聚合物乳液对水泥乳化沥青砂浆性能的影响

吴韶亮，罗桂秀，张 则，刘子科，李海燕

(1.中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081;2.中铁十九局集团 第一工程有限公司，辽宁辽阳 111000;3.中铁十七局集团第三工程有限公司，河北 石家庄050081)

在高速铁路和客运专线建设过程中，水泥乳化沥青砂浆成为板式无砟轨道结构中的关键性填充材料，主要由水泥、乳化沥青、砂和其它添加剂等多种组分混合搅拌而成，主要起支撑、调整，提供适当的弹韧性等作用。作为工程材料，水泥乳化沥青砂浆的性能对轨道结构耐久性和运营维护成本有重大影响。特别是随着运行年限的增长，在外部荷载和环境等因素作用下损伤会逐步加剧。为了改善水泥乳化沥青砂浆的力学性能、耐久性能等，在砂浆制备过程中添加了聚合物乳液［1-3］。因此对添加聚合物乳液前后水泥乳化沥青砂浆的可工作性能、抗压强度、折压比、吸水率、抗冻性能、耐候性能等的变化进行了研究。

1 试验部分

1.1 主要原材料

乳化沥青采用CRTSⅠ型高铁阳离子乳化沥青;水泥为海螺牌P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥;砂子为细度模数1.56、表观密度2.65 g/cm3的机制硅砂;聚合物乳液为北京东方亚科力化工科技有限公司生产的TD-08型聚合物乳液，试验用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)的相关技术指标要求［4］。

1.2 主要试验设备

中型砂浆搅拌机;秒表;微机控制电子万能(拉力)试验机。

1.3 试验内容

1.3.1 水泥乳化沥青砂浆的配制

在基准配合比(表1)的基础上，以水泥质量为基准，分别以水泥质量5%，10%，15%，20%的聚合物乳液取代乳化沥青，适当调整拌合水量以及制备工艺，以保证制备的水泥乳化沥青砂浆性能指标满足科技基［2008］74号规定的要求。并分别成型 φ50 mm×50 mm圆模、40 mm×40 mm×160 mm抗折试样和耐候试样、100 mm×100 mm×400 mm抗冻试样等。

表1 水泥乳化沥青砂浆的基准配合比

1.3.2 水泥乳化沥青砂浆性能测试

水泥乳化沥青砂浆的可工作性能、力学性能、抗冻性能、耐候性能等测试均按照《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)相关附录进行。

2 结果讨论与分析

2.1 聚合物乳液对水泥乳化沥青砂浆可工作性能的影响

试验考察了25℃下砂浆的可工作性能，结果见图1。可见，随着聚合物乳液掺量的增大，在可工作时间内砂浆的流动度变化幅度均在1～3 s之间，这表明聚合物乳液对砂浆的可工作性能影响较小。

图1 聚合物乳液掺量对砂浆可工作性能的影响

在砂浆制备过程中还发现:随着聚合物乳液掺量的增大，保证水泥乳化沥青砂浆具有适宜可工作性能的外加拌合水、以及砂浆体系中的总水量(乳化沥青、聚合物乳液中的水与外加拌合水的质量之和)均有明显降低。这是由于聚合物乳液的加入改善了无机组分和有机组分的界面结合状态，提高了乳化沥青和水泥、砂子之间的相容性，从而使得外加拌合水以及总水量明显降低。对于固定配合比的水泥乳化沥青砂浆体系，水泥等无机胶材完全水化所需要的水量是固定的，超出水泥水化需水量之外的水主要用于保证制备出的砂浆具有适宜的流动度和可工作时间。当灌注、固化成型后，砂浆体系中剩余的水，或者以游离水的形态存在于体系封闭孔道中，或者通过连通的毛细孔道最终被排出砂浆体系，但在排出过程中容易形成水的通道，因而无论以何种方式均会在后续使用过程中加剧砂浆的抗冻性破坏。由此聚合物乳液的加入提高了水泥乳化沥青砂浆的致密性和水密性，有利于水泥乳化沥青砂浆的耐久性。

2.2 聚合物乳液对水泥乳化沥青砂浆力学性能的影响

水泥乳化沥青砂浆作为混凝土轨道板与底座板两种刚性结构之间的填充层，必须具备适宜的力学性能。不同掺量聚合物乳液制得砂浆的抗压强度见图2。

由图2可知:随着聚合物乳液掺量的增多，制得水泥乳化沥青砂浆的1 d抗压强度逐渐降低，但随着龄期的增长，砂浆的抗压强度随聚合物乳液掺量的增多而逐渐增大。这是由于聚合物乳液在砂浆体系中主要以薄膜的形式分布在水泥凝胶颗粒的表面，这在一定程度上阻碍了水化离子的迁移，减缓了水泥的水化以及乳化沥青的破乳速度，因而聚合物乳液掺量较大的砂浆1 d抗压强度偏低;随着龄期的增长，聚合物乳液的成膜作用反而保持了砂浆体系水化环境的相对稳定，有利于砂浆抗压强度的稳定增长。

图2 聚合物乳液掺量对砂浆抗压强度的影响

折压比在一定程度上反映材料的弹韧性。不同掺量聚合物乳液砂浆试样的折压比测试结果见图3。

图3 聚合物乳液掺量对砂浆折压比的影响

由图3可知:随着聚合物乳液掺量的增大，砂浆的折压比明显提高。未掺加聚合物乳液时砂浆的折压比为0.58，掺加10%和20%聚合物乳液后砂浆折压比分别为0.67和0.71。这是由于聚合物乳液在硬化后的砂浆体系中形成了相互交织的网状胶膜结构［2］，增强了砂浆黏聚力，提高了砂浆的匀质性，由此提高了砂浆的折压比。

2.3 聚合物乳液对水泥乳化沥青砂浆耐候性能的影响

水泥乳化沥青砂浆的耐候性主要表现在其抵抗气候环境中光、热、氧、水的侵蚀与老化。沥青与空气接触并与空气中的氧气发生一定程度的聚合反应，产生老化。聚合物乳液作为高分子化合物，同样对光、热、氧的侵蚀存在敏感性，不同掺量聚合物乳液制得水泥乳化沥青砂浆的耐候性能见图4。

由图4可知，随着聚合物乳液掺量的增大，水泥乳化沥青砂浆的相对抗压强度没有明显变化，这表明掺加的聚合物乳液对砂浆的耐候性能没有明显影响。

图4 聚合物乳液掺量对砂浆耐候性能的影响

2.4 聚合物乳液对水泥乳化沥青砂浆抗冻性能的影响

在水泥乳化沥青砂浆抗冻性测试前，首先测试了不同掺量聚合物乳液制得砂浆的吸水率，结果见图5。

图5 聚合物乳液掺量对砂浆吸水率的影响

由图5可得:随着聚合物乳液掺量的增大，砂浆的吸水率明显降低。这是由于在拌合过程中，聚合物乳液首先沉积在水泥凝胶颗粒以及砂颗粒的表面，随着水化反应的进行，其中一部分聚合物乳液逐渐被限制在毛细孔隙中，随着水化的进一步进行，毛细孔隙中的水量减少，聚合物颗粒絮凝在一起，从而起到了填充毛细孔隙的作用。由此聚合物乳液的“堵孔”效应有效地减少了砂浆体系中连通孔道的形成，改善了砂浆的水密性。

吸水率的降低有利于水泥乳化沥青砂浆抗冻性能的改善。不同掺量聚合物乳液水泥乳化沥青砂浆的抗冻性测试结果见图6。

由图6可知:随着聚合物乳液掺量的增大，300次冻融循环后砂浆的相对动弹模量逐渐增大、质量损失率逐渐降低。这也充分验证了聚合物乳液能够改善砂浆的内部结构，提高砂浆的抗冻性［3，5］。但聚合物乳液掺量超过15%后，掺量的继续增大对砂浆的抗冻性改善幅度降低，而此时聚合物乳液掺量的增大，使得砂浆初期抗压强度明显降低(见图2)，因此不同的工程应用中，综合考虑砂浆的性能要求、施工进度和经济成本等，聚合物乳液会有不同的经济掺量。

图6 聚合物乳液掺量对砂浆抗冻性能的影响

3 结论

1)聚合物乳液提高了乳化沥青和水泥、砂子之间的相容性，在明显降低砂浆外加拌合水以及砂浆体系总水量的同时，使得砂浆具有良好的可工作性能。

2)聚合物乳液的成膜作用保持了砂浆体系水化环境的相对稳定，有利于砂浆内部结构的稳定形成;而聚合物乳液对沥青以及砂浆双重的改性作用及其在砂浆结构中无机材料—有机材料界面形成的胶膜，增强了砂浆内聚力，提高了砂浆的匀质性和弹韧性，从而使砂浆具有良好的力学性能。

3)在保证砂浆耐候性能的前提下，聚合物乳液的“堵孔”效应大大降低了砂浆的吸水率，明显改善了砂浆的抗冻性，提高了砂浆的耐久性能。

［1］钟世云，王培铭.聚合物改性砂浆和混凝土的微观形貌［J］.建筑材料学报，2004，7(2):168.

［2］刘大智.聚合物水泥砂浆复合材料性能研究［D］.南京:河海大学材料学院，2004.

［3］吴韶亮，李洪刚，李海燕，等.CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆用聚合物乳液的选择研究［J］.铁道建筑，2012(1):113-115.

［4］中华人民共和国铁道部.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［Z］.北京:中国铁道出版社，2008.

［5］李海燕，邵丕彦.含气量对CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆性能的影响［J］.铁道建筑，2012(6):133-135.