CA砂浆强度的影响因素及作用机理研究

2010-05-04张小冬洪锦祥王文峰

铁道建筑 2010年9期

徐静，张勇，张小冬，洪锦祥，万赟，王文峰

(江苏省建筑科学研究院，南京 210008)

通过试验考察了水泥含量、含气量、养护制度、乳化沥青种类等对CA砂浆强度的影响，其中重点研究了乳化剂种类对强度的影响，并通过粒度分析、水化热试验，以及沥青与水泥石和集料的黏附性试验分析了乳化沥青种类对CA砂浆强度的影响机理。

1 CA砂浆强度影响因素研究

原材料:①水泥(见表 1、表2):P.Ⅱ 52.5R硅酸盐水泥;②乳化沥青:自行乳化，沥青为进口SK沥青，乳化剂分别为ZZ和196两种;③集料:河砂，细度模数1.85;④水:自来水;⑤膨胀剂:细度 >200目，鳞片状的铝粉;⑥消泡剂:日本进口有机硅类消泡剂EO;⑦减水剂:江苏博特新材料有限公司的PCA I-C聚羧酸系高效减水剂。

表1 水泥的化合物组成

表2 小野田水泥基本物理性能

配合比:在无特殊说明下，水泥∶砂子∶乳化沥青∶水(C∶S∶A∶W)=2.50∶3.75∶1∶0.69，膨胀剂为水泥用量的1.0/W，减水剂掺量为水泥用量的1.5‰，消泡剂掺量根据含气量调整，含气量控制在10%以下，且对比试验的每组含气量尽量一致或接近。

搅拌制度:先将乳化沥青(表3)、水、消泡剂、减水剂称量后加入到搅拌锅内，开始慢搅并逐渐加入由水泥、砂子、膨胀剂组成的干料，加完后改为快搅，搅拌速度为200 r/min并保持3 min，然后再慢搅1 min即可。

表3 乳化沥青性能

检测方法:参考《客运专线铁路CRTS II型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》中含气量和强度(抗折、抗压)等试验方法进行。

1.1 CA砂浆配比对强度的影响

诸多学者从CA砂浆的配合比出发研究其强度的影响因素，因此本文进行验证性的试验，研究水泥、乳化沥青的相对掺量对强度的影响。由资料可知，外加水量、含气量和试验加载速率对强度都有一定影响，因此在研究配比对其强度的影响时，为了减少其它因素的影响，固定了用水量、干料总量(水泥和砂子总量)，且含气量尽量控制相同或接近，在此基础上调整水泥/乳化沥青(C/A)的比例，以全龄期强度为考察指标，分别检测了1 d、7 d和28 d的抗折、抗压强度，在检测方法上固定一种加载速率进行试验，试验结果见表4所示。

表4 CA砂浆配比

由配比1到配比3是逐渐增加C/A比，即相对增加水泥的掺量而减小乳化沥青的用量，从试验结果可见，在含气量基本一致的情况下，随着C/A比的升高，CA砂浆的强度逐渐上升，这与大多数学者［1-3］的研究结果基本一致，即水泥含量越高、乳化沥青含量越低，CA砂浆的强度越高。由试验数据，C/A由2.03增至2.50时，1 d(早期)强度的抗折、抗压分别增加了26.4%和45.7%，28 d抗折、抗压分别增加了20.0%和25.7%，可见水泥的相对含量的增加更有利于CA砂浆早期强度的提高(图1)。

图1 水泥含量对CA砂浆强度的影响

1.2 含气量对强度的影响

为研究含气量对CA砂浆的强度影响程度，设计了相同配比下，不同含气量的CA砂浆，检测其强度的差别，试验结果见图2所示。

图2 含气量对强度的影响

由试验结果可见CA砂浆的抗折和抗压强度都受到含气量的影响，都随着含气量的增加而降低，这与王强等学者的研究结论一致。但是，相对而言抗压强度受到含气量的影响更为显著，随着含气量的增加而降低的幅度较大。

1.3 养护制度对强度的影响

在水泥砂浆中，水泥的水化速率和水化程度受到养护制度的影响显著，一般温度越高湿度越大，水泥的水化速度越快，水化程度也越高，但是在CA砂浆中是否也遵循此规律，以下是对CA砂浆养护制度对其强度发展的影响规律做了试验研究。

1.3.1 温度

《客运专线铁路板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》中规定CA砂浆的施工气温在5℃ ～40℃之间，更适宜在5℃ ～30℃之间。因此本文选取了两种养护温度，分别为5℃较低温度，另一为20℃常规温度，对相同配比的CA砂浆进行相同湿度、不同温度的养护，并检测其早期强度，结果见表5所示。

表5 养护温度对CA砂浆强度的影响

由试验结果可知，温度越高CA砂浆的强度增长越快，这与水泥砂浆的规律一致。众所周知温度越高，水泥水化速度越快，同时乳化沥青破乳也越快，因此CA砂浆的强度较高。

1.3.2 湿度

《客运专线铁路板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》中涉及了两种养护湿度，即分别为95%湿度并覆盖薄膜和65%湿度，因此本文采用这两种养护湿度，分别对相同配比的CA砂浆进行养护，并检测其早期强度，见表6所示。

表6 养护湿度对CA砂浆强度的影响

与普通水泥砂浆强度发展规律截然不同，湿度越高，CA砂浆早期强度越低。同一锅出来的CA砂浆拌合料，一组放入湿度为95%养护箱内养护，并且覆盖了薄膜，另一组放入湿度为65%的养护室内不覆盖薄膜进行养护，结果湿度较低的一组试件其1 d强度较高，尤其是抗压强度比高湿度的增加了近80%。可见，养护湿度对CA砂浆的早期强度产生了显著的影响，其原因主要是在高湿度且覆盖薄膜的条件下，水分不易蒸发，虽然对水泥水化有利，但却导致乳化沥青不易破乳，而强度同时受到多种因素的影响，未破乳的乳化沥青则严重影响了CA砂浆的整体黏聚力，在CA砂浆体系中起到“润滑剂”的作用，影响了水泥水化产物形成完整的骨架结构，增加了其可流变性能，因此，降低了CA砂浆的强度。

1.4 乳化沥青种类对强度的影响

大多数研究都是从CA砂浆的配合比(包括水泥用量、乳化沥青用量、砂子用量、外加水量等)和拌合物性能(包括含气量、扩展度、流动度等)等角度研究CA砂浆的强度影响因素，很少有人从乳化沥青的种类即乳化剂方面进行研究，本文选取了由同样沥青而不同乳化剂的两种乳化沥青进行试验，CA砂浆的配比完全相同，结果见表7和图3所示。

表7 乳化剂对CA砂浆强度的影响

两种乳化沥青是同一种沥青分别采用两种乳化剂进行乳化制得的。由CA砂浆的强度试验结果可见，196乳化沥青其砂浆的1 d抗折、抗压强度分别比ZZ提高了43.75%和50.59%，7d强度也分别大了7.51%和12.70%，但是28 d的强度中ZZ的抗压强度虽然比196的低7.17%，但是其抗折强度却比196的增大了近19%。

可见，乳化剂的种类也会对CA砂浆的强度造成影响，从乳化沥青的差异性方面可推知196乳化沥青颗粒较大，因此相同质量的情况下，其颗粒数量较少，对水泥颗粒的包裹率和对水泥水化的影响程度都较小，因此其早期强度比ZZ高很多。但是，后期两种砂浆强度的差异性较小，可推知乳化沥青主要是影响水泥早期水化速率，而长期强度还要取决于CA砂浆中沥青、水泥水化产物以及砂子等各相之间的界面作用力以及整体的黏聚性。

2 机理分析

分别采用粒度分析、水化热和黏附性试验，研究了乳化沥青中乳化剂的种类对CA砂浆强度的影响机理。

2.1 粒度分析

采用激光粒度仪，分别对乳化沥青、水泥、水泥乳化沥青水复合物(C/A/W的比例为2.50/1/0.69，与CA砂浆中三种的比例完全相同)，进行颗粒分布变化研究，分别检测其在1～2h内的粒度变化，见图4所示。

图3 乳化剂对CA砂浆强度的影响

图4 粒度分布

图4(a)为乳化沥青颗粒随时间变化，可见单纯乳化沥青颗粒内几乎不发生变化，图4(b)为水泥颗粒随时间变化情况，可见当水泥放入蒸馏水的检测池中，水泥粒度立即瞬间增大且随着时间推移越来越大，说明水泥颗粒遇水后颗粒凝聚或伴随水化反应。图4(c)为水泥和乳化沥青混合后瞬间的颗粒变化，可见两种物质复合后粒度分布，与乳化沥青的粒度分布较为接近，但是不同之处在于其小颗粒数量减少，大颗粒数量增加。图4(d)为C/A复合粒子随时间的变化情况，可见小颗粒数量逐渐减少，大颗粒数量增加且粒度也有所增大。

乳化沥青颗粒平均粒径4 μm，水泥颗粒平均粒径11 μm，可推算出单个颗粒体积比 VC/VA大约为20.80/1，又根据质量比 WC/WA为2.50/1，密度比 ρC/ρA约为3.0/1，可推知水泥与乳化沥青的颗粒数量比约为100/1。当乳化沥青粒度更小时这个比例更大，可见乳化沥青与水泥颗粒相比，其数目之多，体积之小足可以将所有的水泥颗粒包裹住。又因乳化沥青与水泥混合后，颗粒数量瞬间减少，然而由图4(a)已知乳化沥青如果单独存在于水中短时间内是几乎没有粒度变化的，因此可推知是部分小粒度的乳化沥青粒子黏附到水泥颗粒上去，因而乳化沥青、水泥复合后的空间关系应为乳化沥青粒子包裹水泥颗粒和部分自由水。水泥颗粒与内部的一些自由水进行水化导致颗粒粒度增加，但是值得注意的是乳化沥青黏附在水泥颗粒表面时很容易破乳，因此必然存在部分乳化沥青破乳将水泥颗粒包裹住，水分也难以进入。

2.2 水化热

CA 砂浆配比(质量)为 C∶S∶A∶W=2.50∶3.75∶1.00∶0.69，水泥砂浆的配比中扣除了乳化沥青中的沥青，其它配比与CA砂浆完全一样。水化热试验结果见图5所示。

由试验结果可见水泥砂浆与CA砂浆、不同乳化剂体系的CA砂浆之间水化热均存在较大差异。由图5(a)可知水泥砂浆在13 h时温度升高到峰值39.3℃，而两种CA砂浆分别在17 h和23 h时升到峰值35.75℃和33.55℃。图5(b)和图5(c)的水化热总量曲线和水化速率曲线同样证明了水泥砂浆中水泥大量地、迅速地发生水化，而CA砂浆则较为缓慢，可见乳化沥青影响了水泥的水化进程。单就CA砂浆而言，不同的乳化剂体系中水化热曲线差异也非常显著，196乳化沥青体系的水化速度较快，24 h时，196的水化热总量为237.88 J/kg，而 ZZ的只有166.33 J/kg，可见在1 d时196体系中水泥的水化程度比ZZ的高得多。众所周知，CA砂浆是由沥青和水泥共同充当胶凝材料，显然沥青的强度远比水泥水化产物小，因此水泥提供强度和弹性，而沥青提供柔韧性，因此水化程度越低的CA砂浆的强度则越低。

不同乳化剂体系的乳化沥青对水泥水化进程的影响程度不同，主要原因分析:①不同乳化剂体系的乳化沥青稳定性不同，有些体系稳定性差容易破乳，特别是接触水泥后加速破乳，破乳后的沥青膜阻碍自由水的进入，因此影响了水泥的水化;②乳化剂影响了沥青膜与水泥及水化产物的黏附性，若沥青膜与水泥的黏附性好，则水分不易进入沥青膜内，否则水分仍然可自由进入，为水泥的进一步水化提供水分。

图5 水化热试验

2.3 乳化沥青与集料、水泥石的黏附性

精选与以上试验中砂子电性和酸碱性接近的粗集料，以及成型W/C为0.5的水泥石，28 d后切成1 cm厚的片状，然后参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T 0654-1993乳化沥青与矿料的黏附性方法进行试验，结果见表8。

表8 乳化沥青及沥青膜与集料、水泥石的黏附性

从试验结果可见，ZZ和196两种乳化沥青中，196乳化沥青与集料和水泥石的附着力均较差，而且破乳后的沥青膜也容易出现剥落，即其与集料和水泥石的黏附性或界面作用力较低。首先，由于196体系乳化沥青对水泥的附着力差，对水泥的水化影响小，因此CA砂浆的强度增长较快;其次，也是因为196乳化剂显著降低了沥青与集料和水泥石的黏附性，而导致其CA砂浆后期的韧性降低，因此后期(28 d)抗折强度较低。