CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿微膨脹性能研究

賈恒瓊，李海燕，吳韶亮，魏 曌

(中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿要求膨脹率(24h)為1% ～3%。通過專用灌注袋，在混凝土基座和軌道板間規(guī)定的空間內(nèi)灌注砂漿。水泥乳化瀝青砂漿在凝固后會產(chǎn)生干燥收縮，為保證軌道板與路基混凝土板之間空隙填充的密實(shí)性，在砂漿拌合過程中添加發(fā)氣鋁粉，亦稱發(fā)氣劑。鋁粉與砂漿體系中的堿相互作用，在澆筑后和凝固前的這段時間，因化學(xué)作用產(chǎn)生氫氣，均勻分布在砂漿結(jié)構(gòu)中，使其形成一定的膨脹。

1 水泥乳化瀝青砂漿性能指標(biāo)

為了使CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿滿足施工性能要求以及軌道結(jié)構(gòu)的調(diào)整層要求，水泥乳化瀝青砂漿需滿足以下性能指標(biāo)，見表1。

表1 水泥乳化瀝青砂漿性能指標(biāo)要求

2 鋁粉發(fā)氣速度對砂漿成型和性能的影響

鋁粉與砂漿中的堿起化學(xué)反應(yīng)，而產(chǎn)生氫氣［1］。其反應(yīng)式為

反應(yīng)中，實(shí)質(zhì)是鋁粉與水的反應(yīng)，水泥的強(qiáng)堿環(huán)境加速了反應(yīng)的進(jìn)行。氫氣的產(chǎn)生量與產(chǎn)生速度，除了與鋁粉的純度、細(xì)度、處理方法等因素有關(guān)外，還與水泥的礦物組成(主要是含堿量)、水灰比、反應(yīng)溫度有關(guān)。一般情況下，鋁粉的加量為水泥膠凝材料用量的0.006% ～0.015%左右。

鋁粉在化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量氣泡，在砂漿內(nèi)部形成均勻的氣孔結(jié)構(gòu)。要使砂漿達(dá)到要求的膨脹效果，又不影響最終的強(qiáng)度，主要在于砂漿與鋁粉發(fā)氣過程相適應(yīng)的程度。當(dāng)砂漿凝結(jié)硬化時鋁粉發(fā)氣已全部結(jié)束，氣泡均勻地存在于硬化的砂漿中，砂漿逐漸硬化產(chǎn)生多孔的結(jié)構(gòu)，鋁粉發(fā)氣速度與砂漿稠化速度相適應(yīng)這種狀況則是最佳的。鋁粉發(fā)氣速度太快，在澆筑完畢后，砂漿膨脹速度過快，凝結(jié)硬化過程相對太慢，鋁粉發(fā)氣在砂漿還未硬化時或拌合中釋放出，而砂漿中固體粒子下沉速度過快，砂漿可能出現(xiàn)泌水。此時氣泡大量合并上浮，從而引起整個砂漿體系的不穩(wěn)定，導(dǎo)致整體沉陷嚴(yán)重甚至塌模。鋁粉發(fā)氣太慢，則砂漿膨脹速度慢，而砂漿已經(jīng)逐漸凝結(jié)硬化，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生憋氣。砂漿側(cè)面可見分布有很多橫向非貫穿裂縫，長度最大1 cm(層裂)，嚴(yán)重破壞了結(jié)構(gòu)的形成，影響了砂漿的強(qiáng)度［2］。

3 鋁粉和水泥品種對砂漿發(fā)氣效果的影響

3.1 鋁粉的品種對砂漿發(fā)氣效果的影響

試驗(yàn)選取了兩種形態(tài)的鋁粉，進(jìn)行水泥乳化瀝青砂漿的膨脹率試驗(yàn)。膨脹率測試，將砂漿澆筑到250 mL量筒滿刻度處，按照試驗(yàn)要求養(yǎng)護(hù)24 h后，測試膨脹率。其公式為

式中，D為量筒直徑(mm);H0為初始深度(mm);H24為24 h后的深度(mm)。

兩種鋁粉分別為Al-1、Al-2，配制流動度和含氣量符合指標(biāo)(表1)要求的砂漿。從加料開始分別在0、10、20、30、45、60 min 共 6 個時間點(diǎn)取砂漿試樣，測試膨脹率的發(fā)展趨勢，見圖1、圖2?？梢?，隨著攪拌時間的延長，氣體逸出越多，膨脹率減小。攪拌時間達(dá)10 min的砂漿，Al-1鋁粉在20 min開始發(fā)氣，發(fā)氣很快結(jié)束，而Al-2鋁粉在1 h才開始發(fā)氣，5 h發(fā)氣基本完畢。表明，Al-1鋁粉的發(fā)氣速度快于Al-2鋁粉。

另外，鋁粉的粒徑也是影響發(fā)氣速度的重要因素。試驗(yàn)分別選取了 Al-1鋁粉400目、700目，Al-2鋁粉150目、350目，考察不同粒徑鋁粉對砂漿膨脹率的影響。同一個砂漿體系，粒徑越小，鋁粉在砂漿中的反應(yīng)越快，在砂漿未凝結(jié)硬化前氣體較易溢出，最終的膨脹率較小;反之，粒徑越大，相對于砂漿凝結(jié)硬化來說發(fā)氣較慢，隨著發(fā)氣量增大砂漿體系黏度也在增大，生成的氣體易于分布均勻，最終膨脹率較大。

3.2 水泥的品種對砂漿發(fā)氣效果的影響

針對不同的鋁粉應(yīng)選擇合適的水泥，除了水泥的堿度對鋁粉發(fā)氣有影響外，具備早強(qiáng)功能與否也很重要。上文提到的Al-1鋁粉發(fā)氣速度比Al-2鋁粉要快，所以針對早強(qiáng)水泥可以選用發(fā)氣較快的Al-1鋁粉，不具備早強(qiáng)功能的水泥應(yīng)選用發(fā)氣較慢的Al-2鋁粉。

4 拌合條件對砂漿膨脹效果的影響

4.1 拌合溫度的影響

不同地區(qū)不同季節(jié)無砟軌道施工，大致分為三個溫度段:5℃、20℃和35℃。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，鋁粉用量相同，隨著拌合溫度的升高，膨脹率逐漸減少，達(dá)到同一膨脹率所需的鋁粉量也要增大?？梢姡瑴囟仍礁?，鋁粉發(fā)氣反應(yīng)越快，導(dǎo)致最終的膨脹率達(dá)不到要求。

4.2 注模前攪拌時間的影響

配制流動度和含氣量符合指標(biāo)(表1)要求的砂漿，分別在攪拌到5 min和1 h時灌注量筒。砂漿養(yǎng)護(hù)24 h后，經(jīng)觀察和測試，攪拌5 min的砂漿膨脹率達(dá)3%，并且砂漿試塊也呈現(xiàn)膨脹;而攪拌1 h的砂漿膨脹率則為0.5%，砂漿試塊下塌不膨脹。這說明，攪拌時間的延長會加快內(nèi)部氣體的逸出，體積膨脹不易保持。

4.3 水灰比和黏度的影響

砂漿的水灰比大，黏度小，鋁粉發(fā)氣比較順暢，一部分氫氣由于砂漿的黏性阻力較小而上浮溢出，發(fā)氣速度較快，最終膨脹率較低;砂漿水灰比小，黏度大，鋁粉發(fā)氣所受阻力大，發(fā)氣速度較慢，發(fā)氣時間較長，最終膨脹率較大。因此砂漿只有在相對固定的水灰比條件下，一定量的鋁粉才能獲得穩(wěn)定的膨脹率。故在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)針對砂漿基本固定的水灰比，選擇發(fā)氣時間合適的鋁粉以及用量。

隨著砂漿攪拌時間的延長，水化過程在加劇，黏度也會稍變大，鋁粉發(fā)氣也在進(jìn)行。鋁粉的膨脹與砂漿的凝結(jié)硬化是同一體系中的物理化學(xué)反應(yīng)過程，影響凝結(jié)硬化的因素亦會影響鋁粉發(fā)氣速度。

5 結(jié)論

1)不同品種鋁粉的發(fā)氣早晚影響砂漿最終的膨脹率。添加等量的兩種鋁粉，與發(fā)氣較早的Al-1鋁粉相比，發(fā)氣較晚的Al-2鋁粉獲得的砂漿膨脹率較大。針對不同的水泥應(yīng)選用不同發(fā)氣速度的鋁粉，具有早強(qiáng)功能的水泥可以選用發(fā)氣較快的鋁粉，對不具備早強(qiáng)功能的水泥可以選用發(fā)氣稍晚的鋁粉。

2)拌合條件也是影響砂漿膨脹率的直接因素。添加等量鋁粉，隨著拌合溫度的升高、攪拌時間的延長、大水灰比獲得的砂漿膨脹率較小;反之，膨脹率則較大。

［1］劉尚樂.乳化瀝青及其在道路、建筑工程中的應(yīng)用［M］.北京:中國建材工業(yè)出版社，2008.

［2］任勝鴿.談鋁粉發(fā)氣速度對澆筑穩(wěn)定性的影響［J］.加氣混凝土，2008(2):26-27.