纤维对水泥乳化沥青砂浆性能的影响

吴韶亮（中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京　100081）

纤维对水泥乳化沥青砂浆性能的影响

吴韶亮
（中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京100081）

为了制备出适用于高纬度严寒地区的水泥乳化沥青砂浆，研究了纤维种类、掺量对水泥乳化沥青砂浆可工作性能、材料分离度、力学性能、抗冻性能等方面的影响。结果表明:添加纤维有利于提高砂浆的匀质性；随着聚丙烯纤维掺量的增大，砂浆的抗压强度先略增大后又降低，而砂浆的弹性模量基本不变；当聚丙烯纤维掺量达到0.8‰后，砂浆的相对动弹性模量显著增大，质量损失率明显降低；聚丙烯纤维显著提升了砂浆的抗冻性能。

纤维；水泥乳化沥青砂浆；聚丙烯纤维；性能

为了进一步提升水泥乳化沥青砂浆的耐久性能，在研究高纬度严寒地区用水泥乳化沥青砂浆制备技术的过程中，研究了纤维种类、掺量对水泥乳化沥青砂浆性能的影响。纤维作为建筑工程材料常用的添加组分，它对基体主要作用是改善材料的耐久性能［1-3］，具体体现在：①提高材料的抗渗性；②提高材料的抗冻性；③增加材料的韧性；④改善材料的疲劳特性。在本研究过程中重点考察了引入纤维前后砂浆可工作性能、材料分离度、力学性能、抗冻性能等方面的差异，以期制得耐久性能提高的水泥乳化沥青砂浆。

1　试验

1.1主要原材料

乳化沥青采用CRTSⅠ型高铁阳离子乳化沥青；水泥为亚泰牌P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥；砂子为细度模数1.6、表观密度 2.65 g/cm3的机制砂；聚合物乳液为TD-08型丙烯酸乳液。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）［4］相关技术指标要求。纤维的性能见表1。

表1　纤维性能

1.2主要试验设备

中型砂浆搅拌机、秒表、J漏斗、微机控制电子万能试验机等。

1.3试验内容

1.3.1水泥乳化沥青砂浆的配制

表2为水泥乳化沥青砂浆的基准配合比。在基准配合比的基础上，分别以0.4‰，0.8‰，1.2‰的掺量添加纤维（文中所述纤维掺量均以水泥和砂质量之和为基准），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号文的规定，并分别制成 φ50 mm×50 mm圆模、100 mm×100 mm×400 mm抗冻试样，并在标准条件下养护。

表2　砂浆基准配合比

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、抗压强度、弹性模量、抗冻性能等测试均按照科技基［2008］74号文相关附录进行。

2　结果讨论与分析

2.1不同种类纤维对砂浆性能的影响

首先进行了纤维掺量为0.8‰的不同种类纤维水泥乳化沥青砂浆的制备以及性能测试，结果见表3。

由表3性能测试结果可知：

1）添加纤维后砂浆的拌合用水量均有所增大，其中木质素纤维用水量增加较为显著。

表3　含不同种类纤维的砂浆性能测试结果

2）不同种类的纤维对砂浆的抗压强度影响不同，其中，木质素纤维对水泥乳化沥青砂浆缓凝作用较为明显。

3）添加纤维后砂浆的材料分离度均有所降低，纤维的添加有利于提高水泥乳化沥青砂浆的匀质性。

高速搅拌后纤维能较好地分散在水泥乳化沥青砂浆浆体中，但由于玄武岩纤维自身具有较高的刚度，其在新拌浆体中以彼此交错的方式存在，使得原本“细腻”的砂浆变得“粗糙”，改变了砂浆的流动状态，使得砂浆的可工作性能变差［5］。木质素纤维具有较强的吸水和保水能力，一方面提高了砂浆的拌合用水量，同时又延缓了砂浆体系中乳化沥青的破乳，从而使得砂浆早期抗压强度发展缓慢。聚丙烯腈纤维在高速搅拌过程中，纤维之间容易打结成团，从而容易形成中空结构，对砂浆的力学性能、耐久性能等产生不利影响［6］。聚丙烯纤维制得的水泥乳化沥青砂浆保持了良好的工作性能，同时砂浆各龄期的抗压强度发展正常［7］。由此初步选定聚丙烯纤维作为水泥乳化沥青砂浆改性用纤维。

2.2不同掺量聚丙烯纤维对砂浆可工作性能的影响

选定聚丙烯纤维后，进行了纤维掺量分别为0，0.4‰，0.8‰，1.2‰的水泥乳化沥青砂浆的制备和性能测试。其中，20℃下不同纤维掺量水泥乳化沥青砂浆的可工作性能测试结果见图1。

图1　不同纤维掺量水泥乳化沥青砂浆可工作性能

由图1可知，随着纤维掺量的增大，相同水灰比条件下砂浆的流动度变大，流动性能变差，并且砂浆流动度相对变化幅度增大。

这是由于当纤维掺量较小时，高速剪切后纤维能够较好地分散在砂浆体系内，而且在搅拌作用下纤维具有流变导向性；当纤维掺量较大时，搅拌过程中分散的纤维相互接触的几率变大，彼此之间容易相互缠绕打结，从而使得砂浆匀质性和可工作性能变差；同时纤维具有一定的吸水性，随着时间的延长，纤维会从砂浆浆体中吸收部分水分造成体系中游离水减少，加速新拌砂浆体系中乳化沥青的破乳，从而导致砂浆流动度相对变化幅度增大。

2.3不同掺量聚丙烯纤维对砂浆力学性能的影响

20℃下不同纤维掺量砂浆的抗压强度和弹性模量测试结果分别见图2、图3。

图2　不同纤维掺量砂浆的抗压强度

图3　不同纤维掺量砂浆的弹性模量

由图2、图3可知，随着纤维掺量的增加，砂浆抗压强度先略有增大后又降低；弹性模量基本无变化。这是由于数量众多的纤维在砂浆内部三维分布并具有良好的裹覆性能，使其成为砂浆内部结构的筋骨，增加了砂浆的内聚力，提高了砂浆的密实性；但当掺量继续增大时，纤维之间彼此搭接、缠绕的概率增大，反而使得砂浆的匀质性变差，并且容易成为砂浆内部结构的缺陷，从而导致砂浆抗压强度略有降低。

2.4不同掺量聚丙烯纤维对砂浆抗冻性能的影响

不同纤维掺量的砂浆300次冻融循环试验后抗冻性能测试结果见图4与表4。可知，随着纤维掺量的增大，砂浆的相对动弹性模量逐渐提高，而砂浆的质量损失率显著降低，由此表明纤维的添加可以较好地起到提高砂浆的抗冻性能的作用。这是由于纤维的加入减少或阻塞了贯通性毛细孔隙的形成，提高了砂浆的密实性，从而减少了砂浆内部孔隙数量和结构内部的含水率，进而也减少或阻隔了冻融循环过程中外部水分的渗入，避免了砂浆冻融循环过程中自由水产生的膨胀与冰晶压力对结构的破坏，由此冻融循环后砂浆的相对动弹性模量提高；纤维与砂浆中的胶凝材料以及沥青均具有良好的裹覆性，纤维在砂浆体系中的破坏是拉断破坏而不是拔出破坏，提高了砂浆的内聚力，因而只有当砂浆外部结构孔隙中水结冰产生的膨胀压力大于纤维破坏力时砂浆才开始损坏，表现为剥落或者碎裂，因此纤维的添加也延迟或降低了冻融循环后砂浆的质量损失。

图4　不同纤维掺量砂浆冻融循环后的相对动弹性模量

表4　不同纤维掺量砂浆冻融循环后的质量损失率

3　结语

纤维的引入能够降低水泥乳化沥青砂浆的材料分离度，从而改善砂浆的匀质性；随着聚丙烯纤维掺量的增大，水泥乳化沥青砂浆的抗压强度先略有增大后又降低，而砂浆的弹性模量基本不变；当聚丙烯纤维掺量达到0.8‰后，水泥乳化沥青砂浆的相对动弹性模量显著增大，质量损失率明显降低，砂浆的抗冻性能显著提升。因此可以通过添加适量的聚丙烯纤维达到提升水泥乳化沥青砂浆耐久性能的目的。

［1］李长风，刘加平，刘建忠，等.纤维增强混凝土中纤维分布表征及调控的研究进展［J］.混凝土，2014（7）：101-113.

［2］吴韶亮，李海燕，邵丕彦，等.CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆的力学性能试验研究［J］.铁道建筑，2012（12）：129-132.

［3］徐方，袁宗征，刘苗，等.有机纤维与聚合物对水泥混凝土层间黏结性能影响研究［J］.混凝土，2015（1）：90-93.

［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］齐建林，朱江.玄武岩纤维在混凝土中的应用与研究进展［J］.混凝土，2011（7）：46-49.

［6］黄志讲，周华新，崔巩，等.高铁梁面防水保护层C40细石纤维混凝土性能研究［J］.混凝土，2014（2）：142-146.

［7］李东，徐征杰，苑香刚.聚丙烯纤维增强混凝土早期抗裂性能及其评价［J］.混凝土，2007（11）：80-81.

（责任审编周彦彦）

Influence of Fibre Sort and Dosage on Performance of Cement Emulsified Asphalt Mortar

WU Shaoliang
（Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

In order to prepare the cement emulsified asphalt mortar used in high latitude cold region with better suitable performance，the influence of the fiber sort and dosage on the work performance，the material separation degree，mechanical property and frost resistance property of cement emulsified asphalt mortar was studied.T he results show that the addition of fiber could improve the homogeneity of mortar，the compressive strength of mortar increases slightly and then decreases，and elastic modulus of mortar is basically unchanged with the increase of the polypropylene fiber dosage，the relative dynamic elastic modulus of mortar increases significantly and the mass loss rate decreases obviously when the content of polypropylene fiber is 0.8‰，and the frost resistance property of mortar is remarkably improved by polypropylene fiber.

Fiber；Cement emulsified asphalt mortar；Polypropylene fiber；Performance

吴韶亮（1981— ），男，助理研究员，硕士。

TU528.58

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.34

1003-1995（2016）07-0140-03

2016-03-05；

2016-05-10

中国铁路总公司科技研究开发计划（2013G008-A-1）