W/C和A/C對水泥乳化瀝青復合膠凝材料水化的影響

2011-07-27 07:05:50翁智財謝永江鄭新國李書明

鐵道建筑 2011年11期

翁智財，謝永江，鄭新國，劉競，曾志，李書明

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

水泥乳化瀝青砂漿是板式無砟軌道結構的關鍵組成部分[1-5]，對保證軌道平順性起到了重要作用，并起到填充、承力、傳力、緩沖的作用，是保證列車在高速運行下平穩、舒適的關鍵材料，也是實現板式無砟軌道少維修、免維修的關鍵材料。

水泥乳化瀝青砂漿由乳化瀝青、水泥、細骨料、水、減水劑、消泡劑、鋁粉(或乳化瀝青、干料、水、減水劑、消泡劑)等材料采用特定設備及工藝拌制而成，具有良好的自流平性，在稍小的壓力下，可完全填滿軌道板和混凝土底座或支承層間的間隙(2～5 cm)，并且可對下部混凝土底座的結構變形在某一限度內進行修補。

由于水泥乳化瀝青砂漿具有原材料組成復雜、性能指標要求高、制備技術難度大等特點，國內外對其進行了大量的研究。很多學者在水泥乳化瀝青砂漿的配制、施工技術方面做了大量的研究工作，在水泥乳化瀝青砂漿的原材料、配合比、力學性能、耐久性能和施工技術等方面取得了豐碩的成果[6-12]。但是截止目前，國內外對于水泥—瀝青復合膠凝材料的水化硬化機理方面研究報道甚少。本文擬通過采用TAM air水泥水化熱分析儀，對一定用量的水泥、乳化瀝青以及水的復合膠凝材料漿體的水化放熱進行測試，分析A/C(瀝青水泥比)、W/C(水灰比)的變化對水泥乳化瀝青復合膠凝材料的水化影響，并揭示水泥乳化瀝青砂漿的水化放熱機理，為水泥乳化瀝青砂漿的凝結硬化研究提供理論依據。

1 原材料及配合比

1.1 原材料

試驗采用中國石油化工股份有限公司上海瀝青銷售分公司生產的高速鐵路專用陰離子型乳化瀝青，性能指標見表1;水泥為采用唐山冀東水泥廠生產的盾石P·Ⅱ42.5水泥，比表面積為342 m2/kg，該水泥的物理性能見表2，化學組成見表3。水為蒸餾水。

表1 水泥乳化瀝青的性能指標

表2 水泥的物理性能

表3 水泥化學組成 %

1.2 試驗配合比

結合板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿配合比的特點，綜合分析A/C和W/C的變化對水泥乳化瀝青復合膠凝材料漿體的水化影響，主要從以下3個方面開展了試驗研究:①研究瀝青水泥比(取A/C=0和A/C=0.3)一定的條件下，不同水膠比的復合膠凝材料漿體水化熱情況;②研究水膠比(W/C=0.5)一定的條件下，不同瀝青水泥比的復合膠凝材料漿體的水化熱情況;③研究不同瀝青水泥比條件下，不同水膠比的復合膠凝材料漿體水化熱情況。水泥—乳化瀝青復合膠凝材料的水化熱試驗配合比見表4。

表4 水泥—乳化瀝青復合膠凝材料的水化熱試驗配合比

2 試驗方法

2.1 原材料的比熱

試驗用材料的比熱分別為:水泥為0.75 kJ/(kg·℃ )，水為 4.2 kJ/(kg·℃ )，乳化瀝青的比熱 C按混合物的比熱方法計算[15]

其中，∑Ci為混合物的比熱，∑Mj為混合物的質量，mj為混合物中第j種物質的質量，ci為混合物中第i種物質的比熱。在計算乳化瀝青的比熱時，忽略乳化劑的影響，固態瀝青的比熱為1.67 kJ/(kg·℃)，試驗用的乳化瀝青的固含量為60.0%，水分為40.0%，按上式計算出乳化瀝青的比熱為2.68 kJ/(kg·℃)。

2.2 試驗的制備及測試

試驗前，先用0.08 mm標準篩篩除水泥中的粗顆粒，然后將水泥在105℃條件下進行干燥，烘干至恒定質量后，放置在干燥器中冷卻至室溫，裝罐密封保存。

試驗24 h前，將各原材料密封，并在(20±2)℃的溫度條件下恒溫。試驗在(20±2)℃的實驗室條件下進行。試驗時，按表4稱量各原材料的質量，充分攪拌均勻，用滴管吸取攪拌好的漿體，用分析天平快速準確稱取拌合好漿體6.000 g及參比樣水的質量，迅速放入TAM air水泥水化熱分析儀中，進行水泥—乳化瀝青復合膠凝材料的3 d水化熱測試。

3 試驗結果及分析

采用TAM air水泥水化熱分析儀，研究分析了A/C(瀝青水泥比)和W/C(水灰比)的變化對水泥乳化瀝青復合膠凝材料的水化影響。

當A/C為零時，不同水灰比(分別為 0.1，0.3，0.6，0.9，1.5)的膠凝材料水化熱試驗結果見圖1(a)。由圖1(a)可以看出，膠凝材料漿體的放熱速率隨水化齡期的延長呈先增加后降低趨勢，水灰比不同，放熱速率峰值出現的時間也有所不同，隨水灰比的增大，放熱速率的峰值出現的時間可滯后1～15 h;水化齡期越長，水化放熱速率也越小，當水化齡期為90 h時，膠凝材料的水化放熱速率為峰值的3%甚至更低。不同水化齡期階段，膠凝材料漿體的水化放熱速率也有所不同。從膠凝材料加水拌合至水化15 h，當水灰比較小時(水灰比≤0.6)，膠凝材料漿體的放熱速率隨水灰比的增加呈明顯降低趨勢;而在水灰比較大時(水灰比≥0.6)，膠凝材料漿體的放熱速率隨水灰比的增加略有增加，但整體的放熱速率差異不大。隨著水化齡期的延長，當膠凝材料漿體水化15～90 h，膠凝材料漿體的放熱速率隨水灰比的增加，整體呈緩慢的增加趨勢。總的來說，水灰比對膠凝材料漿體的放熱速率有明顯的延緩作用。

圖1 A/C一定，不同W/C的膠凝材料漿體水化放熱速率

當瀝青水泥比為0.3時(A/C一定)，不同水灰比(分別為 0.2，0.3，0.6，0.9，1.5)的膠凝材料水化熱試驗結果見圖1(b)。膠凝材料漿體的放熱速率隨水化齡期的增加也呈先增加后降低的趨勢，水灰比對膠凝材料漿體的放熱速率有明顯的延緩作用。主要體現在隨水灰比的增加，膠凝材料漿體的水化放熱速率峰值可滯后1～4 h;同時，在水化60 h之后，高水灰比的膠凝材料漿體的水化放熱速率比低水灰比的約高3倍。但整體來說，同一齡期、不同水灰比的水化放熱速率基本相差不大。

不同水化齡期的膠凝材料漿體水化情況也有所不同。從膠凝材料加水拌合至水化16 h階段，膠凝材料漿體的放熱速率隨水灰比的增加呈降低的趨勢，但整體降低的幅度很有限，其水化放熱速率峰值約降低10% ～15%;而在水化16～90 h階段，隨水化齡期的延長，膠凝材料的放熱速率隨水灰比的增加基本呈增加的趨勢(水灰比為0.2的除外)，但增加的幅度很小。對于水膠比為0.2膠凝材料漿體水化放熱速率還比水灰比為0.3的小，一方面由于復合膠凝材料漿體中拌合自由水很少，漿體中水泥顆粒基本被瀝青顆粒裹覆，與自由水的接觸面積減小，從而導致水化速率降低;另一方面漿體中的拌合自由水很少，不足以提供水泥的完全水化，造成漿體總的水化放熱量降低(見圖2)，所測得的水化速率因而變小。

圖2 A/C一定，不同W/C的膠凝材料漿體水化放熱量

當 A/C 不為零時(分別為 0.1，0.3，0.6，0.9，1.5)，不同水灰比(分別為 0.1，0.3，0.6，0.9，1.5)的膠凝材料水化熱試驗結果見圖3。膠凝材料漿體的放熱速率隨水化齡期的延長呈先增加后降低趨勢，隨水灰比和瀝青水泥比的增加，膠凝材料漿體的放熱速率峰值明顯呈滯后的現象。結合圖1～圖3可以看出，水灰比相同，A/C不為零的膠凝材料漿體的放熱速率明顯比A/C為零的小很多，約降低50%，同時其膠凝材料的水化放熱峰明顯往后推延，水化放熱速率峰值出現的時間推遲了2～30 h，整體而言瀝青水泥比越高，水化放熱速率峰值出現的時間滯后就越長。可以說，瀝青水泥比對膠凝材料的放熱速率的影響明顯大于水灰比的影響。是由于膠凝材料漿體中乳化瀝青的存在，使得水泥顆粒或水化產物的表面基本被瀝青顆粒裹覆，顯著地降低了水泥的水化放熱速率，瀝青的存在對膠凝材料漿體的水化有明顯的延緩作用。

膠凝材料漿體中總用水量一定(水灰比為0.5)，不同瀝青水泥比(A/C 分別為 0.1，0.3，0.5，0.6，0.7)的膠凝材料水化熱試驗結果見圖4。膠凝材料漿體的放熱速率隨水化齡期的延長呈先增加后降低趨勢。隨瀝青水泥比的不同，膠凝材料出現水化放熱速率峰值的時間也各異。當 A/C為0.1～0.5時，隨瀝青水泥比的增加，水化放熱速率峰值的時間將延緩5～10 h，且放熱速率峰值呈降低趨勢;當A/C為0.5～0.7時，隨瀝青水泥比的增加，水化放熱速率峰值的時間將延緩2～5 h，且放熱速率峰值呈增大趨勢。造成這一現象的原因，可能與漿體中能夠形成漿體的自由水量及瀝青在漿體中分布有關，由于漿體總的用水量一定，當瀝青水泥比較低時(A/C為0.1～0.5)，隨瀝青水泥比的增加，瀝青對漿體中水泥顆粒的裹覆越多，進一步降低水泥水化速率;而當瀝青水泥比較高時(A/C為0.5～0.7)，雖然漿體中自由水的量減少了，但是在高瀝青水泥比時，漿體中瀝青的分布由分散相變為連續相，水泥的水化加速了瀝青的破乳，而瀝青的破乳又為水泥提供更多的可水化的水，反過來又促進了水泥的水化。