水泥乳化沥青砂浆微观结构分析

■ 张盛超

1 概述

材料的宏观性能是其微观性能的具体反映，是内在微观性能的外在表现[1-3]。水泥乳化沥青砂浆材料的微观结构及性能决定了无机-有机复合水泥乳化沥青砂浆材料的力学行为和耐久性能。通过对水泥乳化沥青砂浆材料的孔结构分析、S E M分析，以及水泥乳化沥青砂浆与混凝土界面结合方式的分析研究，得出水泥乳化沥青砂浆材料微观结构和组成砂浆材料与种类密切相关。研究结论有助于加深对水泥乳化沥青砂浆复合材料微观性能的认识，进一步提高该材料的技术开发与应用水平。

2 水泥乳化沥青砂浆孔结构分析

孔结构是水泥乳化沥青砂浆结构体系中重要的组成之一，在水泥乳化沥青砂浆结构体系中存在大量孔径大小不等、形貌不同和空间排列各异的不同空隙及孔结构。水泥乳化沥青砂浆中的空隙及孔结构包含有硬化水泥石中的空隙、界面区中的空隙、砂浆搅拌中引入的空气以及由引气剂引入的空气等形成的空隙及孔结构。水泥乳化沥青砂浆空隙与孔的结构特征对砂浆的力学性能及耐久性能等宏观行为具有重要影响。通常，空隙率越小，强度和耐久性能越高；在总空隙率相同的情况下，小孔的比例越大或平均孔径尺寸越小，强度和耐久性能越高。

水泥乳化沥青砂浆2 8 d抗压强度与孔隙率之间的关系见图1。

由图1可以看出，水泥乳化沥青砂浆2 8 d抗压强度随孔隙率的增加而减小。既然空隙与孔结构对水泥乳化沥青砂浆宏观行为影响重大，那么研究砂浆空隙与孔结构，包括孔径大小、孔径分布及空隙总面积等就尤为重要。结合不同组成材料及不同砂浆配合比，对水泥乳化沥青砂浆的孔结构进行研究。

乳化沥青是组成水泥乳化沥青砂浆的关键材料，不同性能品质乳化沥青与细骨料界面结合方式及紧密结合程度不同，不同性能品质乳化沥青与水泥水化产物的交互作用及紧密结合程度不同。这些不同的界面结合方式、交互作用及紧密结合程度，直接影响着水泥乳化沥青砂浆的孔径大小、孔形貌及孔的空间排列状况，并最终影响其空隙结构。

由2种不同乳化沥青材料所制备而得的水泥乳化沥青砂浆，其孔结构特征见表1。其中砂浆S 1、S 2采用乳化沥青R 1，砂浆S 3、S 4采用乳化沥青R 2。

表1 水泥乳化沥青砂浆孔结构特征序 总侵入量/总孔隙面积/体积中间 面积中间 平均 容重/表观密度/特征长度/空隙率/％号 （m L·g-1） （m2· g-1） 孔径/μm孔径/μm孔径/μm（g·m L-1） （g·m L-1） μm S 1 0.1 1 6 6 7 9 5.7 2 2.1 7 7.3 1.7 7 6 8 2.2 3 8 2 3 8 3 6 4.8 2 0.6 1 S 2 0.1 1 4 3 4.3 5 7 7 0 7.7 3 2.8 1 0 5.0 1.7 6 8 5 2.2 1 6 7 1 8 1 4 1.0 2 0.2 2 S 3 0.1 1 7 3 1.2 1 8 1 7 6 4.1 1 4.5 3 8 5.2 1.7 9 2 9 2.2 7 0 5 2 1 8 2.1 2 1.0 3 S 4 0.1 1 6 1.2 0 8 1 8 3 0.5 1 7.6 3 8 4 1.7 8 6 4 2.2 5 3 3 2 2 8 8.3 2 0.7 2

由表1可以看出，采用不同乳化沥青所制得的水泥乳化沥青砂浆其总空隙面积、体积中间孔径、面积中间孔径、平均孔径和特征长度有着显著的差异。

S 1、S 2和S 3、S 4砂浆空隙结构见图2，其中曲线1、2为S 1、S 2砂浆空隙结构曲线，采用R 1乳化沥青，曲线3、4为S 3、S 4砂浆空隙结构曲线，采用R 2乳化沥青。

由图2可以看出，同一种乳化沥青配制的水泥乳化沥青砂浆，其孔结构相似，不同乳化沥青配制的水泥乳化沥青砂浆，孔隙结构差异显著。

不同砂浆孔径分布见图3。

由图3可以看出，不同乳化沥青制得的水泥乳化沥青砂浆其孔径分布大不相同，而且S 1、S 2砂浆中小于2 0 0 μm孔径约占全部孔径5 0％；S 3、S 4砂浆孔径较大，小于2 0 0 μm孔径约占全部孔径1 3％，大于2 0 0 μm孔径约占全部孔径8 7％。按照美国学者M e h t a P K 的孔径理论，认为孔径大于1 0 0 μm，对材料强度和渗透性会有消极影响[4-10]；藉此理论，可以判断采用原材料R 1乳化沥青所制得的水泥乳化沥青砂浆所形成的空隙和孔结构较采用原材料R 2乳化沥青所制得的水泥乳化沥青砂浆所形成的空隙和孔结构更为合理，具有更优的力学性能和耐久性能。但是，由于砂浆中各个组分存在不同的迭加效应和相互作用，因此，不能简单的认为水泥乳化沥青砂浆的宏观行为（强度、耐久性）只决定于砂浆的孔隙率和孔结构。

研究还发现，当采用不同砂浆配合比时，只要所制得水泥乳化沥青砂浆满足暂行条件技术要求，其空隙分布尽管有所不同，但差异不是特别显著。

3 水泥乳化沥青砂浆SEM分析

水泥乳化沥青砂浆是一个非匀质的多相复合体，主要由硬化水泥浆体、细骨料、沥青颗粒、空隙和孔等组成。在水泥乳化沥青砂浆物质结构体系中，存在砂1/4水泥浆体、砂1/4沥青颗粒和沥青颗粒1/4水泥浆体等多种结合方式，各种组成材料及水泥水化矿物俩俩结合相互作用。由于硬化水泥浆体、沥青微粒和骨料的膨胀变形不一致，或因骨料表面包裹水膜，骨料与水泥浆体粘结，沥青微粒与水泥浆体胶结、沥青微粒与骨料粘结等结合方式各不相同，以及一定的空隙存在等因素，致使在水泥乳化沥青砂浆内部各组分之间会产生细微的缝隙和微弱结构界面。该裂纹或微弱结构界面是砂浆中的最薄弱环节，是直接影响砂浆力学性能与耐久性的重要因素。为了进一步观察砂浆内部矿物及界面结构的状况，本试验利用扫描电子显微镜观察砂浆内部矿物及砂浆界面的2 8 d形貌特征（见图4—图7）。

由图4、图5可以看出，在水泥乳化沥青砂浆结构体系中，骨料和沥青微粒均匀分散在水泥浆体中；由图6可以看出，在水泥乳化沥青砂浆结构体系中，存在大量大小不等形态各异的孔结构及不同的多相结合界面；由图7可以看出，在水泥乳化沥青砂浆各组分、矿物结合界面及孔隙中，存在大量反应生成物，且相互黏结螯合。从实物形貌结构上进一步解释了水泥乳化沥青砂浆强度形成机理。

4 水泥乳化沥青砂浆与混凝土界面结构分析

水泥乳化沥青砂浆与混凝土的结合情况影响着砂浆与混凝土的粘接强度，决定着无砟轨道结构使用性能和列车的安全平稳运行。新拌水泥乳化沥青砂浆浆体在压应力、自流渗透和浸渍作用下，由混凝土表面侵入内部空隙和毛细孔道，在结合界面处与原生混凝土组分及水化矿物发生二次反应及二次水化反应，形成新的反应物，各反应物之间相互结合填充，形成新的界面网络结构。利用扫描电子显微镜观察了不同龄期（7 d和2 8 d）水泥乳化沥青砂浆与混凝土界面结合情况的形貌特征（见图8、图9）。

由图8、图9可以看出，在水泥乳化沥青砂浆和原生混凝土间存在一明显界面，随着水化反应和二次反应的不断发展，界面逐渐被反应物密实填，相互结合成网络构架，产生一定的粘结强度，从实物形貌结构上进一步解释了水泥乳化沥青砂浆与原生混凝土界面连接较好，结构相对紧凑密实。

图1 0—图1 3是水泥乳化沥青砂浆与原生混凝土界面结合情况宏观图片及断裂图片。

从图1 0—图1 3可以清晰看出，水泥乳化沥青砂浆与混凝土紧密结合，在外力破坏作用下，其断裂位置并不局限在砂浆与混凝土结合界面，大部分断裂位置在原生混凝土自身界面，说明砂浆与原生混凝土之间结合紧密，粘接有力。

5 结论

（1）孔结构是水泥乳化沥青砂浆微观结构体系中重要组成结构之一，空隙率越小，强度和耐久性能越高；在总空隙率相同的情况下，小孔的比例越大或者平均孔径尺寸越小，强度和耐久性能越高；

（2）采用不同乳化沥青所制得的水泥乳化沥青砂浆其总空隙面积、体积中间孔径、面积中间孔径、评均孔径和特征长度有着显著的差异；

（3）采用R 1乳化沥青所制得的水泥乳化沥青砂浆与R 2乳化沥青所制得的水泥乳化沥青砂浆相比较，由于其所形成的空隙和孔结构更为合理，故具有更优的力学和耐久性能；

（4）砂浆中各个组分存在不同的迭加效应和相互作用，不能简单的认为水泥乳化沥青砂浆的宏观行为（强度、耐久性）只决定于砂浆的孔隙率和孔结构；

（5）裂纹或微弱结构界面是砂浆中的最薄弱环节，是直接影响砂浆力学性能与耐久性的重要因素；

（6）在水泥乳化沥青砂浆各组分、矿物结合界面及孔隙中，存在大量反应生成物，且相互黏结螯合；

（7）新拌水泥乳化沥青砂浆浆体在压应力、自流渗透和浸渍作用下，侵入原生混凝土内部空隙和毛细孔道，在结合界面处与原生混凝土组分及水化矿物发生二次反应及二次水化反应，形成新的反应物，各反应物之间相互结合填充，形成新的界面网络结构；

（8）水泥乳化沥青砂浆与原生混凝土界面连接较好，界面结构紧凑密实。

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