青砂漿以優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性能，滿足高速鐵路墊層材料的要求。所以，勻質(zhì)性是評價施工后砂漿質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

當(dāng)水泥乳化瀝青砂漿的各組份經(jīng)高速攪拌混合均勻、灌注到軌道板下后，砂漿處于靜置狀態(tài)，各固體粒子由于顆粒大小以及密度的不同，在重力的作用下，易出現(xiàn)下沉或上浮等現(xiàn)象，表現(xiàn)為砂子下沉或者水泥漿、乳化瀝青的上浮，導(dǎo)致固化砂漿的勻質(zhì)性較差，難以滿足使用要求或者耐久性顯著下降。通常用砂漿的分離度和泛漿率來衡量砂漿的勻質(zhì)性。

砂漿分離度的測試方法是:制備φ50mm×50mm的砂漿試樣，24 h后測量試樣上下兩部分的密度差，以密度差與密度和之比來度量。砂漿的泛漿率測試:將攪拌好的砂漿灌注到直徑約50mm的聚乙烯袋中約20 cm，密封放置24 h后，觀察和測量表面是否有泛漿水，或者泛漿水量占砂漿體積的百分比。

影響分離度的因素包括固體粒子的大小、兩相的密度差以及液相的黏度，具體說來主要是砂漿的流動度、砂子的密度、顆粒級配以及乳化瀝青的性質(zhì)。為此，測試了砂漿的流動度、乳化瀝青的類型、拌合溫度、砂子的密度、細(xì)度模數(shù)對砂漿分離度的影響。

當(dāng)主體材料的配比確定后，砂漿的流動度主要依據(jù)現(xiàn)場的氣溫，通過外加水量來進(jìn)行調(diào)節(jié)。增加外加水量，則砂漿的流動度降低，反之砂漿的流動度提高。圖2是砂漿的流動度對砂漿分離度的影響。

圖2 砂漿流動度對砂漿分離度的影響

從圖2中可以看出，隨著砂漿流動度的提高，砂漿的分離度逐漸減小;當(dāng)砂漿的流動度≥18 s時，砂漿的分離度變化趨于平緩;當(dāng)砂漿的流動度＜18 s時，隨著流動度的降低，砂漿的分離度明顯增高。這是因為流動度在一定程度上是砂漿黏度的表征，流動度越低，說明砂漿越“稀”，黏度越低，靜置狀態(tài)下砂子易于下沉，造成分離度偏高;如果大幅度提高砂漿的流動度，分離度固然隨之降低，但砂漿的流動性下降，會影響到砂漿的填充飽滿度。因此，為了兼顧砂漿的流動性和分離度，規(guī)定砂漿的流動度范圍在18～26 s之間，現(xiàn)場施工時通常將流動度控制在20～22 s之間。

圖3是4種乳化瀝青樣品在常溫下制備的砂漿的分離度，圖4是同一乳化瀝青樣品在3種拌合養(yǎng)護(hù)溫度下砂漿分離度的測試結(jié)果。

結(jié)果表明:①采用4個樣品在常溫下進(jìn)行砂漿的制備和養(yǎng)護(hù)，其分離度均能＜0.5%，符合規(guī)定值1%的要求，說明樣品的勻質(zhì)性合格;②隨拌合養(yǎng)護(hù)溫度的升高，砂漿的分離度降低，說明隨著施工溫度的提高，水泥水化速度和乳化瀝青破乳速度加快，體系的黏度增加，砂漿的勻質(zhì)性提高;③不同乳化瀝青樣品在相同的拌合養(yǎng)護(hù)條件下分離度不同，其中21#，44#樣品的分離度大于32#，43#，原因是后兩個樣品黏度較大，觸變性較強(qiáng)。因此，要提高砂漿的勻質(zhì)性，可以在乳化瀝青中加入一些增稠劑和流變助劑。

圖3 乳化瀝青種類與砂漿分離度的關(guān)系

圖4 拌合養(yǎng)護(hù)溫度與砂漿分離度的關(guān)系

圖5和圖6是在相同乳化瀝青、同一拌合養(yǎng)護(hù)溫度下，砂子的密度與細(xì)度模數(shù)對砂漿分離度的影響。

圖5 砂子的密度對砂漿分離度的影響

圖6 砂子細(xì)度模數(shù)對砂漿分離度的影響

圖5表明，在相同的細(xì)度模數(shù)下，隨著砂子密度的增加，制備砂漿的分離度有逐漸增大的趨勢;當(dāng)砂子的密度超過2.80×103kg/m3時，砂漿的分離度明顯增大。

砂子的細(xì)度模數(shù)是砂子顆粒級配的表征，細(xì)度模數(shù)愈小，砂子愈細(xì)。從圖6的測試結(jié)果看，隨著砂子細(xì)度模數(shù)的增加，砂漿的分離度逐漸增加，當(dāng)砂子的細(xì)度模數(shù)超過1.70時，分離度明顯提高。

從圖5和圖6還可以看出，砂子細(xì)度模數(shù)對砂漿分離度的影響遠(yuǎn)大于砂子密度的影響，因此在施工中宜將砂子的細(xì)度模數(shù)控制在規(guī)定范圍1.40～1.80的中下限，適當(dāng)控制砂子的密度，以便確保砂漿的分離度＜1%。

影響泛漿率的因素主要是砂漿的內(nèi)聚力和保水能力以及乳化瀝青對水泥的分散減水效果。圖7是相同砂漿主體配比、不同乳化瀝青制備的砂漿，當(dāng)初始流動度控制在18～22 s時所需的外加水量與水泥用量之比(水灰比)的測試情況。

圖7 3種乳化瀝青制備的砂漿在相近流動度時的水灰比情況

從圖7中可以看出，在相同的配比、相近的流動度時，由于乳化瀝青的不同，砂漿的水灰比由前者的0.20左右降至后者的0.12左右，用水量降低了40%，砂漿的泛漿率則由微量變?yōu)?。試驗結(jié)果說明通過乳化劑的復(fù)配，增加乳化瀝青的分散減水能力，降低拌合用水量，是實現(xiàn)砂漿零泛漿率的重要手段。

2.3 砂漿含氣量的測試與分析

大量試驗結(jié)果表明，硬化砂漿中引入一定量均勻、微小的氣泡，能大幅提高砂漿的抗凍性;同時，空氣的引入也在一定程度上降低了砂漿的成本。因此，新拌砂漿具有穩(wěn)定、適宜的含氣量，是砂漿制備和施工中必須嚴(yán)格控制的關(guān)鍵指標(biāo)。按技術(shù)條件的規(guī)定，新拌砂漿適宜的含氣量范圍是8% ～12%，并要使氣泡保持穩(wěn)定，防止砂漿灌注后、固化前氣泡的大量逸出，使得固化砂漿中氣泡的減少導(dǎo)致抗凍性的下降。影響砂漿含氣量的因素很多，包括砂漿的組成和配比、拌合方式、拌合時間、攪拌形式、環(huán)境溫度等。

為了在新拌砂漿中引入一定量、微小的氣泡，必須消除砂漿在高速攪拌混合過程中產(chǎn)生的大氣泡，同時還需采用合適的引氣劑引入微小的氣泡，通過二者的協(xié)調(diào)配合來控制砂漿的含氣量。消泡劑、引氣劑的加量對砂漿含氣量的影響見圖8和圖9。

圖8 消泡劑加入量對砂漿含氣量的影響

圖9 引氣劑的加量對砂漿含氣量的影響

從圖8可以看出，隨著消泡劑含量的增加，砂漿的含氣量逐漸降低;在不加引氣劑的情況下，當(dāng)消泡劑的用量增加到水泥量的0.035%后，砂漿的含氣量達(dá)到4%左右，并基本趨于穩(wěn)定，說明此用量已基本上消除了高速攪拌產(chǎn)生的大氣泡。由于加入過多的消泡劑對砂漿沒有好處，因此體系中消泡劑的摻量應(yīng)以0.035%為宜。當(dāng)加入0.2%的引氣劑后，在0.02%的消泡劑摻量下，砂漿的含氣量明顯增加，達(dá)到10.43%，比不加引氣劑時的含氣量增加了約5%;當(dāng)消泡劑的加量達(dá)到0.035%時，砂漿的含氣量在8%左右，難以確保砂漿的含氣量滿足8% ～12%的規(guī)定要求。

從圖9可以看出，在消泡劑加量固定的情況下，隨著引氣劑用量的增加，砂漿的含氣量逐漸提高，當(dāng)引氣劑的用量在0.35%時，砂漿的含氣量在11%左右，滿足規(guī)定的要求。上述試驗結(jié)果表明，通過控制消泡劑和引氣劑的含量，可以將砂漿的含氣量控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。

本文選擇4種乳化瀝青樣品，它們分別是16#，28#，30#和32#，按相同的配比進(jìn)行砂漿的制備，高速攪拌5min后，測定砂漿的含氣量，改為慢速攪拌，測定砂漿的含氣量隨著拌合時間的變化情況，見圖10。

圖10 不同乳化瀝青制備的砂漿其含氣量的經(jīng)時變化情況

從圖10中可以看出，不同乳化瀝青制備的砂漿，其含氣量經(jīng)時變化的趨勢不同，其中16#，32#號乳化瀝青制備的砂漿含氣量在1 h的攪拌過程中保持穩(wěn)定，含氣量變化＜1%;28#乳化瀝青制備的砂漿隨著攪拌時間的延長，砂漿的含氣量逐漸降低，當(dāng)攪拌時間超過35min后，砂漿的含氣量低于規(guī)定的8%的下限要求;30#乳化瀝青制備的砂漿其含氣量隨著拌合時間的延長而略有增加。上述結(jié)果的原因是，不同乳化瀝青樣品在制備時采用的乳化劑不同，因而乳化瀝青的性質(zhì)也有所不同;不同的乳化劑，對于引氣劑的匹配性和適應(yīng)性也有所區(qū)別。當(dāng)乳化劑與引氣劑相互匹配，則砂漿的含氣量易于保持相對穩(wěn)定(如16#和32#)。如果產(chǎn)生一定的協(xié)同效應(yīng)，就會出現(xiàn)含氣量的上升(如30#)。如果匹配性不好，則會出現(xiàn)小氣泡逐漸成為大氣泡而逸出，導(dǎo)致砂漿的含氣量逐漸下降。

采用相同的乳化瀝青，按相同的砂漿主體配比，分別在3種拌合溫度下進(jìn)行砂漿的制備，用水量依據(jù)溫度的不同而略有調(diào)整，將流動度控制在19～20 s，測定其初始含氣量，結(jié)果見圖11。

圖11 拌合溫度對砂漿含氣量的影響

從圖11中可以看出，隨著拌合溫度的提高，砂漿的含氣量逐漸降低。因此，在不同的環(huán)境溫度下，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整引氣劑、消泡劑的用量，以確保砂漿達(dá)到規(guī)定的含氣量。

3 結(jié)論

通過對CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿的溫度適應(yīng)性、流動性、勻質(zhì)性和含氣量穩(wěn)定性等施工性能及其影響因素的研究，得出以下結(jié)論:

1)通過乳化劑復(fù)配技術(shù)優(yōu)化，調(diào)節(jié)乳化瀝青的破乳速度和凝結(jié)時間，可以使砂漿在5℃ ～40℃溫度范圍內(nèi)具有合適的流動度和較長的工作時間，在40℃時，1 h內(nèi)的流動度變化＜4 s，可工作時間＞1 h，大于規(guī)定的30min，體現(xiàn)出良好的溫度適應(yīng)性。

2)通過乳化劑復(fù)配技術(shù)，實現(xiàn)了水泥—乳化瀝青體系黏度與觸變性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，適當(dāng)控制砂子的細(xì)度模數(shù)和密度，保證了砂漿在不同溫度下的分離度均可控制在0.5%以下，遠(yuǎn)小于1.0%的規(guī)定值;研制的乳化瀝青在增加砂漿保水能力的同時，降低了砂漿拌合用水量，實現(xiàn)了砂漿的零泛漿率。

3)通過優(yōu)選消泡劑和引氣劑，采用合理摻量，通過先消泡、后引氣的方式，能夠引入均勻、微小氣泡，并使氣泡保持穩(wěn)定，砂漿的含氣量可穩(wěn)定地控制在8%～12%的范圍內(nèi)，在1 h的拌合時間內(nèi)含氣量變化＜1%。

4)乳化瀝青是水泥乳化瀝青砂漿的關(guān)鍵原材料，其性能在很大程度上決定了砂漿的性質(zhì);砂漿的施工性能受到多種因素的影響，必須綜合分析和控制，才能滿足現(xiàn)場施工的需要。

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