水泥沥青复合砂浆拌合物乳化沥青破乳过程研究

李云良，欧阳剑，王山山，纪伦，赵九野，谭忆秋

(哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150090)

水泥沥青复合砂浆(简称CA砂浆)是由水泥、乳化沥青、砂及多种外加剂胶结固化形成的新型有机无机复合材料［1］。目前CA砂浆主要用于高速铁路的无碴轨道结构中，起到支撑、调节及减振3个方面的重要作用。

CA砂浆的水泥与乳化沥青拌合之后，即开始了体系的固化过程，这一过程主要包括2个方面:乳化沥青的破乳及水泥的水化，2个过程同时发生互相影响［2-3］，并对CA砂浆拌合物的工作性能及服役性能产生重要的影响［4-5］。

目前对 CA 砂浆的体积稳定性［6-7］、流动性［8］、工作性能［9-11］及影响因素方面开展了较多的研究工作。对新拌CA砂浆流动状态的流变力学性能及其影响因素也开展了相关的研究［12-13］。在CA砂浆的服役性能方面，则偏重于对CA砂浆的强度及其影响因素、机理的相关研究［14-18］，而在CA砂浆的本构方面也开展了初步的研究工作［19-20］。

目前，对CA砂浆固化过程中乳化沥青的破乳过程没有进行深入的研究。水泥乳化沥青复合后，乳化沥青会由于水泥的存在而快速破乳。水泥遇水则发生反应，水泥水化反应不仅消耗乳化沥青中的水，同时水泥水化生成的碱性物质及带电离子也会影响到乳化沥青的稳定性。更重要的是水泥颗粒带有极性，水泥颗粒能吸附乳化沥青中的乳化剂及沥青颗粒，从而进一步加快乳化沥青的破乳。

本文研究了水泥与乳化沥青拌合后乳化沥青的破乳过程，分析了拌合物体的粘度、CA胶浆颗粒粒径及乳化沥青微粒的聚集过程，研究了乳化沥青破乳的影响因素。

1 原材料

普通硅酸盐水泥，强度等级 P42.5，密度为3.2 g·cm-3，初凝时间为 142 min，终凝时间为160 min，3d抗压强度 15 MPa，28 d抗压强度46.8 MPa;阴离子慢裂型乳化沥青，蒸发残留物含量为 60%，针入度为 64.8(0.1 mm)，软化点为 46.6℃，延度为122 cm;普通自来水;聚羧酸类减水剂:活性铝含量85%;消泡剂为有机硅消泡剂。

2 新拌CA复合胶浆粘度的变化

采用布洛克菲尔德粘度计法测量新拌CA复合胶浆的粘度，试验方法参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTJ052-2000》中关于沥青的粘度测量方法。CA胶浆拌合后体系粘度的增长规律如图1所示(乳化沥青与水泥的质量比为0.4，减水剂的用量分别为 0，0.4%，0.7%)。

图1 不同减水剂用量下的CA胶浆粘度增长规律Fig.1 CA mortar viscosity law of growth under the different dosage of water reducing agent

从图1可以看出减水剂对新拌CA胶浆的粘度增长影响很大:1)当不掺加减水剂时，CA胶浆的粘度随时间变化很快，基本没有处于低粘度状态的保持时间，CA胶浆中乳化沥青的破乳很快。2)当加入少量减水剂以后，CA胶浆的初期粘度可以维持一段时间，然后粘度再迅速增大;减水剂的用量越多，CA胶浆在低粘度状态下的保持时间越长，同时乳化沥青由低粘度增至破乳前的高粘度所需时间也越长。这说明减水剂可调节在水泥影响下的乳化沥青的破乳速度。

分析其原因如下:1)水泥与乳化沥青混合时，水泥颗粒表面可吸附大量的表面活性剂分子，在不加入减水剂的情况下，水泥颗粒表面会吸附大量乳化沥青中的自由的乳化剂分子和吸附在沥青颗粒上的乳化剂分子，从而减小了乳化沥青中表面活性剂分子的含量，进而影响到沥青乳液的稳定性;2)当加入减水剂后，水泥颗粒对减水剂的吸附能力大于对乳化剂的吸附能力，而吸附减水剂的水泥颗粒将排斥对乳化剂的吸附，从而减小了水泥对乳化剂分子的吸附量，增加了乳化沥青的稳定性。

3 水泥乳化沥青胶浆粒径的变化

采用激光粒度仪对新拌CA胶浆的粒径分布随时间的变化规律进行了研究。图2为新拌CA胶浆平均粒径随时间的变化规律。从图2可以看出:1)不加减水剂的CA胶浆的平均粒径变化很快，这表明该CA胶浆中乳化沥青的破乳速度很快。2)当加入0.4%的减水剂后，CA胶浆的平均粒径在前30 min内有稍微的增长，在保持了4 h的缓慢增长后加速增长。CA胶浆平均粒径的变化与乳化沥青颗粒的破乳有关，因此平均粒径的变化规律反应了乳化沥青的破乳过程。3)加入减水剂后乳化沥青的破乳过程可分为3个阶段，第1个阶段是水泥与乳化沥青的接触阶段，该阶段水泥会吸附减水剂、乳化剂和沥青颗粒等，使体系快速进入平衡期;第2个阶段是体系的动态平衡期，沥青颗粒会缓慢的聚集结合;第3个阶段是加速破乳期，体系粒径将剧烈的变化。

图2 CA胶浆平均粒径随时间变化规律Fig.2 Average particle size of CA mucilage variation over time

4 水泥掺量对乳化沥青破乳的影响

图 3 为 A/C=0.8、1.6(乳化沥青与水泥的质量比)时CA胶浆浆体在拌合后不同时刻的粒径分布(未加减水剂)。从图3(a)可以看出对于A/C=0.8的复合浆体在0～30 min内粒度分布变化较大，表现为其粒度分布波峰偏移程度明显;从图3(b)可以看出对于A/C=1.6的复合浆体在0～30 min内粒度分布变化程度较小，表现为其粒度分布波峰基本未发生偏移。而在30～240 min，2种复合浆体的粒度变化较为相似:在200 μm处产生粒度分布的第2个波峰，但拌合时产生的第1个波峰未发生明显改变。

水泥沥青复合浆体的粒度分布随时间变化从侧面反映出了水泥水化和乳化沥青破乳间的相互影响:对于水泥含量较多的复合浆体，其水泥颗粒被沥青包裹程度较小，所以水化速率较快，在溶解期初期便有较为剧烈的水化反应，间接促进了乳化沥青的破乳和团聚过程，从而使得其粒径分布在0～30 min便有较大变化。对于乳化沥青含量较多的复合浆体，由于大量水泥颗粒在溶解初期被乳化沥青所包裹不能立即进行溶解和水化作用，所以其水泥颗粒溶解速率及水化速率较慢，因此被消耗的水较少，间接的抑制了乳化沥青初期的破乳作用，从而使得在0～30 min的粒度分布变化不大。

图3 粒径变化Fig.3 Particle size change

5 乳化沥青破乳过程的显微结构

乳化沥青与水泥拌合之后，即开始了水泥的水化与乳化沥青破乳2个过程。乳化沥青的破乳即为沥青颗粒的聚集过程。所以从拌合后体系乳化沥青颗粒粒径变化的角度可以分析乳化沥青的破乳过程。采用光学显微镜对乳化沥青的破乳过程进行观测。对拌合后的CA砂浆在不同时刻进行取样(未加减水剂)，并进行10倍稀释，放在光学显微镜下进行观测。观测结果如图4所示。

从图4可以看出，刚搅拌好的CA胶浆中的沥青颗粒分布均匀，粒径较小。静置一段时间后，沥青颗粒逐渐聚集结合，较大尺寸的沥青颗粒含量逐渐增多;静置时间继续增加，沥青颗粒继续聚集，较大沥青颗粒含量继续增加，并有少部分沥青吸附在水泥颗粒周围。到拌合后240 min，乳化沥青聚集更加明显，并呈现出连续成膜的特征。不同时刻沥青颗粒的变化表明，乳化沥青的破乳过程即是沥青颗粒的聚集结合过程。

图4 CA胶浆拌合后不同时刻的光学显微图片Fig.4 CA mortar optical microscopic images of different time after mixing

6 结论

减水剂可以调节在水泥影响下的乳化沥青的破乳速度，掺加减水剂对体系缓凝作用。根据CA砂浆固化过程中胶浆平均粒径变化，乳化沥青的破乳过程划分为3个阶段，即水泥与乳化沥青的接触阶段、动态平衡阶段及加速破乳阶段。

对于水泥含量较多的复合浆体，其水泥颗粒被沥青包裹程度较小，所以水化速率较快，在溶解期初期便有较为剧烈的水化反应，间接促进了乳化沥青的破乳和团聚过程，从而使得其粒径分布在0～30 min便有较大变化。

通过光学显微镜分析了CA砂浆中乳化沥青的聚集过程，乳化沥青的破乳过程即是沥青颗粒的聚集结合过程。

［1］金守华，陈秀方，杨军.板式无碴轨道用CA砂浆的关键技术［J］.中国铁道科学，2006，27(2):20-25.

JIN Shouhua，CHEN Xiufang，YANG Jun.Key technologies of CA mortar for slab track［J］.China Railway Science，2006，27(2):20-25.

［2］WANG Qiang，YAN Peiyu，A Ruhan，et al.Strength mechanism of cement-asphalt mortar［J］.J Mater Civ Eng，2011，23:1353-1359.

［3］NADIA P，JACQUES M，MICHEL P.Hydration mechanisms，microstructure，and mechanical properties of mortars prepared with mixed binder cement slurry-asphalt emulsion［J］.J Mater Civ Eng，2003，15:54-59.

［4］WANG Fazhou，LIU Zhichao，WANG Tao，et al.A novel method to evaluate the setting process of cement and asphalt emulsion in CA mortar［J］.Materials and Structures，2008，41:643-647.

［5］TAN Yiqiu，OUYANG Jian，LYU Jianfu，et al.Effect of emulsifier on cement hydration in cement asphalt mortar［J］.Construction and Building Materials，2013，47:159-164.

［6］WANG Fazhou，LIU Yunpeng，ZHANG Yunhua，et al.Experimental study on the stability of asphalt emulsion for CA mortar by laser diffraction technique［J］.Construction and Building Materials，2012，28:117-121.

［7］WANG Fazhou，LIU Zhichao，HU Shuguang.Early age volume change of cement asphalt mortar in the presence of aluminum powder［J］.Materials and Structures，2010，43:493-498.

［8］ZENG Xiaohui，XIE Youjun，DENG Dehua.Conductivity behavior of the fresh CA mortar and its relationship with the fluidity properties［J］.Construction and Building Materials，2012，36:890-894.

［9］LU Chengtsung，KUO Mingfeng，SHEN Derhsien.Composition and reaction mechanism of cement-asphalt mastic［J］.Construction and Building Materials，2009，23:2580-2585.

［10］左景奇，姜其斌，傅代正.板式轨道弹性垫层CA砂浆的研究［J］.铁道建筑，2005，9:96-98.

ZUO Jingqi，JIANG Qibin，FU Daizheng.Research of CA motar in the elastic cushion of slab track［J］.Railway Engineering，2005，9:96-98.

［11］王发洲，刘志超，胡曙光，等.掺沥青乳液水泥体系的凝结时间对CA砂浆性能的影响［J］.建筑材料学报，2008，11(2):162-166.

WANG Fazhou，LIU Zhichao，HU Shuguang，et al.Influence of setting process of cement system in the presence of asphalt emulsion on the properties of CA mortar［J］.Journal of Building Materials，2008，11(2):162-166.

［12］ZHANG Yanrong，KONG Xiangming，HOU Shanshan，et al.Study on the rheological properties of fresh cement asphalt paste［J］.Construction and Building Materials，2012，27:534-544.

［13］GHAZI G，AL-KHATEEB，NABIL M，et al.Properties of Portland cement-modified asphalt binder using Superpave tests［J］.Construction and Building Materials，2011，25:926-932.

［14］SONG H，JEONGYUN D，YANGSEOB S.Feasibility study of asphalt-modified mortars using asphalt emulsion［J］.Construction and Building Materials，2006，20:332-337.

［15］WANG Qiang，YAN Peiyu，KONG Xiangming，et al.Compressive strength development and microstructure of cement-asphalt mortar［J］.Journal of Wuhan University of Technology-Mater Sci Ed，2011，26(5):998-1003.

［16］谭忆秋，欧阳剑，王金凤，等.CA砂浆强度影响因素及强度机理研究［J］.哈尔滨工业大学学报，2011，43(10):80-83.

TAN Yiqiu，OUYANG Jian，WANG Jinfeng，et al.Factors influencing strength of cement asphalt mortar and strength mechanism［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2011，43(10):80-83.

［17］LI Yunliang，TAN Yiqiu，OUYANG Jian.A study on mechanical performance and mechanism of cement asphalt mortar［J］.Advanced Materials Research，2011，(197/198):1023-1027.

［18］谭忆秋，欧阳剑，王金凤，等.高强型CA砂浆力学性能影响因素及力学机理研究［J］.铁道学报，2012，34(7):122-125.

TAN Yiqiu，OUYANG Jian，WANG Jinfeng，et al.Research on factors influencing mechanical properties of high strength cement asphalt mortar and mechanical mechanism［J］.Journal of the China Railway Society，2012，34(7):122-125.

［19］LIU Yongliang，KONG Xiangming，ZHANG Yanrong，et al.Static and dynamic mechanical properties of cement-asphalt composites［J］.J Mater Civ Eng，2013，25:1489-1497.

［20］LI G，ZHAO S，PANG W，et al.Experimental study of cement-asphalt emulsion composite［J］.Cement and Concrete Research，1998，28(5):635-641.