CRTSⅠ型CA砂浆耐久性试验研究

2019-06-18王涛贾恒琼吴韶亮魏曌李海燕祝和权杜存山

铁路技术创新 2019年2期

王涛，贾恒琼，吴韶亮，魏曌，李海燕，祝和权，杜存山

（中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081）

CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆（CA砂浆）由水泥、乳化沥青、砂、水和多种外加剂等组成[1-3]，是一种新型有机-无机复合充填灌浆材料，用于轨道板与混凝土道床之间厚度为40～60 mm的扁平空腔内（长×宽约4 962 mm×2 400 mm），主要起调整、支撑、缓冲、传力和阻裂等作用，是CRTSⅠ型板式无砟轨道的关键材料与结构[4-8]。

CRTSⅠ型板式无砟轨道因具有结构简单、施工与维修方便等优势在我国应用广泛，其关键的充填层CA砂浆也随之用于各种环境，如严寒地区（哈尔滨—齐齐哈尔）、热带沿海地区（海南环岛铁路）等，经受不同严酷环境的考验。在使用前各项指标均符合现有技术条件规定，特别是表征砂浆服役寿命的耐久性指标，采用室内快速冻融法和模拟加速老化法模拟评价，可较好地预测评估CA砂浆的耐久性。

1 试验概况

1.1 原材料

试验采用原材料为：（1）乳化沥青，CRTSⅠ型砂浆专用阳离子乳化沥青，固体含量60%；（2）干料，CRTSⅠ型砂浆专用干料；（3）胶乳，TD-08聚合物乳液；（4）消泡剂，有机硅类；（5）引气剂，松香类。

1.2 试样成型

根据现场CA砂浆工艺性试验确定的施工配合比，采用砂浆搅拌车，开启电脑控制成型，自动计量各材料，并按设定顺序投入主搅拌机。搅拌工艺为：（1）加水、乳化沥青、胶乳、消泡剂，转速30 r/min；（2）加干料，转速80 r/min；（3）加引气剂，高速搅拌，转速120 r/min，搅拌120 s后低速（30 r/min）搅拌30 s，砂浆制备完成。将新拌砂浆浇筑成型：快速冻融试件（100 mm×100 mm×400 mm）、人工老化试件（40 mm×40 mm×160 mm）和耐酸碱盐试件（Φ50 mm×50 mm），28 d龄期后进行测试。

1.3 试验方法

（1）抗冻性和耐候性参照《客运专线铁路CRTSⅠ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）附录试验方法[6]。

（2）耐介质侵蚀试验方法如下：24 h拆模后养护至28 d，擦净试块表面，称重后检查并记录试块外观情况。将试块分别浸入盛有侵蚀液的带盖容器内，对比试块自然养护至相同龄期。浸泡1～3个月，从侵蚀液中取出试块，冲洗干净，擦干表面后观察其外观变化，并测试其抗压强度和质量。评定标准[7]见表1。

强度或质量变化率按式（1）计算：

式中：△R为试块强度，MPa（或质量变化率，%），“+”为增加，“-”为减少；R0为对比试块的强度，MPa（或质量，g）；R1为浸泡后试块的强度，MPa（或质量，g）。

各侵蚀液及浓度分别为硫酸溶液H2SO4（0.5%和1.0%）、氢氧化钠溶液NaOH（1%和2%）及硫酸钠溶液Na2SO4（1%和3%），侵蚀油为机油。所有试验均在（20±1）℃下进行。

2 结果与分析

2.1 抗冻性

按照现行暂行技术条件抗冻性试验方法，将4种不同乳化沥青制备的CA砂浆试件进行抗冻性试验，在不同冻融次数时进行测试，结果见图1。

图1表明，CA砂浆随冻融次数增加，1#、2#相对动弹性模量呈逐渐下降趋势，而3#、4#相对动弹性模量呈先下降后增加的趋势，原因在于不同CA砂浆内部孔结构形式与组成分布略有差异，即连通孔和封闭孔组成比例不同。3#、4#试样内部封闭孔比例相对高，表面砂浆冻融剥离掉后，内部砂浆依然密实，造成后期相对动弹性模量反而增加，而1#、2#砂浆试样中连通孔比例相对较高，冻融会逐渐损伤砂浆，其相对动弹性模量逐渐降低。

CA砂浆表层孔隙中的水分经过冻融循环后，原孔隙冻胀变大，吸收的水分逐渐增多，这些孔隙是由沥青网络结构形成。到达冻融循环次数后，取出CA砂浆试块迅速切割后发现，砂浆断面周边一定范围内吸水，而中心部分基本保持干燥，遭受冻融损伤的表面部分形成类似“海绵”的多孔结构，说明砂浆遭受冻融破坏的过程是：砂浆表面吸水→冻胀→表面损伤→水进入内层→表面破坏剥离→内层逐步破坏。因而，无纺布灌注袋代替四周立模施工时，与之接触的砂浆会渗出一定量水，使充填层砂浆表层硬化后密实度提高，降低实际砂浆遭受冻融破坏的风险。

CA砂浆抗冻性与其内部孔结构有关，而孔结构与新拌砂浆中较高的含气量有关，不同含气量对砂浆抗冻性的影响见图2。

由图2（a）可知，随着含气量的增加，砂浆的抗冻性能提高，但砂浆冻融循环约250次时质量损失较快。

由图2（b）可知，含气量增大，试样内孔数量增加，随着冻融进行，表层孔吸水冻胀后变大，试件吸水量增大，进一步导致封闭孔冻胀成开孔，外界水更易由表及里进入试件内层。一定循环次数后，表层冻胀剥离，表现为试件表面掉渣增多，质量出现损失。虽然增加含气量有助于提高砂浆的抗冻性能，但含气量过高会显著影响砂浆的抗压强度。

表1 沥青类材料评定标准(常温浸泡3个月)

图1 不同砂浆试样随冻融次数动弹性模量的变化

图2 不同含气量对砂浆抗冻性的影响

针对CA砂浆的冻融破坏，采用压汞法测试了冻融300次前后CA砂浆内部的孔径分布，其内部孔径分布与累计分布见图3。

由图3可知，CA砂浆硬化体内部的气泡孔径由于冻融循环而变大，冻融前孔径40 μm的气孔最多，300次冻融后孔径160 μm的气孔最多。其破坏原因与混凝土的冻融破坏类似，是受冻融循环中冰晶压力反复作用所致。

在实际工程中，通过引气剂导入微小气泡、消泡剂消除搅拌产生的大气泡、聚合物乳液改性等措施，可降低CA砂浆渗透性、减少干燥收缩、缓和冰晶压力，最终能有效改善其抗冻性，满足服役要求。

2.2 耐候性

CA砂浆的耐候性主要表征其抵抗自然界气候环境中光-热-氧-水的侵蚀与老化。但CA砂浆中沥青的老化过程不同于公路热拌沥青混合料，其制备无高温热拌过程，因此轻质油分的挥发损失已不是沥青老化的主要因素，而大气中的光-热-氧-水因素是CA砂浆服役期间老化的主要原因。采用老化试验机对CA砂浆进行耐候性测试，试验结果见图4。

从图4可知，经过500 h耐候试验，砂浆抗压强度、抗折强度以及折压比基本不下降，CA砂浆耐候性良好。

2.3 耐化学介质侵蚀

板式轨道结构中的砂浆垫层在服役过程中边缘部分与外界环境接触，特别是支模施工的砂浆在拆模后边缘部分完全暴露于外部环境中，受到环境中介质的侵蚀作用，如大气中酸雨的酸性侵蚀、机车行使过程中带来的油性侵蚀等。通过4种介质（酸、碱、盐、油）浸泡砂浆试样至一定龄期，以试样强度和质量变化考察砂浆对侵蚀介质的抵抗能力。

2.3.1 耐酸性

模拟酸雨溶液采用蒸馏水稀释浓H2SO4配制而成，浓度分别取0.5%和1.0%。酸性腐蚀后CA砂浆抗压强度与质量变化见图5。