乳化沥青种类和用量对CAM 砂浆性能影响

李 娜，徐鹏飞

（日照公路建设有限公司，山东 日照 276826）

1 概述

无碴板式轨道具有维护量低，使用寿命长，结构高度低等优势，广泛应用于高速铁路建设工程[1]。水泥乳化沥青砂浆（Cement Asphalt Emulsion Mortar，简称CAM）是无碴板式轨道结构中关键组成部分，通常作为减振材料应用于混凝土基础间[2]。CAM 主要由水泥，乳化沥青，细集料和外加剂组成[3]。根据乳化沥青和水泥质量比（Asphalt Emulsionto Cement，简称A/C）不同，CAM 分为I 型（低模量CAM）和II 型（高模量CAM）。由于乳化沥青存在，CAM 性能与普通水泥砂浆相差较大，除原材料组成外，乳化沥青种类及用量对CAM 性能有重要影响。目前关于乳化沥青类型对CAM 性能影响研究甚少，尤其缺乏针对乳化沥青类型对I 型和II 型两种CAM 性能的影响研究。因此，本文采用SBS 和SBR两种改性乳化沥青及不同乳化沥青用量（A/C）制备高、低两种模量CAM，研究乳化沥青类型和用量对CAM 新拌和硬化性能影响。其中，CAM 新拌性能由工作性表征；硬化性能由抗压强度、28d 弹性模量和抗冲击韧性表征。

2 原材料和试验方法

2.1 原材料

2.1.1 乳化沥青

采用SBS 和SBR 对70＃ 沥青改性，用阳离子乳化剂对改性沥青进行乳化，获得乳化沥青，表1 为乳化沥青主要技术指标。其各项技术指标均符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011)规范要求。

表1 乳化沥青主要技术指标

2.1.2 水泥

胶凝材料为硫铝酸盐水泥和P.O42.5 级普通硅酸盐水泥，通过试验确定两者比例为3:7。胶凝材料主要技术性能指标见表2。胶凝材料技术指标均符合《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）规范要求。

表2 胶凝材料主要技术指标

2.1.3 骨料

细骨料采用细度模数为1.6 的天然河砂，最大粒径小于1.18mm。细集料各项性能指标均符合《公路工程集料试验规程》（JTJ058-2000）规范要求。

2.1.4 水

拌和用水采用饮用水。

2.2 配合比设计

表3，表4 为I 型和II 型CAM 配合比。根据CAM 实际应用情况，其水灰比固定为0.73，I 型CAM 的A/C 为0.83，0.85 和0.87；II 型CAM 的A/C为0.33，0.35 和0.37。改性剂含量分别为0～3%。其中总拌和用水量包括乳化沥青含水量。

表3 CAM 改性剂掺量

表4 试验配合比

使用水泥胶砂搅拌机在室温条件下拌和CAM。操作步骤如下：①将乳化沥青和水加入拌和锅中低速拌和1min；②在30s 内加入河砂和水泥；③将混合物低速拌和1min，然后快速搅拌2min，最后再低速搅拌30s。试样在24h 后脱模，然后在标准养护室（温度20±3℃，相对湿度65%）养护至测试龄期。

2.3 试验方法

2.3.1 工作性测试

参考 《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GBT50080-2016）规定，采用流动时间指标评价CAM 工作性，流动时间由J 型漏斗法测试，用新拌砂浆填充J 型漏斗，记录砂浆从喷嘴流出所需时间为流动时间。

2.3.2 力学性能测试

参考 《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GBT50080-2016）规定，测试CAM 力学性能，抗压和弹性模量试件尺寸均为Φ：50mm×50mm。

2.3.3 抗冲击韧性测试

采用落锤冲击试验测试CAM 抗冲击韧性，试件尺寸为Φ：165mm×65mm。操作过程参考《纤维钢筋混凝土性能测量》（ACI544.2R-1999）要求进行。当试样出现裂纹和破损时，冲击次数N 作为冲击韧性指标。

2.3.4 微观形貌测试

采用S4800 环境扫描电子显微镜（ESEM）观测CAM 微观结构。收集测完28d 力学性能的CAM 碎块，将其磨成直径约5mm，高度约3mm 小块，测试前对试样喷金处理，测试温度为20℃。

3 结果与讨论

3.1 新拌CAM 性的工作性

图1 为新拌CAM 流动时间测试结果。由图1可知，随乳化沥青含量增加（对应A/C 增大，下同），新拌CAM 流动时间增加，表明乳化沥青含量越多，CAM 工作性能越差。这是因为乳化沥青含量增加导致水泥颗粒和乳化沥青颗粒聚集，从而降低CAM流动性；另外，乳化沥青含量越多，CAM 粘度越大，对拌合物工作性能产生不利影响。与II 型CAM 相比，I 型CAM 工作性能明显较差，这是因为I 型CAM 的A/C 较大，乳化沥青对拌合物工作性能阻碍作用越明显，结果表明，乳化沥青用量对I 型CAM工作时间不利影响更显著。

图1 乳化沥青用量和类型对CAM 工作性影响

另一方面，当乳化沥青含量一定时（对应A/C相等，下同），新拌CAM 流动时间随SBR 含量增加而减少，而随着SBS 含量增加而增加。这是因为：①SBS 和SBR 对乳化沥青粘度影响不同，SBS 掺量对提高乳化沥青粘度作用更明显，从而SBS 改性乳化沥青产生较大的屈服应力，对新拌CAM 流动性能产生不利影响；②两种乳化沥青粒径分布差异，SBR改性乳化沥青平均粒径随SBR 掺量增加略有减小趋势，而SBS 改性乳化沥青平均粒径随SBS 掺量增加明显增加，对新拌CAM 流动性产生不利影响。结果表明，与SBR 改性乳化沥青相比，SBS 改性乳化沥青对CAM 工作性能的不利影响更显著。

3.2 CAM 硬化性能

3.2.1 抗压强度

图2 为CAM7d 和28d 抗压强度影响试验结果。由图3 可知，CAM 抗压强度随乳化沥青用量增多而减小，且乳化沥青用量过多对砂浆早期强度发展速度不利。这是因为：①乳化沥青用量增多，意味着水泥用量相对减少，故水泥水化产物减少，不利于CAM 强度形成；②CAM 强度主要由水泥水化产物提供，乳化沥青用量过多时，多余的乳化沥青包裹未水化水泥颗粒，阻碍其水化，故乳化沥青用量过大对砂浆强度不利；③乳化沥青用量增加，导致砂浆体系中薄弱的有机-无机界面数量和面积增大，对砂浆强度形成不利。结果表明，乳化沥青用量,不利于CAM 强度形成，I 型CAM 乳化沥青相对含量较高，故I 型CAM 比II 型CAM 强度低，且强度增长速率较慢。

图2 乳化沥青用量和类型对CAM 抗压强度影响

由图2 还可看出，CAM 抗压强度随改性剂（SBS和SBR）掺量增加而降低。这是因为掺入改性剂增加了砂浆的不均匀性，在砂浆中形成薄弱界面，进而降低CAM 抗压强度。另外，SBS 改性水泥乳化沥青砂浆强度明显低于SBR 改性水泥乳化沥青砂浆。这是因为SBS 改性乳化沥青的平均粒径较大，砂浆含气量较高，故导致CAM 抗压强度降低。且II 型CAM 抗压强度受改性剂掺量影响较小。

3.2.2 28d 弹性模量

图3 为CAM28d 弹性模量测试结果。由图3 可见，CAM 的28d 弹性模量随乳化沥青用量增加而降低。这是因为CAM 由高弹性模量组分（水泥）和低弹性模量组分（乳化沥青）组成，乳化沥青用量增加意味着体系中低弹性模量组分增加，从而CAM 表现出弹性模量降低趋势。且I 型CAM 弹性模量比II型CAM 低，这是因为I 型CAM 相对乳化沥青用量多，从而CAM 体系中低模量组分多。

从图3 中还可以看出，CAM 的28d 弹性模量随改性剂掺量增加而降低，且SBS 改性水泥乳化沥青砂浆28d 弹性模量降低幅度明显大于SBR 改性水泥乳化沥青砂浆。改性剂掺量对CAM 的28d 弹性模量影响趋势与抗压强度类似。

图3 乳化沥青用量和类型对CAM 弹性模量影响

3.2.3 抗冲击韧性

图4 为CAM 抗冲击韧性影响试验结果。由图4可见，CAM 抗冲击次数随乳化沥青用量增加而增加，这意味着CEAM 抗冲击韧性随乳化沥青用量增加而增加。这是因为水泥乳化沥青韧性主要由具有优异韧性的乳化沥青组分提供，因此乳化沥青用量增加导致砂浆韧性增加，且乳化沥青用量越多，砂浆韧性提升效果越明显，故I 型CAM 抗冲击韧性远优于II 型CAM。

图4 乳化沥青用量和类型对CAM 抗冲击韧性影响

从图4 还可以看出，CEAM 的抗冲击韧性随改性剂掺量增加而增加。且SBS 改性水泥乳化沥青砂浆抗冲击韧性明显由于SBR 改性水泥乳化沥青砂浆，当SBS 掺量大于2%时，CEAM 抗冲击韧性急剧增加。这是因为SBS 属于热塑性弹性体，具有良好柔韧变形能力，故掺入SBS 可起到增韧和增塑作用，从而提高CEAM 抗冲击韧性。结果表明SBS 改性剂对CAM 抗冲击韧性提高更有利。

4 结语

本文通过调整乳化沥青种类和用量制备出不同类型CAM 砂浆，并研究了CAM 砂浆新拌性能和硬化性能，得到以下结论：

（1）CAM 砂浆工作性能、抗压强度、弹性模量随乳化沥青用量增加而降低；抗冲击韧性随乳化沥青用量增加而增加，故II 型CAM 砂浆宜用于对强度要求高地方；而I 型更适合应用于减振作用；

（2）SBS 改性剂对CAM 砂浆工作性能不利；

（3）SBS 改性水泥乳化沥青砂浆强度和弹性模量明显低于SBR 改性水泥乳化沥青砂浆，结果表明，SBR 改性剂对CAM 砂浆性能提升效果更有效；

（4）乳化沥青用量越多，CAM 砂浆体系水化产物越少，且SBR 改性CAM 砂浆比SBS 改性CAM 砂浆结构更致密。结果表明，乳化沥青用量不宜过多，I 型A/C 宜在0.85 左右，II 型A/C 宜在0.35 左右，SBR 改性剂最佳掺量为2%。