CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿的施工性能試驗研究

邵丕彥，李海燕，王 濤

(中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，北京 100081)

水泥乳化瀝青砂漿層(Cement Asphalt Mortar，簡稱CA砂漿)處于板式無砟軌道結構中預制混凝土軌道板與底座之間，主要起到支撐、調整、緩沖協調等作用［1-3］。在《客運專線鐵路CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件》［4］(科技基［2008］74 號)中，CA 砂漿的性能指標包括施工性能、力學性能和耐久性能。其中，砂漿的施工性能不僅是其能否使用的前提和基礎，同時還與砂漿墊層的力學性能和耐久性密切相關，是砂漿技術體系優劣的關鍵表征。

CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿的施工性能指標包括砂漿的溫度、流動度和可工作時間，含氣量、膨脹率、分離度和泛漿率等，其中前三項表征的是砂漿的溫度適應性和流動性，含氣量關系到砂漿的抗凍性，分離度和泛漿率涉及到砂漿的勻質性，膨脹率用于提高砂漿在板下的充填飽滿度，所有這些均為砂漿制備和施工中必須嚴格控制的關鍵指標。膨脹率已在文獻［5］中進行了探討，本文對砂漿其余的施工性能進行了系統的試驗研究，分析了其相關的影響因素。

1 CA砂漿施工性能試驗

1.1 原材料

自制的陽離子乳化瀝青，水泥、砂子、引氣劑、消泡劑、聚合物乳液、鋁粉等原材料的性能指標均滿足技術條件的要求。

1.2 主要試驗設備

攪拌容量16.5 L的品川25AM-Qr中型砂漿攪拌機，攪拌速度可調;J型漏斗;棒狀溫度計;秒表，精度0.1 s;1 000mL三角燒瓶;電子天平，感量1 g;φ50的聚乙烯袋等。

1.3 砂漿的制備和性能測試

按砂漿的配合比稱取相應質量的乳化瀝青、聚合物乳液、水、消泡劑等，慢速攪拌30 s將液料混合均勻，依次加入水泥、砂子(或由其制備的干料)以及引氣劑，高速攪拌3～5min后，按照技術條件中的方法和要求進行砂漿各項施工性能的測試。

2 試驗結果和討論

2.1 砂漿的溫度、流動度和可工作時間

由于水泥乳化瀝青砂漿是在現場攪拌制備、灌注到軌道板下5 cm左右厚度的縫隙中，因此要求砂漿在較寬的溫度范圍(5℃ ～40℃)內具有較好的流動性和較長的流動性保持時間，以實現不同季節、不同溫度下現場施工時灌注飽滿、充填密實的要求。砂漿的流動性通過流動度進行表征，其含義是一定體積的砂漿流過J型漏斗所需要的時間，以秒來表示。一般的，流動度越小，說明砂漿通過漏斗所需的時間越短，砂漿的流動性越好;反之，則流動性較差。砂漿的流動度除了與原材料種類和砂漿配比有關外，還受到環境溫度的影響。現場施工時，通過增減外加水量來調節砂漿的流動度。流動度過大，則砂漿的流動性差，難以充填飽滿;流動度太小，說明外加水量過大，影響砂漿的耐久性。通常將砂漿的流動度控制在18～26 s之間，砂漿的流動度在此范圍內可持續的時間稱為砂漿的可工作時間，要求不低于30min。

本研究采用 4 種乳化瀝青樣品 1#，2#，3#，4#，采用相同的砂漿配比，通過外加水量的變化調整砂漿的流動度，分別在5℃，23℃，40℃的恒溫恒濕實驗室中進行砂漿的制備，測定其流動度和可工作時間，測得的結果如圖1所示。

圖1 不同拌合溫度下、不同乳化瀝青制備的砂漿的流動度與拌合時間的關系

1)在相同的拌合條件下，不同乳化瀝青樣品制備的水泥乳化瀝青砂漿，隨拌合時間的增長，流動度增加，但不同樣品的增加幅度不同，變化程度大小的順序依次為 1#，2#，3#，4#;在5 ℃ 時，在 18 ～26 s的限值范圍內，1#砂漿的可工作時間＜30min，其余3個可工作時間均＞1 h;在23℃時，2#的可工作時間縮短至30min左右，3#，4#的可工作時間仍然 ＞1 h;40℃ 時，只有4#的可工作時間＞1 h。

2)不同拌合溫度下，相同的樣品，隨著拌合溫度的提高，砂漿的流動度隨拌合時間的增加而逐漸增大，砂漿的可工作時間逐漸縮短，變化程度由大到小的順序依次為 1#，2#，3#，4#。

乳化瀝青和水泥、砂子等混合后，一方面，其中的表面活性劑不斷地吸附到水泥和砂子的表面，導致瀝青顆粒周圍的表面活性劑逐漸減少，乳化瀝青的穩定性逐漸降低，并開始破乳凝聚;另一方面，水泥吸水開始水化，混合物中自由水的量逐漸減少，以靜電斥力和空間位阻穩定作用而保持分散狀態的乳液粒子逐漸靠攏，穩定性下降，也開始破乳凝聚;乳化瀝青的破乳凝聚以及包裹在砂子及水泥周圍，導致體系的黏度增加，流動性下降。吸附到水泥表面的乳化劑起到分散減水的作用，降低了砂漿的拌合用水量，增加了砂漿的流動性;這兩種作用共同進行，決定了砂漿流動度的變化及趨勢。經過高速攪拌后，砂漿的各個組分基本混合均勻，分散作用基本結束，主要由水泥水化和瀝青破乳所控制，因而總體的趨勢是流動度隨著慢速拌合時間的延長而增加。在其他材料相同的情況下，流動度增加的幅度和速度主要取決于乳化瀝青的破乳速度，在慢裂乳化瀝青的范疇中，則取決于所采用的各種乳化劑的種類和配比。一般的，復合乳化劑中離子型的種類和用量與非離子型乳化劑用量應該相對均衡，在通過靜電斥力和空間位阻起到乳化瀝青穩定作用的同時，能夠控制乳化劑在水泥、砂子等表面的吸附速度，進而限制乳化瀝青的破乳速度，以實現穩定的流動度以及較長的可工作時間。在相同拌合條件下1#，2#，3#，4#樣品的變化規律和趨勢說明了這一點。

隨著拌合溫度的提高，水泥的水化和乳化劑的吸附速度逐漸加快，乳化瀝青的破乳速度相應增加，導致砂漿的流動度變化逐漸加大，可工作時間逐漸縮短。復合乳化劑的離子性越強，乳化劑的吸附作用越快，則流動度的變化趨勢愈加明顯。相同樣品在不同拌合溫度下的試驗結果說明了這一點。

試驗結果表明，無論是在低溫還是高溫條件下，3#，4#樣品的拌合都很穩定，可工作時間較長，尤其是4#樣品，在40℃的拌合溫度下，1 h的流動度變化＜4 s，體現出良好的溫度適應性。

2.2 砂漿的分離度和泛漿率

水泥乳化瀝青砂漿是由多種有機無機組分按一定的比例混合在一起制備的復合材料，其中液相由熱力學不穩定的乳化瀝青和聚合物乳液、消泡劑、引氣劑和水等構成，固相由水泥、砂子、鋁粉、膨脹劑等組成。兩相必須均勻地混合并凝結固化，才能將水泥砂漿強度好、耐久性強的優點與瀝青、聚合物的彈韌性結合起來，賦予固化的水泥乳化瀝青砂漿以優良的力學性能和耐久性能，滿足高速鐵路墊層材料的要求。所以，勻質性是評價施工后砂漿質量的關鍵指標。

當水泥乳化瀝青砂漿的各組份經高速攪拌混合均勻、灌注到軌道板下后，砂漿處于靜置狀態，各固體粒子由于顆粒大小以及密度的不同，在重力的作用下，易出現下沉或上浮等現象，表現為砂子下沉或者水泥漿、乳化瀝青的上浮，導致固化砂漿的勻質性較差，難以滿足使用要求或者耐久性顯著下降。通常用砂漿的分離度和泛漿率來衡量砂漿的勻質性。

砂漿分離度的測試方法是:制備φ50mm×50mm的砂漿試樣，24 h后測量試樣上下兩部分的密度差，以密度差與密度和之比來度量。砂漿的泛漿率測試:將攪拌好的砂漿灌注到直徑約50mm的聚乙烯袋中約20 cm，密封放置24 h后，觀察和測量表面是否有泛漿水，或者泛漿水量占砂漿體積的百分比。

影響分離度的因素包括固體粒子的大小、兩相的密度差以及液相的黏度，具體說來主要是砂漿的流動度、砂子的密度、顆粒級配以及乳化瀝青的性質。為此，測試了砂漿的流動度、乳化瀝青的類型、拌合溫度、砂子的密度、細度模數對砂漿分離度的影響。

當主體材料的配比確定后，砂漿的流動度主要依據現場的氣溫，通過外加水量來進行調節。增加外加水量，則砂漿的流動度降低，反之砂漿的流動度提高。圖2是砂漿的流動度對砂漿分離度的影響。

圖2 砂漿流動度對砂漿分離度的影響

從圖2中可以看出，隨著砂漿流動度的提高，砂漿的分離度逐漸減小;當砂漿的流動度≥18 s時，砂漿的分離度變化趨于平緩;當砂漿的流動度＜18 s時，隨著流動度的降低，砂漿的分離度明顯增高。這是因為流動度在一定程度上是砂漿黏度的表征，流動度越低，說明砂漿越“稀”，黏度越低，靜置狀態下砂子易于下沉，造成分離度偏高;如果大幅度提高砂漿的流動度，分離度固然隨之降低，但砂漿的流動性下降，會影響到砂漿的填充飽滿度。因此，為了兼顧砂漿的流動性和分離度，規定砂漿的流動度范圍在18～26 s之間，現場施工時通常將流動度控制在20～22 s之間。

圖3是4種乳化瀝青樣品在常溫下制備的砂漿的分離度，圖4是同一乳化瀝青樣品在3種拌合養護溫度下砂漿分離度的測試結果。

結果表明:①采用4個樣品在常溫下進行砂漿的制備和養護，其分離度均能＜0.5%，符合規定值1%的要求，說明樣品的勻質性合格;②隨拌合養護溫度的升高，砂漿的分離度降低，說明隨著施工溫度的提高，水泥水化速度和乳化瀝青破乳速度加快，體系的黏度增加，砂漿的勻質性提高;③不同乳化瀝青樣品在相同的拌合養護條件下分離度不同，其中21#，44#樣品的分離度大于32#，43#，原因是后兩個樣品黏度較大，觸變性較強。因此，要提高砂漿的勻質性，可以在乳化瀝青中加入一些增稠劑和流變助劑。

圖3 乳化瀝青種類與砂漿分離度的關系

圖4 拌合養護溫度與砂漿分離度的關系

圖5和圖6是在相同乳化瀝青、同一拌合養護溫度下，砂子的密度與細度模數對砂漿分離度的影響。

圖5 砂子的密度對砂漿分離度的影響

圖6 砂子細度模數對砂漿分離度的影響

圖5表明，在相同的細度模數下，隨著砂子密度的增加，制備砂漿的分離度有逐漸增大的趨勢;當砂子的密度超過2.80×103kg/m3時，砂漿的分離度明顯增大。

砂子的細度模數是砂子顆粒級配的表征，細度模數愈小，砂子愈細。從圖6的測試結果看，隨著砂子細度模數的增加，砂漿的分離度逐漸增加，當砂子的細度模數超過1.70時，分離度明顯提高。

從圖5和圖6還可以看出，砂子細度模數對砂漿分離度的影響遠大于砂子密度的影響，因此在施工中宜將砂子的細度模數控制在規定范圍1.40～1.80的中下限，適當控制砂子的密度，以便確保砂漿的分離度＜1%。

影響泛漿率的因素主要是砂漿的內聚力和保水能力以及乳化瀝青對水泥的分散減水效果。圖7是相同砂漿主體配比、不同乳化瀝青制備的砂漿，當初始流動度控制在18～22 s時所需的外加水量與水泥用量之比(水灰比)的測試情況。

圖7 3種乳化瀝青制備的砂漿在相近流動度時的水灰比情況

從圖7中可以看出，在相同的配比、相近的流動度時，由于乳化瀝青的不同，砂漿的水灰比由前者的0.20左右降至后者的0.12左右，用水量降低了40%，砂漿的泛漿率則由微量變為0。試驗結果說明通過乳化劑的復配，增加乳化瀝青的分散減水能力，降低拌合用水量，是實現砂漿零泛漿率的重要手段。

2.3 砂漿含氣量的測試與分析

大量試驗結果表明，硬化砂漿中引入一定量均勻、微小的氣泡，能大幅提高砂漿的抗凍性;同時，空氣的引入也在一定程度上降低了砂漿的成本。因此，新拌砂漿具有穩定、適宜的含氣量，是砂漿制備和施工中必須嚴格控制的關鍵指標。按技術條件的規定，新拌砂漿適宜的含氣量范圍是8% ～12%，并要使氣泡保持穩定，防止砂漿灌注后、固化前氣泡的大量逸出，使得固化砂漿中氣泡的減少導致抗凍性的下降。影響砂漿含氣量的因素很多，包括砂漿的組成和配比、拌合方式、拌合時間、攪拌形式、環境溫度等。

為了在新拌砂漿中引入一定量、微小的氣泡，必須消除砂漿在高速攪拌混合過程中產生的大氣泡，同時還需采用合適的引氣劑引入微小的氣泡，通過二者的協調配合來控制砂漿的含氣量。消泡劑、引氣劑的加量對砂漿含氣量的影響見圖8和圖9。

圖8 消泡劑加入量對砂漿含氣量的影響

圖9 引氣劑的加量對砂漿含氣量的影響

從圖8可以看出，隨著消泡劑含量的增加，砂漿的含氣量逐漸降低;在不加引氣劑的情況下，當消泡劑的用量增加到水泥量的0.035%后，砂漿的含氣量達到4%左右，并基本趨于穩定，說明此用量已基本上消除了高速攪拌產生的大氣泡。由于加入過多的消泡劑對砂漿沒有好處，因此體系中消泡劑的摻量應以0.035%為宜。當加入0.2%的引氣劑后，在0.02%的消泡劑摻量下，砂漿的含氣量明顯增加，達到10.43%，比不加引氣劑時的含氣量增加了約5%;當消泡劑的加量達到0.035%時，砂漿的含氣量在8%左右，難以確保砂漿的含氣量滿足8% ～12%的規定要求。

從圖9可以看出，在消泡劑加量固定的情況下，隨著引氣劑用量的增加，砂漿的含氣量逐漸提高，當引氣劑的用量在0.35%時，砂漿的含氣量在11%左右，滿足規定的要求。上述試驗結果表明，通過控制消泡劑和引氣劑的含量，可以將砂漿的含氣量控制在規定的范圍內。

本文選擇4種乳化瀝青樣品，它們分別是16#，28#，30#和32#，按相同的配比進行砂漿的制備，高速攪拌5min后，測定砂漿的含氣量，改為慢速攪拌，測定砂漿的含氣量隨著拌合時間的變化情況，見圖10。

圖10 不同乳化瀝青制備的砂漿其含氣量的經時變化情況

從圖10中可以看出，不同乳化瀝青制備的砂漿，其含氣量經時變化的趨勢不同，其中16#，32#號乳化瀝青制備的砂漿含氣量在1 h的攪拌過程中保持穩定，含氣量變化＜1%;28#乳化瀝青制備的砂漿隨著攪拌時間的延長，砂漿的含氣量逐漸降低，當攪拌時間超過35min后，砂漿的含氣量低于規定的8%的下限要求;30#乳化瀝青制備的砂漿其含氣量隨著拌合時間的延長而略有增加。上述結果的原因是，不同乳化瀝青樣品在制備時采用的乳化劑不同，因而乳化瀝青的性質也有所不同;不同的乳化劑，對于引氣劑的匹配性和適應性也有所區別。當乳化劑與引氣劑相互匹配，則砂漿的含氣量易于保持相對穩定(如16#和32#)。如果產生一定的協同效應，就會出現含氣量的上升(如30#)。如果匹配性不好，則會出現小氣泡逐漸成為大氣泡而逸出，導致砂漿的含氣量逐漸下降。

采用相同的乳化瀝青，按相同的砂漿主體配比，分別在3種拌合溫度下進行砂漿的制備，用水量依據溫度的不同而略有調整，將流動度控制在19～20 s，測定其初始含氣量，結果見圖11。

圖11 拌合溫度對砂漿含氣量的影響

從圖11中可以看出，隨著拌合溫度的提高，砂漿的含氣量逐漸降低。因此，在不同的環境溫度下，應適當調整引氣劑、消泡劑的用量，以確保砂漿達到規定的含氣量。

3 結論

通過對CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿的溫度適應性、流動性、勻質性和含氣量穩定性等施工性能及其影響因素的研究，得出以下結論:

1)通過乳化劑復配技術優化，調節乳化瀝青的破乳速度和凝結時間，可以使砂漿在5℃ ～40℃溫度范圍內具有合適的流動度和較長的工作時間，在40℃時，1 h內的流動度變化＜4 s，可工作時間＞1 h，大于規定的30min，體現出良好的溫度適應性。

2)通過乳化劑復配技術，實現了水泥—乳化瀝青體系黏度與觸變性的協調統一，適當控制砂子的細度模數和密度，保證了砂漿在不同溫度下的分離度均可控制在0.5%以下，遠小于1.0%的規定值;研制的乳化瀝青在增加砂漿保水能力的同時，降低了砂漿拌合用水量，實現了砂漿的零泛漿率。

3)通過優選消泡劑和引氣劑，采用合理摻量，通過先消泡、后引氣的方式，能夠引入均勻、微小氣泡，并使氣泡保持穩定，砂漿的含氣量可穩定地控制在8%～12%的范圍內，在1 h的拌合時間內含氣量變化＜1%。

4)乳化瀝青是水泥乳化瀝青砂漿的關鍵原材料，其性能在很大程度上決定了砂漿的性質;砂漿的施工性能受到多種因素的影響，必須綜合分析和控制，才能滿足現場施工的需要。

［1］COENRAAD E.Recent Development in Slab Track［J］.European Railway Review，2003，9(2):81-85.

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［3］KATSUOSHI A.Development of Slab Tracks for Hokuriku Shinkansen Line［J］.Quarterly Report of RTRI，2001，42(1):35-41.

［4］中華人民共和國鐵道部.科技基［2008］74號 客運專線鐵路CRTS I型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［5］賈恒瓊，李海燕，吳韶亮，等.CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿微膨脹性能研究［J］.鐵道建筑，2010(9):101-102.