聚合物乳液對(duì)水泥乳化瀝青砂漿性能的影響

吳韶亮，羅桂秀，張 則，劉子科，李海燕

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081;2.中鐵十九局集團(tuán) 第一工程有限公司，遼寧遼陽(yáng) 111000;3.中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司，河北 石家莊050081)

在高速鐵路和客運(yùn)專線建設(shè)過程中，水泥乳化瀝青砂漿成為板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵性填充材料，主要由水泥、乳化瀝青、砂和其它添加劑等多種組分混合攪拌而成，主要起支撐、調(diào)整，提供適當(dāng)?shù)膹楉g性等作用。作為工程材料，水泥乳化瀝青砂漿的性能對(duì)軌道結(jié)構(gòu)耐久性和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本有重大影響。特別是隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，在外部荷載和環(huán)境等因素作用下?lián)p傷會(huì)逐步加劇。為了改善水泥乳化瀝青砂漿的力學(xué)性能、耐久性能等，在砂漿制備過程中添加了聚合物乳液［1-3］。因此對(duì)添加聚合物乳液前后水泥乳化瀝青砂漿的可工作性能、抗壓強(qiáng)度、折壓比、吸水率、抗凍性能、耐候性能等的變化進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

乳化瀝青采用CRTSⅠ型高鐵陽(yáng)離子乳化瀝青;水泥為海螺牌P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥;砂子為細(xì)度模數(shù)1.56、表觀密度2.65 g/cm3的機(jī)制硅砂;聚合物乳液為北京東方亞科力化工科技有限公司生產(chǎn)的TD-08型聚合物乳液，試驗(yàn)用各種原材料的性能均滿足《客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》(科技基［2008］74號(hào))的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求［4］。

1.2 主要試驗(yàn)設(shè)備

中型砂漿攪拌機(jī);秒表;微機(jī)控制電子萬(wàn)能(拉力)試驗(yàn)機(jī)。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 水泥乳化瀝青砂漿的配制

在基準(zhǔn)配合比(表1)的基礎(chǔ)上，以水泥質(zhì)量為基準(zhǔn)，分別以水泥質(zhì)量5%，10%，15%，20%的聚合物乳液取代乳化瀝青，適當(dāng)調(diào)整拌合水量以及制備工藝，以保證制備的水泥乳化瀝青砂漿性能指標(biāo)滿足科技基［2008］74號(hào)規(guī)定的要求。并分別成型 φ50 mm×50 mm圓模、40 mm×40 mm×160 mm抗折試樣和耐候試樣、100 mm×100 mm×400 mm抗凍試樣等。

表1 水泥乳化瀝青砂漿的基準(zhǔn)配合比

1.3.2 水泥乳化瀝青砂漿性能測(cè)試

水泥乳化瀝青砂漿的可工作性能、力學(xué)性能、抗凍性能、耐候性能等測(cè)試均按照《客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》(科技基［2008］74號(hào))相關(guān)附錄進(jìn)行。

2 結(jié)果討論與分析

2.1 聚合物乳液對(duì)水泥乳化瀝青砂漿可工作性能的影響

試驗(yàn)考察了25℃下砂漿的可工作性能，結(jié)果見圖1?？梢姡S著聚合物乳液摻量的增大，在可工作時(shí)間內(nèi)砂漿的流動(dòng)度變化幅度均在1～3 s之間，這表明聚合物乳液對(duì)砂漿的可工作性能影響較小。

圖1 聚合物乳液摻量對(duì)砂漿可工作性能的影響

在砂漿制備過程中還發(fā)現(xiàn):隨著聚合物乳液摻量的增大，保證水泥乳化瀝青砂漿具有適宜可工作性能的外加拌合水、以及砂漿體系中的總水量(乳化瀝青、聚合物乳液中的水與外加拌合水的質(zhì)量之和)均有明顯降低。這是由于聚合物乳液的加入改善了無(wú)機(jī)組分和有機(jī)組分的界面結(jié)合狀態(tài)，提高了乳化瀝青和水泥、砂子之間的相容性，從而使得外加拌合水以及總水量明顯降低。對(duì)于固定配合比的水泥乳化瀝青砂漿體系，水泥等無(wú)機(jī)膠材完全水化所需要的水量是固定的，超出水泥水化需水量之外的水主要用于保證制備出的砂漿具有適宜的流動(dòng)度和可工作時(shí)間。當(dāng)灌注、固化成型后，砂漿體系中剩余的水，或者以游離水的形態(tài)存在于體系封閉孔道中，或者通過連通的毛細(xì)孔道最終被排出砂漿體系，但在排出過程中容易形成水的通道，因而無(wú)論以何種方式均會(huì)在后續(xù)使用過程中加劇砂漿的抗凍性破壞。由此聚合物乳液的加入提高了水泥乳化瀝青砂漿的致密性和水密性，有利于水泥乳化瀝青砂漿的耐久性。

2.2 聚合物乳液對(duì)水泥乳化瀝青砂漿力學(xué)性能的影響

水泥乳化瀝青砂漿作為混凝土軌道板與底座板兩種剛性結(jié)構(gòu)之間的填充層，必須具備適宜的力學(xué)性能。不同摻量聚合物乳液制得砂漿的抗壓強(qiáng)度見圖2。

由圖2可知:隨著聚合物乳液摻量的增多，制得水泥乳化瀝青砂漿的1 d抗壓強(qiáng)度逐漸降低，但隨著齡期的增長(zhǎng)，砂漿的抗壓強(qiáng)度隨聚合物乳液摻量的增多而逐漸增大。這是由于聚合物乳液在砂漿體系中主要以薄膜的形式分布在水泥凝膠顆粒的表面，這在一定程度上阻礙了水化離子的遷移，減緩了水泥的水化以及乳化瀝青的破乳速度，因而聚合物乳液摻量較大的砂漿1 d抗壓強(qiáng)度偏低;隨著齡期的增長(zhǎng)，聚合物乳液的成膜作用反而保持了砂漿體系水化環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定，有利于砂漿抗壓強(qiáng)度的穩(wěn)定增長(zhǎng)。

圖2 聚合物乳液摻量對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

折壓比在一定程度上反映材料的彈韌性。不同摻量聚合物乳液砂漿試樣的折壓比測(cè)試結(jié)果見圖3。

圖3 聚合物乳液摻量對(duì)砂漿折壓比的影響

由圖3可知:隨著聚合物乳液摻量的增大，砂漿的折壓比明顯提高。未摻加聚合物乳液時(shí)砂漿的折壓比為0.58，摻加10%和20%聚合物乳液后砂漿折壓比分別為0.67和0.71。這是由于聚合物乳液在硬化后的砂漿體系中形成了相互交織的網(wǎng)狀膠膜結(jié)構(gòu)［2］，增強(qiáng)了砂漿黏聚力，提高了砂漿的勻質(zhì)性，由此提高了砂漿的折壓比。

2.3 聚合物乳液對(duì)水泥乳化瀝青砂漿耐候性能的影響

水泥乳化瀝青砂漿的耐候性主要表現(xiàn)在其抵抗氣候環(huán)境中光、熱、氧、水的侵蝕與老化。瀝青與空氣接觸并與空氣中的氧氣發(fā)生一定程度的聚合反應(yīng)，產(chǎn)生老化。聚合物乳液作為高分子化合物，同樣對(duì)光、熱、氧的侵蝕存在敏感性，不同摻量聚合物乳液制得水泥乳化瀝青砂漿的耐候性能見圖4。

由圖4可知，隨著聚合物乳液摻量的增大，水泥乳化瀝青砂漿的相對(duì)抗壓強(qiáng)度沒有明顯變化，這表明摻加的聚合物乳液對(duì)砂漿的耐候性能沒有明顯影響。

圖4 聚合物乳液摻量對(duì)砂漿耐候性能的影響

2.4 聚合物乳液對(duì)水泥乳化瀝青砂漿抗凍性能的影響

在水泥乳化瀝青砂漿抗凍性測(cè)試前，首先測(cè)試了不同摻量聚合物乳液制得砂漿的吸水率，結(jié)果見圖5。

圖5 聚合物乳液摻量對(duì)砂漿吸水率的影響

由圖5可得:隨著聚合物乳液摻量的增大，砂漿的吸水率明顯降低。這是由于在拌合過程中，聚合物乳液首先沉積在水泥凝膠顆粒以及砂顆粒的表面，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，其中一部分聚合物乳液逐漸被限制在毛細(xì)孔隙中，隨著水化的進(jìn)一步進(jìn)行，毛細(xì)孔隙中的水量減少，聚合物顆粒絮凝在一起，從而起到了填充毛細(xì)孔隙的作用。由此聚合物乳液的“堵孔”效應(yīng)有效地減少了砂漿體系中連通孔道的形成，改善了砂漿的水密性。

吸水率的降低有利于水泥乳化瀝青砂漿抗凍性能的改善。不同摻量聚合物乳液水泥乳化瀝青砂漿的抗凍性測(cè)試結(jié)果見圖6。

由圖6可知:隨著聚合物乳液摻量的增大，300次凍融循環(huán)后砂漿的相對(duì)動(dòng)彈模量逐漸增大、質(zhì)量損失率逐漸降低。這也充分驗(yàn)證了聚合物乳液能夠改善砂漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高砂漿的抗凍性［3，5］。但聚合物乳液摻量超過15%后，摻量的繼續(xù)增大對(duì)砂漿的抗凍性改善幅度降低，而此時(shí)聚合物乳液摻量的增大，使得砂漿初期抗壓強(qiáng)度明顯降低(見圖2)，因此不同的工程應(yīng)用中，綜合考慮砂漿的性能要求、施工進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)成本等，聚合物乳液會(huì)有不同的經(jīng)濟(jì)摻量。

圖6 聚合物乳液摻量對(duì)砂漿抗凍性能的影響

3 結(jié)論

1)聚合物乳液提高了乳化瀝青和水泥、砂子之間的相容性，在明顯降低砂漿外加拌合水以及砂漿體系總水量的同時(shí)，使得砂漿具有良好的可工作性能。

2)聚合物乳液的成膜作用保持了砂漿體系水化環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定，有利于砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定形成;而聚合物乳液對(duì)瀝青以及砂漿雙重的改性作用及其在砂漿結(jié)構(gòu)中無(wú)機(jī)材料—有機(jī)材料界面形成的膠膜，增強(qiáng)了砂漿內(nèi)聚力，提高了砂漿的勻質(zhì)性和彈韌性，從而使砂漿具有良好的力學(xué)性能。

3)在保證砂漿耐候性能的前提下，聚合物乳液的“堵孔”效應(yīng)大大降低了砂漿的吸水率，明顯改善了砂漿的抗凍性，提高了砂漿的耐久性能。

［1］鐘世云，王培銘.聚合物改性砂漿和混凝土的微觀形貌［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2004，7(2):168.

［2］劉大智.聚合物水泥砂漿復(fù)合材料性能研究［D］.南京:河海大學(xué)材料學(xué)院，2004.

［3］吳韶亮，李洪剛，李海燕，等.CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿用聚合物乳液的選擇研究［J］.鐵道建筑，2012(1):113-115.

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部.客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件［Z］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2008.

［5］李海燕，邵丕彥.含氣量對(duì)CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿性能的影響［J］.鐵道建筑，2012(6):133-135.