綠色CA砂漿抗化學介質侵蝕性能試驗分析

楊 洋，劉振華，謝旺軍，林 潔

（廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530021）

0 引言

無砟軌道以其高平順性、高穩定性和少維修等特點，在鐵路運營中逐漸顯現出明顯優勢，尤其是隨著客運專線和高速鐵路的修建，無砟軌道更顯出其優越性和重要性［1］。由水泥、細骨料、瀝青乳液、水以及多種添加劑等原材料組成的CA砂漿，目前廣泛應用于板式無砟軌道結構中［2］。由于我國幅員遼闊，環境因素錯綜復雜，加之高速鐵路板式無砟軌道應用時間較短，已開通運營的客運專線無砟軌道中，砂漿充填層的破碎裂縫及其損傷尤為嚴重，這大大影響了無砟軌道強穩定性、高平順性、少維修（或免維修）的軌道結構優點；同時，CA砂漿在制備和運輸過程中，消耗資源和能源較大、對環境污染嚴重、循環再生利用率小也是其應用中的劣勢。為了使CA砂漿在不降低性能的基礎上大大減少資源消耗和對環境的污染，綠色改性CA砂漿的概念被提出。借鑒公路領域改性混凝土的研究成果，課題組分別進行了橡膠粉、錳渣礦粉改性CA砂漿的物理性能、工作性能、力學性能等測試，其改性效果良好。

針對我國南方地區氣候條件與降水情況，現場調查顯示CA砂漿層由于化學介質的侵蝕，其材料性能出現變化的現象尤為嚴重。化學介質侵蝕主要是指由于降水、大氣環流、列車遺落等途徑帶來的酸、油、堿、鹽、有害離子等與砂漿中的某些成分發生反應而引起的材料性能惡化［3］。在對CA砂漿抗化學介質侵蝕問題的研究中，王濤［4］通過測試普通CA砂漿抗化學介質試驗，表明普通高性能CA砂漿具有較好的耐化學介質侵蝕性能，滿足最高的耐蝕等級，其中耐機油侵蝕性較耐酸、耐堿和耐鹽差；曾曉輝［5］、楊凱［6］模擬酸雨對CA砂漿的侵蝕破壞作用，表明酸液的長時間浸泡將導致CA砂漿試件開裂、剝落，抗壓強度降低。雖然對普通CA砂漿的抗化學介質侵蝕研究已經開展，但并不系統，且針對改性CA砂漿尤其是綠色CA砂漿抗化學介質侵蝕能力的測試鮮有報道。本文在改性CA砂漿研究的基礎上，分別摻入0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%綠 色摻合料（橡 膠粉、錳渣礦粉）進行綠色改性CA砂漿的制備，并對綠色CA砂漿的抗化學介質侵蝕能力進行測試，試圖完善綠色CA砂漿研發中各項性能體系，為今后改性CA砂漿在南方地區的應用提供理論依據。

1 試驗

1.1 原材料

乳化瀝青：采用北京某公司板式無砟軌道調整層專用乳化瀝青，極性為陽性，各項性能滿足《客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件》（以下簡稱暫行技術條件），具體性能指標如表1所示。

干料：采用產地為四川的高速鐵路客運專線板式無砟軌道CA砂漿專用干料，用于配置干料的硅酸鹽水泥、細骨料、鋁粉、膨脹劑均符合規范要求，干料中水泥含量為40%，干料性能指標見下頁表2。

綠色摻合料：橡膠粉：試驗選用廣西某科學研究院生產粒徑為40目（0.42mm）的廢舊輪胎橡膠粉，纖維含量≥3%，其化學成分如下頁表3所示［7］；錳渣：采用廣西某廠排放的高爐水淬錳鐵礦渣，其中有效化學成分（CaO＋MgO）／（SiO2＋Al2O3）＝1.11＞1，具體指標見下頁表4。

其他外加劑和水：減水劑采用廣西某公司生產的UNF－5H為主的砂漿高效減水劑，減水效率＞25%；消泡劑采用廣東某公司生產的有機硅類消泡劑；為了提高橡膠粉與水泥砂漿、瀝青界面的粘結度，試驗采用上海某公司生產的硅烷偶聯劑kh560；水采用南寧市綠城水務股份有限公司提供的自來水，其各項性能指標滿足國家自來水指標要求［8］。

表1 高速鐵路板式無砟軌道CA砂漿乳化瀝青性能指標表

表2 高速鐵路板式無砟軌道CA砂漿專用干料性能指標表

表3 橡膠粉化學成分表（%）

表4 錳渣礦粉組成及物理性能指標表

1.2 配合比

客運專線板式無砟軌道CA砂漿調整層，主要起緩沖、減震、降噪排水等作用。綠色CA砂漿的試驗配合比在以暫行技術條件作為基本指導文件的基礎上，考慮混凝土領域改性成果，分別以0、5%、10%、15%、20%、25%、30%橡膠粉和錳渣礦粉等體積代替CA砂漿中的水泥用量，不同摻量綠色CA砂漿配合比見表5，其中A1－A7為橡膠粉改性CA砂漿，B1－B7為錳渣礦粉改性CA砂漿。用此配合比制備的綠色CA砂漿，乳化瀝青中水的含量為50%，配合比中水的總量為260kg／m3，水泥總量510kg／m3＞400kg／m3、乳化 瀝青 與水 泥比 值 0.49＞0.35、水 灰 比0.51＜0.58，均滿足暫行技術條件要求。

1.3 試驗方法

試驗嚴格按照暫行技術條件執行，拌合制備40.4mm×40.4mm×40.4mm綠色CA砂漿試塊每組3塊，共9塊。分別在24h拆模后進行標準養護28d，并進行外觀檢查與稱重，之后分別放置在含有化學介質侵蝕液中90d，再取出試塊進行外觀檢查、稱重與抗壓強度測試。其中，在室溫（25℃）時四類化學介質侵蝕液（酸、堿、鹽、油）的配置組分分別為：0.5%的硫酸溶液H2SO4、1%的氫氧化鈉溶液NaOH、1%的硫酸鈉溶液Na2SO4以及常用機油。

表5 綠色摻合料改性CA砂漿配合比一覽表（kg）

2 數據與分析

借鑒我國瀝青類材料的耐腐蝕方法評價標準［9］（如表6所示），將綠色CA砂漿重量變化與強度變化按照公式（1）進行計算：

其中，ΔR——試塊強度（質量）變化率；

R0——侵蝕前試塊的強度（質量）；

R1——侵蝕后試塊的強度（質量）。

表6 瀝青類材料抗化學介質侵蝕評價標準表

2.1 耐酸性能

大氣中的酸雨是高速鐵路化學侵蝕酸性物質的主要原因之一。根據調查，酸雨主要酸性粒子由SO42－、NO－3構成。試驗利用稀釋的H2SO4溶液配置模擬酸雨環境，對綠色CA砂漿試塊進行浸泡，由于實際環境中酸性化學介質對調整層侵蝕周期較長，故以0.5%濃度浸泡90d作為試驗模擬環境，試驗結果如圖1、圖2所示。

圖1 酸性介質侵蝕前后綠色（橡膠粉）改性CA砂漿強度、質量變化圖

圖2 酸性介質侵蝕前后綠色（錳渣礦粉）改性CA砂漿強度、質量變化圖

觀察圖1、圖2可知：（1）兩種綠色CA砂漿的強度和質量在模擬酸雨溶液中浸泡過后，均出現不同程度的變化，這說明酸性化學介質對CA砂漿試塊有侵蝕作用；（2）綠色CA砂漿在模擬酸雨溶液中浸泡后，其抗壓強度隨著摻合料摻入量的不同，出現了先升高后降低的趨勢，在兩種綠色CA砂漿試塊中，拐點分別出現在摻合料為5%和20%附近，抗壓強度分別比原試塊抗壓強度下降了11.9%和14.5%，且下降的幅度在5%和20%周圍呈現先降低后增大的趨勢，這表明了兩類綠色CA砂漿的最佳配合比范圍；（3）綠色CA砂漿的質量變化均呈現上升趨勢，且橡膠粉摻合料試塊比錳渣礦粉試塊更為明顯，同時并沒有因為綠色摻合料的摻入量增多就大幅變化，這主要由于除了CA砂漿本身吸水以外，橡膠粉比錳渣吸水率更大所致。

2.2 耐堿性能

由于高速鐵路板式無砟軌道鋪設涉及堿性環境地區，所以需要測試綠色CA砂漿抵抗堿性環境的能力。試驗采用1%濃度的NaOH溶液進行堿性環境的模擬，將綠色CA砂漿試塊浸泡于溶液中，測試結果如下頁圖3、圖4所示。

圖3 堿性介質侵蝕前后綠色（橡膠粉）改性CA砂漿強度、質量變化圖

圖4 堿性介質侵蝕前后綠色（錳渣礦粉）改性CA砂漿強度、質量變化圖

觀察圖3、圖4可知：堿性化學介質可以降低綠色CA砂漿的抗壓強度，隨著綠色摻料摻入量的增加，強度變化基本與酸性介質侵蝕變化規律相同，兩種綠色CA砂漿抗壓強度降低拐點出現在5%與20%附近，且抗壓強度分別降低了7.96%和4.67%，這說明綠色CA砂漿抗堿性化學介質侵蝕性能較好；而在對于質量增大的影響上，錳渣摻合料試塊明顯小于橡膠粉摻合料試塊，應與摻合料的吸水性能相關。

2.3 耐鹽性能

鹽類的侵蝕也是化學侵蝕的一部分。試驗利用硫酸鈉溶液Na2SO4，并嚴格按照水泥抗硫酸鹽試驗方法GT32420－80進行綠色CA砂漿抵抗鹽類侵蝕能力的測試，試驗結果如圖5、圖6所示。

圖5 鹽類介質侵蝕前后綠色（橡膠粉）改性CA砂漿強度、質量變化圖

圖6 鹽類介質侵蝕前后綠色（錳渣礦粉）改性CA砂漿強度、質量變化圖

觀察圖5、圖6可知：鹽類介質侵蝕對于綠色CA砂漿抗壓強度的改變不夠明顯，且兩種綠色CA砂漿抗壓強度降低幅度分別在5%和10%左右；質量變化則更加不夠明顯，質量明顯增加的只有橡膠粉試塊。

2.4 耐油性能

由于在板式無砟軌道結構上行駛列車過程中，不可避免地有部分機油漏出，而瀝青混合料又恰恰在機油等溶液中容易分解，所以有必要測試機油對綠色CA砂漿的侵蝕程度。采用普通機油對綠色CA砂漿試塊進行浸泡，測試其抗壓強度與質量的變化情況，如圖7、圖8所示。

圖7 機油介質侵蝕前后綠色（橡膠粉）改性CA砂漿強度、質量變化圖

觀察圖7、圖8可知：（1）機油類化學介質能明顯侵蝕綠色CA砂漿，降低綠色CA砂漿抗壓強度和質量；（2）隨著摻合料摻入量逐漸增大，抗壓強度降低的幅度出現先減小后增大的趨勢，拐點約為5%和20%處，拐點處降低幅度約為13.93%和15.68%，這說明前文提到的最佳摻合料范圍是客觀存在的；（3）質量減小幅度均在15%以內，且分別出現幅度逐漸減小和幅度維持不變的規律，這說明橡膠粉改性CA砂漿受機油影響變化幅度比錳渣礦粉改性CA砂漿敏感。

圖8 機油介質侵蝕前后綠色（錳渣礦粉）改性CA砂漿強度、質量變化圖

2.5 機理分析

綠色CA砂漿制備過程中，分別摻入兩種摻合料橡膠粉與錳渣礦粉，其中橡膠粉作為一種高分子材料，其潛在活性具有和瀝青發生反應從而改性CA砂漿的可能；而錳渣礦粉主要由玻璃體構成，其中含有含錳硅酸鹽及鋁硅酸鹽的礦物，所以具有潛在的水硬性和火山灰性，具備將其作為CA砂漿摻合料的條件［10］。當綠色CA砂漿中綠色摻合料在最佳范圍內時，綠色摻合料的摻入可以改善CA砂漿的性能，且對CA砂漿抗化學介質侵蝕能力有所改善：當綠色CA砂漿受到酸性溶液侵蝕時，由于C－S－H凝膠逐漸溶蝕，試塊強度將會降低，同時水化產生的CaSO4·2H2O結晶膨脹，使試塊密實度升高，阻隔外界酸溶液的侵入但同時內部侵蝕進一步加劇，期間還伴隨著酸性環境下生物腐蝕的強度降低，整個過程中，綠色摻合料的加入對強度的影響甚微而質量的增加則與橡膠粉的加入量密切相關，這是由于橡膠粉較錳渣礦粉吸水更為明顯所致；當綠色CA砂漿受到堿性溶液、鹽類溶液侵蝕時，其侵蝕效果不明顯，基本很難發生相對劇烈反應，侵蝕的程度主要與CA砂漿本身組成有關；當綠色CA砂漿受到機油侵蝕時，瀝青在機油中性能大幅下降，和其他組分的結合能力大大降低，乳化瀝青的粘結能力的喪失，直接導致各組分松散甚至剝落，大大影響了抗壓強度和質量的變化，而同時在最佳摻入量范圍內的綠色CA砂漿基本能夠保持規范要求。總之，綠色CA砂漿在受到化學介質侵蝕時，在酸性溶液和機油作用下性能變化明顯，在最佳摻入量的綠色摻合料范圍內，CA砂漿能符合暫行技術條件的要求，綠色CA砂漿抗化學介質侵蝕能力較強。

3 結語

借鑒混凝土領域改性的經驗，在改性CA砂漿基礎研究上，分別摻入0、5%、10%、15%、20%、25%、30%綠色摻合料（橡膠粉、錳渣礦粉）進行綠色改性CA砂漿的制備，并對綠色CA砂漿的抗化學介質侵蝕能力進行測試，得到如下結論：

（1）通過分別摻入橡膠粉和錳渣礦粉制備的綠色CA砂漿，當摻入量在最佳范圍內時，經過一段時間化學介質侵蝕后，其抗壓強度、質量的變化符合我國瀝青類材料的耐腐蝕方法評價標準。

（2）通過分別摻入橡膠粉和錳渣礦粉制備的綠色CA砂漿，抗壓強度的變化幅度呈現先降低后升高的趨勢，且拐點分別出現在摻合料為5%與20%附近；而質量變化和材料的吸水程度有關，其中橡膠粉吸水程度明顯高于錳渣礦粉。

（3）通過分別摻入橡膠粉和錳渣礦粉制備的綠色CA砂漿，其抵抗酸性溶液、機油的侵蝕能力明顯低于其抵抗堿性溶液和鹽類溶液的能力。酸性溶液環境會給綠色CA砂漿內部帶來劇烈反應，使其強度下降、密實度升高、生物腐蝕加劇；機油將溶蝕乳化瀝青，使各組分松散剝落，抗壓強度和質量下降嚴重。