橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆抗水侵蚀性能研究

谢军 ，覃峰 ，唐银青 ，李春

（1.广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023；2.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007；3.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007）

水泥乳化沥青砂浆（CA砂浆）是由水泥、沥青乳液、砂、水和多种外加剂制备而成的一种半刚性结构多孔材料。由于水泥乳化沥青砂浆半刚性结构材料具有一定弹性和强度，能够保证一定的支撑和缓冲作用，所以被广泛应用于高速铁路板式无砟轨道刚性轨道板与水泥混凝土道床之间的调平减振结构层[1-5]。由于水泥乳化沥青砂浆具有一定的空隙，在实际运营过程中雨水通过多种方式浸入水泥乳化沥青砂浆功能层，在行车荷载、环境等共同作用下雨水会逐渐侵蚀、冲刷和腐蚀水泥乳化沥青砂浆内部沥青胶浆、水泥砂浆、集料等之间形成各种结合界面，使水泥乳化沥青砂浆中的沥青胶浆、水泥砂浆、集料等分离、剥落，从而引发结构性能破坏，引起水泥乳化沥青砂浆功能层性能劣化、损伤和失效，这种破坏现象称为水侵蚀或水损害[6-10]。为提高水泥乳化沥青砂浆的弹性，提升水泥乳化沥青砂浆层的缓冲作用效果，在水泥乳化沥青砂浆中掺入橡胶粉进行改性，橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆抗水侵蚀性能的优劣是衡量其路用性能的重要指标。目前国内外尚无水泥乳化沥青砂浆抗水侵蚀性能的检测标准，本研究通过冻融循环、干湿循环、冲磨试验等表征橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆的抗水侵蚀性能。

1 试验

1.1 原材料

（1）乳化沥青：采用湖南某公司生产客运专线铁路板式无砟轨道专用的阳离子乳化沥青，其性能指标见表1，符合《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》）要求。

表1 乳化沥青的主要性能指标

（2）干粉：采用北京某公司生产的水泥沥青砂浆专用干粉D2，其各项性能指标见表2，干粉中水泥占34%。

表2 水泥沥青砂浆专用干粉的性能指标

（3）橡胶粉：选用广西某科学研究院生产路40-3废旧轮胎橡胶粉，粒径40目（0.42 mm），纤维含量不小于3%，其主要化学成分如表3所示

表3 橡胶粉的主要化学成分 %

（4）减水剂：广西某公司生产的UNF-5H为主的砂浆高效减水剂，减水率大于25%。

（5）消泡剂：广东某公司生产的有机硅消泡剂。

（6）硅烷偶联剂：KH560，上海某公司生产，可提高水泥砂浆与橡胶粉、沥青界面的粘结性能。

（7）水：自来水。

1.2 试验配比

本试验的基准配合比（kg/m3）为：m（乳化沥青）∶m（干粉）∶m（减水剂）∶m（消泡剂）∶m（水）=250∶1500∶4.2∶0.3∶160，该基准配合比干粉中水泥用量为510 kg/m3，乳化沥青与水泥的质量比为0.49，水灰比为0.51，均符合《暂行技术条件》要求。按水泥质量的0、2%、4%、6%、8%、10%掺入橡胶粉配制橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆，试件尺寸为Φ100 mm×100 mm的圆柱体，标准养护24 h后拆模，拆模后将试件放入温度为（20±3）℃、相对湿度为（65±5）%的养护箱养护28 d后进行相关性能测试。

1.3 性能测试方法

1.3.1 冻融劈裂强度试验

冻融劈裂强度试验是通过短时间强化模拟筑路材料试件在长期使用过程中受雨水等外部环境因素反复循环作用的试验。参照沥青混合料冻融劈裂试验进行，成型养护28d不同橡胶粉掺量的改性水泥乳化沥青砂浆试件，每组8个，其中随机选取4个试件放入（25±0.5）℃水箱中浸泡2 h后，取出测其劈裂抗拉强度；将剩余4个试件浸入水中，在98.3～98.7 kPa的真空条件下饱水操作15 min，并在水中浸泡0.5 h，试件取出放入塑料袋中，在袋中加入10 mL水，扎紧袋口，放入（-18±2）℃的冷冻箱中（16±1）h，而后放入（60±0.5）℃的恒温水槽中24 h（同时撤去塑料袋）后再将试件放入恒温为（25±0.5）℃的水箱中浸泡2 h后，取出测其劈裂抗拉强度。

1.3.2 干湿循环试验

将成型养护28 d不同掺量的橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆试件（每组4个）分别放入（25±0.5）℃的水箱浸泡12 h后，取出放入40℃暖箱烘干12 h作为1个干湿循环。试验分别测试不同橡胶粉掺量的改性水泥乳化沥青砂浆试件循环0、30、60、90次后的抗压强度。

1.3.3 冲磨试验

当路表水或毛细水渗入轨道板与水泥乳化沥青砂浆功能层交界面，且滞溜在交界面上形成自由水，列车高速行驶通过时轨道板受到瞬时强压荷载振动循环作用，由于轨道板强压荷载振动瞬时循环作用使得滞溜在板底交界面上的自由水产生巨大的动水压力，在巨大动水压力作用下自由水会产生强大的冲刷作用，冲刷使得水泥乳化沥青砂浆功能层细集料等剥落到自由水形成挟砂高速水流，这种挟砂等杂物的高速水流对水泥乳化沥青砂浆功能层造成冲刷和磨损破坏产生坑洞，使轨道板底部产生悬空，影响列车安全行驶，因而要求水泥乳化沥青砂浆功能层具备一定的抗冲磨性能[11-13]。试验将养护28 d不同橡胶粉掺量的改性水泥乳化沥青砂浆试件（每组3个）放入常温水中饱水48 h后擦干表面称重，将试件放入改装密封洛杉矶磨耗试验机中，注水至容兜高1/3，在容兜放入12个钢球，然后开动磨耗机转动5000次停止，将试件取出放入常温清水静泡24 h后取出擦干表面称重，求取质量磨损率，再用试件测试冲磨后劈裂强度。

2 试验结果与分析

2.1 水泥乳化沥青砂浆的基本物理力学性能

制备水泥乳化沥青砂浆，在拌合前掺加0.1%硅烷偶联剂，拌合后测试其砂浆温度、流动度、可工作时间、材料分离度、泛浆率等各项工作性能指标及力学性能，结果如表4所示。

由表4可以看出，水泥乳化沥青砂浆的基本物理力学性能均符合《暂行技术条件》要求。

2.2 橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆冻融试验

橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆冻融试验结果见表5。

表4 橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆的基本物理力学性能

表5 不同橡胶粉掺量水泥乳化沥青砂浆冻融劈裂抗压强度

由表5可知：

（1）橡胶粉掺量影响水泥乳化沥青砂浆的抗水侵蚀能力，橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆冻融前、冻融后的劈裂强度与橡胶粉掺量变化曲线大致相同，均随着橡胶粉掺量的增加先提高后降低，橡胶粉掺量为4.0%时改性水泥乳化沥青砂浆的抗水侵蚀能力最佳。以橡胶粉掺量为0的未改性水泥乳化沥青砂浆为基准，掺入2%、4%、6%、8%、10%的橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆冻融前的劈裂强度分别提高了3.30%、3.85%、-1.11%、-7.14%、-14.56%，冻融后的劈裂强度分别提高了3.81%、4.41%、-2.64%、-10.56%、-19.94%。

（2）掺入0～10%橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆试件的劈裂抗拉强度比均大于85%。其中橡胶粉掺量为4%的改性水泥乳化沥青砂浆的劈裂抗拉强度比最大、橡胶粉掺量为10%的改性水泥乳化沥青砂浆的劈裂抗拉强度比最小。

（3）掺入一定量的橡胶粉可以有效提高沥青与水泥胶砂结合界面的粘结度，提升橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆的抗水侵蚀能力。随着橡胶粉掺量的增加，加大了集料的比表面积，同时橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆的胶凝材料量未增加，导致产生沥青、水泥、砂、橡胶粉等材料在凝结过程中生成结合欠佳的界面，橡胶粉掺量越大，生成结合欠佳的界面越多，其抗水侵蚀能力越差。

2.3 橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆干湿循环试验

橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆干湿循环试验结果见图1。

图1 橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆干湿循环试验结果

由图1可知：

（1）橡胶粉掺量影响水泥乳化沥青砂浆的抗干湿循环性能，在相同的干湿循环次数条件下，水泥乳化沥青砂浆的抗压强度随着橡胶粉掺量的增加先提高后降低，掺入一定量的橡胶粉可以提高水泥乳化沥青砂浆的抗干湿循环破坏作用。橡胶粉掺量为4%的橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆的抗干湿循环破坏性能最佳。以橡胶粉掺量为0的未改性水泥乳化沥青砂浆为基准，掺入2%、4%、6%、8%、10%的橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆干湿循环30次抗压强度分别提高了5.58%、6.62%、-1.69%、-10.37%、-17.76%，干湿循环90次抗压强度分别提高了4.22%、4.99%、-3.89%、-14.68%、-23.12%。这与改性水泥乳化沥青砂浆内部结构的空隙率有关，空隙率越大，橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆抗干湿循环破坏作用性能越差。橡胶粉掺量为0的水泥乳化沥青砂浆空隙率为5.1%，掺入2%～4%橡胶粉，在偶联剂作用下与沥青、水泥胶凝材料相容，有效降低橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆内部的空隙率。当橡胶粉掺量大于4%时，砂浆内部存在部分无法与沥青、水泥胶凝材料相融的自由橡胶粉界面，该类界面越多，橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆内部空隙率越大。橡胶粉掺量为2%、4%、6%、8%、10%的橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆空隙率分别为4.88%、4.72%、5.41%、6.04%、6.97%。

（2）干湿循环次数影响水泥乳化沥青砂浆的使用性能，在前30次干湿循环内不同掺量的橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆抗压强度随着干湿循环次数的增加而提高，而后随着干湿循环次数的增加其抗压强度降低。如以干湿循环0次各掺量橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆抗压强度为基准，橡胶粉掺量为4%的橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆干湿循环30、60、90次抗压强度提高了2.11%、-1.97%、-5.80%。这是因为，橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆养护28 d后其内部尚存部分未水化的水泥，在吸湿过程中，促进橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆内部的水化作用，生产更多水化产物，增强橡胶粉、集料和沥青、水泥胶砂等结合界面的粘结性和相融性，从而有效提高了橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆的抗压强度。从对干湿循环过程中橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆的吸、失水率变化可说明，前30次和30～60次两阶段干湿循环橡胶粉掺量为4%的橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆的平均吸水率分别为1.246%、1.201%，其平均失水率分别为1.107%、1.196%，表明前30次干湿循环作用内橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆内部的反应在不断进行。

2.4 橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆冲磨试验

橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆冲磨试验结果见表6。

表6 橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆冲磨试验结果

由表6可知：（1）随着橡胶粉掺量的增加，水泥乳化沥青砂浆功能层的抗冲磨质量损失率先减小后增大，当橡胶粉量为4%时，水泥乳化沥青砂浆功能层的抗冲磨质量损率较小；（2）随着橡胶粉掺量的增加，水泥乳化沥青砂浆功能层的冲磨后劈裂抗拉强度先提高后降低，当橡胶粉掺量为4%时，水泥乳化沥青砂浆功能层冲磨后劈裂抗拉强度较大；（3）水泥乳化沥青砂浆功能层经过5000次冲磨损伤，其与橡胶粉掺量为0、2%、4%、6%、8%、10%的橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆浸水劈裂抗拉强度（冻融前试件）相比分别降低了9.89%、7.71%、7.17%、10.01%、14.49%、20.26%；同时，经过5000次冲磨损伤后，橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆的劈裂抗拉强度比相同橡胶粉掺量的砂浆1次冻融后劈裂抗拉强度低，说明5000次冲磨损伤比1次冻融损伤对水泥乳化沥青砂浆功能层结构损伤影响更大；（4）橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆抗冲磨性与其结构内部的空隙率和橡胶粉、集料和沥青、水泥胶砂等结合界面完好性等有关。由于所用的橡胶粉目数较细，当橡胶粉掺量小于最佳掺量时，橡胶粉在偶联剂作用下与沥青、水泥等胶凝材料相融，起到一定的填充、连接作用，从而有效降低橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆内部的空隙率。当橡胶粉掺量大于最佳掺量时，在胶凝材料用量不变的条件下，使得部分橡胶粉表面未裹有或部分未裹有胶凝材料，降低改性砂浆的密实性，部分未裹有胶凝材料的橡胶粉会降低橡胶粉、集料和沥青、水泥等胶凝材料的结合界面强度，在动水作用下该界面容易产生剥落分解，使得橡胶粉、集料和沥青、水泥等胶凝材料分离，此类界面越多，结构的抗冲磨性能越差。

3 结论

（1）通过冻融劈裂强度试验得知，掺入0～10%橡胶粉的改性水泥乳化沥青砂浆试件的劈裂抗拉强度比均大于85%，满足《条件》要求。但橡胶粉掺量过大时，改性水泥乳化沥青砂浆的抗水侵蚀性能低于未改性的水泥乳化沥青砂浆。

（2）通过干湿循环试验得知，在前30次干湿循环内不同掺量的橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆抗压强度随着干湿循环次数的增加而提高，而后随着干湿循环次数的增加其抗压强度降低。掺入一定量橡胶粉可以改善和提高水泥乳化沥青砂浆抗干湿循环破坏作用。

（3）通过冲磨试验得知，掺入一定量橡胶粉可以改善和提高水泥乳化沥青砂浆功能层的抗冲磨性能，但橡胶粉掺量过高时，会降低和劣化水泥乳化沥青砂浆功能层的抗冲磨性能。

（4）综合分析得知，橡胶粉掺量为4%左右时制备的橡胶粉改性水泥乳化沥青砂浆抗水侵蚀性能最佳。

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