聚合物乳液對水泥乳化瀝青砂漿性能的影響

吳韶亮，羅桂秀，張 則，劉子科，李海燕

(1.中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，北京 100081;2.中鐵十九局集團 第一工程有限公司，遼寧遼陽 111000;3.中鐵十七局集團第三工程有限公司，河北 石家莊050081)

在高速鐵路和客運專線建設過程中，水泥乳化瀝青砂漿成為板式無砟軌道結構中的關鍵性填充材料，主要由水泥、乳化瀝青、砂和其它添加劑等多種組分混合攪拌而成，主要起支撐、調整，提供適當的彈韌性等作用。作為工程材料，水泥乳化瀝青砂漿的性能對軌道結構耐久性和運營維護成本有重大影響。特別是隨著運行年限的增長，在外部荷載和環境等因素作用下損傷會逐步加劇。為了改善水泥乳化瀝青砂漿的力學性能、耐久性能等，在砂漿制備過程中添加了聚合物乳液［1-3］。因此對添加聚合物乳液前后水泥乳化瀝青砂漿的可工作性能、抗壓強度、折壓比、吸水率、抗凍性能、耐候性能等的變化進行了研究。

1 試驗部分

1.1 主要原材料

乳化瀝青采用CRTSⅠ型高鐵陽離子乳化瀝青;水泥為海螺牌P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥;砂子為細度模數1.56、表觀密度2.65 g/cm3的機制硅砂;聚合物乳液為北京東方亞科力化工科技有限公司生產的TD-08型聚合物乳液，試驗用各種原材料的性能均滿足《客運專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件》(科技基［2008］74號)的相關技術指標要求［4］。

1.2 主要試驗設備

中型砂漿攪拌機;秒表;微機控制電子萬能(拉力)試驗機。

1.3 試驗內容

1.3.1 水泥乳化瀝青砂漿的配制

在基準配合比(表1)的基礎上，以水泥質量為基準，分別以水泥質量5%，10%，15%，20%的聚合物乳液取代乳化瀝青，適當調整拌合水量以及制備工藝，以保證制備的水泥乳化瀝青砂漿性能指標滿足科技基［2008］74號規定的要求。并分別成型 φ50 mm×50 mm圓模、40 mm×40 mm×160 mm抗折試樣和耐候試樣、100 mm×100 mm×400 mm抗凍試樣等。

表1 水泥乳化瀝青砂漿的基準配合比

1.3.2 水泥乳化瀝青砂漿性能測試

水泥乳化瀝青砂漿的可工作性能、力學性能、抗凍性能、耐候性能等測試均按照《客運專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件》(科技基［2008］74號)相關附錄進行。

2 結果討論與分析

2.1 聚合物乳液對水泥乳化瀝青砂漿可工作性能的影響

試驗考察了25℃下砂漿的可工作性能，結果見圖1。可見，隨著聚合物乳液摻量的增大，在可工作時間內砂漿的流動度變化幅度均在1～3 s之間，這表明聚合物乳液對砂漿的可工作性能影響較小。

圖1 聚合物乳液摻量對砂漿可工作性能的影響

在砂漿制備過程中還發現:隨著聚合物乳液摻量的增大，保證水泥乳化瀝青砂漿具有適宜可工作性能的外加拌合水、以及砂漿體系中的總水量(乳化瀝青、聚合物乳液中的水與外加拌合水的質量之和)均有明顯降低。這是由于聚合物乳液的加入改善了無機組分和有機組分的界面結合狀態，提高了乳化瀝青和水泥、砂子之間的相容性，從而使得外加拌合水以及總水量明顯降低。對于固定配合比的水泥乳化瀝青砂漿體系，水泥等無機膠材完全水化所需要的水量是固定的，超出水泥水化需水量之外的水主要用于保證制備出的砂漿具有適宜的流動度和可工作時間。當灌注、固化成型后，砂漿體系中剩余的水，或者以游離水的形態存在于體系封閉孔道中，或者通過連通的毛細孔道最終被排出砂漿體系，但在排出過程中容易形成水的通道，因而無論以何種方式均會在后續使用過程中加劇砂漿的抗凍性破壞。由此聚合物乳液的加入提高了水泥乳化瀝青砂漿的致密性和水密性，有利于水泥乳化瀝青砂漿的耐久性。

2.2 聚合物乳液對水泥乳化瀝青砂漿力學性能的影響

水泥乳化瀝青砂漿作為混凝土軌道板與底座板兩種剛性結構之間的填充層，必須具備適宜的力學性能。不同摻量聚合物乳液制得砂漿的抗壓強度見圖2。

由圖2可知:隨著聚合物乳液摻量的增多，制得水泥乳化瀝青砂漿的1 d抗壓強度逐漸降低，但隨著齡期的增長，砂漿的抗壓強度隨聚合物乳液摻量的增多而逐漸增大。這是由于聚合物乳液在砂漿體系中主要以薄膜的形式分布在水泥凝膠顆粒的表面，這在一定程度上阻礙了水化離子的遷移，減緩了水泥的水化以及乳化瀝青的破乳速度，因而聚合物乳液摻量較大的砂漿1 d抗壓強度偏低;隨著齡期的增長，聚合物乳液的成膜作用反而保持了砂漿體系水化環境的相對穩定，有利于砂漿抗壓強度的穩定增長。

圖2 聚合物乳液摻量對砂漿抗壓強度的影響

折壓比在一定程度上反映材料的彈韌性。不同摻量聚合物乳液砂漿試樣的折壓比測試結果見圖3。

圖3 聚合物乳液摻量對砂漿折壓比的影響

由圖3可知:隨著聚合物乳液摻量的增大，砂漿的折壓比明顯提高。未摻加聚合物乳液時砂漿的折壓比為0.58，摻加10%和20%聚合物乳液后砂漿折壓比分別為0.67和0.71。這是由于聚合物乳液在硬化后的砂漿體系中形成了相互交織的網狀膠膜結構［2］，增強了砂漿黏聚力，提高了砂漿的勻質性，由此提高了砂漿的折壓比。

2.3 聚合物乳液對水泥乳化瀝青砂漿耐候性能的影響

水泥乳化瀝青砂漿的耐候性主要表現在其抵抗氣候環境中光、熱、氧、水的侵蝕與老化。瀝青與空氣接觸并與空氣中的氧氣發生一定程度的聚合反應，產生老化。聚合物乳液作為高分子化合物，同樣對光、熱、氧的侵蝕存在敏感性，不同摻量聚合物乳液制得水泥乳化瀝青砂漿的耐候性能見圖4。

由圖4可知，隨著聚合物乳液摻量的增大，水泥乳化瀝青砂漿的相對抗壓強度沒有明顯變化，這表明摻加的聚合物乳液對砂漿的耐候性能沒有明顯影響。

圖4 聚合物乳液摻量對砂漿耐候性能的影響

2.4 聚合物乳液對水泥乳化瀝青砂漿抗凍性能的影響

在水泥乳化瀝青砂漿抗凍性測試前，首先測試了不同摻量聚合物乳液制得砂漿的吸水率，結果見圖5。

圖5 聚合物乳液摻量對砂漿吸水率的影響

由圖5可得:隨著聚合物乳液摻量的增大，砂漿的吸水率明顯降低。這是由于在拌合過程中，聚合物乳液首先沉積在水泥凝膠顆粒以及砂顆粒的表面，隨著水化反應的進行，其中一部分聚合物乳液逐漸被限制在毛細孔隙中，隨著水化的進一步進行，毛細孔隙中的水量減少，聚合物顆粒絮凝在一起，從而起到了填充毛細孔隙的作用。由此聚合物乳液的“堵孔”效應有效地減少了砂漿體系中連通孔道的形成，改善了砂漿的水密性。

吸水率的降低有利于水泥乳化瀝青砂漿抗凍性能的改善。不同摻量聚合物乳液水泥乳化瀝青砂漿的抗凍性測試結果見圖6。

由圖6可知:隨著聚合物乳液摻量的增大，300次凍融循環后砂漿的相對動彈模量逐漸增大、質量損失率逐漸降低。這也充分驗證了聚合物乳液能夠改善砂漿的內部結構，提高砂漿的抗凍性［3，5］。但聚合物乳液摻量超過15%后，摻量的繼續增大對砂漿的抗凍性改善幅度降低，而此時聚合物乳液摻量的增大，使得砂漿初期抗壓強度明顯降低(見圖2)，因此不同的工程應用中，綜合考慮砂漿的性能要求、施工進度和經濟成本等，聚合物乳液會有不同的經濟摻量。

圖6 聚合物乳液摻量對砂漿抗凍性能的影響

3 結論

1)聚合物乳液提高了乳化瀝青和水泥、砂子之間的相容性，在明顯降低砂漿外加拌合水以及砂漿體系總水量的同時，使得砂漿具有良好的可工作性能。

2)聚合物乳液的成膜作用保持了砂漿體系水化環境的相對穩定，有利于砂漿內部結構的穩定形成;而聚合物乳液對瀝青以及砂漿雙重的改性作用及其在砂漿結構中無機材料—有機材料界面形成的膠膜，增強了砂漿內聚力，提高了砂漿的勻質性和彈韌性，從而使砂漿具有良好的力學性能。

3)在保證砂漿耐候性能的前提下，聚合物乳液的“堵孔”效應大大降低了砂漿的吸水率，明顯改善了砂漿的抗凍性，提高了砂漿的耐久性能。

［1］鐘世云，王培銘.聚合物改性砂漿和混凝土的微觀形貌［J］.建筑材料學報，2004，7(2):168.

［2］劉大智.聚合物水泥砂漿復合材料性能研究［D］.南京:河海大學材料學院，2004.

［3］吳韶亮，李洪剛，李海燕，等.CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿用聚合物乳液的選擇研究［J］.鐵道建筑，2012(1):113-115.

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

［5］李海燕，邵丕彥.含氣量對CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿性能的影響［J］.鐵道建筑，2012(6):133-135.