不同極性乳化瀝青水泥漿液性能研究

摘 要：【目的】探究離子極性、水灰比、瀝灰比對水泥乳化瀝青漿液（CEA）的流動度、抗壓強度、收縮特性的影響規(guī)律與機理?！痉椒ā客ㄟ^多組分配比試驗，研究各因素對CEA性能的影響規(guī)律與機理，并結(jié)合正交分析法研究不同因素對CEA漿體性能的影響程度?！窘Y(jié)果】當瀝灰比（A/C）為0.2時，隨著水灰比（W/C）由0.35增加至0.45，不同離子型的CEA漿體流動度、3 d抗壓強度與凝固收縮均增大；當W/C相同時，陽離子CEA漿體流動度以及凝固收縮最小，但3 d抗壓強度最大，陰離子CEA漿體流動度和凝固收縮最大，而3 d抗壓強度最小?！窘Y(jié)論】在實際工程中若對漿體凝固后的強度要求較高，可優(yōu)先考慮陽離子乳化瀝青。若需要高流動性CEA漿液則優(yōu)先考慮陰離子乳化瀝青，并考慮漿體的凝固收縮。

關(guān)鍵詞：不同極性乳化瀝青；水灰比；瀝灰比；流動度；抗壓強度

中圖分類號：U414? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）07-0058-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.07.012

Study on the Performance of Emulsified Asphalt Cement Slurries with Different Polarities

HUANG Xiaolei

（China Railway 14th Bureau Group Co.， Ltd.， Jinan 250101， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to investigate the effects and mechanisms of ionic polarity， water-cement ratio， and ratio of asphalt to cement on the fluidity， compressive strength， and shrinkage characteristics of cement emulsified asphalt （CEA） slurry. [Methods] This study examines the influence laws and mechanisms of various factors on the performance of CEA through multiple component ratio experiments and investigates the impact levels of different factors on the performance of CEA slurry using orthogonal analysis. [Findings] When the A/C is 0.2， with the W/C increasing from 0.35 to 0.45， the fluidity， compressive strength at 3 days， and setting shrinkage of CEA slurry with different ionic polarity all increase. When the W/C is constant， the cationic CEA slurry has the minimum fluidity and solidification shrinkage， but the maximum compressive strength at 3 days， whereas the anionic CEA slurry has the maximum fluidity and solidification shrinkage， but the minimum compressive strength at 3 days. [Conclusions] In practical engineering applications， if a high strength of the slurry after solidification is required， it is recommended to give priority to cationic emulsified asphalt. If high fluidity CEA slurry is needed， priority should be given to anionic emulsified asphalt， and the solidification shrinkage of the slurry should be considered.

Keywords： different polarity emulsified asphalt; water-cement ratio; ratio of asphalt to cement; fluidity; compressive strength

0 引言

近年來，盾構(gòu)工法在城市地鐵隧道中得到了廣泛的應(yīng)用。盾構(gòu)隧道掘進過程中常采用注漿的方式對盾尾間隙進行充填，以達到加固地層、止水防滲及使管片受力均勻的目的。堵漏灌漿技術(shù)的核心是灌漿材料，地鐵隧道大孔隙地層目前沒有具有針對性的灌漿材料和技術(shù)，這種大孔隙地層對灌漿材料的要求是漿液應(yīng)具有良好的流動性和可灌性，且在較短時間內(nèi)具有相當?shù)膹姸群鸵欢ǖ臄U散范圍。瀝青系注漿技術(shù)是新發(fā)展起來的一種快速堵漏新技術(shù)，近年來在水利工程中已經(jīng)有相關(guān)的應(yīng)用［1-3］，但地鐵隧道不同于水利工程的實際工況，因此，研究適合于地鐵隧道大孔隙地層防滲堵漏的灌漿技術(shù)與材料，具有重要的工程意義。

水泥乳化瀝青（Cement Emulsified Asphalt，CEA）漿液，由于水泥和乳化瀝青兩種結(jié)合料在攪拌過程中相互吸附［4］，水泥水化產(chǎn)物和破乳后的瀝青顆粒相互交織為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，CEA漿液的強度逐漸形成［5］。然而，不同的表面活性劑配方、乳化設(shè)備生產(chǎn)出的乳化瀝青特性如離子極性、粒徑分布等均有很大的差別［6］。不同離子極性、不同的水泥或乳化瀝青摻量會直接影響CEA漿液的性能，從而影響注漿施工效果。因此，需要研究不同集料摻量對漿液性能的影響規(guī)律，并探究其影響機理。

已有學(xué)者研究了乳化瀝青摻量、水泥摻量等因素對CEA砂漿的性能影響［7］。Zhang等［8］研究了不同含量的陽離子乳化瀝青、水泥含量和溫度變化對CEA漿液的黏度影響規(guī)律；黃琴龍等［9］利用陽離子慢裂型乳化瀝青、普通硅酸鹽水泥、石灰石碎石以及機制細砂研究了不同配比下結(jié)石體的強度特性，分析了微觀結(jié)構(gòu)組成對宏觀力學(xué)特征的影響；郭豪彥等［10］研究了水灰比和瀝灰比及養(yǎng)護條件對陽離子水泥乳化瀝青注漿料的流動性、水泥水化、水化熱及抗壓強度的影響；Liu等［11］研究了SBS、SBR改性陽離子乳化瀝青對水泥乳化瀝青的含氣量和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，兩種改性乳化瀝青混合料的流動時間、含氣量及韌性均隨瀝灰比的增加而增加，而抗壓強度降低，兩種改性劑對混合料表現(xiàn)出不同的影響；Wang等［12］分析了兩種不同極性的乳化瀝青拌和物的性能，研究了其對拌和物工作性能、水泥水化進程、水化熱以及彈性模量的影響，結(jié)果表明，陰離子乳化瀝青比陽離子乳化瀝青水泥水化更延緩。

綜合所述，不同離子極性乳化瀝青、不同配比下的CEA漿液性能有顯著差異。為研究CEA漿液流動性、強度、收縮特性隨離子極性、水灰比和瀝灰比的變化規(guī)律，本研究采用正交試驗設(shè)計制備多組不同離子極性、水灰比和瀝灰比的CEA漿液，探究不同影響因素對其性能的影響規(guī)律。通過研究，為鄭州地鐵十二號線等的盾構(gòu)隧道注漿堵漏技術(shù)的設(shè)計與施工提供依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

選用PO.42.5普通硅酸鹽水泥和河南弘太公路工程有限公司生產(chǎn)的陽離子和陰離子乳化瀝青為基本原料，其性能指標見表1、表2、表3。其中兩性乳化瀝青使用兩性乳化劑制作而成。外加劑選用聚羧酸高效減水劑，其摻量為水泥摻量的0.4%。

1.2 試樣制備與試驗方法

1.2.1 試樣制備。參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》（JGJ/T 70—2009），將設(shè)定質(zhì)量的各原材料按投料順序：先將水泥、膨潤土、水、減水劑一同加入攪拌機中，以120 r/min的速度攪拌120 s；然后加入乳化瀝青以60 r/min的攪拌速度攪拌180 s［13］；最后取新拌制的漿液進行流動度試驗，剩余混合料倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的模具中，并置于標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護，用于測定CEA固化試塊3 d時的抗壓強度。

1.2.2 試驗方法。流動度測定參照《盾構(gòu)法隧道同步注漿材料》（DB42/T 1218—2016）；無側(cè)限抗壓強度試驗參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》（JGJ/T 70—2009）。

2 試驗方案與結(jié)果分析

為探究乳化瀝青離子極性、水灰比和瀝灰比對CEA漿液流動度、抗壓強度與凝固收縮的影響，設(shè)計水灰比（質(zhì)量比W/C）分別為0.35、0.40、0.45，瀝灰比（質(zhì)量比A/C）分別為0.2、0.3、0.4的試驗方案。測試不同試驗方案下試樣的流動度、3 d抗壓強度及凝固收縮。其中凝固收縮是指CEA漿液在拆模時試塊上表面的收縮距離。具體試驗方案與結(jié)果見表4。

2.1 水灰比對不同離子極性CEA漿液性能的影響

不同離子極性對CEA漿液基本性能的影響如圖1所示。流動度是評價漿液性能的重要指標［14］。由圖1（a）可知，隨著W/C的增大，CEA漿液的流動度逐漸增大。漿液的流動度主要取決于自由水的含量，隨著W/C的增大，漿體中自由水含量逐漸增加，流動度增大?；旌狭现械乃嬖诜绞接腥N，分別是與水泥顆粒反應(yīng)形成的結(jié)合水、浸潤水泥顆粒的濕潤水及自由水［15］。本研究所做的試驗中，水泥質(zhì)量都相同，即水泥水化所需水量是定值。當W/C為0.35～0.40時，隨W/C的增大流動度增加緩慢；當W/C從0.40增加到0.45時，流動度增加幅度較大。其原因是隨著W/C的增大，當結(jié)合水與濕潤水逐漸趨于飽和時，隨著W/C繼續(xù)增大，多余水大部分為自由水，因此，漿液流動度增大較快。

由圖1（b）可知，隨著水灰比的增大，不同離子型CEA漿液其抗壓強度逐漸增高。本研究中CEA試塊的抗壓強度主要來自水泥水化所形成的結(jié)構(gòu)。其中W/C中的水是由外加自由水和乳化瀝青破乳后產(chǎn)生的水組成，當W/C較低時自由水含量較少，水泥水化所需的水分得不到快速補充，水泥水化進程緩慢或停滯，部分水泥顆粒未發(fā)生水化。隨著乳化瀝青逐漸破乳，自由水含量增多，同時乳化瀝青破乳后分離出的瀝青會包裹水泥顆粒，阻礙其水化反應(yīng)［16］。當W/C為0.35～0.45時，隨著W/C增大，試塊3 d抗壓強度逐漸增加。原因是隨著W/C的增大，漿液自由水含量逐漸增多，水泥顆?？梢耘c自由水充分接觸并發(fā)生水化反應(yīng)，從而使其強度增加［17］。

由圖1（c）可知，不同離子型的CEA漿體凝固后的收縮量隨水灰比的增大而增大，CEA漿體的凝固收縮特性主要來自水泥水化凝固后的收縮。水泥的收縮主要是由于試塊內(nèi)部相對濕度高于外部環(huán)境的相對濕度，使試塊內(nèi)部水分快速流失；在水分流失的過程中，由于毛細管內(nèi)部液面曲率變大，導(dǎo)致液面張力增大，對毛細管管壁產(chǎn)生壓力；在持續(xù)失水時，毛細壓力不斷增強導(dǎo)致水泥干燥收縮。由于試塊內(nèi)水分中包含乳化瀝青破乳后分離出的水分，因此，乳化瀝青的破乳速度會對CEA試塊的收縮速度產(chǎn)生影響［18-19］。由于在陰離子乳液中，瀝青液滴被負電荷包圍，造成在堿性環(huán)境中表面活性劑與鈣離子發(fā)生反應(yīng)［20］，促進了乳化瀝青的破乳，而弱堿性環(huán)境對陽離子乳化瀝青的破乳進程影響較小。因此早期陰離子乳化瀝青試塊失水較多，試塊收縮較大，混合型次之，陽離子最小。同樣在相同水灰比下，陰離子CEA漿液流動度最大，陽離子CEA漿液流動度最小。由于失水速度快，而水泥水化進程緩慢，導(dǎo)致陰離子CEA漿液水泥水化程度低于陽離子CEA漿液，進而使其3 d抗壓強度較低。

2.2 瀝灰比對不同離子極性CEA漿液性能的影響

不同瀝灰比下陽離子CEA漿液流動度、抗壓強度和凝固收縮變化如圖2所示。由圖 2（a）可知，隨A/C的增大CEA漿體流動度逐漸減小，其原因是乳化瀝青破乳后產(chǎn)生的瀝青顆粒黏度大，與水泥顆粒結(jié)合流動阻力增加，降低了漿液的流動度。隨水灰比的增大CEA漿液流動度增大。在W/C為0.35～0.45、A/C為0.2～0.4范圍內(nèi)水灰比對漿液流動度的影響占 主要地位。由圖2（b）可知，當W/C為0.35～0.45、A/C為0.2～0.4時，CEA試塊的3 d抗壓強度隨A/C的增大而減小。

由于乳化瀝青破乳后分離出的瀝青滴強度低，因此試塊的強度主要來自水泥水化產(chǎn)物。隨著瀝灰比的增大水泥含量不變，但是相對含量減少，且破乳后的瀝青滴會包裹水泥顆粒阻礙其水化反應(yīng)，因此試塊內(nèi)部水泥水化產(chǎn)物減少，強度降低。水泥水化產(chǎn)物減少，導(dǎo)致試塊內(nèi)部水分流失的增多，在水分喪失過程中毛細管內(nèi)液面表面張力持續(xù)擠壓毛細管壁，最終導(dǎo)致試塊凝固收縮增大。這就是圖2（c）中試塊收縮隨瀝灰比的增大而增大的原因。

3 正交分析

選擇水灰比（A）、瀝灰比（B）及誤差（E）為配比試驗的影響因素，其中第三因素E為空白列，將流動度、抗壓強度、試塊收縮設(shè)為目標函數(shù)。選用L9（3^3）正交表開展三因素三水平正交設(shè)計，正交試驗因素水平見表5。

按照表5中的因素水平，對水泥乳化瀝青注漿料配比試驗中的W/C、A/C采用極差分析，以確定流動度、抗壓強度及凝固收縮的主要影響因素，結(jié)果見表6。

極差大小反映該因素對目標函數(shù)的影響程度。由表6可知，W/C和A/C的極差較大，說明W/C和A/C均為關(guān)鍵因素，對流動度、抗壓強度、試塊收縮均有顯著性影響?？瞻琢械臉O差較小，證明試驗設(shè)計合理，試驗結(jié)果可靠性較高。以抗壓強度為目標函數(shù)的A/C極差最大，說明A/C的變化對抗壓強度影響最大；而以流動度和試塊收縮為目標函數(shù)的W/C的影響程度大于A/C。

4 結(jié)論

根據(jù)結(jié)果分析不同離子型、不同配比的CEA漿液的抗壓強度、流動度隨各因素的變化規(guī)律；通過正交分析，研究了各因素對CEA漿液的流動度、抗壓強度的影響程度，得出以下結(jié)論。

①在水灰比為0.35～0.45時，不同離子型CEA試塊3 d抗壓強度隨水灰比增加而增大。在相同配合比的情況下，陽離子CEA試塊抗壓強度最大，陰離子CEA試塊最小。水灰比相同時，陰離子CEA漿體流動度、凝固收縮最大，陽離子CEA漿體流動度、凝固收縮最小。

②對陽離子CEA漿液，在水灰比為0.35～0.45時，流動度、抗壓強度隨水灰比的增加而增大、隨瀝灰比的增大而減小。CEA漿液的凝固收縮隨瀝灰比的增加而增大。

③CEA漿液的流動度主要受自由水含量的影響。而CEA試塊3 d抗壓強度主要受水泥水化產(chǎn)物的含量影響，瀝灰比的增加會抑制水泥水化的進程，從而降低其抗壓強度。CEA漿液的凝固收縮主要是因為水泥的干燥收縮，受內(nèi)部水分流失量的影響。

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收稿日期：2023-10-21

作者簡介：黃小雷（1982—），男，本科，工程師，研究方向：隧道工程建設(shè)與管理。