W/C和A/C对水泥乳化沥青复合胶凝材料水化的影响

2011-07-27翁智财谢永江郑新国李书明

铁道建筑 2011年11期

翁智财，谢永江，郑新国，刘竞，曾志，李书明

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

水泥乳化沥青砂浆是板式无砟轨道结构的关键组成部分[1-5]，对保证轨道平顺性起到了重要作用，并起到填充、承力、传力、缓冲的作用，是保证列车在高速运行下平稳、舒适的关键材料，也是实现板式无砟轨道少维修、免维修的关键材料。

水泥乳化沥青砂浆由乳化沥青、水泥、细骨料、水、减水剂、消泡剂、铝粉(或乳化沥青、干料、水、减水剂、消泡剂)等材料采用特定设备及工艺拌制而成，具有良好的自流平性，在稍小的压力下，可完全填满轨道板和混凝土底座或支承层间的间隙(2～5 cm)，并且可对下部混凝土底座的结构变形在某一限度内进行修补。

由于水泥乳化沥青砂浆具有原材料组成复杂、性能指标要求高、制备技术难度大等特点，国内外对其进行了大量的研究。很多学者在水泥乳化沥青砂浆的配制、施工技术方面做了大量的研究工作，在水泥乳化沥青砂浆的原材料、配合比、力学性能、耐久性能和施工技术等方面取得了丰硕的成果[6-12]。但是截止目前，国内外对于水泥—沥青复合胶凝材料的水化硬化机理方面研究报道甚少。本文拟通过采用TAM air水泥水化热分析仪，对一定用量的水泥、乳化沥青以及水的复合胶凝材料浆体的水化放热进行测试，分析A/C(沥青水泥比)、W/C(水灰比)的变化对水泥乳化沥青复合胶凝材料的水化影响，并揭示水泥乳化沥青砂浆的水化放热机理，为水泥乳化沥青砂浆的凝结硬化研究提供理论依据。

1 原材料及配合比

1.1 原材料

试验采用中国石油化工股份有限公司上海沥青销售分公司生产的高速铁路专用阴离子型乳化沥青，性能指标见表1;水泥为采用唐山冀东水泥厂生产的盾石P·Ⅱ42.5水泥，比表面积为342 m2/kg，该水泥的物理性能见表2，化学组成见表3。水为蒸馏水。

表1 水泥乳化沥青的性能指标

表2 水泥的物理性能

表3 水泥化学组成 %

1.2 试验配合比

结合板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆配合比的特点，综合分析A/C和W/C的变化对水泥乳化沥青复合胶凝材料浆体的水化影响，主要从以下3个方面开展了试验研究:①研究沥青水泥比(取A/C=0和A/C=0.3)一定的条件下，不同水胶比的复合胶凝材料浆体水化热情况;②研究水胶比(W/C=0.5)一定的条件下，不同沥青水泥比的复合胶凝材料浆体的水化热情况;③研究不同沥青水泥比条件下，不同水胶比的复合胶凝材料浆体水化热情况。水泥—乳化沥青复合胶凝材料的水化热试验配合比见表4。

表4 水泥—乳化沥青复合胶凝材料的水化热试验配合比

2 试验方法

2.1 原材料的比热

试验用材料的比热分别为:水泥为0.75 kJ/(kg·℃ )，水为 4.2 kJ/(kg·℃ )，乳化沥青的比热 C按混合物的比热方法计算[15]

其中，∑Ci为混合物的比热，∑Mj为混合物的质量，mj为混合物中第j种物质的质量，ci为混合物中第i种物质的比热。在计算乳化沥青的比热时，忽略乳化剂的影响，固态沥青的比热为1.67 kJ/(kg·℃)，试验用的乳化沥青的固含量为60.0%，水分为40.0%，按上式计算出乳化沥青的比热为2.68 kJ/(kg·℃)。

2.2 试验的制备及测试

试验前，先用0.08 mm标准筛筛除水泥中的粗颗粒，然后将水泥在105℃条件下进行干燥，烘干至恒定质量后，放置在干燥器中冷却至室温，装罐密封保存。

试验24 h前，将各原材料密封，并在(20±2)℃的温度条件下恒温。试验在(20±2)℃的实验室条件下进行。试验时，按表4称量各原材料的质量，充分搅拌均匀，用滴管吸取搅拌好的浆体，用分析天平快速准确称取拌合好浆体6.000 g及参比样水的质量，迅速放入TAM air水泥水化热分析仪中，进行水泥—乳化沥青复合胶凝材料的3 d水化热测试。

3 试验结果及分析

采用TAM air水泥水化热分析仪，研究分析了A/C(沥青水泥比)和W/C(水灰比)的变化对水泥乳化沥青复合胶凝材料的水化影响。

当A/C为零时，不同水灰比(分别为 0.1，0.3，0.6，0.9，1.5)的胶凝材料水化热试验结果见图1(a)。由图1(a)可以看出，胶凝材料浆体的放热速率随水化龄期的延长呈先增加后降低趋势，水灰比不同，放热速率峰值出现的时间也有所不同，随水灰比的增大，放热速率的峰值出现的时间可滞后1～15 h;水化龄期越长，水化放热速率也越小，当水化龄期为90 h时，胶凝材料的水化放热速率为峰值的3%甚至更低。不同水化龄期阶段，胶凝材料浆体的水化放热速率也有所不同。从胶凝材料加水拌合至水化15 h，当水灰比较小时(水灰比≤0.6)，胶凝材料浆体的放热速率随水灰比的增加呈明显降低趋势;而在水灰比较大时(水灰比≥0.6)，胶凝材料浆体的放热速率随水灰比的增加略有增加，但整体的放热速率差异不大。随着水化龄期的延长，当胶凝材料浆体水化15～90 h，胶凝材料浆体的放热速率随水灰比的增加，整体呈缓慢的增加趋势。总的来说，水灰比对胶凝材料浆体的放热速率有明显的延缓作用。

图1 A/C一定，不同W/C的胶凝材料浆体水化放热速率

当沥青水泥比为0.3时(A/C一定)，不同水灰比(分别为 0.2，0.3，0.6，0.9，1.5)的胶凝材料水化热试验结果见图1(b)。胶凝材料浆体的放热速率随水化龄期的增加也呈先增加后降低的趋势，水灰比对胶凝材料浆体的放热速率有明显的延缓作用。主要体现在随水灰比的增加，胶凝材料浆体的水化放热速率峰值可滞后1～4 h;同时，在水化60 h之后，高水灰比的胶凝材料浆体的水化放热速率比低水灰比的约高3倍。但整体来说，同一龄期、不同水灰比的水化放热速率基本相差不大。

不同水化龄期的胶凝材料浆体水化情况也有所不同。从胶凝材料加水拌合至水化16 h阶段，胶凝材料浆体的放热速率随水灰比的增加呈降低的趋势，但整体降低的幅度很有限，其水化放热速率峰值约降低10% ～15%;而在水化16～90 h阶段，随水化龄期的延长，胶凝材料的放热速率随水灰比的增加基本呈增加的趋势(水灰比为0.2的除外)，但增加的幅度很小。对于水胶比为0.2胶凝材料浆体水化放热速率还比水灰比为0.3的小，一方面由于复合胶凝材料浆体中拌合自由水很少，浆体中水泥颗粒基本被沥青颗粒裹覆，与自由水的接触面积减小，从而导致水化速率降低;另一方面浆体中的拌合自由水很少，不足以提供水泥的完全水化，造成浆体总的水化放热量降低(见图2)，所测得的水化速率因而变小。

图2 A/C一定，不同W/C的胶凝材料浆体水化放热量

当 A/C 不为零时(分别为 0.1，0.3，0.6，0.9，1.5)，不同水灰比(分别为 0.1，0.3，0.6，0.9，1.5)的胶凝材料水化热试验结果见图3。胶凝材料浆体的放热速率随水化龄期的延长呈先增加后降低趋势，随水灰比和沥青水泥比的增加，胶凝材料浆体的放热速率峰值明显呈滞后的现象。结合图1～图3可以看出，水灰比相同，A/C不为零的胶凝材料浆体的放热速率明显比A/C为零的小很多，约降低50%，同时其胶凝材料的水化放热峰明显往后推延，水化放热速率峰值出现的时间推迟了2～30 h，整体而言沥青水泥比越高，水化放热速率峰值出现的时间滞后就越长。可以说，沥青水泥比对胶凝材料的放热速率的影响明显大于水灰比的影响。是由于胶凝材料浆体中乳化沥青的存在，使得水泥颗粒或水化产物的表面基本被沥青颗粒裹覆，显著地降低了水泥的水化放热速率，沥青的存在对胶凝材料浆体的水化有明显的延缓作用。

胶凝材料浆体中总用水量一定(水灰比为0.5)，不同沥青水泥比(A/C 分别为 0.1，0.3，0.5，0.6，0.7)的胶凝材料水化热试验结果见图4。胶凝材料浆体的放热速率随水化龄期的延长呈先增加后降低趋势。随沥青水泥比的不同，胶凝材料出现水化放热速率峰值的时间也各异。当 A/C为0.1～0.5时，随沥青水泥比的增加，水化放热速率峰值的时间将延缓5～10 h，且放热速率峰值呈降低趋势;当A/C为0.5～0.7时，随沥青水泥比的增加，水化放热速率峰值的时间将延缓2～5 h，且放热速率峰值呈增大趋势。造成这一现象的原因，可能与浆体中能够形成浆体的自由水量及沥青在浆体中分布有关，由于浆体总的用水量一定，当沥青水泥比较低时(A/C为0.1～0.5)，随沥青水泥比的增加，沥青对浆体中水泥颗粒的裹覆越多，进一步降低水泥水化速率;而当沥青水泥比较高时(A/C为0.5～0.7)，虽然浆体中自由水的量减少了，但是在高沥青水泥比时，浆体中沥青的分布由分散相变为连续相，水泥的水化加速了沥青的破乳，而沥青的破乳又为水泥提供更多的可水化的水，反过来又促进了水泥的水化。