楊 洋，劉振華，謝旺軍，林 潔

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530021）

0 引言

無砟軌道以其高平順性、高穩(wěn)定性和少維修等特點(diǎn)，在鐵路運(yùn)營(yíng)中逐漸顯現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，尤其是隨著客運(yùn)專線和高速鐵路的修建，無砟軌道更顯出其優(yōu)越性和重要性［1］。由水泥、細(xì)骨料、瀝青乳液、水以及多種添加劑等原材料組成的CA砂漿，目前廣泛應(yīng)用于板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中［2］。由于我國(guó)幅員遼闊，環(huán)境因素錯(cuò)綜復(fù)雜，加之高速鐵路板式無砟軌道應(yīng)用時(shí)間較短，已開通運(yùn)營(yíng)的客運(yùn)專線無砟軌道中，砂漿充填層的破碎裂縫及其損傷尤為嚴(yán)重，這大大影響了無砟軌道強(qiáng)穩(wěn)定性、高平順性、少維修（或免維修）的軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，CA砂漿在制備和運(yùn)輸過程中，消耗資源和能源較大、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重、循環(huán)再生利用率小也是其應(yīng)用中的劣勢(shì)。為了使CA砂漿在不降低性能的基礎(chǔ)上大大減少資源消耗和對(duì)環(huán)境的污染，綠色改性CA砂漿的概念被提出。借鑒公路領(lǐng)域改性混凝土的研究成果，課題組分別進(jìn)行了橡膠粉、錳渣礦粉改性CA砂漿的物理性能、工作性能、力學(xué)性能等測(cè)試，其改性效果良好。

針對(duì)我國(guó)南方地區(qū)氣候條件與降水情況，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示CA砂漿層由于化學(xué)介質(zhì)的侵蝕，其材料性能出現(xiàn)變化的現(xiàn)象尤為嚴(yán)重?；瘜W(xué)介質(zhì)侵蝕主要是指由于降水、大氣環(huán)流、列車遺落等途徑帶來的酸、油、堿、鹽、有害離子等與砂漿中的某些成分發(fā)生反應(yīng)而引起的材料性能惡化［3］。在對(duì)CA砂漿抗化學(xué)介質(zhì)侵蝕問題的研究中，王濤［4］通過測(cè)試普通CA砂漿抗化學(xué)介質(zhì)試驗(yàn)，表明普通高性能CA砂漿具有較好的耐化學(xué)介質(zhì)侵蝕性能，滿足最高的耐蝕等級(jí)，其中耐機(jī)油侵蝕性較耐酸、耐堿和耐鹽差；曾曉輝［5］、楊凱［6］模擬酸雨對(duì)CA砂漿的侵蝕破壞作用，表明酸液的長(zhǎng)時(shí)間浸泡將導(dǎo)致CA砂漿試件開裂、剝落，抗壓強(qiáng)度降低。雖然對(duì)普通CA砂漿的抗化學(xué)介質(zhì)侵蝕研究已經(jīng)開展，但并不系統(tǒng)，且針對(duì)改性CA砂漿尤其是綠色CA砂漿抗化學(xué)介質(zhì)侵蝕能力的測(cè)試鮮有報(bào)道。本文在改性CA砂漿研究的基礎(chǔ)上，分別摻入0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%綠 色摻合料（橡 膠粉、錳渣礦粉）進(jìn)行綠色改性CA砂漿的制備，并對(duì)綠色CA砂漿的抗化學(xué)介質(zhì)侵蝕能力進(jìn)行測(cè)試，試圖完善綠色CA砂漿研發(fā)中各項(xiàng)性能體系，為今后改性CA砂漿在南方地區(qū)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

乳化瀝青：采用北京某公司板式無砟軌道調(diào)整層專用乳化瀝青，極性為陽性，各項(xiàng)性能滿足《客運(yùn)專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》（以下簡(jiǎn)稱暫行技術(shù)條件），具體性能指標(biāo)如表1所示。

干料：采用產(chǎn)地為四川的高速鐵路客運(yùn)專線板式無砟軌道CA砂漿專用干料，用于配置干料的硅酸鹽水泥、細(xì)骨料、鋁粉、膨脹劑均符合規(guī)范要求，干料中水泥含量為40%，干料性能指標(biāo)見下頁表2。

綠色摻合料：橡膠粉：試驗(yàn)選用廣西某科學(xué)研究院生產(chǎn)粒徑為40目（0.42mm）的廢舊輪胎橡膠粉，纖維含量≥3%，其化學(xué)成分如下頁表3所示［7］；錳渣：采用廣西某廠排放的高爐水淬錳鐵礦渣，其中有效化學(xué)成分（CaO＋MgO）／（SiO2＋Al2O3）＝1.11＞1，具體指標(biāo)見下頁表4。

其他外加劑和水：減水劑采用廣西某公司生產(chǎn)的UNF－5H為主的砂漿高效減水劑，減水效率＞25%；消泡劑采用廣東某公司生產(chǎn)的有機(jī)硅類消泡劑；為了提高橡膠粉與水泥砂漿、瀝青界面的粘結(jié)度，試驗(yàn)采用上海某公司生產(chǎn)的硅烷偶聯(lián)劑kh560；水采用南寧市綠城水務(wù)股份有限公司提供的自來水，其各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足國(guó)家自來水指標(biāo)要求［8］。

表1 高速鐵路板式無砟軌道CA砂漿乳化瀝青性能指標(biāo)表

表2 高速鐵路板式無砟軌道CA砂漿專用干料性能指標(biāo)表

表3 橡膠粉化學(xué)成分表（%）

表4 錳渣礦粉組成及物理性能指標(biāo)表

1.2 配合比

客運(yùn)專線板式無砟軌道CA砂漿調(diào)整層，主要起緩沖、減震、降噪排水等作用。綠色CA砂漿的試驗(yàn)配合比在以暫行技術(shù)條件作為基本指導(dǎo)文件的基礎(chǔ)上，考慮混凝土領(lǐng)域改性成果，分別以0、5%、10%、15%、20%、25%、30%橡膠粉和錳渣礦粉等體積代替CA砂漿中的水泥用量，不同摻量綠色CA砂漿配合比見表5，其中A1－A7為橡膠粉改性CA砂漿，B1－B7為錳渣礦粉改性CA砂漿。用此配合比制備的綠色CA砂漿，乳化瀝青中水的含量為50%，配合比中水的總量為260kg／m3，水泥總量510kg／m3＞400kg／m3、乳化 瀝青 與水 泥比 值 0.49＞0.35、水 灰 比0.51＜0.58，均滿足暫行技術(shù)條件要求。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)嚴(yán)格按照暫行技術(shù)條件執(zhí)行，拌合制備40.4mm×40.4mm×40.4mm綠色CA砂漿試塊每組3塊，共9塊。分別在24h拆模后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，并進(jìn)行外觀檢查與稱重，之后分別放置在含有化學(xué)介質(zhì)侵蝕液中90d，再取出試塊進(jìn)行外觀檢查、稱重與抗壓強(qiáng)度測(cè)試。其中，在室溫（25℃）時(shí)四類化學(xué)介質(zhì)侵蝕液（酸、堿、鹽、油）的配置組分分別為：0.5%的硫酸溶液H2SO4、1%的氫氧化鈉溶液NaOH、1%的硫酸鈉溶液Na2SO4以及常用機(jī)油。

表5 綠色摻合料改性CA砂漿配合比一覽表（kg）

2 數(shù)據(jù)與分析

借鑒我國(guó)瀝青類材料的耐腐蝕方法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［9］（如表6所示），將綠色CA砂漿重量變化與強(qiáng)度變化按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

其中，ΔR——試塊強(qiáng)度（質(zhì)量）變化率；

R0——侵蝕前試塊的強(qiáng)度（質(zhì)量）；

R1——侵蝕后試塊的強(qiáng)度（質(zhì)量）。

表6 瀝青類材料抗化學(xué)介質(zhì)侵蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

2.1 耐酸性能

大氣中的酸雨是高速鐵路化學(xué)侵蝕酸性物質(zhì)的主要原因之一。根據(jù)調(diào)查，酸雨主要酸性粒子由SO42－、NO－3構(gòu)成。試驗(yàn)利用稀釋的H2SO4溶液配置模擬酸雨環(huán)境，對(duì)綠色CA砂漿試塊進(jìn)行浸泡，由于實(shí)際環(huán)境中酸性化學(xué)介質(zhì)對(duì)調(diào)整層侵蝕周期較長(zhǎng)，故以0.5%濃度浸泡90d作為試驗(yàn)?zāi)M環(huán)境，試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 酸性介質(zhì)侵蝕前后綠色（橡膠粉）改性CA砂漿強(qiáng)度、質(zhì)量變化圖

圖2 酸性介質(zhì)侵蝕前后綠色（錳渣礦粉）改性CA砂漿強(qiáng)度、質(zhì)量變化圖

觀察圖1、圖2可知：（1）兩種綠色CA砂漿的強(qiáng)度和質(zhì)量在模擬酸雨溶液中浸泡過后，均出現(xiàn)不同程度的變化，這說明酸性化學(xué)介質(zhì)對(duì)CA砂漿試塊有侵蝕作用；（2）綠色CA砂漿在模擬酸雨溶液中浸泡后，其抗壓強(qiáng)度隨著摻合料摻入量的不同，出現(xiàn)了先升高后降低的趨勢(shì)，在兩種綠色CA砂漿試塊中，拐點(diǎn)分別出現(xiàn)在摻合料為5%和20%附近，抗壓強(qiáng)度分別比原試塊抗壓強(qiáng)度下降了11.9%和14.5%，且下降的幅度在5%和20%周圍呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)，這表明了兩類綠色CA砂漿的最佳配合比范圍；（3）綠色CA砂漿的質(zhì)量變化均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且橡膠粉摻合料試塊比錳渣礦粉試塊更為明顯，同時(shí)并沒有因?yàn)榫G色摻合料的摻入量增多就大幅變化，這主要由于除了CA砂漿本身吸水以外，橡膠粉比錳渣吸水率更大所致。

2.2 耐堿性能

由于高速鐵路板式無砟軌道鋪設(shè)涉及堿性環(huán)境地區(qū)，所以需要測(cè)試綠色CA砂漿抵抗堿性環(huán)境的能力。試驗(yàn)采用1%濃度的NaOH溶液進(jìn)行堿性環(huán)境的模擬，將綠色CA砂漿試塊浸泡于溶液中，測(cè)試結(jié)果如下頁圖3、圖4所示。

圖3 堿性介質(zhì)侵蝕前后綠色（橡膠粉）改性CA砂漿強(qiáng)度、質(zhì)量變化圖

圖4 堿性介質(zhì)侵蝕前后綠色（錳渣礦粉）改性CA砂漿強(qiáng)度、質(zhì)量變化圖

觀察圖3、圖4可知：堿性化學(xué)介質(zhì)可以降低綠色CA砂漿的抗壓強(qiáng)度，隨著綠色摻料摻入量的增加，強(qiáng)度變化基本與酸性介質(zhì)侵蝕變化規(guī)律相同，兩種綠色CA砂漿抗壓強(qiáng)度降低拐點(diǎn)出現(xiàn)在5%與20%附近，且抗壓強(qiáng)度分別降低了7.96%和4.67%，這說明綠色CA砂漿抗堿性化學(xué)介質(zhì)侵蝕性能較好；而在對(duì)于質(zhì)量增大的影響上，錳渣摻合料試塊明顯小于橡膠粉摻合料試塊，應(yīng)與摻合料的吸水性能相關(guān)。

2.3 耐鹽性能

鹽類的侵蝕也是化學(xué)侵蝕的一部分。試驗(yàn)利用硫酸鈉溶液Na2SO4，并嚴(yán)格按照水泥抗硫酸鹽試驗(yàn)方法GT32420－80進(jìn)行綠色CA砂漿抵抗鹽類侵蝕能力的測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 鹽類介質(zhì)侵蝕前后綠色（橡膠粉）改性CA砂漿強(qiáng)度、質(zhì)量變化圖

圖6 鹽類介質(zhì)侵蝕前后綠色（錳渣礦粉）改性CA砂漿強(qiáng)度、質(zhì)量變化圖

觀察圖5、圖6可知：鹽類介質(zhì)侵蝕對(duì)于綠色CA砂漿抗壓強(qiáng)度的改變不夠明顯，且兩種綠色CA砂漿抗壓強(qiáng)度降低幅度分別在5%和10%左右；質(zhì)量變化則更加不夠明顯，質(zhì)量明顯增加的只有橡膠粉試塊。

2.4 耐油性能

由于在板式無砟軌道結(jié)構(gòu)上行駛列車過程中，不可避免地有部分機(jī)油漏出，而瀝青混合料又恰恰在機(jī)油等溶液中容易分解，所以有必要測(cè)試機(jī)油對(duì)綠色CA砂漿的侵蝕程度。采用普通機(jī)油對(duì)綠色CA砂漿試塊進(jìn)行浸泡，測(cè)試其抗壓強(qiáng)度與質(zhì)量的變化情況，如圖7、圖8所示。

圖7 機(jī)油介質(zhì)侵蝕前后綠色（橡膠粉）改性CA砂漿強(qiáng)度、質(zhì)量變化圖

觀察圖7、圖8可知：（1）機(jī)油類化學(xué)介質(zhì)能明顯侵蝕綠色CA砂漿，降低綠色CA砂漿抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量；（2）隨著摻合料摻入量逐漸增大，抗壓強(qiáng)度降低的幅度出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，拐點(diǎn)約為5%和20%處，拐點(diǎn)處降低幅度約為13.93%和15.68%，這說明前文提到的最佳摻合料范圍是客觀存在的；（3）質(zhì)量減小幅度均在15%以內(nèi)，且分別出現(xiàn)幅度逐漸減小和幅度維持不變的規(guī)律，這說明橡膠粉改性CA砂漿受機(jī)油影響變化幅度比錳渣礦粉改性CA砂漿敏感。

圖8 機(jī)油介質(zhì)侵蝕前后綠色（錳渣礦粉）改性CA砂漿強(qiáng)度、質(zhì)量變化圖

2.5 機(jī)理分析

綠色CA砂漿制備過程中，分別摻入兩種摻合料橡膠粉與錳渣礦粉，其中橡膠粉作為一種高分子材料，其潛在活性具有和瀝青發(fā)生反應(yīng)從而改性CA砂漿的可能；而錳渣礦粉主要由玻璃體構(gòu)成，其中含有含錳硅酸鹽及鋁硅酸鹽的礦物，所以具有潛在的水硬性和火山灰性，具備將其作為CA砂漿摻合料的條件［10］。當(dāng)綠色CA砂漿中綠色摻合料在最佳范圍內(nèi)時(shí)，綠色摻合料的摻入可以改善CA砂漿的性能，且對(duì)CA砂漿抗化學(xué)介質(zhì)侵蝕能力有所改善：當(dāng)綠色CA砂漿受到酸性溶液侵蝕時(shí)，由于C－S－H凝膠逐漸溶蝕，試塊強(qiáng)度將會(huì)降低，同時(shí)水化產(chǎn)生的CaSO4·2H2O結(jié)晶膨脹，使試塊密實(shí)度升高，阻隔外界酸溶液的侵入但同時(shí)內(nèi)部侵蝕進(jìn)一步加劇，期間還伴隨著酸性環(huán)境下生物腐蝕的強(qiáng)度降低，整個(gè)過程中，綠色摻合料的加入對(duì)強(qiáng)度的影響甚微而質(zhì)量的增加則與橡膠粉的加入量密切相關(guān)，這是由于橡膠粉較錳渣礦粉吸水更為明顯所致；當(dāng)綠色CA砂漿受到堿性溶液、鹽類溶液侵蝕時(shí)，其侵蝕效果不明顯，基本很難發(fā)生相對(duì)劇烈反應(yīng)，侵蝕的程度主要與CA砂漿本身組成有關(guān)；當(dāng)綠色CA砂漿受到機(jī)油侵蝕時(shí)，瀝青在機(jī)油中性能大幅下降，和其他組分的結(jié)合能力大大降低，乳化瀝青的粘結(jié)能力的喪失，直接導(dǎo)致各組分松散甚至剝落，大大影響了抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量的變化，而同時(shí)在最佳摻入量范圍內(nèi)的綠色CA砂漿基本能夠保持規(guī)范要求?？傊?，綠色CA砂漿在受到化學(xué)介質(zhì)侵蝕時(shí)，在酸性溶液和機(jī)油作用下性能變化明顯，在最佳摻入量的綠色摻合料范圍內(nèi)，CA砂漿能符合暫行技術(shù)條件的要求，綠色CA砂漿抗化學(xué)介質(zhì)侵蝕能力較強(qiáng)。

3 結(jié)語

借鑒混凝土領(lǐng)域改性的經(jīng)驗(yàn)，在改性CA砂漿基礎(chǔ)研究上，分別摻入0、5%、10%、15%、20%、25%、30%綠色摻合料（橡膠粉、錳渣礦粉）進(jìn)行綠色改性CA砂漿的制備，并對(duì)綠色CA砂漿的抗化學(xué)介質(zhì)侵蝕能力進(jìn)行測(cè)試，得到如下結(jié)論：

（1）通過分別摻入橡膠粉和錳渣礦粉制備的綠色CA砂漿，當(dāng)摻入量在最佳范圍內(nèi)時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間化學(xué)介質(zhì)侵蝕后，其抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量的變化符合我國(guó)瀝青類材料的耐腐蝕方法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）通過分別摻入橡膠粉和錳渣礦粉制備的綠色CA砂漿，抗壓強(qiáng)度的變化幅度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，且拐點(diǎn)分別出現(xiàn)在摻合料為5%與20%附近；而質(zhì)量變化和材料的吸水程度有關(guān)，其中橡膠粉吸水程度明顯高于錳渣礦粉。

（3）通過分別摻入橡膠粉和錳渣礦粉制備的綠色CA砂漿，其抵抗酸性溶液、機(jī)油的侵蝕能力明顯低于其抵抗堿性溶液和鹽類溶液的能力。酸性溶液環(huán)境會(huì)給綠色CA砂漿內(nèi)部帶來劇烈反應(yīng)，使其強(qiáng)度下降、密實(shí)度升高、生物腐蝕加劇；機(jī)油將溶蝕乳化瀝青，使各組分松散剝落，抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量下降嚴(yán)重。