绿色CA砂浆抗化学介质侵蚀性能试验分析

杨 洋，刘振华，谢旺军，林 洁

（广西交通职业技术学院，广西 南宁 530021）

0 引言

无砟轨道以其高平顺性、高稳定性和少维修等特点，在铁路运营中逐渐显现出明显优势，尤其是随着客运专线和高速铁路的修建，无砟轨道更显出其优越性和重要性［1］。由水泥、细骨料、沥青乳液、水以及多种添加剂等原材料组成的CA砂浆，目前广泛应用于板式无砟轨道结构中［2］。由于我国幅员辽阔，环境因素错综复杂，加之高速铁路板式无砟轨道应用时间较短，已开通运营的客运专线无砟轨道中，砂浆充填层的破碎裂缝及其损伤尤为严重，这大大影响了无砟轨道强稳定性、高平顺性、少维修（或免维修）的轨道结构优点；同时，CA砂浆在制备和运输过程中，消耗资源和能源较大、对环境污染严重、循环再生利用率小也是其应用中的劣势。为了使CA砂浆在不降低性能的基础上大大减少资源消耗和对环境的污染，绿色改性CA砂浆的概念被提出。借鉴公路领域改性混凝土的研究成果，课题组分别进行了橡胶粉、锰渣矿粉改性CA砂浆的物理性能、工作性能、力学性能等测试，其改性效果良好。

针对我国南方地区气候条件与降水情况，现场调查显示CA砂浆层由于化学介质的侵蚀，其材料性能出现变化的现象尤为严重。化学介质侵蚀主要是指由于降水、大气环流、列车遗落等途径带来的酸、油、碱、盐、有害离子等与砂浆中的某些成分发生反应而引起的材料性能恶化［3］。在对CA砂浆抗化学介质侵蚀问题的研究中，王涛［4］通过测试普通CA砂浆抗化学介质试验，表明普通高性能CA砂浆具有较好的耐化学介质侵蚀性能，满足最高的耐蚀等级，其中耐机油侵蚀性较耐酸、耐碱和耐盐差；曾晓辉［5］、杨凯［6］模拟酸雨对CA砂浆的侵蚀破坏作用，表明酸液的长时间浸泡将导致CA砂浆试件开裂、剥落，抗压强度降低。虽然对普通CA砂浆的抗化学介质侵蚀研究已经开展，但并不系统，且针对改性CA砂浆尤其是绿色CA砂浆抗化学介质侵蚀能力的测试鲜有报道。本文在改性CA砂浆研究的基础上，分别掺入0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%绿 色掺合料（橡 胶粉、锰渣矿粉）进行绿色改性CA砂浆的制备，并对绿色CA砂浆的抗化学介质侵蚀能力进行测试，试图完善绿色CA砂浆研发中各项性能体系，为今后改性CA砂浆在南方地区的应用提供理论依据。

1 试验

1.1 原材料

乳化沥青：采用北京某公司板式无砟轨道调整层专用乳化沥青，极性为阳性，各项性能满足《客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》（以下简称暂行技术条件），具体性能指标如表1所示。

干料：采用产地为四川的高速铁路客运专线板式无砟轨道CA砂浆专用干料，用于配置干料的硅酸盐水泥、细骨料、铝粉、膨胀剂均符合规范要求，干料中水泥含量为40%，干料性能指标见下页表2。

绿色掺合料：橡胶粉：试验选用广西某科学研究院生产粒径为40目（0.42mm）的废旧轮胎橡胶粉，纤维含量≥3%，其化学成分如下页表3所示［7］；锰渣：采用广西某厂排放的高炉水淬锰铁矿渣，其中有效化学成分（CaO＋MgO）／（SiO2＋Al2O3）＝1.11＞1，具体指标见下页表4。

其他外加剂和水：减水剂采用广西某公司生产的UNF－5H为主的砂浆高效减水剂，减水效率＞25%；消泡剂采用广东某公司生产的有机硅类消泡剂；为了提高橡胶粉与水泥砂浆、沥青界面的粘结度，试验采用上海某公司生产的硅烷偶联剂kh560；水采用南宁市绿城水务股份有限公司提供的自来水，其各项性能指标满足国家自来水指标要求［8］。

表1 高速铁路板式无砟轨道CA砂浆乳化沥青性能指标表

表2 高速铁路板式无砟轨道CA砂浆专用干料性能指标表

表3 橡胶粉化学成分表（%）

表4 锰渣矿粉组成及物理性能指标表

1.2 配合比

客运专线板式无砟轨道CA砂浆调整层，主要起缓冲、减震、降噪排水等作用。绿色CA砂浆的试验配合比在以暂行技术条件作为基本指导文件的基础上，考虑混凝土领域改性成果，分别以0、5%、10%、15%、20%、25%、30%橡胶粉和锰渣矿粉等体积代替CA砂浆中的水泥用量，不同掺量绿色CA砂浆配合比见表5，其中A1－A7为橡胶粉改性CA砂浆，B1－B7为锰渣矿粉改性CA砂浆。用此配合比制备的绿色CA砂浆，乳化沥青中水的含量为50%，配合比中水的总量为260kg／m3，水泥总量510kg／m3＞400kg／m3、乳化 沥青 与水 泥比 值 0.49＞0.35、水 灰 比0.51＜0.58，均满足暂行技术条件要求。

1.3 试验方法

试验严格按照暂行技术条件执行，拌合制备40.4mm×40.4mm×40.4mm绿色CA砂浆试块每组3块，共9块。分别在24h拆模后进行标准养护28d，并进行外观检查与称重，之后分别放置在含有化学介质侵蚀液中90d，再取出试块进行外观检查、称重与抗压强度测试。其中，在室温（25℃）时四类化学介质侵蚀液（酸、碱、盐、油）的配置组分分别为：0.5%的硫酸溶液H2SO4、1%的氢氧化钠溶液NaOH、1%的硫酸钠溶液Na2SO4以及常用机油。

表5 绿色掺合料改性CA砂浆配合比一览表（kg）

2 数据与分析

借鉴我国沥青类材料的耐腐蚀方法评价标准［9］（如表6所示），将绿色CA砂浆重量变化与强度变化按照公式（1）进行计算：

其中，ΔR——试块强度（质量）变化率；

R0——侵蚀前试块的强度（质量）；

R1——侵蚀后试块的强度（质量）。

表6 沥青类材料抗化学介质侵蚀评价标准表

2.1 耐酸性能

大气中的酸雨是高速铁路化学侵蚀酸性物质的主要原因之一。根据调查，酸雨主要酸性粒子由SO42－、NO－3构成。试验利用稀释的H2SO4溶液配置模拟酸雨环境，对绿色CA砂浆试块进行浸泡，由于实际环境中酸性化学介质对调整层侵蚀周期较长，故以0.5%浓度浸泡90d作为试验模拟环境，试验结果如图1、图2所示。

图1 酸性介质侵蚀前后绿色（橡胶粉）改性CA砂浆强度、质量变化图

图2 酸性介质侵蚀前后绿色（锰渣矿粉）改性CA砂浆强度、质量变化图

观察图1、图2可知：（1）两种绿色CA砂浆的强度和质量在模拟酸雨溶液中浸泡过后，均出现不同程度的变化，这说明酸性化学介质对CA砂浆试块有侵蚀作用；（2）绿色CA砂浆在模拟酸雨溶液中浸泡后，其抗压强度随着掺合料掺入量的不同，出现了先升高后降低的趋势，在两种绿色CA砂浆试块中，拐点分别出现在掺合料为5%和20%附近，抗压强度分别比原试块抗压强度下降了11.9%和14.5%，且下降的幅度在5%和20%周围呈现先降低后增大的趋势，这表明了两类绿色CA砂浆的最佳配合比范围；（3）绿色CA砂浆的质量变化均呈现上升趋势，且橡胶粉掺合料试块比锰渣矿粉试块更为明显，同时并没有因为绿色掺合料的掺入量增多就大幅变化，这主要由于除了CA砂浆本身吸水以外，橡胶粉比锰渣吸水率更大所致。

2.2 耐碱性能

由于高速铁路板式无砟轨道铺设涉及碱性环境地区，所以需要测试绿色CA砂浆抵抗碱性环境的能力。试验采用1%浓度的NaOH溶液进行碱性环境的模拟，将绿色CA砂浆试块浸泡于溶液中，测试结果如下页图3、图4所示。

图3 碱性介质侵蚀前后绿色（橡胶粉）改性CA砂浆强度、质量变化图

图4 碱性介质侵蚀前后绿色（锰渣矿粉）改性CA砂浆强度、质量变化图

观察图3、图4可知：碱性化学介质可以降低绿色CA砂浆的抗压强度，随着绿色掺料掺入量的增加，强度变化基本与酸性介质侵蚀变化规律相同，两种绿色CA砂浆抗压强度降低拐点出现在5%与20%附近，且抗压强度分别降低了7.96%和4.67%，这说明绿色CA砂浆抗碱性化学介质侵蚀性能较好；而在对于质量增大的影响上，锰渣掺合料试块明显小于橡胶粉掺合料试块，应与掺合料的吸水性能相关。

2.3 耐盐性能

盐类的侵蚀也是化学侵蚀的一部分。试验利用硫酸钠溶液Na2SO4，并严格按照水泥抗硫酸盐试验方法GT32420－80进行绿色CA砂浆抵抗盐类侵蚀能力的测试，试验结果如图5、图6所示。

图5 盐类介质侵蚀前后绿色（橡胶粉）改性CA砂浆强度、质量变化图

图6 盐类介质侵蚀前后绿色（锰渣矿粉）改性CA砂浆强度、质量变化图

观察图5、图6可知：盐类介质侵蚀对于绿色CA砂浆抗压强度的改变不够明显，且两种绿色CA砂浆抗压强度降低幅度分别在5%和10%左右；质量变化则更加不够明显，质量明显增加的只有橡胶粉试块。

2.4 耐油性能

由于在板式无砟轨道结构上行驶列车过程中，不可避免地有部分机油漏出，而沥青混合料又恰恰在机油等溶液中容易分解，所以有必要测试机油对绿色CA砂浆的侵蚀程度。采用普通机油对绿色CA砂浆试块进行浸泡，测试其抗压强度与质量的变化情况，如图7、图8所示。

图7 机油介质侵蚀前后绿色（橡胶粉）改性CA砂浆强度、质量变化图

观察图7、图8可知：（1）机油类化学介质能明显侵蚀绿色CA砂浆，降低绿色CA砂浆抗压强度和质量；（2）随着掺合料掺入量逐渐增大，抗压强度降低的幅度出现先减小后增大的趋势，拐点约为5%和20%处，拐点处降低幅度约为13.93%和15.68%，这说明前文提到的最佳掺合料范围是客观存在的；（3）质量减小幅度均在15%以内，且分别出现幅度逐渐减小和幅度维持不变的规律，这说明橡胶粉改性CA砂浆受机油影响变化幅度比锰渣矿粉改性CA砂浆敏感。

图8 机油介质侵蚀前后绿色（锰渣矿粉）改性CA砂浆强度、质量变化图

2.5 机理分析

绿色CA砂浆制备过程中，分别掺入两种掺合料橡胶粉与锰渣矿粉，其中橡胶粉作为一种高分子材料，其潜在活性具有和沥青发生反应从而改性CA砂浆的可能；而锰渣矿粉主要由玻璃体构成，其中含有含锰硅酸盐及铝硅酸盐的矿物，所以具有潜在的水硬性和火山灰性，具备将其作为CA砂浆掺合料的条件［10］。当绿色CA砂浆中绿色掺合料在最佳范围内时，绿色掺合料的掺入可以改善CA砂浆的性能，且对CA砂浆抗化学介质侵蚀能力有所改善：当绿色CA砂浆受到酸性溶液侵蚀时，由于C－S－H凝胶逐渐溶蚀，试块强度将会降低，同时水化产生的CaSO4·2H2O结晶膨胀，使试块密实度升高，阻隔外界酸溶液的侵入但同时内部侵蚀进一步加剧，期间还伴随着酸性环境下生物腐蚀的强度降低，整个过程中，绿色掺合料的加入对强度的影响甚微而质量的增加则与橡胶粉的加入量密切相关，这是由于橡胶粉较锰渣矿粉吸水更为明显所致；当绿色CA砂浆受到碱性溶液、盐类溶液侵蚀时，其侵蚀效果不明显，基本很难发生相对剧烈反应，侵蚀的程度主要与CA砂浆本身组成有关；当绿色CA砂浆受到机油侵蚀时，沥青在机油中性能大幅下降，和其他组分的结合能力大大降低，乳化沥青的粘结能力的丧失，直接导致各组分松散甚至剥落，大大影响了抗压强度和质量的变化，而同时在最佳掺入量范围内的绿色CA砂浆基本能够保持规范要求。总之，绿色CA砂浆在受到化学介质侵蚀时，在酸性溶液和机油作用下性能变化明显，在最佳掺入量的绿色掺合料范围内，CA砂浆能符合暂行技术条件的要求，绿色CA砂浆抗化学介质侵蚀能力较强。

3 结语

借鉴混凝土领域改性的经验，在改性CA砂浆基础研究上，分别掺入0、5%、10%、15%、20%、25%、30%绿色掺合料（橡胶粉、锰渣矿粉）进行绿色改性CA砂浆的制备，并对绿色CA砂浆的抗化学介质侵蚀能力进行测试，得到如下结论：

（1）通过分别掺入橡胶粉和锰渣矿粉制备的绿色CA砂浆，当掺入量在最佳范围内时，经过一段时间化学介质侵蚀后，其抗压强度、质量的变化符合我国沥青类材料的耐腐蚀方法评价标准。

（2）通过分别掺入橡胶粉和锰渣矿粉制备的绿色CA砂浆，抗压强度的变化幅度呈现先降低后升高的趋势，且拐点分别出现在掺合料为5%与20%附近；而质量变化和材料的吸水程度有关，其中橡胶粉吸水程度明显高于锰渣矿粉。

（3）通过分别掺入橡胶粉和锰渣矿粉制备的绿色CA砂浆，其抵抗酸性溶液、机油的侵蚀能力明显低于其抵抗碱性溶液和盐类溶液的能力。酸性溶液环境会给绿色CA砂浆内部带来剧烈反应，使其强度下降、密实度升高、生物腐蚀加剧；机油将溶蚀乳化沥青，使各组分松散剥落，抗压强度和质量下降严重。