王濤，賈恒瓊，吳韶亮，魏曌，李海燕，祝和權(quán)，杜存山

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081）

CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿（CA砂漿）由水泥、乳化瀝青、砂、水和多種外加劑等組成[1-3]，是一種新型有機-無機復(fù)合充填灌漿材料，用于軌道板與混凝土道床之間厚度為40～60 mm的扁平空腔內(nèi)（長×寬約4 962 mm×2 400 mm），主要起調(diào)整、支撐、緩沖、傳力和阻裂等作用，是CRTSⅠ型板式無砟軌道的關(guān)鍵材料與結(jié)構(gòu)[4-8]。

CRTSⅠ型板式無砟軌道因具有結(jié)構(gòu)簡單、施工與維修方便等優(yōu)勢在我國應(yīng)用廣泛，其關(guān)鍵的充填層CA砂漿也隨之用于各種環(huán)境，如嚴(yán)寒地區(qū)（哈爾濱—齊齊哈爾）、熱帶沿海地區(qū)（海南環(huán)島鐵路）等，經(jīng)受不同嚴(yán)酷環(huán)境的考驗。在使用前各項指標(biāo)均符合現(xiàn)有技術(shù)條件規(guī)定，特別是表征砂漿服役壽命的耐久性指標(biāo)，采用室內(nèi)快速凍融法和模擬加速老化法模擬評價，可較好地預(yù)測評估CA砂漿的耐久性。

1 試驗概況

1.1 原材料

試驗采用原材料為：（1）乳化瀝青，CRTSⅠ型砂漿專用陽離子乳化瀝青，固體含量60%；（2）干料，CRTSⅠ型砂漿專用干料；（3）膠乳，TD-08聚合物乳液；（4）消泡劑，有機硅類；（5）引氣劑，松香類。

1.2 試樣成型

根據(jù)現(xiàn)場CA砂漿工藝性試驗確定的施工配合比，采用砂漿攪拌車，開啟電腦控制成型，自動計量各材料，并按設(shè)定順序投入主攪拌機。攪拌工藝為：（1）加水、乳化瀝青、膠乳、消泡劑，轉(zhuǎn)速30 r/min；（2）加干料，轉(zhuǎn)速80 r/min；（3）加引氣劑，高速攪拌，轉(zhuǎn)速120 r/min，攪拌120 s后低速（30 r/min）攪拌30 s，砂漿制備完成。將新拌砂漿澆筑成型：快速凍融試件（100 mm×100 mm×400 mm）、人工老化試件（40 mm×40 mm×160 mm）和耐酸堿鹽試件（Φ50 mm×50 mm），28 d齡期后進行測試。

1.3 試驗方法

（1）抗凍性和耐候性參照《客運專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》（科技基〔2008〕74號）附錄試驗方法[6]。

（2）耐介質(zhì)侵蝕試驗方法如下：24 h拆模后養(yǎng)護至28 d，擦凈試塊表面，稱重后檢查并記錄試塊外觀情況。將試塊分別浸入盛有侵蝕液的帶蓋容器內(nèi)，對比試塊自然養(yǎng)護至相同齡期。浸泡1～3個月，從侵蝕液中取出試塊，沖洗干凈，擦干表面后觀察其外觀變化，并測試其抗壓強度和質(zhì)量。評定標(biāo)準(zhǔn)[7]見表1。

強度或質(zhì)量變化率按式（1）計算：

式中：△R為試塊強度，MPa（或質(zhì)量變化率，%），“+”為增加，“-”為減少；R0為對比試塊的強度，MPa（或質(zhì)量，g）；R1為浸泡后試塊的強度，MPa（或質(zhì)量，g）。

各侵蝕液及濃度分別為硫酸溶液H2SO4（0.5%和1.0%）、氫氧化鈉溶液NaOH（1%和2%）及硫酸鈉溶液Na2SO4（1%和3%），侵蝕油為機油。所有試驗均在（20±1）℃下進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗凍性

按照現(xiàn)行暫行技術(shù)條件抗凍性試驗方法，將4種不同乳化瀝青制備的CA砂漿試件進行抗凍性試驗，在不同凍融次數(shù)時進行測試，結(jié)果見圖1。

圖1表明，CA砂漿隨凍融次數(shù)增加，1#、2#相對動彈性模量呈逐漸下降趨勢，而3#、4#相對動彈性模量呈先下降后增加的趨勢，原因在于不同CA砂漿內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)形式與組成分布略有差異，即連通孔和封閉孔組成比例不同。3#、4#試樣內(nèi)部封閉孔比例相對高，表面砂漿凍融剝離掉后，內(nèi)部砂漿依然密實，造成后期相對動彈性模量反而增加，而1#、2#砂漿試樣中連通孔比例相對較高，凍融會逐漸損傷砂漿，其相對動彈性模量逐漸降低。

CA砂漿表層孔隙中的水分經(jīng)過凍融循環(huán)后，原孔隙凍脹變大，吸收的水分逐漸增多，這些孔隙是由瀝青網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成。到達(dá)凍融循環(huán)次數(shù)后，取出CA砂漿試塊迅速切割后發(fā)現(xiàn)，砂漿斷面周邊一定范圍內(nèi)吸水，而中心部分基本保持干燥，遭受凍融損傷的表面部分形成類似“海綿”的多孔結(jié)構(gòu)，說明砂漿遭受凍融破壞的過程是：砂漿表面吸水→凍脹→表面損傷→水進入內(nèi)層→表面破壞剝離→內(nèi)層逐步破壞。因而，無紡布灌注袋代替四周立模施工時，與之接觸的砂漿會滲出一定量水，使充填層砂漿表層硬化后密實度提高，降低實際砂漿遭受凍融破壞的風(fēng)險。

CA砂漿抗凍性與其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，而孔結(jié)構(gòu)與新拌砂漿中較高的含氣量有關(guān)，不同含氣量對砂漿抗凍性的影響見圖2。

由圖2（a）可知，隨著含氣量的增加，砂漿的抗凍性能提高，但砂漿凍融循環(huán)約250次時質(zhì)量損失較快。

由圖2（b）可知，含氣量增大，試樣內(nèi)孔數(shù)量增加，隨著凍融進行，表層孔吸水凍脹后變大，試件吸水量增大，進一步導(dǎo)致封閉孔凍脹成開孔，外界水更易由表及里進入試件內(nèi)層。一定循環(huán)次數(shù)后，表層凍脹剝離，表現(xiàn)為試件表面掉渣增多，質(zhì)量出現(xiàn)損失。雖然增加含氣量有助于提高砂漿的抗凍性能，但含氣量過高會顯著影響砂漿的抗壓強度。

表1 瀝青類材料評定標(biāo)準(zhǔn)(常溫浸泡3個月)

圖1 不同砂漿試樣隨凍融次數(shù)動彈性模量的變化

圖2 不同含氣量對砂漿抗凍性的影響

針對CA砂漿的凍融破壞，采用壓汞法測試了凍融300次前后CA砂漿內(nèi)部的孔徑分布，其內(nèi)部孔徑分布與累計分布見圖3。

由圖3可知，CA砂漿硬化體內(nèi)部的氣泡孔徑由于凍融循環(huán)而變大，凍融前孔徑40 μm的氣孔最多，300次凍融后孔徑160 μm的氣孔最多。其破壞原因與混凝土的凍融破壞類似，是受凍融循環(huán)中冰晶壓力反復(fù)作用所致。

在實際工程中，通過引氣劑導(dǎo)入微小氣泡、消泡劑消除攪拌產(chǎn)生的大氣泡、聚合物乳液改性等措施，可降低CA砂漿滲透性、減少干燥收縮、緩和冰晶壓力，最終能有效改善其抗凍性，滿足服役要求。

2.2 耐候性

CA砂漿的耐候性主要表征其抵抗自然界氣候環(huán)境中光-熱-氧-水的侵蝕與老化。但CA砂漿中瀝青的老化過程不同于公路熱拌瀝青混合料，其制備無高溫?zé)岚柽^程，因此輕質(zhì)油分的揮發(fā)損失已不是瀝青老化的主要因素，而大氣中的光-熱-氧-水因素是CA砂漿服役期間老化的主要原因。采用老化試驗機對CA砂漿進行耐候性測試，試驗結(jié)果見圖4。

從圖4可知，經(jīng)過500 h耐候試驗，砂漿抗壓強度、抗折強度以及折壓比基本不下降，CA砂漿耐候性良好。

2.3 耐化學(xué)介質(zhì)侵蝕

板式軌道結(jié)構(gòu)中的砂漿墊層在服役過程中邊緣部分與外界環(huán)境接觸，特別是支模施工的砂漿在拆模后邊緣部分完全暴露于外部環(huán)境中，受到環(huán)境中介質(zhì)的侵蝕作用，如大氣中酸雨的酸性侵蝕、機車行使過程中帶來的油性侵蝕等。通過4種介質(zhì)（酸、堿、鹽、油）浸泡砂漿試樣至一定齡期，以試樣強度和質(zhì)量變化考察砂漿對侵蝕介質(zhì)的抵抗能力。

2.3.1 耐酸性

模擬酸雨溶液采用蒸餾水稀釋濃H2SO4配制而成，濃度分別取0.5%和1.0%。酸性腐蝕后CA砂漿抗壓強度與質(zhì)量變化見圖5。

圖3 CA砂漿凍融前后孔徑分布及累計分布

圖4 耐候試驗結(jié)果

圖5酸性腐蝕后CA砂漿抗壓強度與質(zhì)量變化

圖5 表明，隨著侵蝕時間的延長，CA砂漿的強度降低，而質(zhì)量增加；酸性侵蝕溶液濃度的增加，CA砂漿的強度和質(zhì)量均降低，但3個月溶液侵蝕后的強度仍然大于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.8 MPa。

酸性介質(zhì)侵蝕后強度下降的主要原因在于酸侵蝕了砂漿水泥水化產(chǎn)物中的堿性結(jié)構(gòu)；經(jīng)過硫酸侵蝕后的CA砂漿質(zhì)量增加，其原因主要由CA砂漿的多孔結(jié)構(gòu)吸水引起。

2.3.2 耐堿性

鐵路在穿越堿性環(huán)境地區(qū)時，CA砂漿會遭受侵蝕。選取1.0%和2.0%濃度的NaOH溶液模擬堿性侵蝕介質(zhì)。堿性腐蝕后CA砂漿抗壓強度與質(zhì)量變化見圖6。

由圖6可知，堿性侵蝕介質(zhì)并不降低CA砂漿的強度與質(zhì)量，堿性介質(zhì)濃度對砂漿影響不明顯。

與酸性介質(zhì)侵蝕后CA砂漿質(zhì)量增加原理類似，其原因主要由CA砂漿多孔結(jié)構(gòu)吸水引起。

2.3.3 耐鹽性

耐鹽性模擬采用硫酸鈉溶液浸泡，依據(jù)CA砂漿強度和質(zhì)量變化，對CA砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能進行評價。CA砂漿耐硫酸鹽腐蝕強度與質(zhì)量變化見圖7。

圖6 堿性腐蝕后CA砂漿抗壓強度與質(zhì)量變化

圖7 CA砂漿耐硫酸鹽腐蝕強度與質(zhì)量變化

由圖7可知，硫酸鈉能降低CA砂漿的強度，但幅度不明顯；隨著硫酸鈉溶液濃度的增加，CA砂漿的強度略降低。

CA砂漿質(zhì)量隨著侵蝕齡期的增加而增加，而受溶液濃度的影響不明顯，其質(zhì)量增加的原因主要由CA砂漿多孔結(jié)構(gòu)吸水引起。

2.3.4 耐油性

通過比較CA砂漿在機油中浸泡后強度和質(zhì)量的變化率來表征其抗油侵蝕的能力（見圖8）。

由圖8可知，機油能明顯侵蝕CA砂漿，降低其強度和質(zhì)量。隨時間增加，CA砂漿經(jīng)過機油侵蝕后強度和質(zhì)量損失率增大。

從上述耐化學(xué)介質(zhì)侵蝕研究結(jié)果可知，CA砂漿能夠抵抗酸、堿、鹽和油4種常見介質(zhì)的腐蝕，在3個月侵蝕后，CA砂漿強度仍然滿足指標(biāo)要求；從質(zhì)量變化和強度變化綜合結(jié)果表明CA砂漿屬于耐蝕等級。

圖8 CA砂漿耐油侵蝕強度與質(zhì)量變化

3 結(jié)論

（1）隨凍融次數(shù)增加，CA砂漿相對動彈性模量呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，并隨著新拌砂漿含氣量增加，其抗凍性能提高，但砂漿凍融循環(huán)約250次前后質(zhì)量增加和損失較快。

（2）經(jīng)過500 h耐候循環(huán)后，CA砂漿抗壓強度、抗折強度以及折壓比均基本不下降，耐候性良好。

（3）CA砂漿具有較好的耐化學(xué)介質(zhì)侵蝕性能，經(jīng)酸、堿、鹽和油模擬溶液浸泡3個月，砂漿試件依然具有良好的力學(xué)性能。