含气量对CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆性能的影响

李海燕，邵丕彦

(中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081)

含气量对CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆性能的影响

李海燕，邵丕彦

(中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081)

为了考察含气量对CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆性能的影响，分别制备出含气量3%，6%，9%，12%，15%的水泥乳化沥青砂浆，并对其膨胀率、吸水率、抗压强度、弹性模量、超声波传播时间、抗冻性能等进行研究。结果表明:随着含气量的增大，砂浆的膨胀率逐渐降低，吸水率逐渐增大，其中当含气量＞12%时，砂浆吸水率增大幅度明显;随着含气量的增大，砂浆的抗压强度、弹性模量略有降低、超声波传播时间变长;砂浆的抗冻性能随含气量的增大先增强后降低。

水泥乳化沥青砂浆 含气量 性能

水泥乳化沥青砂浆垫层材料作为板式无砟轨道结构的重要组成部分，主要起支撑、调整尺寸并提供弹韧性等作用[1]。作为一种工程材料，耐久性能是影响其大规模工程应用的关键因素之一。水泥乳化沥青砂浆的耐久性能主要通过抗冻性能与耐候性能两个指标来表征。其中，就抗冻性能而言，通常是采用加入引气剂引入微小气泡，同时加入消泡剂消除体系中较大的有害气泡的方法。在引气剂与消泡剂协同作用下，大量微小封闭的气泡均匀分布在砂浆体系内，隔断了砂浆内部大量的连通孔隙，使得孔隙中的水分在冻结过程中产生过冷现象(使其冰点降低)，从而减轻砂浆的受冻破坏，增强其抗冻性能[2-3]。引入微小气泡，并控制合理的含气量对砂浆的耐久性能是有利的，但含气量对砂浆其他性能的影响还需通过试验验证。本文就不同含气量的水泥乳化沥青砂浆的性能进行了系统的试验研究。

1 试验部分

1.1 主要原材料

乳化沥青:采用铁科院金化所自主研发的SL-1型高铁阳离子乳化沥青。

干料:主要由P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥、细度模数1.45机制砂及添加剂等组成。

聚合物乳液:TD-08S型聚合物乳液。

消泡剂:有机硅消泡剂。

引气剂:MPAE引气剂。

试验采用的各种原材料的性能均满足《客运专线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》(科技基[2008]74号)相关技术指标要求。

1.2 主要试验设备

搅拌容量16.5 L的日本进口25AM-Qr中型砂浆搅拌机，搅拌速度可调;1 000 ml三角烧瓶;电子天平;CMT5045微机控制电子万能(拉力)试验机;超声波测定仪;快速冻融试验机。

1.3 试验制备

在固定乳化沥青、聚合物乳液、干料配合比的条件下，通过适当调整制备工艺，分别制备出含气量3%，6%，9%，12%，15%的水泥乳化沥青砂浆，并成型φ50 mm×50 mm圆模、100 mm×100 mm×400 mm的抗冻试模等，对试件进行了砂浆吸水率、抗压强度、弹性模量、抗冻性等测试[4]。

2 试验结果与分析

2.1 含气量对水泥乳化沥青砂浆膨胀率的影响

在研究过程中测试了不同含气量下水泥乳化沥青砂浆的膨胀率，结果见图1。

图1 砂浆膨胀率随含气量的变化趋势

由图1可得，在相同铝粉掺量条件下，砂浆的膨胀率随含气量的增大逐渐变小。含气量增大表明砂浆内部微小气泡数量增多，气泡间距变小。当砂浆中的铝粉在碱性作用下发气时，微小气泡彼此接触形成大气泡或者连通孔道的几率增大，而大气泡在砂浆内部是不稳定存在的，在砂浆硬化前，一部分气体会从砂浆内部逸出[5]，气体逸出导致砂浆体积收缩，从而抵消了铝粉产生的部分膨胀率，因而随着含气量的增大，砂浆的膨胀率逐渐变小。

2.2 含气量对水泥乳化沥青砂浆吸水率的影响

φ50 mm×50 mm圆模在标准条件下养护28 d后对其表面清洁处理，初始质量记为M0，分别将含气量3%，6%，9%，12%，15%的水泥乳化沥青砂浆圆模放入水中浸泡 1 d，7 d，14 d，28 d，56 d，将试件取出后处理至表干，此时质量记为Mn。

试验测得不同含气量水泥乳化沥青砂浆不同浸泡时间的吸水率见图2。

图2 不同含气量水泥乳化沥青砂浆吸水率随时间的变化

由图2可见，随着含气量的增大砂浆的吸水率逐渐变大，当含气量为15%时砂浆吸水率明显增大。吸水率增大表明水更容易进入砂浆体系内部。含气量增大后砂浆内部的微小气泡更加丰富，当含气量进一步增大时，气泡间距变小，而且气泡趋向在浆体界面富集，从而导致砂浆外部的水在毛细管力的作用下进入砂浆内部，并储存在结构内部的孔道中，因而吸水率随着砂浆含气量的变大而增加。

2.3 含气量对水泥乳化沥青砂浆力学性能的影响

在研究过程中测试了不同含气量水泥乳化沥青砂浆在标准条件下养护1 d，7 d，28 d的抗压强度、弹性模量，测试结果见图3。同时采用超声波测定仪测试了在不同含气量的相同尺寸砂浆试件中的传播时间，见表1。

图3 不同含气量水泥乳化沥青砂浆的抗压强度及弹性模量

表1 超声波在砂浆试件中的传播时间 μs

由图3可得，水泥乳化沥青砂浆的抗压强度、弹性模量均随含气量的增大而降低。这是由于含气量增大时，砂浆体系中的微小气泡逐渐增多，这在一定程度上降低了砂浆内部结构的致密性，进而影响砂浆的抗压强度，因此含气量的增大会降低砂浆的抗压强度;同样由于微小气泡的存在，使得砂浆弹性增强，变形增大，最终导致砂浆弹性模量下降。

表1数据显示，随着含气量的增大，超声波在砂浆中的传播时间变长。这是因为超声波的传播速度与介质的密度成正比，随着含气量的增大，砂浆内部的气孔更加丰富，因而砂浆的致密性与均匀性变差，从而导致传播时间变长。

砂浆力学性能及超声波传播时间变化均显示，随着含气量的增大，砂浆的结构致密性逐渐变差。

2.4 含气量对水泥乳化沥青砂浆抗冻性能的影响

抗冻性能主要是反映砂浆在冻结、融化反复作用下结构的稳定性。在水泥乳化沥青砂浆结构形成后，组成材料中的沥青随温度降低会产生体积收缩，而此时在毛细管力作用下进入砂浆结构内部的游离水受冻会产生膨胀与冰晶压力，在收缩—膨胀的作用下导致砂浆结构遭受破坏。由此看来，砂浆的抗冻性除了受材料本身影响之外，还与体系中的孔隙结构和含气量直接相关，因此测试了不同含气量水泥乳化沥青砂浆的抗冻性能，结果见图4。

图4 不同含气量砂浆300次冻融循环后的相对弹性模量、质量损失率

由图4可得:随含气量的增大，砂浆的相对动弹模量先增大后降低;而质量损失率则先降低后增大。当含气量较低时，砂浆体系中气泡含量较少，砂浆的整体结构刚性较强、弹韧性和抗形变能力较差，因而缓冲体系内游离水受冻产生膨胀与冰晶压力的能力较差，此时在冻结—融化的反复作用下外层砂浆的结构容易受到破坏，因此砂浆相对动弹模量较低、质量损失率较大、抗冻性能较差。随着含气量的增大，体系中气泡含量逐渐增多，砂浆的弹性和抗形变能力增强，能够较好缓冲砂浆结构中游离水产生的冰晶压力，抗冻性能增强。当含气量再继续增大时，砂浆体系中过多的气泡反而导致结构致密性变差、抗压强度降低;而且部分气泡容易在界面富集形成类似蜂窝状结构，砂浆吸水率增大;最终在冻结—融化的作用下导致结构破坏、出现砂浆剥落，因而砂浆抗冻性能变差、质量损失率变大。

图5和图6是冻融前后孔的微观形态。

图5 冻融前孔微观结构

图5和图6清楚地显示出冻结—融化循环对水泥乳化沥青砂浆内部孔结构的增大作用，冻融前孔径40 μm的气孔最多，300次冻融循环后160 μm的气孔最多[6]。体系中游离水的膨胀与冰晶压力导致了孔隙的变大，而孔隙的变大又进一步加速了砂浆的破坏。可见为了保证砂浆具有良好的抗冻性，含气量必须保持在合理的区间。

图6 冻融后孔微观结构

3 结论

1)随着含气量的增大，砂浆的膨胀率逐渐降低、吸水率逐渐增大，其中当含气量＞12%时，砂浆吸水率增大幅度明显。

2)随着含气量的增大，砂浆体系中的微小气泡含量增加、砂浆密实性降低、弹性增强、变形增大，从而导致砂浆的抗压强度和弹性模量均略有降低、超声波传播时间变长。

3)随着含气量的增大，砂浆的抗冻性能先增强后降低。冻结—融化过程体系中游离水的膨胀与冰晶压力导致了孔隙的变大，而孔隙的变大又进一步加速了砂浆的破坏。为了保证砂浆具有良好的抗冻性能，含气量必须保持在合理的区间。

[1]吴中伟，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社，1999.

[2]范沈抚.掺引气剂混凝土性能的研究[J].混凝土与水泥制品，1991(1):11-23.

[3]赵国堂.高速铁路无碴轨道结构[M].北京:中国铁道出版社，2006.

[4]中华人民共和国铁道部.科技基2008[74]号 客运专线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件[S].北京:中国铁道出版社，2008.

[5]贾恒琼，李海燕，吴韶亮，魏曌.CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆微膨胀性能研究[J].铁道建筑，2010(9):101-102.

[6]中国铁道科学研究院.无砟轨道乳化沥青水泥砂浆的研发-A分报告之一:SL-1型水泥乳化沥青砂浆的研究[R].北京:中国铁道科学研究院，2008.

U213.2+44;U214.1+6

A

1003-1995(2012)06-0133-03

2011-12-16;

2012-02-20

铁道部科技研究开发项目(2007G044-K-1)

李海燕(1967— )，男，黑龙江绥化人，副研究员，硕士。

(责任审编 孟庆伶)