CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆的施工性能试验研究

邵丕彦，李海燕，王 涛

(中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081)

水泥乳化沥青砂浆层(Cement Asphalt Mortar，简称CA砂浆)处于板式无砟轨道结构中预制混凝土轨道板与底座之间，主要起到支撑、调整、缓冲协调等作用［1-3］。在《客运专线铁路CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》［4］(科技基［2008］74 号)中，CA 砂浆的性能指标包括施工性能、力学性能和耐久性能。其中，砂浆的施工性能不仅是其能否使用的前提和基础，同时还与砂浆垫层的力学性能和耐久性密切相关，是砂浆技术体系优劣的关键表征。

CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆的施工性能指标包括砂浆的温度、流动度和可工作时间，含气量、膨胀率、分离度和泛浆率等，其中前三项表征的是砂浆的温度适应性和流动性，含气量关系到砂浆的抗冻性，分离度和泛浆率涉及到砂浆的匀质性，膨胀率用于提高砂浆在板下的充填饱满度，所有这些均为砂浆制备和施工中必须严格控制的关键指标。膨胀率已在文献［5］中进行了探讨，本文对砂浆其余的施工性能进行了系统的试验研究，分析了其相关的影响因素。

1 CA砂浆施工性能试验

1.1 原材料

自制的阳离子乳化沥青，水泥、砂子、引气剂、消泡剂、聚合物乳液、铝粉等原材料的性能指标均满足技术条件的要求。

1.2 主要试验设备

搅拌容量16.5 L的品川25AM-Qr中型砂浆搅拌机，搅拌速度可调;J型漏斗;棒状温度计;秒表，精度0.1 s;1 000mL三角烧瓶;电子天平，感量1 g;φ50的聚乙烯袋等。

1.3 砂浆的制备和性能测试

按砂浆的配合比称取相应质量的乳化沥青、聚合物乳液、水、消泡剂等，慢速搅拌30 s将液料混合均匀，依次加入水泥、砂子(或由其制备的干料)以及引气剂，高速搅拌3～5min后，按照技术条件中的方法和要求进行砂浆各项施工性能的测试。

2 试验结果和讨论

2.1 砂浆的温度、流动度和可工作时间

由于水泥乳化沥青砂浆是在现场搅拌制备、灌注到轨道板下5 cm左右厚度的缝隙中，因此要求砂浆在较宽的温度范围(5℃ ～40℃)内具有较好的流动性和较长的流动性保持时间，以实现不同季节、不同温度下现场施工时灌注饱满、充填密实的要求。砂浆的流动性通过流动度进行表征，其含义是一定体积的砂浆流过J型漏斗所需要的时间，以秒来表示。一般的，流动度越小，说明砂浆通过漏斗所需的时间越短，砂浆的流动性越好;反之，则流动性较差。砂浆的流动度除了与原材料种类和砂浆配比有关外，还受到环境温度的影响。现场施工时，通过增减外加水量来调节砂浆的流动度。流动度过大，则砂浆的流动性差，难以充填饱满;流动度太小，说明外加水量过大，影响砂浆的耐久性。通常将砂浆的流动度控制在18～26 s之间，砂浆的流动度在此范围内可持续的时间称为砂浆的可工作时间，要求不低于30min。

本研究采用 4 种乳化沥青样品 1#，2#，3#，4#，采用相同的砂浆配比，通过外加水量的变化调整砂浆的流动度，分别在5℃，23℃，40℃的恒温恒湿实验室中进行砂浆的制备，测定其流动度和可工作时间，测得的结果如图1所示。

图1 不同拌合温度下、不同乳化沥青制备的砂浆的流动度与拌合时间的关系

1)在相同的拌合条件下，不同乳化沥青样品制备的水泥乳化沥青砂浆，随拌合时间的增长，流动度增加，但不同样品的增加幅度不同，变化程度大小的顺序依次为 1#，2#，3#，4#;在5 ℃ 时，在 18 ～26 s的限值范围内，1#砂浆的可工作时间＜30min，其余3个可工作时间均＞1 h;在23℃时，2#的可工作时间缩短至30min左右，3#，4#的可工作时间仍然 ＞1 h;40℃ 时，只有4#的可工作时间＞1 h。

2)不同拌合温度下，相同的样品，随着拌合温度的提高，砂浆的流动度随拌合时间的增加而逐渐增大，砂浆的可工作时间逐渐缩短，变化程度由大到小的顺序依次为 1#，2#，3#，4#。

乳化沥青和水泥、砂子等混合后，一方面，其中的表面活性剂不断地吸附到水泥和砂子的表面，导致沥青颗粒周围的表面活性剂逐渐减少，乳化沥青的稳定性逐渐降低，并开始破乳凝聚;另一方面，水泥吸水开始水化，混合物中自由水的量逐渐减少，以静电斥力和空间位阻稳定作用而保持分散状态的乳液粒子逐渐靠拢，稳定性下降，也开始破乳凝聚;乳化沥青的破乳凝聚以及包裹在砂子及水泥周围，导致体系的黏度增加，流动性下降。吸附到水泥表面的乳化剂起到分散减水的作用，降低了砂浆的拌合用水量，增加了砂浆的流动性;这两种作用共同进行，决定了砂浆流动度的变化及趋势。经过高速搅拌后，砂浆的各个组分基本混合均匀，分散作用基本结束，主要由水泥水化和沥青破乳所控制，因而总体的趋势是流动度随着慢速拌合时间的延长而增加。在其他材料相同的情况下，流动度增加的幅度和速度主要取决于乳化沥青的破乳速度，在慢裂乳化沥青的范畴中，则取决于所采用的各种乳化剂的种类和配比。一般的，复合乳化剂中离子型的种类和用量与非离子型乳化剂用量应该相对均衡，在通过静电斥力和空间位阻起到乳化沥青稳定作用的同时，能够控制乳化剂在水泥、砂子等表面的吸附速度，进而限制乳化沥青的破乳速度，以实现稳定的流动度以及较长的可工作时间。在相同拌合条件下1#，2#，3#，4#样品的变化规律和趋势说明了这一点。

随着拌合温度的提高，水泥的水化和乳化剂的吸附速度逐渐加快，乳化沥青的破乳速度相应增加，导致砂浆的流动度变化逐渐加大，可工作时间逐渐缩短。复合乳化剂的离子性越强，乳化剂的吸附作用越快，则流动度的变化趋势愈加明显。相同样品在不同拌合温度下的试验结果说明了这一点。

试验结果表明，无论是在低温还是高温条件下，3#，4#样品的拌合都很稳定，可工作时间较长，尤其是4#样品，在40℃的拌合温度下，1 h的流动度变化＜4 s，体现出良好的温度适应性。

2.2 砂浆的分离度和泛浆率

水泥乳化沥青砂浆是由多种有机无机组分按一定的比例混合在一起制备的复合材料，其中液相由热力学不稳定的乳化沥青和聚合物乳液、消泡剂、引气剂和水等构成，固相由水泥、砂子、铝粉、膨胀剂等组成。两相必须均匀地混合并凝结固化，才能将水泥砂浆强度好、耐久性强的优点与沥青、聚合物的弹韧性结合起来，赋予固化的水泥乳化沥青砂浆以优良的力学性能和耐久性能，满足高速铁路垫层材料的要求。所以，匀质性是评价施工后砂浆质量的关键指标。

当水泥乳化沥青砂浆的各组份经高速搅拌混合均匀、灌注到轨道板下后，砂浆处于静置状态，各固体粒子由于颗粒大小以及密度的不同，在重力的作用下，易出现下沉或上浮等现象，表现为砂子下沉或者水泥浆、乳化沥青的上浮，导致固化砂浆的匀质性较差，难以满足使用要求或者耐久性显著下降。通常用砂浆的分离度和泛浆率来衡量砂浆的匀质性。

砂浆分离度的测试方法是:制备φ50mm×50mm的砂浆试样，24 h后测量试样上下两部分的密度差，以密度差与密度和之比来度量。砂浆的泛浆率测试:将搅拌好的砂浆灌注到直径约50mm的聚乙烯袋中约20 cm，密封放置24 h后，观察和测量表面是否有泛浆水，或者泛浆水量占砂浆体积的百分比。

影响分离度的因素包括固体粒子的大小、两相的密度差以及液相的黏度，具体说来主要是砂浆的流动度、砂子的密度、颗粒级配以及乳化沥青的性质。为此，测试了砂浆的流动度、乳化沥青的类型、拌合温度、砂子的密度、细度模数对砂浆分离度的影响。

当主体材料的配比确定后，砂浆的流动度主要依据现场的气温，通过外加水量来进行调节。增加外加水量，则砂浆的流动度降低，反之砂浆的流动度提高。图2是砂浆的流动度对砂浆分离度的影响。

图2 砂浆流动度对砂浆分离度的影响

从图2中可以看出，随着砂浆流动度的提高，砂浆的分离度逐渐减小;当砂浆的流动度≥18 s时，砂浆的分离度变化趋于平缓;当砂浆的流动度＜18 s时，随着流动度的降低，砂浆的分离度明显增高。这是因为流动度在一定程度上是砂浆黏度的表征，流动度越低，说明砂浆越“稀”，黏度越低，静置状态下砂子易于下沉，造成分离度偏高;如果大幅度提高砂浆的流动度，分离度固然随之降低，但砂浆的流动性下降，会影响到砂浆的填充饱满度。因此，为了兼顾砂浆的流动性和分离度，规定砂浆的流动度范围在18～26 s之间，现场施工时通常将流动度控制在20～22 s之间。

图3是4种乳化沥青样品在常温下制备的砂浆的分离度，图4是同一乳化沥青样品在3种拌合养护温度下砂浆分离度的测试结果。

结果表明:①采用4个样品在常温下进行砂浆的制备和养护，其分离度均能＜0.5%，符合规定值1%的要求，说明样品的匀质性合格;②随拌合养护温度的升高，砂浆的分离度降低，说明随着施工温度的提高，水泥水化速度和乳化沥青破乳速度加快，体系的黏度增加，砂浆的匀质性提高;③不同乳化沥青样品在相同的拌合养护条件下分离度不同，其中21#，44#样品的分离度大于32#，43#，原因是后两个样品黏度较大，触变性较强。因此，要提高砂浆的匀质性，可以在乳化沥青中加入一些增稠剂和流变助剂。

图3 乳化沥青种类与砂浆分离度的关系

图4 拌合养护温度与砂浆分离度的关系

图5和图6是在相同乳化沥青、同一拌合养护温度下，砂子的密度与细度模数对砂浆分离度的影响。

图5 砂子的密度对砂浆分离度的影响

图6 砂子细度模数对砂浆分离度的影响

图5表明，在相同的细度模数下，随着砂子密度的增加，制备砂浆的分离度有逐渐增大的趋势;当砂子的密度超过2.80×103kg/m3时，砂浆的分离度明显增大。

砂子的细度模数是砂子颗粒级配的表征，细度模数愈小，砂子愈细。从图6的测试结果看，随着砂子细度模数的增加，砂浆的分离度逐渐增加，当砂子的细度模数超过1.70时，分离度明显提高。

从图5和图6还可以看出，砂子细度模数对砂浆分离度的影响远大于砂子密度的影响，因此在施工中宜将砂子的细度模数控制在规定范围1.40～1.80的中下限，适当控制砂子的密度，以便确保砂浆的分离度＜1%。

影响泛浆率的因素主要是砂浆的内聚力和保水能力以及乳化沥青对水泥的分散减水效果。图7是相同砂浆主体配比、不同乳化沥青制备的砂浆，当初始流动度控制在18～22 s时所需的外加水量与水泥用量之比(水灰比)的测试情况。

图7 3种乳化沥青制备的砂浆在相近流动度时的水灰比情况

从图7中可以看出，在相同的配比、相近的流动度时，由于乳化沥青的不同，砂浆的水灰比由前者的0.20左右降至后者的0.12左右，用水量降低了40%，砂浆的泛浆率则由微量变为0。试验结果说明通过乳化剂的复配，增加乳化沥青的分散减水能力，降低拌合用水量，是实现砂浆零泛浆率的重要手段。

2.3 砂浆含气量的测试与分析

大量试验结果表明，硬化砂浆中引入一定量均匀、微小的气泡，能大幅提高砂浆的抗冻性;同时，空气的引入也在一定程度上降低了砂浆的成本。因此，新拌砂浆具有稳定、适宜的含气量，是砂浆制备和施工中必须严格控制的关键指标。按技术条件的规定，新拌砂浆适宜的含气量范围是8% ～12%，并要使气泡保持稳定，防止砂浆灌注后、固化前气泡的大量逸出，使得固化砂浆中气泡的减少导致抗冻性的下降。影响砂浆含气量的因素很多，包括砂浆的组成和配比、拌合方式、拌合时间、搅拌形式、环境温度等。

为了在新拌砂浆中引入一定量、微小的气泡，必须消除砂浆在高速搅拌混合过程中产生的大气泡，同时还需采用合适的引气剂引入微小的气泡，通过二者的协调配合来控制砂浆的含气量。消泡剂、引气剂的加量对砂浆含气量的影响见图8和图9。

图8 消泡剂加入量对砂浆含气量的影响

图9 引气剂的加量对砂浆含气量的影响

从图8可以看出，随着消泡剂含量的增加，砂浆的含气量逐渐降低;在不加引气剂的情况下，当消泡剂的用量增加到水泥量的0.035%后，砂浆的含气量达到4%左右，并基本趋于稳定，说明此用量已基本上消除了高速搅拌产生的大气泡。由于加入过多的消泡剂对砂浆没有好处，因此体系中消泡剂的掺量应以0.035%为宜。当加入0.2%的引气剂后，在0.02%的消泡剂掺量下，砂浆的含气量明显增加，达到10.43%，比不加引气剂时的含气量增加了约5%;当消泡剂的加量达到0.035%时，砂浆的含气量在8%左右，难以确保砂浆的含气量满足8% ～12%的规定要求。

从图9可以看出，在消泡剂加量固定的情况下，随着引气剂用量的增加，砂浆的含气量逐渐提高，当引气剂的用量在0.35%时，砂浆的含气量在11%左右，满足规定的要求。上述试验结果表明，通过控制消泡剂和引气剂的含量，可以将砂浆的含气量控制在规定的范围内。

本文选择4种乳化沥青样品，它们分别是16#，28#，30#和32#，按相同的配比进行砂浆的制备，高速搅拌5min后，测定砂浆的含气量，改为慢速搅拌，测定砂浆的含气量随着拌合时间的变化情况，见图10。

图10 不同乳化沥青制备的砂浆其含气量的经时变化情况

从图10中可以看出，不同乳化沥青制备的砂浆，其含气量经时变化的趋势不同，其中16#，32#号乳化沥青制备的砂浆含气量在1 h的搅拌过程中保持稳定，含气量变化＜1%;28#乳化沥青制备的砂浆随着搅拌时间的延长，砂浆的含气量逐渐降低，当搅拌时间超过35min后，砂浆的含气量低于规定的8%的下限要求;30#乳化沥青制备的砂浆其含气量随着拌合时间的延长而略有增加。上述结果的原因是，不同乳化沥青样品在制备时采用的乳化剂不同，因而乳化沥青的性质也有所不同;不同的乳化剂，对于引气剂的匹配性和适应性也有所区别。当乳化剂与引气剂相互匹配，则砂浆的含气量易于保持相对稳定(如16#和32#)。如果产生一定的协同效应，就会出现含气量的上升(如30#)。如果匹配性不好，则会出现小气泡逐渐成为大气泡而逸出，导致砂浆的含气量逐渐下降。

采用相同的乳化沥青，按相同的砂浆主体配比，分别在3种拌合温度下进行砂浆的制备，用水量依据温度的不同而略有调整，将流动度控制在19～20 s，测定其初始含气量，结果见图11。

图11 拌合温度对砂浆含气量的影响

从图11中可以看出，随着拌合温度的提高，砂浆的含气量逐渐降低。因此，在不同的环境温度下，应适当调整引气剂、消泡剂的用量，以确保砂浆达到规定的含气量。

3 结论

通过对CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆的温度适应性、流动性、匀质性和含气量稳定性等施工性能及其影响因素的研究，得出以下结论:

1)通过乳化剂复配技术优化，调节乳化沥青的破乳速度和凝结时间，可以使砂浆在5℃ ～40℃温度范围内具有合适的流动度和较长的工作时间，在40℃时，1 h内的流动度变化＜4 s，可工作时间＞1 h，大于规定的30min，体现出良好的温度适应性。

2)通过乳化剂复配技术，实现了水泥—乳化沥青体系黏度与触变性的协调统一，适当控制砂子的细度模数和密度，保证了砂浆在不同温度下的分离度均可控制在0.5%以下，远小于1.0%的规定值;研制的乳化沥青在增加砂浆保水能力的同时，降低了砂浆拌合用水量，实现了砂浆的零泛浆率。

3)通过优选消泡剂和引气剂，采用合理掺量，通过先消泡、后引气的方式，能够引入均匀、微小气泡，并使气泡保持稳定，砂浆的含气量可稳定地控制在8%～12%的范围内，在1 h的拌合时间内含气量变化＜1%。

4)乳化沥青是水泥乳化沥青砂浆的关键原材料，其性能在很大程度上决定了砂浆的性质;砂浆的施工性能受到多种因素的影响，必须综合分析和控制，才能满足现场施工的需要。

［1］COENRAAD E.Recent Development in Slab Track［J］.European Railway Review，2003，9(2):81-85.

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［3］KATSUOSHI A.Development of Slab Tracks for Hokuriku Shinkansen Line［J］.Quarterly Report of RTRI，2001，42(1):35-41.

［4］中华人民共和国铁道部.科技基［2008］74号 客运专线铁路CRTS I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，等.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.