謝軍 ，覃峰 ，唐銀青 ，李春

（1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023；2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007；3.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007）

水泥乳化瀝青砂漿（CA砂漿）是由水泥、瀝青乳液、砂、水和多種外加劑制備而成的一種半剛性結(jié)構(gòu)多孔材料。由于水泥乳化瀝青砂漿半剛性結(jié)構(gòu)材料具有一定彈性和強度，能夠保證一定的支撐和緩沖作用，所以被廣泛應(yīng)用于高速鐵路板式無砟軌道剛性軌道板與水泥混凝土道床之間的調(diào)平減振結(jié)構(gòu)層[1-5]。由于水泥乳化瀝青砂漿具有一定的空隙，在實際運營過程中雨水通過多種方式浸入水泥乳化瀝青砂漿功能層，在行車荷載、環(huán)境等共同作用下雨水會逐漸侵蝕、沖刷和腐蝕水泥乳化瀝青砂漿內(nèi)部瀝青膠漿、水泥砂漿、集料等之間形成各種結(jié)合界面，使水泥乳化瀝青砂漿中的瀝青膠漿、水泥砂漿、集料等分離、剝落，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)性能破壞，引起水泥乳化瀝青砂漿功能層性能劣化、損傷和失效，這種破壞現(xiàn)象稱為水侵蝕或水損害[6-10]。為提高水泥乳化瀝青砂漿的彈性，提升水泥乳化瀝青砂漿層的緩沖作用效果，在水泥乳化瀝青砂漿中摻入橡膠粉進行改性，橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿抗水侵蝕性能的優(yōu)劣是衡量其路用性能的重要指標。目前國內(nèi)外尚無水泥乳化瀝青砂漿抗水侵蝕性能的檢測標準，本研究通過凍融循環(huán)、干濕循環(huán)、沖磨試驗等表征橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿的抗水侵蝕性能。

1 試驗

1.1 原材料

（1）乳化瀝青：采用湖南某公司生產(chǎn)客運專線鐵路板式無砟軌道專用的陽離子乳化瀝青，其性能指標見表1，符合《客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》（以下簡稱《暫行技術(shù)條件》）要求。

表1 乳化瀝青的主要性能指標

（2）干粉：采用北京某公司生產(chǎn)的水泥瀝青砂漿專用干粉D2，其各項性能指標見表2，干粉中水泥占34%。

表2 水泥瀝青砂漿專用干粉的性能指標

（3）橡膠粉：選用廣西某科學(xué)研究院生產(chǎn)路40-3廢舊輪胎橡膠粉，粒徑40目（0.42 mm），纖維含量不小于3%，其主要化學(xué)成分如表3所示

表3 橡膠粉的主要化學(xué)成分 %

（4）減水劑：廣西某公司生產(chǎn)的UNF-5H為主的砂漿高效減水劑，減水率大于25%。

（5）消泡劑：廣東某公司生產(chǎn)的有機硅消泡劑。

（6）硅烷偶聯(lián)劑：KH560，上海某公司生產(chǎn)，可提高水泥砂漿與橡膠粉、瀝青界面的粘結(jié)性能。

（7）水：自來水。

1.2 試驗配比

本試驗的基準配合比（kg/m3）為：m（乳化瀝青）∶m（干粉）∶m（減水劑）∶m（消泡劑）∶m（水）=250∶1500∶4.2∶0.3∶160，該基準配合比干粉中水泥用量為510 kg/m3，乳化瀝青與水泥的質(zhì)量比為0.49，水灰比為0.51，均符合《暫行技術(shù)條件》要求。按水泥質(zhì)量的0、2%、4%、6%、8%、10%摻入橡膠粉配制橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿，試件尺寸為Φ100 mm×100 mm的圓柱體，標準養(yǎng)護24 h后拆模，拆模后將試件放入溫度為（20±3）℃、相對濕度為（65±5）%的養(yǎng)護箱養(yǎng)護28 d后進行相關(guān)性能測試。

1.3 性能測試方法

1.3.1 凍融劈裂強度試驗

凍融劈裂強度試驗是通過短時間強化模擬筑路材料試件在長期使用過程中受雨水等外部環(huán)境因素反復(fù)循環(huán)作用的試驗。參照瀝青混合料凍融劈裂試驗進行，成型養(yǎng)護28d不同橡膠粉摻量的改性水泥乳化瀝青砂漿試件，每組8個，其中隨機選取4個試件放入（25±0.5）℃水箱中浸泡2 h后，取出測其劈裂抗拉強度；將剩余4個試件浸入水中，在98.3～98.7 kPa的真空條件下飽水操作15 min，并在水中浸泡0.5 h，試件取出放入塑料袋中，在袋中加入10 mL水，扎緊袋口，放入（-18±2）℃的冷凍箱中（16±1）h，而后放入（60±0.5）℃的恒溫水槽中24 h（同時撤去塑料袋）后再將試件放入恒溫為（25±0.5）℃的水箱中浸泡2 h后，取出測其劈裂抗拉強度。

1.3.2 干濕循環(huán)試驗

將成型養(yǎng)護28 d不同摻量的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿試件（每組4個）分別放入（25±0.5）℃的水箱浸泡12 h后，取出放入40℃暖箱烘干12 h作為1個干濕循環(huán)。試驗分別測試不同橡膠粉摻量的改性水泥乳化瀝青砂漿試件循環(huán)0、30、60、90次后的抗壓強度。

1.3.3 沖磨試驗

當路表水或毛細水滲入軌道板與水泥乳化瀝青砂漿功能層交界面，且滯溜在交界面上形成自由水，列車高速行駛通過時軌道板受到瞬時強壓荷載振動循環(huán)作用，由于軌道板強壓荷載振動瞬時循環(huán)作用使得滯溜在板底交界面上的自由水產(chǎn)生巨大的動水壓力，在巨大動水壓力作用下自由水會產(chǎn)生強大的沖刷作用，沖刷使得水泥乳化瀝青砂漿功能層細集料等剝落到自由水形成挾砂高速水流，這種挾砂等雜物的高速水流對水泥乳化瀝青砂漿功能層造成沖刷和磨損破壞產(chǎn)生坑洞，使軌道板底部產(chǎn)生懸空，影響列車安全行駛，因而要求水泥乳化瀝青砂漿功能層具備一定的抗沖磨性能[11-13]。試驗將養(yǎng)護28 d不同橡膠粉摻量的改性水泥乳化瀝青砂漿試件（每組3個）放入常溫水中飽水48 h后擦干表面稱重，將試件放入改裝密封洛杉磯磨耗試驗機中，注水至容兜高1/3，在容兜放入12個鋼球，然后開動磨耗機轉(zhuǎn)動5000次停止，將試件取出放入常溫清水靜泡24 h后取出擦干表面稱重，求取質(zhì)量磨損率，再用試件測試沖磨后劈裂強度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水泥乳化瀝青砂漿的基本物理力學(xué)性能

制備水泥乳化瀝青砂漿，在拌合前摻加0.1%硅烷偶聯(lián)劑，拌合后測試其砂漿溫度、流動度、可工作時間、材料分離度、泛漿率等各項工作性能指標及力學(xué)性能，結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，水泥乳化瀝青砂漿的基本物理力學(xué)性能均符合《暫行技術(shù)條件》要求。

2.2 橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿凍融試驗

橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿凍融試驗結(jié)果見表5。

表4 橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿的基本物理力學(xué)性能

表5 不同橡膠粉摻量水泥乳化瀝青砂漿凍融劈裂抗壓強度

由表5可知：

（1）橡膠粉摻量影響水泥乳化瀝青砂漿的抗水侵蝕能力，橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿凍融前、凍融后的劈裂強度與橡膠粉摻量變化曲線大致相同，均隨著橡膠粉摻量的增加先提高后降低，橡膠粉摻量為4.0%時改性水泥乳化瀝青砂漿的抗水侵蝕能力最佳。以橡膠粉摻量為0的未改性水泥乳化瀝青砂漿為基準，摻入2%、4%、6%、8%、10%的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿凍融前的劈裂強度分別提高了3.30%、3.85%、-1.11%、-7.14%、-14.56%，凍融后的劈裂強度分別提高了3.81%、4.41%、-2.64%、-10.56%、-19.94%。

（2）摻入0～10%橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿試件的劈裂抗拉強度比均大于85%。其中橡膠粉摻量為4%的改性水泥乳化瀝青砂漿的劈裂抗拉強度比最大、橡膠粉摻量為10%的改性水泥乳化瀝青砂漿的劈裂抗拉強度比最小。

（3）摻入一定量的橡膠粉可以有效提高瀝青與水泥膠砂結(jié)合界面的粘結(jié)度，提升橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿的抗水侵蝕能力。隨著橡膠粉摻量的增加，加大了集料的比表面積，同時橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿的膠凝材料量未增加，導(dǎo)致產(chǎn)生瀝青、水泥、砂、橡膠粉等材料在凝結(jié)過程中生成結(jié)合欠佳的界面，橡膠粉摻量越大，生成結(jié)合欠佳的界面越多，其抗水侵蝕能力越差。

2.3 橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿干濕循環(huán)試驗

橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿干濕循環(huán)試驗結(jié)果見圖1。

圖1 橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿干濕循環(huán)試驗結(jié)果

由圖1可知：

（1）橡膠粉摻量影響水泥乳化瀝青砂漿的抗干濕循環(huán)性能，在相同的干濕循環(huán)次數(shù)條件下，水泥乳化瀝青砂漿的抗壓強度隨著橡膠粉摻量的增加先提高后降低，摻入一定量的橡膠粉可以提高水泥乳化瀝青砂漿的抗干濕循環(huán)破壞作用。橡膠粉摻量為4%的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿的抗干濕循環(huán)破壞性能最佳。以橡膠粉摻量為0的未改性水泥乳化瀝青砂漿為基準，摻入2%、4%、6%、8%、10%的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿干濕循環(huán)30次抗壓強度分別提高了5.58%、6.62%、-1.69%、-10.37%、-17.76%，干濕循環(huán)90次抗壓強度分別提高了4.22%、4.99%、-3.89%、-14.68%、-23.12%。這與改性水泥乳化瀝青砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空隙率有關(guān)，空隙率越大，橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿抗干濕循環(huán)破壞作用性能越差。橡膠粉摻量為0的水泥乳化瀝青砂漿空隙率為5.1%，摻入2%～4%橡膠粉，在偶聯(lián)劑作用下與瀝青、水泥膠凝材料相容，有效降低橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿內(nèi)部的空隙率。當橡膠粉摻量大于4%時，砂漿內(nèi)部存在部分無法與瀝青、水泥膠凝材料相融的自由橡膠粉界面，該類界面越多，橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿內(nèi)部空隙率越大。橡膠粉摻量為2%、4%、6%、8%、10%的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿空隙率分別為4.88%、4.72%、5.41%、6.04%、6.97%。

（2）干濕循環(huán)次數(shù)影響水泥乳化瀝青砂漿的使用性能，在前30次干濕循環(huán)內(nèi)不同摻量的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿抗壓強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而提高，而后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加其抗壓強度降低。如以干濕循環(huán)0次各摻量橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿抗壓強度為基準，橡膠粉摻量為4%的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿干濕循環(huán)30、60、90次抗壓強度提高了2.11%、-1.97%、-5.80%。這是因為，橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿養(yǎng)護28 d后其內(nèi)部尚存部分未水化的水泥，在吸濕過程中，促進橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿內(nèi)部的水化作用，生產(chǎn)更多水化產(chǎn)物，增強橡膠粉、集料和瀝青、水泥膠砂等結(jié)合界面的粘結(jié)性和相融性，從而有效提高了橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿的抗壓強度。從對干濕循環(huán)過程中橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿的吸、失水率變化可說明，前30次和30～60次兩階段干濕循環(huán)橡膠粉摻量為4%的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿的平均吸水率分別為1.246%、1.201%，其平均失水率分別為1.107%、1.196%，表明前30次干濕循環(huán)作用內(nèi)橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿內(nèi)部的反應(yīng)在不斷進行。

2.4 橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿沖磨試驗

橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿沖磨試驗結(jié)果見表6。

表6 橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿沖磨試驗結(jié)果

由表6可知：（1）隨著橡膠粉摻量的增加，水泥乳化瀝青砂漿功能層的抗沖磨質(zhì)量損失率先減小后增大，當橡膠粉量為4%時，水泥乳化瀝青砂漿功能層的抗沖磨質(zhì)量損率較??；（2）隨著橡膠粉摻量的增加，水泥乳化瀝青砂漿功能層的沖磨后劈裂抗拉強度先提高后降低，當橡膠粉摻量為4%時，水泥乳化瀝青砂漿功能層沖磨后劈裂抗拉強度較大；（3）水泥乳化瀝青砂漿功能層經(jīng)過5000次沖磨損傷，其與橡膠粉摻量為0、2%、4%、6%、8%、10%的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿浸水劈裂抗拉強度（凍融前試件）相比分別降低了9.89%、7.71%、7.17%、10.01%、14.49%、20.26%；同時，經(jīng)過5000次沖磨損傷后，橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿的劈裂抗拉強度比相同橡膠粉摻量的砂漿1次凍融后劈裂抗拉強度低，說明5000次沖磨損傷比1次凍融損傷對水泥乳化瀝青砂漿功能層結(jié)構(gòu)損傷影響更大；（4）橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿抗沖磨性與其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空隙率和橡膠粉、集料和瀝青、水泥膠砂等結(jié)合界面完好性等有關(guān)。由于所用的橡膠粉目數(shù)較細，當橡膠粉摻量小于最佳摻量時，橡膠粉在偶聯(lián)劑作用下與瀝青、水泥等膠凝材料相融，起到一定的填充、連接作用，從而有效降低橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿內(nèi)部的空隙率。當橡膠粉摻量大于最佳摻量時，在膠凝材料用量不變的條件下，使得部分橡膠粉表面未裹有或部分未裹有膠凝材料，降低改性砂漿的密實性，部分未裹有膠凝材料的橡膠粉會降低橡膠粉、集料和瀝青、水泥等膠凝材料的結(jié)合界面強度，在動水作用下該界面容易產(chǎn)生剝落分解，使得橡膠粉、集料和瀝青、水泥等膠凝材料分離，此類界面越多，結(jié)構(gòu)的抗沖磨性能越差。

3 結(jié)論

（1）通過凍融劈裂強度試驗得知，摻入0～10%橡膠粉的改性水泥乳化瀝青砂漿試件的劈裂抗拉強度比均大于85%，滿足《條件》要求。但橡膠粉摻量過大時，改性水泥乳化瀝青砂漿的抗水侵蝕性能低于未改性的水泥乳化瀝青砂漿。

（2）通過干濕循環(huán)試驗得知，在前30次干濕循環(huán)內(nèi)不同摻量的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿抗壓強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而提高，而后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加其抗壓強度降低。摻入一定量橡膠粉可以改善和提高水泥乳化瀝青砂漿抗干濕循環(huán)破壞作用。

（3）通過沖磨試驗得知，摻入一定量橡膠粉可以改善和提高水泥乳化瀝青砂漿功能層的抗沖磨性能，但橡膠粉摻量過高時，會降低和劣化水泥乳化瀝青砂漿功能層的抗沖磨性能。

（4）綜合分析得知，橡膠粉摻量為4%左右時制備的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿抗水侵蝕性能最佳。

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