水泥与乳化沥青相容性机理及其改善措施研究

孔德玉，胡红贵，钱晓倩，杨芳儿，杨林江，汤 薇，吴文军

(1．浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014;2．浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310013;3．浙江兰亭高科有限公司，浙江 杭州 312044)

随国民经济快速发展，我国将建设“四纵四横”客运专线高速铁路网，设计时速最高达350 km/h。为提高列车高速运行稳定性和安全性，减少轨道维护工作量，国外发展多种形式无砟轨道，板式轨道是技术最为成熟轨道之一，在发达国家高速铁路上大量铺设已成发展趋势，其特点是在路基上铺设混凝土底座，底座上放置预制轨道板，其间预留30～50 mm空隙，中间灌注水泥沥青砂浆(Cement asphalt mortar，CA砂浆)，固化后形成兼具一定刚性和弹性的填充垫层，为轨道提供必要强度和弹性，是板式无砟轨道结构中弹性调整层关键组成部分，也是板式轨道核心技术之一［1-4］。

目前我国将板式无砟轨道分为CRTSⅠ型和CRTSⅡ型两种，京沪高速铁路工程主要采用CRTSⅡ型。对于CRTSⅡ型CA砂浆，《客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》(科技基［2008］74号，以下简称《暂行技术条件》)规定，宜采用阴离子型乳化沥青，并提出乳化沥青与水泥的适应性指标。目前，国内外关于乳化沥青与水泥适应性的研究尚不多见。WANG Fazhou等［5］研究了不同乳化剂对乳化沥青与水泥之间适应性的影响，表明采用二胺类乳化剂乳化得到的沥青乳液与水泥之间具有较好的适应性。主要研究了水泥品种对沥青乳液与水泥之间适应性的影响，对比研究了水泥与沥青乳液之间的适应性及其与减水剂之间适应性的关系，提出了改善沥青乳液与水泥之间适应性的措施。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验用沥青乳液由浙江兰亭高科股份有限公司生产，为CA砂浆专用慢裂快凝型阴离子沥青乳液，其基本性能见表1。选取了五种来源的水泥，取自五家水泥厂，代号分别为 JFC，ZKDC，CGC，XDC和 HLC。所用减水剂为HG-PCA600型聚羧酸高效减水剂(Sp)，固含量为35%，减水率为28%。乳化剂由浙江兰亭高科股份有限公司提供。水为自来水。

表1 沥青乳液性能

1.2 试验方法

沥青乳液与水泥的适应性按《暂行技术条件》中规定的方法进行测定，采用20 s内混合物的流出体积(ml)或全部流出所需的流出时间(s)来表征沥青乳液与水泥的适应性。采用涂-4黏度计测定掺加减水剂或乳化剂水泥净浆的流动性。试验时，先用手指堵住黏度计漏斗的出口，然后将搅拌得到的净浆加入漏斗中，松开手指至观察到净浆开始流下时开始计时，采用流下的净浆体积为25 ml时对应的流下时间(s)表征水泥净浆的流动性。

2 结果分析与讨论

2.1 水泥与沥青乳液、减水剂的适应性

图1所示为不同来源的水泥与沥青乳液的适应性测定结果。由图1可见，JFC与沥青乳液的适应性最好，水泥与沥青乳液和水搅拌均匀，并在40℃下静置4 h后，沥青乳液未破乳，继续搅拌均匀后，按规定方法测得20 s内混合物的流出体积达到135 ml。ZKDC和XDC与沥青乳液的适应性也较好，按规定方法测得20 s内混合物的流出体积均在70 ml以上，分别达到110 ml和95 ml。其它三种水泥与沥青乳液的适应性则较差，两者混合后并在40℃下静置4 h后，沥青乳液出现破乳现象，重新搅拌后的混合物无法从漏斗中流出。

图2所示为水灰比W/C=0.26，高性能减水剂掺量为水泥用量的1%，采用不同来源水泥拌制的水泥净浆流下时间。由图2可见，4种水泥中，以JFC与该高性能减水剂的适应性最好，制备得到的水泥净浆流下25 ml所需的时间最少，仅为68 s;CGC与该高性能减水剂的适应性最差，制备得到的水泥净浆流下25 ml所需的时间最多，其流下时间达到109 s。

图1 沥青乳液与不同来源水泥的适应性

图2 不同水泥与高性能减水剂的适应性比较

图3 水泥乳化沥青浆体20 s流出体积与水泥浆体25 ml流出时间的关系

图3所示为按《暂行技术条件》测试沥青乳液与水泥适应性时的20 s流下体积与水灰比为0.26、高性能减水剂掺量为1%的水泥浆25 ml流出时间之间的关系。由图3可见，与沥青乳液适应性良好的水泥，其与沥青乳液混合而成的水泥沥青浆体20 s流下体积及其与减水剂溶液混合而成的浆体25 ml流出时间几乎呈线性关系，即水泥与减水剂的适应性越好，水泥与沥青乳液之间的适应性越好。由图3可以预测，若将水泥按W/C=0.26，减水剂掺量为1.0%制备得到水泥浆体，其流出25 ml所需时间＞85 s，该水泥与沥青乳液之间的相容性将不能满足《暂行技术条件》的要求。

综合图1～图3可见，沥青乳液与水泥之间的适应性机理实际上可能与水泥与减水剂之间的适应性机理相类似。

图4所示为减水剂和乳化剂掺量对水灰比分别为0.28和0.38的JFC水泥浆体和CGC水泥浆体25 ml流出时间的影响。由图4(a)可见，JFC水泥与聚羧酸减水剂之间的适应性良好，随减水剂掺量增大，水泥浆体流出时间呈先减小后增大趋势，减水剂的最佳掺量为1.0%，掺量超过1.0%后，其流出时间仅略有增大。然而，CGC水泥与减水剂的适应性明显较差，减水剂掺量＜1.0%时，浆体流出时间随减水剂掺量增大而明显下降，但减水剂掺量为1.25%时，其稠度反而急剧增大，然后又随减水剂掺量增大而明显下降。这一方面与两者之间适应性有关，同时也可能与该水泥本身质量的稳定性有关。

由图4(b)可见，JFC水泥与沥青乳化剂之间也具有良好的适应性，制备得到的水泥浆体稠度随乳化剂掺量的变化趋势与掺减水剂时基本相同;而CGC水泥与沥青乳化剂之间的适应性同样较差，掺量为0.75%时，得到的水泥浆体甚至不能流下。随乳化剂掺量进一步增大，水泥浆稠度开始下降，但乳化剂掺量为1.5%时，得到的水泥浆体稠度才能与掺1.0%的JFC水泥浆体相当。此外，对比图4(a)和图4(b)可见，虽然乳化剂对水泥亦具有一定的减水效果，但其减水效果远低于聚羧酸减水剂。

图4 减水剂和乳化剂掺量对水泥净浆流出时间的影响

2.2 改善水泥与沥青乳液适应性的措施

2.2.1 增加减水剂用量

为考察采用与沥青乳液适应性差的水泥制备CA砂浆的可行性，考虑在进行水泥与沥青乳液适应性试验时，在乳化沥青和水泥混合之前，先在水中加入适量聚羧酸减水剂，研究掺加少量减水剂对水泥和乳化沥青之间适应性的影响，试验结果如图5所示。由图5可见，当减水剂掺量仅为0.1%和0.2%时，CGC水泥与沥青乳液混合，在40℃下静置4 h后，沥青乳液破乳，混合浆体无法流出。当减水剂掺量达到0.3%时，乳化沥青与水泥混合并在40℃下静置4 h后的混合浆体可以流动，但流下70 ml需时45 s，仍未达到20 s流下70 ml的要求，但当减水剂掺量达到0.4%以上时，乳化沥青与水泥混合并在40℃下静置4 h后的混合浆体流下70 ml所需时间均为10 s以下。由此可见，即使所用水泥与乳化沥青的适应性不好，原则上仍可用于制备CA砂浆，但需采用一些技术措施，如增大减水剂掺量才能防止CA砂浆制备过程中乳化沥青破乳。

2.2.2 增加乳化剂用量

根据以上分析，水泥与沥青乳液适应性差的主要原因是由于水泥颗粒对沥青乳液中的乳化剂产生竞争性吸附的结果。因此，在制备乳化沥青时，通过适当增加乳化剂用量可提高沥青乳液与水泥之间的适应性。图6为外加乳化剂对乳液与水泥之间适应性的影响。由图6可见，当乳化剂掺量仅为0.1%，0.2%和0.3%时，CGC水泥与沥青乳液混合，在40℃下静置4 h后，沥青乳液仍发生破乳，混合浆体无法流出。当乳化剂掺量达到0.4%时，乳化沥青与水泥混合并在40℃下静置4 h后的混合浆体可以流动，但流下70 ml需时36.45 s，仍未达到20.00 s流下70 ml的要求。当乳化剂掺量为0.5%时，乳化沥青与水泥混合并在40℃下静置4 h后的混合浆体流下70 ml所需时间为7.31 s，已满足沥青乳液与水泥的相容性要求。乳化剂用量进一步增加对相容性的改善已无明显效果。

图5 高性能聚羧酸减水剂掺量对沥青乳液与CGC水泥之间适应性的影响

图6 外掺乳化剂掺量对沥青乳液与CGC水泥之间适应性的影响

2.2.3 对水泥进行表面改性

采用偶联剂对水泥进行表面憎水处理亦可改善水泥与乳化沥青之间的相容性。图7所示为对CGC水泥进行表面改性处理后，硅烷偶联剂掺量对水泥与乳化沥青相容性的影响。由图7可见，通过偶联剂对水泥进行表面改性处理亦可有效改善沥青乳液与水泥之间的适应性，但偶联剂KH550掺量仅为0.02%时，其与沥青乳液之间的相容性仍很差，沥青乳液发生破乳现象，当偶联剂掺量达到0.05%时，其对相容性的改善效果最好，但继续增大偶联剂用量反而导致20 s内流出的体积下降，但其相容性仍能满足要求。

图7 偶联剂KH550掺量对沥青乳液与表面改性CGC水泥之间适应性的影响

根据以上分析可见，通过优选水泥品种、适量掺加减水剂、乳化剂或对水泥进行表面憎水处理均可有效改善沥青乳液与水泥之间的适应性，防止乳化沥青在拌制CA砂浆过程中发生破乳现象。对比图5和图6可见，相同掺量情况下，掺加减水剂对改善两者之间相容性的效果更好。从经济性角度出发，合理选择水泥品种是防止CA砂浆拌制过程中沥青乳液破乳的首要措施。然而，在生产过程中，由于水泥化学组成与性能变异的影响，可能仍会出现破乳现象，此时可通过适当提高减水剂掺量或掺加乳化剂等措施改善相容性。通过表面憎水处理可确保两者之间的相容性，且表面憎水处理后的水泥不易受潮失效，对提高原材料的储存性能有利。

3 结论

1)沥青乳液与水泥之间的相容性与减水剂与水泥之间的适应性直接相关，其机理是由于水泥颗粒表面对沥青乳液中乳化剂的竞争性吸附所致。

2)乳化剂对水泥有一定的减水效果，但减水效果较差。

3)通过适当提高高效减水剂用量或外掺适量乳化剂以及对水泥进行表面憎水处理可明显改善水泥与沥青乳液之间的相容性。

［1］ 徐学东，徐建，陈志华，等．板式无砟轨道垫层 CA砂浆研究与进展［J］．华东交通大学学报，2008，26(4):58-62．

［2］ MAKOTO U，MASAO U，MASAMICHI S，et al．Development of new type guideway structure［J］．QR of RTRI，2004，45(1):13-16．

［3］ KATSUTOSHI A，MAKOTO S，HIFUMI A，et al．Development of slab tracks for Hokuriku Shinkansen Line［J］．QR of RTRI，2001，42(1):35-41．

［4］ 金守华，陈秀方，杨 军．板式无砟轨道用 CA砂浆的关键技术［J］．中国铁道科学，2006，27(2):20-25．

［5］ WANG Fazhou，ZHANG Yunhua，LIU Zhichao，etal．Preliminary study on asphalt emulsion used in cement asphalt mortar［J］．Journal of Testing and Evaluation，2009，37(5):14-17．