■ 張盛超

1 概述

材料的宏觀性能是其微觀性能的具體反映，是內在微觀性能的外在表現(xiàn)[1-3]。水泥乳化瀝青砂漿材料的微觀結構及性能決定了無機-有機復合水泥乳化瀝青砂漿材料的力學行為和耐久性能。通過對水泥乳化瀝青砂漿材料的孔結構分析、S E M分析，以及水泥乳化瀝青砂漿與混凝土界面結合方式的分析研究，得出水泥乳化瀝青砂漿材料微觀結構和組成砂漿材料與種類密切相關。研究結論有助于加深對水泥乳化瀝青砂漿復合材料微觀性能的認識，進一步提高該材料的技術開發(fā)與應用水平。

2 水泥乳化瀝青砂漿孔結構分析

孔結構是水泥乳化瀝青砂漿結構體系中重要的組成之一，在水泥乳化瀝青砂漿結構體系中存在大量孔徑大小不等、形貌不同和空間排列各異的不同空隙及孔結構。水泥乳化瀝青砂漿中的空隙及孔結構包含有硬化水泥石中的空隙、界面區(qū)中的空隙、砂漿攪拌中引入的空氣以及由引氣劑引入的空氣等形成的空隙及孔結構。水泥乳化瀝青砂漿空隙與孔的結構特征對砂漿的力學性能及耐久性能等宏觀行為具有重要影響。通常，空隙率越小，強度和耐久性能越高；在總空隙率相同的情況下，小孔的比例越大或平均孔徑尺寸越小，強度和耐久性能越高。

水泥乳化瀝青砂漿2 8 d抗壓強度與孔隙率之間的關系見圖1。

由圖1可以看出，水泥乳化瀝青砂漿2 8 d抗壓強度隨孔隙率的增加而減小。既然空隙與孔結構對水泥乳化瀝青砂漿宏觀行為影響重大，那么研究砂漿空隙與孔結構，包括孔徑大小、孔徑分布及空隙總面積等就尤為重要。結合不同組成材料及不同砂漿配合比，對水泥乳化瀝青砂漿的孔結構進行研究。

乳化瀝青是組成水泥乳化瀝青砂漿的關鍵材料，不同性能品質乳化瀝青與細骨料界面結合方式及緊密結合程度不同，不同性能品質乳化瀝青與水泥水化產(chǎn)物的交互作用及緊密結合程度不同。這些不同的界面結合方式、交互作用及緊密結合程度，直接影響著水泥乳化瀝青砂漿的孔徑大小、孔形貌及孔的空間排列狀況，并最終影響其空隙結構。

由2種不同乳化瀝青材料所制備而得的水泥乳化瀝青砂漿，其孔結構特征見表1。其中砂漿S 1、S 2采用乳化瀝青R 1，砂漿S 3、S 4采用乳化瀝青R 2。

表1 水泥乳化瀝青砂漿孔結構特征序 總侵入量/總孔隙面積/體積中間 面積中間 平均 容重/表觀密度/特征長度/空隙率/％號 （m L·g-1） （m2· g-1） 孔徑/μm孔徑/μm孔徑/μm（g·m L-1） （g·m L-1） μm S 1 0.1 1 6 6 7 9 5.7 2 2.1 7 7.3 1.7 7 6 8 2.2 3 8 2 3 8 3 6 4.8 2 0.6 1 S 2 0.1 1 4 3 4.3 5 7 7 0 7.7 3 2.8 1 0 5.0 1.7 6 8 5 2.2 1 6 7 1 8 1 4 1.0 2 0.2 2 S 3 0.1 1 7 3 1.2 1 8 1 7 6 4.1 1 4.5 3 8 5.2 1.7 9 2 9 2.2 7 0 5 2 1 8 2.1 2 1.0 3 S 4 0.1 1 6 1.2 0 8 1 8 3 0.5 1 7.6 3 8 4 1.7 8 6 4 2.2 5 3 3 2 2 8 8.3 2 0.7 2

由表1可以看出，采用不同乳化瀝青所制得的水泥乳化瀝青砂漿其總空隙面積、體積中間孔徑、面積中間孔徑、平均孔徑和特征長度有著顯著的差異。

S 1、S 2和S 3、S 4砂漿空隙結構見圖2，其中曲線1、2為S 1、S 2砂漿空隙結構曲線，采用R 1乳化瀝青，曲線3、4為S 3、S 4砂漿空隙結構曲線，采用R 2乳化瀝青。

由圖2可以看出，同一種乳化瀝青配制的水泥乳化瀝青砂漿，其孔結構相似，不同乳化瀝青配制的水泥乳化瀝青砂漿，孔隙結構差異顯著。

不同砂漿孔徑分布見圖3。

由圖3可以看出，不同乳化瀝青制得的水泥乳化瀝青砂漿其孔徑分布大不相同，而且S 1、S 2砂漿中小于2 0 0 μm孔徑約占全部孔徑5 0％；S 3、S 4砂漿孔徑較大，小于2 0 0 μm孔徑約占全部孔徑1 3％，大于2 0 0 μm孔徑約占全部孔徑8 7％。按照美國學者M e h t a P K 的孔徑理論，認為孔徑大于1 0 0 μm，對材料強度和滲透性會有消極影響[4-10]；藉此理論，可以判斷采用原材料R 1乳化瀝青所制得的水泥乳化瀝青砂漿所形成的空隙和孔結構較采用原材料R 2乳化瀝青所制得的水泥乳化瀝青砂漿所形成的空隙和孔結構更為合理，具有更優(yōu)的力學性能和耐久性能。但是，由于砂漿中各個組分存在不同的迭加效應和相互作用，因此，不能簡單的認為水泥乳化瀝青砂漿的宏觀行為（強度、耐久性）只決定于砂漿的孔隙率和孔結構。

研究還發(fā)現(xiàn)，當采用不同砂漿配合比時，只要所制得水泥乳化瀝青砂漿滿足暫行條件技術要求，其空隙分布盡管有所不同，但差異不是特別顯著。

3 水泥乳化瀝青砂漿SEM分析

水泥乳化瀝青砂漿是一個非勻質的多相復合體，主要由硬化水泥漿體、細骨料、瀝青顆粒、空隙和孔等組成。在水泥乳化瀝青砂漿物質結構體系中，存在砂1/4水泥漿體、砂1/4瀝青顆粒和瀝青顆粒1/4水泥漿體等多種結合方式，各種組成材料及水泥水化礦物倆倆結合相互作用。由于硬化水泥漿體、瀝青微粒和骨料的膨脹變形不一致，或因骨料表面包裹水膜，骨料與水泥漿體粘結，瀝青微粒與水泥漿體膠結、瀝青微粒與骨料粘結等結合方式各不相同，以及一定的空隙存在等因素，致使在水泥乳化瀝青砂漿內部各組分之間會產(chǎn)生細微的縫隙和微弱結構界面。該裂紋或微弱結構界面是砂漿中的最薄弱環(huán)節(jié)，是直接影響砂漿力學性能與耐久性的重要因素。為了進一步觀察砂漿內部礦物及界面結構的狀況，本試驗利用掃描電子顯微鏡觀察砂漿內部礦物及砂漿界面的2 8 d形貌特征（見圖4—圖7）。

由圖4、圖5可以看出，在水泥乳化瀝青砂漿結構體系中，骨料和瀝青微粒均勻分散在水泥漿體中；由圖6可以看出，在水泥乳化瀝青砂漿結構體系中，存在大量大小不等形態(tài)各異的孔結構及不同的多相結合界面；由圖7可以看出，在水泥乳化瀝青砂漿各組分、礦物結合界面及孔隙中，存在大量反應生成物，且相互黏結螯合。從實物形貌結構上進一步解釋了水泥乳化瀝青砂漿強度形成機理。

4 水泥乳化瀝青砂漿與混凝土界面結構分析

水泥乳化瀝青砂漿與混凝土的結合情況影響著砂漿與混凝土的粘接強度，決定著無砟軌道結構使用性能和列車的安全平穩(wěn)運行。新拌水泥乳化瀝青砂漿漿體在壓應力、自流滲透和浸漬作用下，由混凝土表面侵入內部空隙和毛細孔道，在結合界面處與原生混凝土組分及水化礦物發(fā)生二次反應及二次水化反應，形成新的反應物，各反應物之間相互結合填充，形成新的界面網(wǎng)絡結構。利用掃描電子顯微鏡觀察了不同齡期（7 d和2 8 d）水泥乳化瀝青砂漿與混凝土界面結合情況的形貌特征（見圖8、圖9）。

由圖8、圖9可以看出，在水泥乳化瀝青砂漿和原生混凝土間存在一明顯界面，隨著水化反應和二次反應的不斷發(fā)展，界面逐漸被反應物密實填，相互結合成網(wǎng)絡構架，產(chǎn)生一定的粘結強度，從實物形貌結構上進一步解釋了水泥乳化瀝青砂漿與原生混凝土界面連接較好，結構相對緊湊密實。

圖1 0—圖1 3是水泥乳化瀝青砂漿與原生混凝土界面結合情況宏觀圖片及斷裂圖片。

從圖1 0—圖1 3可以清晰看出，水泥乳化瀝青砂漿與混凝土緊密結合，在外力破壞作用下，其斷裂位置并不局限在砂漿與混凝土結合界面，大部分斷裂位置在原生混凝土自身界面，說明砂漿與原生混凝土之間結合緊密，粘接有力。

5 結論

（1）孔結構是水泥乳化瀝青砂漿微觀結構體系中重要組成結構之一，空隙率越小，強度和耐久性能越高；在總空隙率相同的情況下，小孔的比例越大或者平均孔徑尺寸越小，強度和耐久性能越高；

（2）采用不同乳化瀝青所制得的水泥乳化瀝青砂漿其總空隙面積、體積中間孔徑、面積中間孔徑、評均孔徑和特征長度有著顯著的差異；

（3）采用R 1乳化瀝青所制得的水泥乳化瀝青砂漿與R 2乳化瀝青所制得的水泥乳化瀝青砂漿相比較，由于其所形成的空隙和孔結構更為合理，故具有更優(yōu)的力學和耐久性能；

（4）砂漿中各個組分存在不同的迭加效應和相互作用，不能簡單的認為水泥乳化瀝青砂漿的宏觀行為（強度、耐久性）只決定于砂漿的孔隙率和孔結構；

（5）裂紋或微弱結構界面是砂漿中的最薄弱環(huán)節(jié)，是直接影響砂漿力學性能與耐久性的重要因素；

（6）在水泥乳化瀝青砂漿各組分、礦物結合界面及孔隙中，存在大量反應生成物，且相互黏結螯合；

（7）新拌水泥乳化瀝青砂漿漿體在壓應力、自流滲透和浸漬作用下，侵入原生混凝土內部空隙和毛細孔道，在結合界面處與原生混凝土組分及水化礦物發(fā)生二次反應及二次水化反應，形成新的反應物，各反應物之間相互結合填充，形成新的界面網(wǎng)絡結構；

（8）水泥乳化瀝青砂漿與原生混凝土界面連接較好，界面結構緊湊密實。

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