橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿抗水侵蝕性能研究

謝軍 ，覃峰 ，唐銀青 ，李春

（1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023；2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007；3.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007）

水泥乳化瀝青砂漿（CA砂漿）是由水泥、瀝青乳液、砂、水和多種外加劑制備而成的一種半剛性結(jié)構(gòu)多孔材料。由于水泥乳化瀝青砂漿半剛性結(jié)構(gòu)材料具有一定彈性和強(qiáng)度，能夠保證一定的支撐和緩沖作用，所以被廣泛應(yīng)用于高速鐵路板式無砟軌道剛性軌道板與水泥混凝土道床之間的調(diào)平減振結(jié)構(gòu)層[1-5]。由于水泥乳化瀝青砂漿具有一定的空隙，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中雨水通過多種方式浸入水泥乳化瀝青砂漿功能層，在行車荷載、環(huán)境等共同作用下雨水會(huì)逐漸侵蝕、沖刷和腐蝕水泥乳化瀝青砂漿內(nèi)部瀝青膠漿、水泥砂漿、集料等之間形成各種結(jié)合界面，使水泥乳化瀝青砂漿中的瀝青膠漿、水泥砂漿、集料等分離、剝落，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)性能破壞，引起水泥乳化瀝青砂漿功能層性能劣化、損傷和失效，這種破壞現(xiàn)象稱為水侵蝕或水損害[6-10]。為提高水泥乳化瀝青砂漿的彈性，提升水泥乳化瀝青砂漿層的緩沖作用效果，在水泥乳化瀝青砂漿中摻入橡膠粉進(jìn)行改性，橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿抗水侵蝕性能的優(yōu)劣是衡量其路用性能的重要指標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)外尚無水泥乳化瀝青砂漿抗水侵蝕性能的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，本研究通過凍融循環(huán)、干濕循環(huán)、沖磨試驗(yàn)等表征橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿的抗水侵蝕性能。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）乳化瀝青：采用湖南某公司生產(chǎn)客運(yùn)專線鐵路板式無砟軌道專用的陽離子乳化瀝青，其性能指標(biāo)見表1，符合《客運(yùn)專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》（以下簡(jiǎn)稱《暫行技術(shù)條件》）要求。

表1 乳化瀝青的主要性能指標(biāo)

（2）干粉：采用北京某公司生產(chǎn)的水泥瀝青砂漿專用干粉D2，其各項(xiàng)性能指標(biāo)見表2，干粉中水泥占34%。

表2 水泥瀝青砂漿專用干粉的性能指標(biāo)

（3）橡膠粉：選用廣西某科學(xué)研究院生產(chǎn)路40-3廢舊輪胎橡膠粉，粒徑40目（0.42 mm），纖維含量不小于3%，其主要化學(xué)成分如表3所示

表3 橡膠粉的主要化學(xué)成分 %

（4）減水劑：廣西某公司生產(chǎn)的UNF-5H為主的砂漿高效減水劑，減水率大于25%。

（5）消泡劑：廣東某公司生產(chǎn)的有機(jī)硅消泡劑。

（6）硅烷偶聯(lián)劑：KH560，上海某公司生產(chǎn)，可提高水泥砂漿與橡膠粉、瀝青界面的粘結(jié)性能。

（7）水：自來水。

1.2 試驗(yàn)配比

本試驗(yàn)的基準(zhǔn)配合比（kg/m3）為：m（乳化瀝青）∶m（干粉）∶m（減水劑）∶m（消泡劑）∶m（水）=250∶1500∶4.2∶0.3∶160，該基準(zhǔn)配合比干粉中水泥用量為510 kg/m3，乳化瀝青與水泥的質(zhì)量比為0.49，水灰比為0.51，均符合《暫行技術(shù)條件》要求。按水泥質(zhì)量的0、2%、4%、6%、8%、10%摻入橡膠粉配制橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿，試件尺寸為Φ100 mm×100 mm的圓柱體，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，拆模后將試件放入溫度為（20±3）℃、相對(duì)濕度為（65±5）%的養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試。

1.3 性能測(cè)試方法

1.3.1 凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)是通過短時(shí)間強(qiáng)化模擬筑路材料試件在長(zhǎng)期使用過程中受雨水等外部環(huán)境因素反復(fù)循環(huán)作用的試驗(yàn)。參照瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行，成型養(yǎng)護(hù)28d不同橡膠粉摻量的改性水泥乳化瀝青砂漿試件，每組8個(gè)，其中隨機(jī)選取4個(gè)試件放入（25±0.5）℃水箱中浸泡2 h后，取出測(cè)其劈裂抗拉強(qiáng)度；將剩余4個(gè)試件浸入水中，在98.3～98.7 kPa的真空條件下飽水操作15 min，并在水中浸泡0.5 h，試件取出放入塑料袋中，在袋中加入10 mL水，扎緊袋口，放入（-18±2）℃的冷凍箱中（16±1）h，而后放入（60±0.5）℃的恒溫水槽中24 h（同時(shí)撤去塑料袋）后再將試件放入恒溫為（25±0.5）℃的水箱中浸泡2 h后，取出測(cè)其劈裂抗拉強(qiáng)度。

1.3.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)

將成型養(yǎng)護(hù)28 d不同摻量的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿試件（每組4個(gè)）分別放入（25±0.5）℃的水箱浸泡12 h后，取出放入40℃暖箱烘干12 h作為1個(gè)干濕循環(huán)。試驗(yàn)分別測(cè)試不同橡膠粉摻量的改性水泥乳化瀝青砂漿試件循環(huán)0、30、60、90次后的抗壓強(qiáng)度。

1.3.3 沖磨試驗(yàn)

當(dāng)路表水或毛細(xì)水滲入軌道板與水泥乳化瀝青砂漿功能層交界面，且滯溜在交界面上形成自由水，列車高速行駛通過時(shí)軌道板受到瞬時(shí)強(qiáng)壓荷載振動(dòng)循環(huán)作用，由于軌道板強(qiáng)壓荷載振動(dòng)瞬時(shí)循環(huán)作用使得滯溜在板底交界面上的自由水產(chǎn)生巨大的動(dòng)水壓力，在巨大動(dòng)水壓力作用下自由水會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖刷作用，沖刷使得水泥乳化瀝青砂漿功能層細(xì)集料等剝落到自由水形成挾砂高速水流，這種挾砂等雜物的高速水流對(duì)水泥乳化瀝青砂漿功能層造成沖刷和磨損破壞產(chǎn)生坑洞，使軌道板底部產(chǎn)生懸空，影響列車安全行駛，因而要求水泥乳化瀝青砂漿功能層具備一定的抗沖磨性能[11-13]。試驗(yàn)將養(yǎng)護(hù)28 d不同橡膠粉摻量的改性水泥乳化瀝青砂漿試件（每組3個(gè)）放入常溫水中飽水48 h后擦干表面稱重，將試件放入改裝密封洛杉磯磨耗試驗(yàn)機(jī)中，注水至容兜高1/3，在容兜放入12個(gè)鋼球，然后開動(dòng)磨耗機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)5000次停止，將試件取出放入常溫清水靜泡24 h后取出擦干表面稱重，求取質(zhì)量磨損率，再用試件測(cè)試沖磨后劈裂強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水泥乳化瀝青砂漿的基本物理力學(xué)性能

制備水泥乳化瀝青砂漿，在拌合前摻加0.1%硅烷偶聯(lián)劑，拌合后測(cè)試其砂漿溫度、流動(dòng)度、可工作時(shí)間、材料分離度、泛漿率等各項(xiàng)工作性能指標(biāo)及力學(xué)性能，結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，水泥乳化瀝青砂漿的基本物理力學(xué)性能均符合《暫行技術(shù)條件》要求。

2.2 橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿凍融試驗(yàn)

橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿凍融試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表4 橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿的基本物理力學(xué)性能

表5 不同橡膠粉摻量水泥乳化瀝青砂漿凍融劈裂抗壓強(qiáng)度

由表5可知：

（1）橡膠粉摻量影響水泥乳化瀝青砂漿的抗水侵蝕能力，橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿凍融前、凍融后的劈裂強(qiáng)度與橡膠粉摻量變化曲線大致相同，均隨著橡膠粉摻量的增加先提高后降低，橡膠粉摻量為4.0%時(shí)改性水泥乳化瀝青砂漿的抗水侵蝕能力最佳。以橡膠粉摻量為0的未改性水泥乳化瀝青砂漿為基準(zhǔn)，摻入2%、4%、6%、8%、10%的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿凍融前的劈裂強(qiáng)度分別提高了3.30%、3.85%、-1.11%、-7.14%、-14.56%，凍融后的劈裂強(qiáng)度分別提高了3.81%、4.41%、-2.64%、-10.56%、-19.94%。

（2）摻入0～10%橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿試件的劈裂抗拉強(qiáng)度比均大于85%。其中橡膠粉摻量為4%的改性水泥乳化瀝青砂漿的劈裂抗拉強(qiáng)度比最大、橡膠粉摻量為10%的改性水泥乳化瀝青砂漿的劈裂抗拉強(qiáng)度比最小。

（3）摻入一定量的橡膠粉可以有效提高瀝青與水泥膠砂結(jié)合界面的粘結(jié)度，提升橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿的抗水侵蝕能力。隨著橡膠粉摻量的增加，加大了集料的比表面積，同時(shí)橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿的膠凝材料量未增加，導(dǎo)致產(chǎn)生瀝青、水泥、砂、橡膠粉等材料在凝結(jié)過程中生成結(jié)合欠佳的界面，橡膠粉摻量越大，生成結(jié)合欠佳的界面越多，其抗水侵蝕能力越差。

2.3 橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿干濕循環(huán)試驗(yàn)

橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知：

（1）橡膠粉摻量影響水泥乳化瀝青砂漿的抗干濕循環(huán)性能，在相同的干濕循環(huán)次數(shù)條件下，水泥乳化瀝青砂漿的抗壓強(qiáng)度隨著橡膠粉摻量的增加先提高后降低，摻入一定量的橡膠粉可以提高水泥乳化瀝青砂漿的抗干濕循環(huán)破壞作用。橡膠粉摻量為4%的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿的抗干濕循環(huán)破壞性能最佳。以橡膠粉摻量為0的未改性水泥乳化瀝青砂漿為基準(zhǔn)，摻入2%、4%、6%、8%、10%的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿干濕循環(huán)30次抗壓強(qiáng)度分別提高了5.58%、6.62%、-1.69%、-10.37%、-17.76%，干濕循環(huán)90次抗壓強(qiáng)度分別提高了4.22%、4.99%、-3.89%、-14.68%、-23.12%。這與改性水泥乳化瀝青砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空隙率有關(guān)，空隙率越大，橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿抗干濕循環(huán)破壞作用性能越差。橡膠粉摻量為0的水泥乳化瀝青砂漿空隙率為5.1%，摻入2%～4%橡膠粉，在偶聯(lián)劑作用下與瀝青、水泥膠凝材料相容，有效降低橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿內(nèi)部的空隙率。當(dāng)橡膠粉摻量大于4%時(shí)，砂漿內(nèi)部存在部分無法與瀝青、水泥膠凝材料相融的自由橡膠粉界面，該類界面越多，橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿內(nèi)部空隙率越大。橡膠粉摻量為2%、4%、6%、8%、10%的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿空隙率分別為4.88%、4.72%、5.41%、6.04%、6.97%。

（2）干濕循環(huán)次數(shù)影響水泥乳化瀝青砂漿的使用性能，在前30次干濕循環(huán)內(nèi)不同摻量的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿抗壓強(qiáng)度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而提高，而后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加其抗壓強(qiáng)度降低。如以干濕循環(huán)0次各摻量橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)，橡膠粉摻量為4%的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿干濕循環(huán)30、60、90次抗壓強(qiáng)度提高了2.11%、-1.97%、-5.80%。這是因?yàn)椋鹉z粉改性水泥乳化瀝青砂漿養(yǎng)護(hù)28 d后其內(nèi)部尚存部分未水化的水泥，在吸濕過程中，促進(jìn)橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿內(nèi)部的水化作用，生產(chǎn)更多水化產(chǎn)物，增強(qiáng)橡膠粉、集料和瀝青、水泥膠砂等結(jié)合界面的粘結(jié)性和相融性，從而有效提高了橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿的抗壓強(qiáng)度。從對(duì)干濕循環(huán)過程中橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿的吸、失水率變化可說明，前30次和30～60次兩階段干濕循環(huán)橡膠粉摻量為4%的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿的平均吸水率分別為1.246%、1.201%，其平均失水率分別為1.107%、1.196%，表明前30次干濕循環(huán)作用內(nèi)橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿內(nèi)部的反應(yīng)在不斷進(jìn)行。

2.4 橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿沖磨試驗(yàn)

橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿沖磨試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿沖磨試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知：（1）隨著橡膠粉摻量的增加，水泥乳化瀝青砂漿功能層的抗沖磨質(zhì)量損失率先減小后增大，當(dāng)橡膠粉量為4%時(shí)，水泥乳化瀝青砂漿功能層的抗沖磨質(zhì)量損率較??；（2）隨著橡膠粉摻量的增加，水泥乳化瀝青砂漿功能層的沖磨后劈裂抗拉強(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)橡膠粉摻量為4%時(shí)，水泥乳化瀝青砂漿功能層沖磨后劈裂抗拉強(qiáng)度較大；（3）水泥乳化瀝青砂漿功能層經(jīng)過5000次沖磨損傷，其與橡膠粉摻量為0、2%、4%、6%、8%、10%的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿浸水劈裂抗拉強(qiáng)度（凍融前試件）相比分別降低了9.89%、7.71%、7.17%、10.01%、14.49%、20.26%；同時(shí)，經(jīng)過5000次沖磨損傷后，橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿的劈裂抗拉強(qiáng)度比相同橡膠粉摻量的砂漿1次凍融后劈裂抗拉強(qiáng)度低，說明5000次沖磨損傷比1次凍融損傷對(duì)水泥乳化瀝青砂漿功能層結(jié)構(gòu)損傷影響更大；（4）橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿抗沖磨性與其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空隙率和橡膠粉、集料和瀝青、水泥膠砂等結(jié)合界面完好性等有關(guān)。由于所用的橡膠粉目數(shù)較細(xì)，當(dāng)橡膠粉摻量小于最佳摻量時(shí)，橡膠粉在偶聯(lián)劑作用下與瀝青、水泥等膠凝材料相融，起到一定的填充、連接作用，從而有效降低橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿內(nèi)部的空隙率。當(dāng)橡膠粉摻量大于最佳摻量時(shí)，在膠凝材料用量不變的條件下，使得部分橡膠粉表面未裹有或部分未裹有膠凝材料，降低改性砂漿的密實(shí)性，部分未裹有膠凝材料的橡膠粉會(huì)降低橡膠粉、集料和瀝青、水泥等膠凝材料的結(jié)合界面強(qiáng)度，在動(dòng)水作用下該界面容易產(chǎn)生剝落分解，使得橡膠粉、集料和瀝青、水泥等膠凝材料分離，此類界面越多，結(jié)構(gòu)的抗沖磨性能越差。

3 結(jié)論

（1）通過凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)得知，摻入0～10%橡膠粉的改性水泥乳化瀝青砂漿試件的劈裂抗拉強(qiáng)度比均大于85%，滿足《條件》要求。但橡膠粉摻量過大時(shí)，改性水泥乳化瀝青砂漿的抗水侵蝕性能低于未改性的水泥乳化瀝青砂漿。

（2）通過干濕循環(huán)試驗(yàn)得知，在前30次干濕循環(huán)內(nèi)不同摻量的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿抗壓強(qiáng)度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而提高，而后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加其抗壓強(qiáng)度降低。摻入一定量橡膠粉可以改善和提高水泥乳化瀝青砂漿抗干濕循環(huán)破壞作用。

（3）通過沖磨試驗(yàn)得知，摻入一定量橡膠粉可以改善和提高水泥乳化瀝青砂漿功能層的抗沖磨性能，但橡膠粉摻量過高時(shí)，會(huì)降低和劣化水泥乳化瀝青砂漿功能層的抗沖磨性能。

（4）綜合分析得知，橡膠粉摻量為4%左右時(shí)制備的橡膠粉改性水泥乳化瀝青砂漿抗水侵蝕性能最佳。

[1] 徐浩，王平，曾曉輝.高速鐵路板式無砟軌道CA砂漿研究現(xiàn)狀與展望[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013（11）：1-5.

[2] 尹曉文，傅強(qiáng)，董傳卓，等.干濕循環(huán)對(duì)CA砂漿力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013，30（11）：91-96.

[3] 李悅，孫宏友，曾曉輝，等.不同浸水歷時(shí)及溫度對(duì)CA砂漿力學(xué)性能的影響研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)計(jì)，2015（2）：40-42.

[4] 傅強(qiáng)，謝友均，鄭克仁，等.瀝青對(duì)水泥瀝青砂漿力學(xué)性能的影響[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2014（5）：642-647.

[5] 徐浩，王平，孫宏友，等.不同浸水歷時(shí)水泥乳化瀝青砂漿動(dòng)態(tài)受壓試驗(yàn)[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2015（5）：861-866.

[6] MCG Juenger，HM Jennings.Examining the relationship between the microstructure of calcium silicate hydrate and drying shrink-age of cement pastes[J].Cement and Concrete Research，2002，32（2）：289-296.

[7] 覃峰.錳渣礦粉瀝青混合料抗腐性能研究[J].新型建筑材料，2012（3）：43-46.

[8] 顏華，胡華鋒，曾曉輝，等.靜水作用下板式無砟軌道CA砂漿力學(xué)性能變化[J].高速鐵路技術(shù)，2014（4）：7-10.

[9] 田冬梅，元強(qiáng)，朱蓉，等.水對(duì)水泥乳化瀝青砂漿靜態(tài)力學(xué)性能的影響[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2012（11）：1544-1552.

[10] 覃峰，李春.瀝青混合料基灌注式半剛性路面抗腐性能研究[J].公路，2015（10）：28-34

[11] Terrel R L，Shute J W.Strategic highway research program：summary report on water sensitivit[R].Washington D C：TRB，NationalResearch Council，1989.

[12] 覃峰，馬福榮，黃瓊念，等.橡膠粉水泥混凝土路面沖磨性能試驗(yàn)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)計(jì)，2010（10）：43-47.

[13] 覃峰，楊勝堅(jiān)，陸宏新.橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石基層水穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)計(jì)，2010（5）：25-29.