水泥瀝青復(fù)合砂漿拌合物乳化瀝青破乳過程研究

李云良，歐陽劍，王山山，紀(jì)倫，趙九野，譚憶秋

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090)

水泥瀝青復(fù)合砂漿(簡稱CA砂漿)是由水泥、乳化瀝青、砂及多種外加劑膠結(jié)固化形成的新型有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料［1］。目前CA砂漿主要用于高速鐵路的無碴軌道結(jié)構(gòu)中，起到支撐、調(diào)節(jié)及減振3個方面的重要作用。

CA砂漿的水泥與乳化瀝青拌合之后，即開始了體系的固化過程，這一過程主要包括2個方面:乳化瀝青的破乳及水泥的水化，2個過程同時發(fā)生互相影響［2-3］，并對CA砂漿拌合物的工作性能及服役性能產(chǎn)生重要的影響［4-5］。

目前對 CA 砂漿的體積穩(wěn)定性［6-7］、流動性［8］、工作性能［9-11］及影響因素方面開展了較多的研究工作。對新拌CA砂漿流動狀態(tài)的流變力學(xué)性能及其影響因素也開展了相關(guān)的研究［12-13］。在CA砂漿的服役性能方面，則偏重于對CA砂漿的強(qiáng)度及其影響因素、機(jī)理的相關(guān)研究［14-18］，而在CA砂漿的本構(gòu)方面也開展了初步的研究工作［19-20］。

目前，對CA砂漿固化過程中乳化瀝青的破乳過程沒有進(jìn)行深入的研究。水泥乳化瀝青復(fù)合后，乳化瀝青會由于水泥的存在而快速破乳。水泥遇水則發(fā)生反應(yīng)，水泥水化反應(yīng)不僅消耗乳化瀝青中的水，同時水泥水化生成的堿性物質(zhì)及帶電離子也會影響到乳化瀝青的穩(wěn)定性。更重要的是水泥顆粒帶有極性，水泥顆粒能吸附乳化瀝青中的乳化劑及瀝青顆粒，從而進(jìn)一步加快乳化瀝青的破乳。

本文研究了水泥與乳化瀝青拌合后乳化瀝青的破乳過程，分析了拌合物體的粘度、CA膠漿顆粒粒徑及乳化瀝青微粒的聚集過程，研究了乳化瀝青破乳的影響因素。

1 原材料

普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級 P42.5，密度為3.2 g·cm-3，初凝時間為 142 min，終凝時間為160 min，3d抗壓強(qiáng)度 15 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度46.8 MPa;陰離子慢裂型乳化瀝青，蒸發(fā)殘留物含量為 60%，針入度為 64.8(0.1 mm)，軟化點為 46.6℃，延度為122 cm;普通自來水;聚羧酸類減水劑:活性鋁含量85%;消泡劑為有機(jī)硅消泡劑。

2 新拌CA復(fù)合膠漿粘度的變化

采用布洛克菲爾德粘度計法測量新拌CA復(fù)合膠漿的粘度，試驗方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程JTJ052-2000》中關(guān)于瀝青的粘度測量方法。CA膠漿拌合后體系粘度的增長規(guī)律如圖1所示(乳化瀝青與水泥的質(zhì)量比為0.4，減水劑的用量分別為 0，0.4%，0.7%)。

圖1 不同減水劑用量下的CA膠漿粘度增長規(guī)律Fig.1 CA mortar viscosity law of growth under the different dosage of water reducing agent

從圖1可以看出減水劑對新拌CA膠漿的粘度增長影響很大:1)當(dāng)不摻加減水劑時，CA膠漿的粘度隨時間變化很快，基本沒有處于低粘度狀態(tài)的保持時間，CA膠漿中乳化瀝青的破乳很快。2)當(dāng)加入少量減水劑以后，CA膠漿的初期粘度可以維持一段時間，然后粘度再迅速增大;減水劑的用量越多，CA膠漿在低粘度狀態(tài)下的保持時間越長，同時乳化瀝青由低粘度增至破乳前的高粘度所需時間也越長。這說明減水劑可調(diào)節(jié)在水泥影響下的乳化瀝青的破乳速度。

分析其原因如下:1)水泥與乳化瀝青混合時，水泥顆粒表面可吸附大量的表面活性劑分子，在不加入減水劑的情況下，水泥顆粒表面會吸附大量乳化瀝青中的自由的乳化劑分子和吸附在瀝青顆粒上的乳化劑分子，從而減小了乳化瀝青中表面活性劑分子的含量，進(jìn)而影響到瀝青乳液的穩(wěn)定性;2)當(dāng)加入減水劑后，水泥顆粒對減水劑的吸附能力大于對乳化劑的吸附能力，而吸附減水劑的水泥顆粒將排斥對乳化劑的吸附，從而減小了水泥對乳化劑分子的吸附量，增加了乳化瀝青的穩(wěn)定性。

3 水泥乳化瀝青膠漿粒徑的變化

采用激光粒度儀對新拌CA膠漿的粒徑分布隨時間的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。圖2為新拌CA膠漿平均粒徑隨時間的變化規(guī)律。從圖2可以看出:1)不加減水劑的CA膠漿的平均粒徑變化很快，這表明該CA膠漿中乳化瀝青的破乳速度很快。2)當(dāng)加入0.4%的減水劑后，CA膠漿的平均粒徑在前30 min內(nèi)有稍微的增長，在保持了4 h的緩慢增長后加速增長。CA膠漿平均粒徑的變化與乳化瀝青顆粒的破乳有關(guān)，因此平均粒徑的變化規(guī)律反應(yīng)了乳化瀝青的破乳過程。3)加入減水劑后乳化瀝青的破乳過程可分為3個階段，第1個階段是水泥與乳化瀝青的接觸階段，該階段水泥會吸附減水劑、乳化劑和瀝青顆粒等，使體系快速進(jìn)入平衡期;第2個階段是體系的動態(tài)平衡期，瀝青顆粒會緩慢的聚集結(jié)合;第3個階段是加速破乳期，體系粒徑將劇烈的變化。

圖2 CA膠漿平均粒徑隨時間變化規(guī)律Fig.2 Average particle size of CA mucilage variation over time

4 水泥摻量對乳化瀝青破乳的影響

圖 3 為 A/C=0.8、1.6(乳化瀝青與水泥的質(zhì)量比)時CA膠漿漿體在拌合后不同時刻的粒徑分布(未加減水劑)。從圖3(a)可以看出對于A/C=0.8的復(fù)合漿體在0～30 min內(nèi)粒度分布變化較大，表現(xiàn)為其粒度分布波峰偏移程度明顯;從圖3(b)可以看出對于A/C=1.6的復(fù)合漿體在0～30 min內(nèi)粒度分布變化程度較小，表現(xiàn)為其粒度分布波峰基本未發(fā)生偏移。而在30～240 min，2種復(fù)合漿體的粒度變化較為相似:在200 μm處產(chǎn)生粒度分布的第2個波峰，但拌合時產(chǎn)生的第1個波峰未發(fā)生明顯改變。

水泥瀝青復(fù)合漿體的粒度分布隨時間變化從側(cè)面反映出了水泥水化和乳化瀝青破乳間的相互影響:對于水泥含量較多的復(fù)合漿體，其水泥顆粒被瀝青包裹程度較小，所以水化速率較快，在溶解期初期便有較為劇烈的水化反應(yīng)，間接促進(jìn)了乳化瀝青的破乳和團(tuán)聚過程，從而使得其粒徑分布在0～30 min便有較大變化。對于乳化瀝青含量較多的復(fù)合漿體，由于大量水泥顆粒在溶解初期被乳化瀝青所包裹不能立即進(jìn)行溶解和水化作用，所以其水泥顆粒溶解速率及水化速率較慢，因此被消耗的水較少，間接的抑制了乳化瀝青初期的破乳作用，從而使得在0～30 min的粒度分布變化不大。

圖3 粒徑變化Fig.3 Particle size change

5 乳化瀝青破乳過程的顯微結(jié)構(gòu)

乳化瀝青與水泥拌合之后，即開始了水泥的水化與乳化瀝青破乳2個過程。乳化瀝青的破乳即為瀝青顆粒的聚集過程。所以從拌合后體系乳化瀝青顆粒粒徑變化的角度可以分析乳化瀝青的破乳過程。采用光學(xué)顯微鏡對乳化瀝青的破乳過程進(jìn)行觀測。對拌合后的CA砂漿在不同時刻進(jìn)行取樣(未加減水劑)，并進(jìn)行10倍稀釋，放在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀測。觀測結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，剛攪拌好的CA膠漿中的瀝青顆粒分布均勻，粒徑較小。靜置一段時間后，瀝青顆粒逐漸聚集結(jié)合，較大尺寸的瀝青顆粒含量逐漸增多;靜置時間繼續(xù)增加，瀝青顆粒繼續(xù)聚集，較大瀝青顆粒含量繼續(xù)增加，并有少部分瀝青吸附在水泥顆粒周圍。到拌合后240 min，乳化瀝青聚集更加明顯，并呈現(xiàn)出連續(xù)成膜的特征。不同時刻瀝青顆粒的變化表明，乳化瀝青的破乳過程即是瀝青顆粒的聚集結(jié)合過程。

圖4 CA膠漿拌合后不同時刻的光學(xué)顯微圖片F(xiàn)ig.4 CA mortar optical microscopic images of different time after mixing

6 結(jié)論

減水劑可以調(diào)節(jié)在水泥影響下的乳化瀝青的破乳速度，摻加減水劑對體系緩凝作用。根據(jù)CA砂漿固化過程中膠漿平均粒徑變化，乳化瀝青的破乳過程劃分為3個階段，即水泥與乳化瀝青的接觸階段、動態(tài)平衡階段及加速破乳階段。

對于水泥含量較多的復(fù)合漿體，其水泥顆粒被瀝青包裹程度較小，所以水化速率較快，在溶解期初期便有較為劇烈的水化反應(yīng)，間接促進(jìn)了乳化瀝青的破乳和團(tuán)聚過程，從而使得其粒徑分布在0～30 min便有較大變化。

通過光學(xué)顯微鏡分析了CA砂漿中乳化瀝青的聚集過程，乳化瀝青的破乳過程即是瀝青顆粒的聚集結(jié)合過程。

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