CRTSⅡ型CA砂漿抗凍性能及微觀機理的研究

崔樹國

（唐山市交通運輸局，河北 唐山 063000）

無碴軌道結(jié)構(gòu)因其良好的穩(wěn)定性和整體性、維修量少的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于高速鐵路建設(shè)。CA砂漿（cement asphalt mortar簡稱“CA砂漿”）是板式無碴軌道的關(guān)鍵組成部分，主要起到減緩軌道震動和保證軌道平穩(wěn)的作用。CA砂漿主要由水泥、乳化瀝青、砂和各種外加劑組成，經(jīng)水泥與瀝青共同作用膠結(jié)硬化而成的一種新型有機無機復(fù)合材料[1，2]。

CA砂漿拌合后，部分水與水泥發(fā)生水化反應(yīng)。在砂漿凝固并達到一定強度以前，水一直與水泥進行反應(yīng)，CA砂漿由于水泥的水化、凝結(jié)而產(chǎn)生一定收縮。同時CA砂漿的絕對用水量（瀝青乳液中的水分和外加水）比水泥水化所需用水量高，造成在水泥水化硬化后期CA砂漿內(nèi)部仍然存在大量的游離水，當(dāng)溫度低時，游離水結(jié)冰導(dǎo)致CA砂漿體積膨脹，產(chǎn)生的冰晶壓力使CA砂漿遭受凍脹破壞。凍脹破壞嚴重影響軌道的運行安全性和CA砂漿的耐久性能[3，4]。

CA砂漿的抗凍性能與其內(nèi)部氣泡結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。含氣量、比表面積和氣泡間隔系數(shù)是CA砂漿氣泡結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)，氣泡間隔系數(shù)能綜合反應(yīng)其氣泡結(jié)構(gòu)性質(zhì)，是最重要要的參數(shù)。CA砂漿配制過程中，材料組成的變化會顯著影響CA砂漿的孔結(jié)構(gòu)，減水劑作為一種重要的外加劑被廣泛應(yīng)用于CA砂漿的制備，其種類的改變將造成CA砂漿孔結(jié)構(gòu)特征的改變，從而影響其抗凍性能。CA砂漿主要分為I型CA砂漿和II型CA砂漿，I型砂漿有機物所占比例較高（為30%），組料中水泥與瀝青用量相當(dāng)。其性能特點為組成復(fù)雜、環(huán)境敏感性高、強度及彈性模量低。Ⅱ型砂漿有機物所占比例較低（小于15%），組成以無機材料為主，性能表現(xiàn)為水泥材料的基本特征，強度及彈性模量高[5，6]。目前國內(nèi)關(guān)于CA砂漿抗凍性能的研究主要集中于Ⅰ型CA砂漿，鮮見于Ⅱ型CA砂漿的研究。基于此，本文對CRTSⅡ型CA砂漿進行了快速凍融試驗，并結(jié)合對CRTSⅡ型CA砂漿氣泡特征參數(shù)的測定，綜合分析了CRTSⅡ型CA砂漿的抗凍性性能及其與孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥：P.I 52.5硅酸鹽水泥；瀝青乳液：自制慢裂快凝型改性瀝青乳液，固含量60%、密度1.02g/cm3，篩上剩余量0.22%；砂：普通河砂，細度模數(shù)1.06；鋁粉：細度≥200目，鱗片狀；膨脹劑：UEA型膨脹劑；引氣劑：主要成分為松香類熱聚物；消泡劑：有機硅類消泡劑；采用了三種液體減水劑，固含量均為30%左右：A為聚羧酸系減水劑，減水率為28%；B為木質(zhì)素系減水劑，減水率為12%；C為萘系減水劑，減水率為19%。

1.2 試驗方法

物理力學(xué)性能測試參照客運專線鐵路CRTSⅡ，Ⅰ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件。

凍融性能測試用CA砂漿試塊尺寸為100×100×400mm的長方體試塊，自然養(yǎng)護90d。利用KDR-V系列混凝土快速凍融試驗機進行快速凍融試驗，對經(jīng)受25次、50次、75次、100次、125次、150次凍融循環(huán)的CRTSⅡ型CA砂漿進行凍融性能測試。實驗過程中，采用電子秤稱量試件質(zhì)量，利用DTW18型動彈儀測量試件的共振頻率及動彈模量。

利用MIC-840-01型硬化混凝土孔隙結(jié)構(gòu)分析儀測量CRTSⅡ型CA砂漿的孔隙特征，該分析儀為我國首次引進，能夠測量CA砂漿內(nèi)部的氣孔特征參數(shù)：比表面積、含氣量、氣泡間隔系數(shù)等。CRTSⅡ型CA砂漿試件測試面積為3 600mm2，像素刪除標準值取10，圓形度值取0.6。CA砂漿氣泡特征參數(shù)計算公式如下：

單位面積內(nèi)的氣泡數(shù)：

式中，測定面積為S；氣泡個數(shù)為N。累計氣泡面積：

式中，ai為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中第i個氣泡的面積，i=1～N。

平均氣泡面積：

含氣量：

平均氣泡直徑：

比表面積：

氣泡間距系數(shù)：

式中，P為漿體含量，%。

2 試驗配合比及試驗結(jié)果

CA砂漿有3組配合比（如表1所示），其中干混料由水泥、砂、膨脹劑、鋁粉、穩(wěn)定劑等外加劑組成。第1～3組為采用了不同類型的減水劑。

表1 CA砂漿配合比 單位：kg/m3

2.1 CA砂漿初始拌合物性能

從表2看出聚羧酸減水劑的減水率最高，其次是萘系減水劑，最小的是木質(zhì)系減水劑，可以看出流動度最好的為1號試樣，流出時間最短，而摻加木質(zhì)素系減水劑的流動性最差。此外，盡管加入了減水劑，但由于各配合比中用水量相同，因此1d抗壓強度相差不大。含氣量略有差別，摻加萘系的最大，而摻加木質(zhì)素的最小。

表2 CA砂漿初始拌合物性能

2.2 凍融試驗結(jié)果與分析

經(jīng)過25次、50次、75次、100次、125次和150次凍融循環(huán)后，CRTSⅡ型CA砂漿試塊的質(zhì)量損失率變化如圖1所示。

圖1 CA砂漿質(zhì)量損失率

從圖1和圖2可以看出，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)較低時（75次以內(nèi)），質(zhì)量損失和相對動彈性模量變化很小，甚至不發(fā)生變化，只有在達到一定循環(huán)次數(shù)（如100次后），試件內(nèi)部發(fā)生細裂紋后質(zhì)量損失率增加較快，其質(zhì)量損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而顯著升高。而且相對動彈性模量發(fā)生了明顯變化。

圖2 CA砂漿相對動彈性模量

CA砂漿經(jīng)凍融循環(huán)后，摻加木質(zhì)系減水劑的CA砂漿質(zhì)量損失率最大，摻加萘系減水劑的次之，摻加聚羧酸系減水劑的最小。凍融循環(huán)過程中，影響CA砂漿質(zhì)量變化的主要因素是砂漿表層孔隙吸水量和砂漿表層掉渣量的相對變化值。表層孔隙吸水會導(dǎo)致CA砂漿質(zhì)量增加，表層掉渣會導(dǎo)致CA砂漿質(zhì)量降低。在本試驗條件下的150次凍融循環(huán)以內(nèi)時，表層掉渣量大于表層吸水量，因此CA砂漿質(zhì)量損失率增加。

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，CA砂漿相對動彈模量均呈降低趨勢。摻加聚羧酸系減水劑的CA砂漿剩余相對動彈模量最高，其抗凍性能最好。不同種類減水劑由于組成成份不同，其作用效果表現(xiàn)出差異性，因此，對CA砂漿抗凍性能的影響也不相同。

3 CA砂漿孔結(jié)構(gòu)測試結(jié)果

3.1 CA砂漿孔結(jié)構(gòu)的微觀形貌

采用掃描電鏡觀測了摻加三種不同類型減水劑的CA砂漿微觀形貌，結(jié)果如圖3所示。

圖3 CA砂漿微觀形貌

已有研究表明減水劑類型會對水泥水化產(chǎn)物的微觀形貌產(chǎn)生比較顯著的影響[7]。從圖3可以看出，摻加三種減水劑的CA砂漿的微觀形貌差異也較大。其中，摻聚羧酸系減水劑的CA砂漿整體結(jié)構(gòu)比較致密，大孔數(shù)量較少，大部分孔均以細小孔的形式出現(xiàn)。而摻加木質(zhì)系減水劑、萘系減水劑的CA砂漿微觀形貌則明顯疏松的多，二者表面均可見大量明顯孔，并伴隨細小裂縫。并且，摻加木質(zhì)系減水劑的CA砂漿大孔數(shù)量顯著多于摻加其他兩種減水劑的CA砂漿，并且其孔徑分布差異較大。加入萘系減水劑的CA砂漿雖然也有大量孔洞，但可看到其孔徑大小差異較小，孔洞均勻。正是這種孔隙結(jié)構(gòu)存在的差異，造成CA砂漿抗凍性能的差別，即：大孔少、孔徑分布均勻的孔結(jié)構(gòu)有利于提高CA砂漿的抗凍性。

3.2 CA砂漿孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

摻加三種不同減水劑的CA砂漿氣孔特征參數(shù)結(jié)果如表3所示。

表3 摻加不同類型減水劑的CA砂漿孔特征參數(shù)

由表3可以得出，在相同的測試面積內(nèi)，摻加聚羧酸系減水劑的CA砂漿的氣泡數(shù)目最多，總氣泡面積最大，但其平均氣泡徑和氣泡間隔系數(shù)卻最?。粨郊幽举|(zhì)系減水劑的CA砂漿的氣泡個數(shù)最少，但其平均氣泡徑和氣泡間隔系數(shù)卻最大；加入萘系減水劑的CA砂漿的氣泡間隔系數(shù)介于上述兩者之間。氣泡間隔系數(shù)是綜合反應(yīng)材料抗凍性能的關(guān)鍵微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，是與CRTSII型CA砂漿抗凍性最為密切的參數(shù)。在一定范圍內(nèi)，氣泡間隔系數(shù)越小，抗凍性越好。圖4表示了CRTSII型CA砂漿泡徑分布情況。

圖4 CA砂漿氣孔孔徑分布

圖4顯示了CA砂漿的氣泡徑主要集中在0～90μm的范圍內(nèi)。摻加三種減水劑的CA砂漿氣泡徑分布在上述范圍之內(nèi)的氣泡數(shù)目分別達到總氣泡數(shù)的93.1%、92.8%和87.3%。與摻加木質(zhì)系減水劑的CA砂漿相比，摻加聚羧酸系減水劑和萘系減水劑的CA砂漿的氣孔直徑在0～40μm之間的氣泡數(shù)相對較多，而氣泡徑大于90μm的氣泡數(shù)相對各自氣泡總數(shù)較少。

綜上所述，摻加聚羧酸系減水劑和萘系減水劑的CA砂漿擁有較多的相對微小孔、較小的平均氣泡徑和較小的氣泡間隔系數(shù)，即有較均勻的氣泡分布。這種氣孔分別形式有利于緩沖凍融破壞應(yīng)力，提高了CA砂漿的抗凍性能；而對于摻加木質(zhì)系減水劑的CA砂漿而言，其擁有相對較多的大孔、更大的平均泡徑及氣泡間隔系數(shù)，這導(dǎo)致了其抗凍性能最低。

4 結(jié)論

綜上所述，可得出如下結(jié)論：

a）在150次凍融循環(huán)內(nèi)，CRTSII型CA砂漿的質(zhì)量損失率隨著凍融次數(shù)的增大而增大；相對動彈模量隨著凍融次數(shù)的增加而降低，但在100次凍融循環(huán)以內(nèi)，并不顯著。

b）摻加聚羧酸系減水劑和萘系減水劑的CA砂漿擁有較多的相對微小孔、較小的平均氣泡徑和較小的氣泡間隔系數(shù)，即有較均勻的氣泡分布，該種氣泡結(jié)構(gòu)有利于提高CRTSII型CA砂漿的抗凍性能。

c）摻加不同種類減水劑對CA砂漿抗凍性能及孔結(jié)構(gòu)特征有影響，因此，在CRTSII型CA砂漿的配制過程中應(yīng)考慮減水劑對其性能的影響。

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