不同极性乳化沥青水泥浆液性能研究

摘 要：【目的】探究离子极性、水灰比、沥灰比对水泥乳化沥青浆液（CEA）的流动度、抗压强度、收缩特性的影响规律与机理。【方法】通过多组分配比试验，研究各因素对CEA性能的影响规律与机理，并结合正交分析法研究不同因素对CEA浆体性能的影响程度。【结果】当沥灰比（A/C）为0.2时，随着水灰比（W/C）由0.35增加至0.45，不同離子型的CEA浆体流动度、3 d抗压强度与凝固收缩均增大；当W/C相同时，阳离子CEA浆体流动度以及凝固收缩最小，但3 d抗压强度最大，阴离子CEA浆体流动度和凝固收缩最大，而3 d抗压强度最小。【结论】在实际工程中若对浆体凝固后的强度要求较高，可优先考虑阳离子乳化沥青。若需要高流动性CEA浆液则优先考虑阴离子乳化沥青，并考虑浆体的凝固收缩。

关键词：不同极性乳化沥青；水灰比；沥灰比；流动度；抗压强度

中图分类号：U414      文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）07-0058-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.07.012

Study on the Performance of Emulsified Asphalt Cement Slurries with Different Polarities

HUANG Xiaolei

（China Railway 14th Bureau Group Co.， Ltd.， Jinan 250101， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to investigate the effects and mechanisms of ionic polarity， water-cement ratio， and ratio of asphalt to cement on the fluidity， compressive strength， and shrinkage characteristics of cement emulsified asphalt （CEA） slurry. [Methods] This study examines the influence laws and mechanisms of various factors on the performance of CEA through multiple component ratio experiments and investigates the impact levels of different factors on the performance of CEA slurry using orthogonal analysis. [Findings] When the A/C is 0.2， with the W/C increasing from 0.35 to 0.45， the fluidity， compressive strength at 3 days， and setting shrinkage of CEA slurry with different ionic polarity all increase. When the W/C is constant， the cationic CEA slurry has the minimum fluidity and solidification shrinkage， but the maximum compressive strength at 3 days， whereas the anionic CEA slurry has the maximum fluidity and solidification shrinkage， but the minimum compressive strength at 3 days. [Conclusions] In practical engineering applications， if a high strength of the slurry after solidification is required， it is recommended to give priority to cationic emulsified asphalt. If high fluidity CEA slurry is needed， priority should be given to anionic emulsified asphalt， and the solidification shrinkage of the slurry should be considered.

Keywords： different polarity emulsified asphalt; water-cement ratio; ratio of asphalt to cement; fluidity; compressive strength

0 引言

近年来，盾构工法在城市地铁隧道中得到了广泛的应用。盾构隧道掘进过程中常采用注浆的方式对盾尾间隙进行充填，以达到加固地层、止水防渗及使管片受力均匀的目的。堵漏灌浆技术的核心是灌浆材料，地铁隧道大孔隙地层目前没有具有针对性的灌浆材料和技术，这种大孔隙地层对灌浆材料的要求是浆液应具有良好的流动性和可灌性，且在较短时间内具有相当的强度和一定的扩散范围。沥青系注浆技术是新发展起来的一种快速堵漏新技术，近年来在水利工程中已经有相关的应用［1-3］，但地铁隧道不同于水利工程的实际工况，因此，研究适合于地铁隧道大孔隙地层防渗堵漏的灌浆技术与材料，具有重要的工程意义。

水泥乳化沥青（Cement Emulsified Asphalt，CEA）浆液，由于水泥和乳化沥青两种结合料在搅拌过程中相互吸附［4］，水泥水化产物和破乳后的沥青颗粒相互交织为网络结构，CEA浆液的强度逐渐形成［5］。然而，不同的表面活性剂配方、乳化设备生产出的乳化沥青特性如离子极性、粒径分布等均有很大的差别［6］。不同离子极性、不同的水泥或乳化沥青掺量会直接影响CEA浆液的性能，从而影响注浆施工效果。因此，需要研究不同集料掺量对浆液性能的影响规律，并探究其影响机理。

已有学者研究了乳化沥青掺量、水泥掺量等因素对CEA砂浆的性能影响［7］。Zhang等［8］研究了不同含量的阳离子乳化沥青、水泥含量和温度变化对CEA浆液的黏度影响规律；黄琴龙等［9］利用阳离子慢裂型乳化沥青、普通硅酸盐水泥、石灰石碎石以及机制细砂研究了不同配比下结石体的强度特性，分析了微观结构组成对宏观力学特征的影响；郭豪彦等［10］研究了水灰比和沥灰比及养护条件对阳离子水泥乳化沥青注浆料的流动性、水泥水化、水化热及抗压强度的影响；Liu等［11］研究了SBS、SBR改性阳离子乳化沥青对水泥乳化沥青的含气量和力学性能的影响，结果表明，两种改性乳化沥青混合料的流动时间、含气量及韧性均随沥灰比的增加而增加，而抗压强度降低，两种改性剂对混合料表现出不同的影响；Wang等［12］分析了两种不同极性的乳化沥青拌和物的性能，研究了其对拌和物工作性能、水泥水化进程、水化热以及弹性模量的影响，结果表明，阴离子乳化沥青比阳离子乳化沥青水泥水化更延缓。

综合所述，不同离子极性乳化沥青、不同配比下的CEA浆液性能有显著差异。为研究CEA浆液流动性、强度、收缩特性随离子极性、水灰比和沥灰比的变化规律，本研究采用正交试验设计制备多组不同离子极性、水灰比和沥灰比的CEA浆液，探究不同影响因素对其性能的影响规律。通过研究，为郑州地铁十二号线等的盾构隧道注浆堵漏技术的设计与施工提供依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

选用PO.42.5普通硅酸盐水泥和河南弘太公路工程有限公司生产的阳离子和阴离子乳化沥青为基本原料，其性能指标见表1、表2、表3。其中两性乳化沥青使用两性乳化剂制作而成。外加剂选用聚羧酸高效减水剂，其掺量为水泥掺量的0.4%。

1.2 试样制备与试验方法

1.2.1 试样制备。参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T 70—2009），将设定质量的各原材料按投料顺序：先将水泥、膨润土、水、减水剂一同加入搅拌机中，以120 r/min的速度搅拌120 s；然后加入乳化沥青以60 r/min的攪拌速度搅拌180 s［13］；最后取新拌制的浆液进行流动度试验，剩余混合料倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的模具中，并置于标准养护箱中养护，用于测定CEA固化试块3 d时的抗压强度。

1.2.2 试验方法。流动度测定参照《盾构法隧道同步注浆材料》（DB42/T 1218—2016）；无侧限抗压强度试验参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T 70—2009）。

2 试验方案与结果分析

为探究乳化沥青离子极性、水灰比和沥灰比对CEA浆液流动度、抗压强度与凝固收缩的影响，设计水灰比（质量比W/C）分别为0.35、0.40、0.45，沥灰比（质量比A/C）分别为0.2、0.3、0.4的试验方案。测试不同试验方案下试样的流动度、3 d抗压强度及凝固收缩。其中凝固收缩是指CEA浆液在拆模时试块上表面的收缩距离。具体试验方案与结果见表4。

2.1 水灰比对不同离子极性CEA浆液性能的影响

不同离子极性对CEA浆液基本性能的影响如图1所示。流动度是评价浆液性能的重要指标［14］。由图1（a）可知，随着W/C的增大，CEA浆液的流动度逐渐增大。浆液的流动度主要取决于自由水的含量，随着W/C的增大，浆体中自由水含量逐渐增加，流动度增大。混合料中的水存在方式有三种，分别是与水泥颗粒反应形成的结合水、浸润水泥颗粒的湿润水及自由水［15］。本研究所做的试验中，水泥质量都相同，即水泥水化所需水量是定值。当W/C为0.35～0.40时，随W/C的增大流动度增加缓慢；当W/C从0.40增加到0.45时，流动度增加幅度较大。其原因是随着W/C的增大，当结合水与湿润水逐渐趋于饱和时，随着W/C继续增大，多余水大部分为自由水，因此，浆液流动度增大较快。

由图1（b）可知，随着水灰比的增大，不同离子型CEA浆液其抗压强度逐渐增高。本研究中CEA试块的抗压强度主要来自水泥水化所形成的结构。其中W/C中的水是由外加自由水和乳化沥青破乳后产生的水组成，当W/C较低时自由水含量较少，水泥水化所需的水分得不到快速补充，水泥水化进程缓慢或停滞，部分水泥颗粒未发生水化。随着乳化沥青逐渐破乳，自由水含量增多，同时乳化沥青破乳后分离出的沥青会包裹水泥颗粒，阻碍其水化反应［16］。当W/C为0.35～0.45时，随着W/C增大，试块3 d抗压强度逐渐增加。原因是随着W/C的增大，浆液自由水含量逐渐增多，水泥颗粒可以与自由水充分接触并发生水化反应，从而使其强度增加［17］。

由图1（c）可知，不同离子型的CEA浆体凝固后的收缩量随水灰比的增大而增大，CEA浆体的凝固收缩特性主要来自水泥水化凝固后的收缩。水泥的收缩主要是由于试块内部相对湿度高于外部环境的相对湿度，使试块内部水分快速流失；在水分流失的过程中，由于毛细管内部液面曲率变大，导致液面张力增大，对毛细管管壁产生压力；在持续失水时，毛细压力不断增强导致水泥干燥收缩。由于试块内水分中包含乳化沥青破乳后分离出的水分，因此，乳化沥青的破乳速度会对CEA试块的收缩速度产生影响［18-19］。由于在阴离子乳液中，沥青液滴被负电荷包围，造成在碱性环境中表面活性剂与钙离子发生反应［20］，促进了乳化沥青的破乳，而弱碱性环境对阳离子乳化沥青的破乳进程影响较小。因此早期阴离子乳化沥青试块失水较多，试块收缩较大，混合型次之，阳离子最小。同样在相同水灰比下，阴离子CEA浆液流动度最大，阳离子CEA浆液流动度最小。由于失水速度快，而水泥水化进程缓慢，导致阴离子CEA浆液水泥水化程度低于阳离子CEA浆液，进而使其3 d抗压强度较低。

2.2 沥灰比对不同离子极性CEA浆液性能的影响

不同沥灰比下阳离子CEA浆液流动度、抗压强度和凝固收缩变化如图2所示。由图 2（a）可知，随A/C的增大CEA浆体流动度逐渐减小，其原因是乳化沥青破乳后产生的沥青颗粒黏度大，与水泥颗粒结合流动阻力增加，降低了浆液的流动度。随水灰比的增大CEA浆液流动度增大。在W/C为0.35～0.45、A/C为0.2～0.4范围内水灰比对浆液流动度的影响占 主要地位。由图2（b）可知，当W/C为0.35～0.45、A/C为0.2～0.4时，CEA试块的3 d抗压强度随A/C的增大而减小。

由于乳化沥青破乳后分离出的沥青滴强度低，因此试块的强度主要来自水泥水化产物。随着沥灰比的增大水泥含量不变，但是相对含量减少，且破乳后的沥青滴会包裹水泥颗粒阻碍其水化反应，因此试块内部水泥水化产物减少，强度降低。水泥水化产物减少，导致试块内部水分流失的增多，在水分丧失过程中毛细管内液面表面张力持续挤压毛细管壁，最终导致试块凝固收缩增大。这就是图2（c）中试块收缩随沥灰比的增大而增大的原因。

3 正交分析

选择水灰比（A）、沥灰比（B）及误差（E）为配比试验的影响因素，其中第三因素E为空白列，将流动度、抗压强度、试块收缩设为目标函数。选用L9（3^3）正交表开展三因素三水平正交设计，正交试验因素水平见表5。

按照表5中的因素水平，对水泥乳化沥青注浆料配比试验中的W/C、A/C采用极差分析，以确定流动度、抗压强度及凝固收缩的主要影响因素，结果见表6。

极差大小反映该因素对目标函数的影响程度。由表6可知，W/C和A/C的极差较大，说明W/C和A/C均为关键因素，对流动度、抗压强度、试块收缩均有显著性影响。空白列的极差较小，证明试验设计合理，试验结果可靠性较高。以抗压强度为目标函数的A/C极差最大，说明A/C的变化对抗压强度影响最大；而以流动度和试块收缩为目标函数的W/C的影响程度大于A/C。

4 结论

根据结果分析不同离子型、不同配比的CEA浆液的抗压强度、流动度随各因素的变化规律；通过正交分析，研究了各因素对CEA浆液的流动度、抗压强度的影响程度，得出以下结论。

①在水灰比为0.35～0.45时，不同离子型CEA试块3 d抗压强度随水灰比增加而增大。在相同配合比的情况下，阳离子CEA试块抗压强度最大，阴离子CEA试块最小。水灰比相同时，阴离子CEA浆体流动度、凝固收缩最大，阳离子CEA浆体流动度、凝固收缩最小。

②对阳离子CEA浆液，在水灰比為0.35～0.45时，流动度、抗压强度随水灰比的增加而增大、随沥灰比的增大而减小。CEA浆液的凝固收缩随沥灰比的增加而增大。

③CEA浆液的流动度主要受自由水含量的影响。而CEA试块3 d抗压强度主要受水泥水化产物的含量影响，沥灰比的增加会抑制水泥水化的进程，从而降低其抗压强度。CEA浆液的凝固收缩主要是因为水泥的干燥收缩，受内部水分流失量的影响。

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收稿日期：2023-10-21

作者簡介：黄小雷（1982—），男，本科，工程师，研究方向：隧道工程建设与管理。