硫鋁水泥和膠乳對水泥乳化瀝青砂漿低溫硬化性能的影響

摘要：

通過分析水泥乳化瀝青砂漿（CA砂漿）冬季低溫病害的產生原因，研究了硫鋁酸鹽水泥、膠乳對CA砂漿低溫凝結和灌注質量的影響。結果表明，低溫導致CA砂漿超長緩凝，使體系穩定性變差，并引起泌水和揭板起皮等病害；摻入硫鋁水泥能加快CA砂漿的低溫凝結過程，隨替代量增加，凝結時間逐漸縮短；隨溫度升高，膠乳水泥流態體系可攪拌時間呈降低趨勢，選用低溫稠化性能合適的的膠乳，可改善新拌CA砂漿的低溫均勻穩定性；復摻10%硫鋁水泥和8%膠乳的CA砂漿在24 h的強度和膨脹率符合要求，在實測0.5～7.7 ℃的低溫環境中，揭板檢查CA砂漿斷面均勻、表面平整無起皮，符合上道要求。

關鍵詞：

砂漿；低溫；硬化；強度

Abstract：

The causes of low temperature diseases of cement asphalt emulsified mortar （CA mortar） was analyzed. The influences of hardening process and filling quality of sulfur aluminum cement（SAC） and polymer latex on CA mortar in winter were studied， and the results showed that CA mortar is super retarding in low temperature， and the system stability deteriorated， then some diseases appeared such as bleeding， peeling by removing slab， et al. The SAC could accelerate the hardening process with the substitution amount of SAC increases， and the setting time of CA mortar is faster. With the increase of temperature， the stirrable time of latexcement system showed a decreasing trend， and uniform and stable of fresh CA mortar could be improved by latex with suitable thickening performance in low temperature. The expansion rate and 24h compressive strength of CA mortar which combined admixture SAC（the content of 10%） and polymer latex（the content of 8%） met the standard requirements， in 0.5 ℃～7.7 ℃ environment， and CA mortar showed crosssection uniformity and smooth surface without peeling by removing track slab， which meet the requirement of the technology requirements.

Keywords：CA mortar； low temperature； hardening； strength

低彈模水泥乳化瀝青砂漿（CA砂漿）是高速鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道的關鍵充填層結構與材料[13]，由水泥、乳化瀝青、砂、消泡劑、引氣劑等多種原材組成，且乳化瀝青質量多于水泥，體系中含有大量的無機、有機成分以及多種表面活性劑，材料成分復雜、性能敏感[46]，特別是在技術條件規定的施工溫度范圍兩端，容易引起砂漿凝結硬化速度異常而造成病害。溫度過高時流動性損失快，轉運灌注時間過長，則有可能失去流動性而出現“悶鍋”，造成原材浪費和耽誤工期；低溫時緩凝雖避免了“悶鍋”，但長時間不凝結會造成新拌體系中氣泡上浮形成皮層、砂粒下沉形成分層以及膨脹率不足造成塌角離縫等病害[79]。

在實際工程中，施工時間從秋季持續到冬季較為常見[1013]，而冬季低溫會使新拌CA砂漿凝結硬化時間延長，24 h齡期難以滿足拆模要求，且易出現泌水、起皮等病害。鐵道部科技基[2008]74號暫行技術條件規定了“施工環境溫度應在5～35 ℃范圍內”和“當日最低氣溫可能在0 ℃以下時應對新灌注砂漿采取適當的保溫措施”，但冬季常遇春節或年度工程計價節點，工期緊張，此時砂漿灌注完畢后可能存在0～5 ℃溫度環境，而當前對最低溫度在0～5 ℃環境中出現的CA砂漿質量病害與原因及其解決措施缺乏研究。因此，研究CA砂漿低溫病害及其優化技術對實際工程具有重要意義。

筆者結合室內試驗和實際工程線下CA砂漿揭板試驗，研究了冬季低溫環境中CA砂漿的凝結時間和強度發展規律，采用摻入硫鋁水泥和聚合物乳液的技術調控CA砂漿硬化過程，使其低溫施工揭板效果符合上道要求。

1原材料與試驗方法

1.1原材料

乳化瀝青：CRTSⅠ型砂漿專用陽離子慢裂型乳化瀝青，固含量≥60%；干料：CRTSⅠ型砂漿專用干料，P·Ⅱ型硅酸鹽水泥，干料中<0.075 mm的顆粒/粉料含量為33%（質量占比）；硫鋁酸鹽水泥：北極熊快硬硫鋁酸鹽水泥；膠乳：東方亞克力聚合物乳液1#、2#、3#和4#，性能指標均滿足技術條件要求[14]；消泡劑：有機硅類；引氣劑：松香類。

試驗配比：干料∶乳化瀝青∶水∶消泡劑∶引氣劑=3∶1.4∶0.067∶0.000 4∶0.004。

砂漿車現場制備CA砂漿，攪拌工藝為：先加水、乳化瀝青、膠乳、消泡劑，轉速30 r/min；再加干料，轉速80 r/min；最后加引氣劑，開始高速攪拌，速度120 r/min，攪拌時間為120 s；低速30 r/min攪拌30 s，砂漿制備完成，取樣成型抗壓強度試樣以及灌注揭板檢查。

1.2試驗方法

CA砂漿凝結時間采用維卡儀測試，試驗過程參考水泥凝結時間（GB/T 1346—2011），記錄試針扎入深度；干料抗壓強度測試參照水泥膠砂強度檢驗方法（GB/T 17671—1999）進行；CA砂漿抗壓強度按照水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件（科技基[2008]74號）附錄進行。

膠乳水泥適用性試驗：100 g乳液與200 g水泥以1 500 r/min轉速攪拌，記錄流動性顯著降低時所需時間（變稠狀態）和失去流動性時間（塑性狀態）。

膠乳水泥相容性試驗：100 g乳液在1 500 r/min轉速攪拌下加入水泥，失去流動性時記錄最大添加量。

膠乳水泥粘度試驗：100 g乳液加200 g水泥，1 500 r/min攪拌分散3 min制得樣品，在0、30 min時測試其粘度，粘度儀為NDJ5S型旋轉粘度計。

板下砂漿溫度用HCTW20無線溫度檢測儀監控，配套1個現場數據發射器，共4個數據采集通道，將傳感器預設于砂漿上部、下部、板面上與環境中，在砂漿灌注后進行連續采集。

2結果與討論

2.1CA砂漿低溫病害

中國長三角地區某高鐵線路建設時，11月中旬發現置于室外的CA砂漿試樣出現表面塌陷、上部泌水等病害（如圖1），CA砂漿充填層揭板檢查發現表面形成氣泡層（灌注后板邊覆蓋棉被、整體覆蓋防雨布），撕開灌注袋時起皮（如圖2）；查詢當天天氣有寒潮降溫，天氣預報夜間環境溫度最低5 ℃，一般遠離市區環境的實際溫度比預報更低，這表明CA砂漿在冬季低溫環境（≤5 ℃）中容易產生泌水、揭板起皮等病害風險。

同時取現場砂漿車制備CA砂漿，出機溫度4.2 ℃，澆注強度試樣，連續測試室內標準養護和室外自然養護砂漿試樣1、2、3、7 d抗壓強度，結果見圖3。

圖3表明，在環境溫度和砂漿初始溫度均低于5 ℃的情況下，砂漿標養1 d無強度、也未硬化，室外自然養護2 d無強度，3 d和7 d強度均低于標準養護。原因可能在于低溫時水泥水化速度大幅減緩，使得CA砂漿凝結硬化時間變長，造成早期不凝結而無強度；同時，未凝結體系內自由水、瀝青顆粒和內部氣泡容易上浮，在試模開口表面形成泌水，在板腔密閉空間瀝青顆粒在表面形成皮層，阻止氣泡逸出，并聚集形成瀝青皮層。

因而，CA砂漿在冬季低溫環境中施工時，需采取相關措施對其低溫硬化過程進行調控，以優化CA砂漿低溫施工質量。相比外部增溫保溫措施，優化砂漿配合比具有費用小、施工效率高等優勢，可通過硫鋁酸鹽水泥或聚合物乳液調節水泥乳化瀝青體系的低溫硬化過程，達到改善CA砂漿低溫質量的目的。

2.2硫鋁水泥對砂漿的影響

快硬硫鋁酸鹽水泥自身在5 ℃低溫環境中能正常硬化，為保持CA砂漿配比穩定，將硫鋁水泥等量替代部分硅酸鹽水泥制備干料，以調控CA砂漿在低溫環境中的硬化。恒溫恒濕試驗室和環境箱的最低溫度≥5 ℃，砂漿出機溫度為6 ℃（相比原材料5 ℃的溫度存在水化升溫），凝結時間和抗壓強度的養護和測試溫度6 ℃，硫鋁水泥不同摻量對CA砂漿凝結時間和強度的影響見圖4、圖5。

圖4表明，硫鋁水泥部分替代硅酸鹽水泥能縮短CA砂漿的凝結時間，隨著硫鋁水泥替代量的增加，CA砂漿的凝結時間逐漸縮短，當替代量為10%時，6 ℃環境下CA砂漿可在24 h內終凝；圖5表明，摻有硫鋁水泥的CA砂漿抗壓強度在1～7 d內呈現增長趨勢，且其強度值均高于同齡期的基準CA砂漿（0%替代量），當硫鋁水泥替代量≥7%時，低溫下CA砂漿1 d強度可達0.1 MPa以上，也可在24 h內凝結，滿足抗壓強度≥0.1 MPa的施工拆除工裝要求，考慮低溫下CA砂漿24 h抗壓強度的富余量，硫鋁水泥替代量為10%時較好。

2.3膠乳對漿體的影響

膠乳常用來優化水泥基材料硬化體性能，對CA砂漿的新拌體系穩定與硬化體性能也具有改善作用。低溫環境中，膠乳可與水泥反應，促進CA砂漿硬化，其還能在堿性環境中膠凝稠化，改善新拌CA砂漿體系在低溫環境中的分散穩定性：氣泡不上浮、水分不泌出、砂粒不下沉，提高CA砂漿硬化體勻質性。

通過不同比例膠乳水泥體系的流動性、粘度等指標，研究不同種類膠乳（1#～4#）對CA砂漿所用硅酸鹽水泥新拌性能的影響。試驗中膠乳水泥體系初始溫度和測試環境溫度相同，膠乳水泥適用性見圖6和圖7、膠乳水泥相容性見圖8，膠乳水泥粘度變化見圖9（初始溫度和測試環境溫度均為22.4 ℃）。

圖6表明，在6～27 ℃溫度范圍內，隨溫度升高，不同種類膠乳與水泥體系拌和時流動性顯著降低時間呈降低趨勢，其中3#膠乳拌和時間逐漸變化，無顯著變化溫度點，曲線相對較平緩，有利于CA砂漿新拌體系的灌注施工性；圖7表明，在6 ℃和15 ℃相對低溫環境中，膠乳水泥體系攪拌時，不同膠乳在失去流動性所需的時間不同，3#膠乳失去流動性所需時間均最短，不同膠乳失去流動性時間隨溫度升高而降低，所需時間降低幅度以3#膠乳最大，約為41%；結合圖6、圖7結果，高速攪拌加速膠乳水泥稠化的適用性試驗顯示，3#膠乳具有相對較好的低溫稠化性能，可提高體系中各組分的均勻性，防止長時間處于流態時CA砂漿組分離析。

圖8表明，膠乳水泥體系高速攪拌時，3#膠乳可加入的最大水泥量在6～27 ℃溫度范圍內逐漸降低，機理在于：溫度升高促進水泥水化，進而縮短了膠乳水泥體系失去流動性的時間；另外，圖6和圖8顯示，膠乳水泥體系流動性在溫度約為20 ℃時存在陡降趨勢，這與實際工程中CA砂漿流動性與溫度的關系相似：在大于20 ℃時，CA砂漿可工作時間隨溫度升高而顯著縮短。

圖9表明，相同溫度環境下，不同膠乳與水泥的漿體粘度隨時間的變化呈現不同規律，2#膠乳在30 min時存在粘度突變增大，在實際施工中存在不能灌注的風險，4#膠乳幾乎無變化，在實際工程中不利于新拌砂漿體系內部成分的均勻穩定，2#和3#膠乳粘度均勻變化，利于施工；結合圖6、圖7和圖8的試驗結果，選擇3#膠乳既可保證施工時的可灌注性，又能兼顧新拌體系的均勻穩定性。

2.4硫鋁水泥+膠乳復合

根據上述結果，用硫鋁水泥等量替代硅酸鹽水泥10%，同時膠乳分別等量取代乳化瀝青8%（1#曲線）和10%（2#曲線），出機溫度和養護溫度6 ℃，兩者復摻的影響見圖10、圖11。

圖10表明，在硫鋁水泥等量取代10%硅酸鹽水泥條件下，膠乳取代量8%的砂漿強度在前3 d內均相對較高，而膠乳取代量10%的砂漿在7 d時反超，原因可能在于新拌體系中膠乳稠化膠凝鎖住的水分揮發或消耗較慢，影響3 d內的強度，而水分降低至一定值后，膠乳成膜成網后的增強作用顯示出來。

圖11中24 h膨脹結果表明，CA砂漿早期膨脹呈現先收縮后膨脹的規律，其中膠乳取代量10%的CA砂漿的收縮和膨脹值均小于取代量為8%的砂漿，原因可能在于：CA砂漿早期新拌體系塑性強度低，不能隨干料中鋁粉發氣而膨脹，且鋁粉發氣速度小于體系中的氣泡逸出速度，反而出現收縮，當體系塑性強度隨水化反應而增加到一定值后，砂漿隨鋁粉發氣而膨脹；膠乳量增加使CA砂漿早期體系穩定性增強，減緩早期氣泡逸出速度，表現為收縮也相對較小，同時CA砂漿體系稠化塑性強度高，鋁粉發氣產生的自由膨脹量也會受到部分抵消，表現為砂漿膨脹率降低。

2.5灌注揭板效果

考慮實際低溫施工環境要求CA砂漿具有早期硬化不緩凝、強度滿足工裝周轉、膨脹率合適以及經濟性等特點，選擇硫鋁水泥等量替代硅酸鹽水泥10%、膠乳等量取代乳化瀝青8%（1#）的復摻技術方案，進行冬季低溫環境現場灌板揭板試驗，現場砂漿出機溫度9.5 ℃，灌注后板邊覆蓋棉被、整體覆蓋防雨布，溫度曲線見圖12、揭板檢查結果見圖13。

圖12表明，砂漿層溫度和板面溫度隨環境溫度〖HJ2.1mm〗呈現規律性變化。CA砂漿灌注完后，環境溫度8.9 ℃，夜間逐漸降溫，2.5 h后溫度降至4.4 ℃，已低于技術條件規定的5～35 ℃施工環境溫度；14 h后環境溫度進一步降至0.5 ℃，氣溫隨著第2天到來而回升；板面溫度10.3 ℃，隨后下降至2.5 ℃，再回升，變化規律與環境氣溫幾乎同步；砂漿充填層上部在隨后2 h內溫度保持8.9 ℃不變，后逐漸下降至5.2 ℃，變化幅度3.7 ℃，而下部溫度則在3 h內從7.1 ℃小幅升至7.7 ℃，后逐漸降至6.7 ℃，變化幅度1 ℃，上下部溫度變化幅度存在2.7 ℃差異，原因可能在于單元板軌道不同部位與外界環境熱傳導存在不同的熱傳導系數，上部砂漿與外界間隔了一層軌道板，而下部砂漿與外界間隔了軌道板和砂漿層。另外，早期CA砂漿溫度略有上升，并未隨環境溫度降低而降低，表明水泥水化產生熱量抵消了一部分熱量損失，與混凝土水化熱引起的溫升相比[1516]，CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿的薄層結構散熱快，其水化熱引起的溫升在冬季施工時可以忽略。

圖13表明，同時采用硫鋁水泥等量替代10%硅酸鹽水泥、膠乳等量替代8%乳化瀝青的復摻技術，CA砂漿揭板檢查斷面均勻、表面平整無起皮，符合充填層砂漿揭板檢查質量要求；也表明通過合理技術手段可以解決CA砂漿在冬季低溫環境中出現起皮、泌水等病害。

3結論

1）低溫導致CA砂漿超長緩凝，使體系穩定性變差，并引起泌水和揭板起皮等病害，室外自然養護2 d無強度，3 d和7 d強度均明顯低于標準養護強度。

2）硫鋁水泥部分替代硅酸鹽水泥能縮短CA砂漿低溫下的凝結時間，隨著硫鋁水泥替代量的增加，CA砂漿的凝結時間逐漸縮短，當替代量為10%時，6 ℃環境下CA砂漿可在24 h內終凝。

3）在6～27 ℃的試驗溫度范圍內，隨溫度升高，膠乳水泥流態體系可攪拌時間呈降低趨勢，選用低溫稠化性能合適的的膠乳，可改善新拌CA砂漿的低溫均勻穩定性。

4）復摻10%硫鋁水泥和8%膠乳的CA砂漿在24 h的強度和膨脹率符合要求，在實測0.5～7.7 ℃的低溫環境中，揭板檢查CA砂漿斷面均勻、表面平整無起皮，符合上道揭板檢查要求。

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