CA砂漿強度的影響因素及作用機理研究

徐 靜，張 勇，張小冬，洪錦祥，萬 赟，王文峰

(江蘇省建筑科學研究院，南京 210008)

通過試驗考察了水泥含量、含氣量、養護制度、乳化瀝青種類等對CA砂漿強度的影響，其中重點研究了乳化劑種類對強度的影響，并通過粒度分析、水化熱試驗，以及瀝青與水泥石和集料的黏附性試驗分析了乳化瀝青種類對CA砂漿強度的影響機理。

1 CA砂漿強度影響因素研究

原材料:①水泥(見表 1、表2):P.Ⅱ 52.5R硅酸鹽水泥;②乳化瀝青:自行乳化，瀝青為進口SK瀝青，乳化劑分別為ZZ和196兩種;③集料:河砂，細度模數1.85;④水:自來水;⑤膨脹劑:細度 >200目，鱗片狀的鋁粉;⑥消泡劑:日本進口有機硅類消泡劑EO;⑦減水劑:江蘇博特新材料有限公司的PCA I-C聚羧酸系高效減水劑。

表1 水泥的化合物組成

表2 小野田水泥基本物理性能

配合比:在無特殊說明下，水泥∶砂子∶乳化瀝青∶水(C∶S∶A∶W)=2.50∶3.75∶1∶0.69，膨脹劑為水泥用量的1.0/W，減水劑摻量為水泥用量的1.5‰，消泡劑摻量根據含氣量調整，含氣量控制在10%以下，且對比試驗的每組含氣量盡量一致或接近。

攪拌制度:先將乳化瀝青(表3)、水、消泡劑、減水劑稱量后加入到攪拌鍋內，開始慢攪并逐漸加入由水泥、砂子、膨脹劑組成的干料，加完后改為快攪，攪拌速度為200 r/min并保持3 min，然后再慢攪1 min即可。

表3 乳化瀝青性能

檢測方法:參考《客運專線鐵路CRTS II型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件》中含氣量和強度(抗折、抗壓)等試驗方法進行。

1.1 CA砂漿配比對強度的影響

諸多學者從CA砂漿的配合比出發研究其強度的影響因素，因此本文進行驗證性的試驗，研究水泥、乳化瀝青的相對摻量對強度的影響。由資料可知，外加水量、含氣量和試驗加載速率對強度都有一定影響，因此在研究配比對其強度的影響時，為了減少其它因素的影響，固定了用水量、干料總量(水泥和砂子總量)，且含氣量盡量控制相同或接近，在此基礎上調整水泥/乳化瀝青(C/A)的比例，以全齡期強度為考察指標，分別檢測了1 d、7 d和28 d的抗折、抗壓強度，在檢測方法上固定一種加載速率進行試驗，試驗結果見表4所示。

表4 CA砂漿配比

由配比1到配比3是逐漸增加C/A比，即相對增加水泥的摻量而減小乳化瀝青的用量，從試驗結果可見，在含氣量基本一致的情況下，隨著C/A比的升高，CA砂漿的強度逐漸上升，這與大多數學者［1-3］的研究結果基本一致，即水泥含量越高、乳化瀝青含量越低，CA砂漿的強度越高。由試驗數據，C/A由2.03增至2.50時，1 d(早期)強度的抗折、抗壓分別增加了26.4%和45.7%，28 d抗折、抗壓分別增加了20.0%和25.7%，可見水泥的相對含量的增加更有利于CA砂漿早期強度的提高(圖1)。

圖1 水泥含量對CA砂漿強度的影響

1.2 含氣量對強度的影響

為研究含氣量對CA砂漿的強度影響程度，設計了相同配比下，不同含氣量的CA砂漿，檢測其強度的差別，試驗結果見圖2所示。

圖2 含氣量對強度的影響

由試驗結果可見CA砂漿的抗折和抗壓強度都受到含氣量的影響，都隨著含氣量的增加而降低，這與王強等學者的研究結論一致。但是，相對而言抗壓強度受到含氣量的影響更為顯著，隨著含氣量的增加而降低的幅度較大。

1.3 養護制度對強度的影響

在水泥砂漿中，水泥的水化速率和水化程度受到養護制度的影響顯著，一般溫度越高濕度越大，水泥的水化速度越快，水化程度也越高，但是在CA砂漿中是否也遵循此規律，以下是對CA砂漿養護制度對其強度發展的影響規律做了試驗研究。

1.3.1 溫度

《客運專線鐵路板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件》中規定CA砂漿的施工氣溫在5℃ ～40℃之間，更適宜在5℃ ～30℃之間。因此本文選取了兩種養護溫度，分別為5℃較低溫度，另一為20℃常規溫度，對相同配比的CA砂漿進行相同濕度、不同溫度的養護，并檢測其早期強度，結果見表5所示。

表5 養護溫度對CA砂漿強度的影響

由試驗結果可知，溫度越高CA砂漿的強度增長越快，這與水泥砂漿的規律一致。眾所周知溫度越高，水泥水化速度越快，同時乳化瀝青破乳也越快，因此CA砂漿的強度較高。

1.3.2 濕度

《客運專線鐵路板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件》中涉及了兩種養護濕度，即分別為95%濕度并覆蓋薄膜和65%濕度，因此本文采用這兩種養護濕度，分別對相同配比的CA砂漿進行養護，并檢測其早期強度，見表6所示。

表6 養護濕度對CA砂漿強度的影響

與普通水泥砂漿強度發展規律截然不同，濕度越高，CA砂漿早期強度越低。同一鍋出來的CA砂漿拌合料，一組放入濕度為95%養護箱內養護，并且覆蓋了薄膜，另一組放入濕度為65%的養護室內不覆蓋薄膜進行養護，結果濕度較低的一組試件其1 d強度較高，尤其是抗壓強度比高濕度的增加了近80%。可見，養護濕度對CA砂漿的早期強度產生了顯著的影響，其原因主要是在高濕度且覆蓋薄膜的條件下，水分不易蒸發，雖然對水泥水化有利，但卻導致乳化瀝青不易破乳，而強度同時受到多種因素的影響，未破乳的乳化瀝青則嚴重影響了CA砂漿的整體黏聚力，在CA砂漿體系中起到“潤滑劑”的作用，影響了水泥水化產物形成完整的骨架結構，增加了其可流變性能，因此，降低了CA砂漿的強度。

1.4 乳化瀝青種類對強度的影響

大多數研究都是從CA砂漿的配合比(包括水泥用量、乳化瀝青用量、砂子用量、外加水量等)和拌合物性能(包括含氣量、擴展度、流動度等)等角度研究CA砂漿的強度影響因素，很少有人從乳化瀝青的種類即乳化劑方面進行研究，本文選取了由同樣瀝青而不同乳化劑的兩種乳化瀝青進行試驗，CA砂漿的配比完全相同，結果見表7和圖3所示。

表7 乳化劑對CA砂漿強度的影響

兩種乳化瀝青是同一種瀝青分別采用兩種乳化劑進行乳化制得的。由CA砂漿的強度試驗結果可見，196乳化瀝青其砂漿的1 d抗折、抗壓強度分別比ZZ提高了43.75%和50.59%，7d強度也分別大了7.51%和12.70%，但是28 d的強度中ZZ的抗壓強度雖然比196的低7.17%，但是其抗折強度卻比196的增大了近19%。

可見，乳化劑的種類也會對CA砂漿的強度造成影響，從乳化瀝青的差異性方面可推知196乳化瀝青顆粒較大，因此相同質量的情況下，其顆粒數量較少，對水泥顆粒的包裹率和對水泥水化的影響程度都較小，因此其早期強度比ZZ高很多。但是，后期兩種砂漿強度的差異性較小，可推知乳化瀝青主要是影響水泥早期水化速率，而長期強度還要取決于CA砂漿中瀝青、水泥水化產物以及砂子等各相之間的界面作用力以及整體的黏聚性。

2 機理分析

分別采用粒度分析、水化熱和黏附性試驗，研究了乳化瀝青中乳化劑的種類對CA砂漿強度的影響機理。

2.1 粒度分析

采用激光粒度儀，分別對乳化瀝青、水泥、水泥乳化瀝青水復合物(C/A/W的比例為2.50/1/0.69，與CA砂漿中三種的比例完全相同)，進行顆粒分布變化研究，分別檢測其在1～2h內的粒度變化，見圖4所示。

圖3 乳化劑對CA砂漿強度的影響

圖4 粒度分布

圖4(a)為乳化瀝青顆粒隨時間變化，可見單純乳化瀝青顆粒內幾乎不發生變化，圖4(b)為水泥顆粒隨時間變化情況，可見當水泥放入蒸餾水的檢測池中，水泥粒度立即瞬間增大且隨著時間推移越來越大，說明水泥顆粒遇水后顆粒凝聚或伴隨水化反應。圖4(c)為水泥和乳化瀝青混合后瞬間的顆粒變化，可見兩種物質復合后粒度分布，與乳化瀝青的粒度分布較為接近，但是不同之處在于其小顆粒數量減少，大顆粒數量增加。圖4(d)為C/A復合粒子隨時間的變化情況，可見小顆粒數量逐漸減少，大顆粒數量增加且粒度也有所增大。

乳化瀝青顆粒平均粒徑4 μm，水泥顆粒平均粒徑11 μm，可推算出單個顆粒體積比 VC/VA大約為20.80/1，又根據質量比 WC/WA為2.50/1，密度比 ρC/ρA約為3.0/1，可推知水泥與乳化瀝青的顆粒數量比約為100/1。當乳化瀝青粒度更小時這個比例更大，可見乳化瀝青與水泥顆粒相比，其數目之多，體積之小足可以將所有的水泥顆粒包裹住。又因乳化瀝青與水泥混合后，顆粒數量瞬間減少，然而由圖4(a)已知乳化瀝青如果單獨存在于水中短時間內是幾乎沒有粒度變化的，因此可推知是部分小粒度的乳化瀝青粒子黏附到水泥顆粒上去，因而乳化瀝青、水泥復合后的空間關系應為乳化瀝青粒子包裹水泥顆粒和部分自由水。水泥顆粒與內部的一些自由水進行水化導致顆粒粒度增加，但是值得注意的是乳化瀝青黏附在水泥顆粒表面時很容易破乳，因此必然存在部分乳化瀝青破乳將水泥顆粒包裹住，水分也難以進入。

2.2 水化熱

CA 砂漿配比(質量)為 C∶S∶A∶W=2.50∶3.75∶1.00∶0.69，水泥砂漿的配比中扣除了乳化瀝青中的瀝青，其它配比與CA砂漿完全一樣。水化熱試驗結果見圖5所示。

由試驗結果可見水泥砂漿與CA砂漿、不同乳化劑體系的CA砂漿之間水化熱均存在較大差異。由圖5(a)可知水泥砂漿在13 h時溫度升高到峰值39.3℃，而兩種CA砂漿分別在17 h和23 h時升到峰值35.75℃和33.55℃。圖5(b)和圖5(c)的水化熱總量曲線和水化速率曲線同樣證明了水泥砂漿中水泥大量地、迅速地發生水化，而CA砂漿則較為緩慢，可見乳化瀝青影響了水泥的水化進程。單就CA砂漿而言，不同的乳化劑體系中水化熱曲線差異也非常顯著，196乳化瀝青體系的水化速度較快，24 h時，196的水化熱總量為237.88 J/kg，而 ZZ的只有166.33 J/kg，可見在1 d時196體系中水泥的水化程度比ZZ的高得多。眾所周知，CA砂漿是由瀝青和水泥共同充當膠凝材料，顯然瀝青的強度遠比水泥水化產物小，因此水泥提供強度和彈性，而瀝青提供柔韌性，因此水化程度越低的CA砂漿的強度則越低。

不同乳化劑體系的乳化瀝青對水泥水化進程的影響程度不同，主要原因分析:①不同乳化劑體系的乳化瀝青穩定性不同，有些體系穩定性差容易破乳，特別是接觸水泥后加速破乳，破乳后的瀝青膜阻礙自由水的進入，因此影響了水泥的水化;②乳化劑影響了瀝青膜與水泥及水化產物的黏附性，若瀝青膜與水泥的黏附性好，則水分不易進入瀝青膜內，否則水分仍然可自由進入，為水泥的進一步水化提供水分。

圖5 水化熱試驗

2.3 乳化瀝青與集料、水泥石的黏附性

精選與以上試驗中砂子電性和酸堿性接近的粗集料，以及成型W/C為0.5的水泥石，28 d后切成1 cm厚的片狀，然后參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T 0654-1993乳化瀝青與礦料的黏附性方法進行試驗，結果見表8。

表8 乳化瀝青及瀝青膜與集料、水泥石的黏附性

從試驗結果可見，ZZ和196兩種乳化瀝青中，196乳化瀝青與集料和水泥石的附著力均較差，而且破乳后的瀝青膜也容易出現剝落，即其與集料和水泥石的黏附性或界面作用力較低。首先，由于196體系乳化瀝青對水泥的附著力差，對水泥的水化影響小，因此CA砂漿的強度增長較快;其次，也是因為196乳化劑顯著降低了瀝青與集料和水泥石的黏附性，而導致其CA砂漿后期的韌性降低，因此后期(28 d)抗折強度較低。

3 總結與展望

CA砂漿是由瀝青和水泥共同充當膠凝材料，膠結集料等硬化而成的具有一定彈性和韌性的有機—無機復合材料體系，因此其強度取決于水泥的摻量及水化程度、體系的密實度以及水泥水化產物、瀝青、集料等之間的黏附性或界面作用力等多個方面的共同作用，由CA砂漿強度影響因素及機理研究得出如下幾點結論:

1)CA砂漿中水泥水化產物和瀝青共同充當膠凝材料，但是瀝青體系的強度遠低于水泥水化產物，因此水泥含量相對越高、乳化瀝青相對含量越低，CA砂漿的強度越高;

2)含氣量越高，CA砂漿的密實度越低，則強度越低;

3)養護制度也對強度有一定的影響，在一定溫濕度范圍內，溫度越高 CA砂漿強度越高，但是，濕度太高雖有利于水泥的水化，卻減緩了乳化瀝青的破乳速度，因此濕度太高CA砂漿的早期強度反而降低;

4)乳化瀝青中乳化劑的種類是通過影響了水泥水化的進程從而影響到CA砂漿強度發展，不同乳化劑的影響程度不同，水化程度越高CA砂漿抗壓強度增長越快，反之越慢;其次，乳化劑對瀝青與集料和水泥石黏附性或界面的影響不同，瀝青與集料和水泥石黏附性好界面作用力強，則其CA砂漿的抗折強度越高。

［1］王濤，胡曙光，王發洲，等.CA砂漿強度主要影響因素的研究［J］.鐵道建筑，2008(2):109-111.

［2］周熙，賀銘.乳化瀝青水泥(CA)砂漿配合比設計與試驗計算［J］.公路交通技術，2006，6(3):25-27.

［3］鄭新國，劉競，翁智財，等.CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿的配制技術［J］.鐵道建筑，2009(8):121-124.