攪拌工藝對水泥瀝青砂漿早期性能的影響研究*
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劉云鵬，劉沐宇
（武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070）
[摘要]研究了不同攪拌工藝下配制的水泥瀝青砂漿的早期性能，試驗結(jié)果表明，干料和瀝青乳液的加入順序?qū)λ酁r青砂漿的_丁作性能、含氣量和抗壓強度有明顯影響，先加入瀝青乳液的試樣具有較高的含氣量、較低的強度以及較好的流動度保持率。研究了鋁粉不同加入方式對水泥瀝青砂漿膨脹率及含氣量的影響，試驗結(jié)果表明，鋁粉的加入方式對水泥瀝青砂漿的膨脹率及含氣量影響很大，初始慢攪1 min后加入鋁粉再慢攪30min的加入方式可以得到膨脹率較合適的水泥瀝青砂漿及較穩(wěn)定的含氣量。
[關(guān)鍵詞]鐵路工程；水泥瀝青砂漿；攪拌工藝；早期性能；鋁粉；膨脹率；含氣量
[中圖分類號]TU528[文章編號]1002-8498(2016)05-0084-04
水泥瀝青砂漿( cement asphalt mortar，CAM)主要由水泥、瀝青乳液、細骨料和多種高效外加劑組成，是一種應(yīng)用于高速鐵路板式無碴軌道結(jié)構(gòu)填充層的關(guān)鍵有機-無機復(fù)合材料（見圖1），主要起支撐列車自重、彈性減振、調(diào)整軌道幾何狀態(tài)的作用。
CAM位于軌道板和混凝土底座之間一段扁平狹窄的封閉空間內(nèi)，在實際施工過程中，為了保證灌注順利進行并達到良好的填充效果，要求CAM具有一定的可工作時間，即在規(guī)定時間內(nèi)(通常為30min)，其流動度維持在一定范圍內(nèi)(18~26s)。作為一種典型的有機-無機復(fù)合材料，CAM的流動性在很大程度上取決于水泥的水化過程和乳化瀝青的破乳時間。當(dāng)水泥與瀝青乳液接觸時，二者的相互作用立即開始，并始終貫穿在CAM膠結(jié)硬化的整個過程中，這表明水泥與瀝青乳液加料的順序?qū)AM的施工性能產(chǎn)生重要影響。因此，本文將系統(tǒng)研究瀝青乳液與干料的加料順序?qū)AM的施工性能（主要包括砂漿的流動度、可工作時間及早期強度）的影響。
為了改善CAM的流動性能及保證良好的填充效果，通常通過引入高效減水劑和提高水灰比來實現(xiàn)。CAM的水灰比一般高達0.85，實際用水量遠高于水泥完全水化的要求，這在一定程度上導(dǎo)致CAM在拌合過程中伴隨著較大程度的塑性體積收縮，影響了砂漿微觀結(jié)構(gòu)的健康發(fā)展，無法滿足軌道結(jié)構(gòu)整體性與平順性的要求。因此，在滿足一定流動性的同時，要求CAM具有1%~3%的膨脹率。CAM的早期膨脹主要通過加入鋁粉來實現(xiàn)，鋁粉與水泥水化產(chǎn)物Ca( OH)2反應(yīng)產(chǎn)生H2，隨著反應(yīng)的進行，氣泡的數(shù)量逐漸增多，同時伴隨一定的膨脹壓力，當(dāng)膨脹壓力大于CAM的塑性強度時，CAM就會產(chǎn)生一定的膨脹。因此，鋁粉的膨脹作用主要取決于其反應(yīng)速度以及CAM的硬化速度。
鋁粉發(fā)氣效果受其顆粒形貌、細度及環(huán)境溫度影響很大，較難控制。另外，在施工過程中，作為砂漿中的微量組分，鋁粉有不同的加入方式，這進一步增加了CAM膨脹可控的難度。由于鋁粉主要通過與Ca( OH)2反應(yīng)產(chǎn)生膨脹，對CAM的含氣量會有一定的影響，進而影響砂漿的抗凍性能。因此，本文主要研究鋁粉不同加入方式對CAM早期膨脹率及30min內(nèi)含氣量的影響規(guī)律。
1 原材料和試驗方法
1.1原材料
1)瀝青乳液 自制CAM專用慢裂快凝型SBS改性陽離子瀝青乳液A，其主要性能指標如下：恩氏黏度(25℃)10.3，篩上剩余物(1.18mm)0. 06%，存儲穩(wěn)定性(5d，25℃)1.7%，水泥適應(yīng)性0. 36%，固含量60. 0%，蒸發(fā)殘留物針入度(25℃，100g，5s，0. 1mm)77，延展度(5℃)41cm。
2)水泥 普通硅酸鹽水泥(C)，強度等級為42.5級，主要化學(xué)組成為：SiO2占21. 47%，Al2O3占5. 8%，F(xiàn)e2O3占4.04%，C a O占59. 64%，M g O占3. 24%，SO3占2.08%，燒失量2.44%。主要性能指標為：比表面積320.5 m2/kg，密度3.03 g/cm3，初凝時間138min，終凝時間190min，3，7，28d抗壓強度分別為17.7，22.9，47. 3MPa。
3)細骨料天然河砂(S)，細度模數(shù)為1.2，表觀密度為2 643. 2kg/m3。
4)外加劑 減水劑為粉狀聚羧酸類高效減水劑(SP)，減水率30%；增稠劑為粉狀聚丙烯酰胺類增稠劑( VMA)，分子量為．100 000；膨脹劑為鱗片狀鋁粉( AP)；消泡劑為磷酸三丁酯類消泡劑(DF)，密度為0. 97 g/m L。
1.2試驗方法及配合比
水泥乳化瀝青砂漿的配合比如表1所示。
1.2.1 含氣量
1)按下式計算砂漿的密度：
2)將三角燒瓶放置于天平上，去皮。然后向燒瓶中加水至水面與瓶口齊平，記錄水的質(zhì)量，重復(fù)測量3次，取平均值，由此計算三角燒瓶的容積。
3)將拌合均勻的CAM倒入三角燒瓶至砂漿表面與瓶口齊平，記錄此時砂漿質(zhì)量。
4)由三角燒瓶的容積以及砂漿的質(zhì)量可得砂漿的表觀密度：
1.2.2膨脹率
將拌合好的CAM注入250mL量筒中(見圖2)，至砂漿表面與量筒250mL刻度處重合時，在量筒頂部加1塊玻璃板，用深度游標卡尺（量程150mm，精度0.02mm）測量砂漿表面至玻璃板的深度H0，24h后再次測量砂漿表面至玻璃板的深度H24，測量3次取平均值。按下式計算CAM的膨脹率。
膨脹率(%) =0. 000 314×（H0-H24）×D2 (4)式中：H0為砂漿初始深度(mm)；H24為砂漿靜置24h深度(mm)；D為量筒內(nèi)徑(mm)。
1.2.3抗壓強度
CAM試塊尺寸為450mm×50mm，將其養(yǎng)護至相應(yīng)齡期后，用石膏粉對砂漿試塊上表面進行拋光處理。用游標卡尺測得試塊底部的直徑，精確至0.02 mm，重復(fù)測量3次取其平均值。然后將試塊平放在萬能材料試驗機壓板的中央，以規(guī)定的加載速率施加荷載至試塊損壞為止。
1.2.4水泥瀝青砂漿攪拌工藝
為了研究不同加料順序?qū)AM早期性能的影Ⅱ向，本文設(shè)計了2種加料方式：第1種是先將瀝青乳液(A)和水(W)加入到攪拌鍋中慢攪1min( 60r/min)，加入細骨料(S)后繼續(xù)慢攪1min，然后將預(yù)先混合均勻的水泥(C)、增稠劑(VMA)、減水劑(SP)和消泡劑( DF)加入到液體料中，快速攪拌3min( 120r/min)后加入鋁粉(AP)，慢攪1min后成型（見圖3）。第2種的攪拌制度與第1種相似，不同之處是首先將水泥、細骨料、增稠劑、減水劑和消泡劑組成的混合物加入攪拌鍋中，慢攪60min后再加入乳化瀝青與水（見圖4）。
1.2.5 鋁粉加入方式
為了研究鋁粉不同加入方式對CAM早期性能的影響，本文設(shè)計了4種不同的加入制度，分別為：1鋁粉加入干料中，慢攪30min后成型；②鋁粉加入干料中，不慢攪，直接成型；③鋁粉在初始慢攪1min后加入，再慢攪30min成型；④鋁粉在慢攪30min后加入，再慢攪1min成型。
2 結(jié)果與討論
2.1 瀝青與干料加入順序的影響
圖5反映了不同加料順序?qū)AM流動度的影響。從圖中可以看到，先加乳化瀝青的CAM流動度經(jīng)時損失較先加干料的CAM流動度經(jīng)時損失要好，前者30min流動度損失3s，而后者流動度損失達到6s。圖6反映了不同加料順序?qū)AM強度的影響�？梢钥吹剑恿享樞�?qū)AM的后期強度(28，60d)沒有明顯影響，而先加入瀝青乳液的CAM早期強度要低于先加入干料的CAM強度。前者1d抗壓強度為0，3d和7d抗壓強度分別比后者低35.7%和15.0%，但是28d和60d強度只比后者低4.0%和3.2%，差別不大。CAM的流動度保持率及強度主要取決于水泥的早期水化過程和乳化瀝青的早期破乳膠結(jié)過程。先加入干料時，水泥水化對乳化瀝青破乳有促進作用，而專用乳化瀝青組分復(fù)雜，含有影響水泥水化速率的有機化合物及吸附能力較強的陽離子乳化劑，這些組分對水泥水化起到一定的緩凝作用（見圖7），從而減緩了水泥水化引起的黏度增長帶來的CAM流動度損失，但同時導(dǎo)致CAM早期強度偏低。
圖8反映了不同加入順序?qū)AM含氣量的影響。結(jié)果表明，先加乳化瀝青的CAM含氣量比先加干料的CAM含氣量高3.3%，但是其經(jīng)時損失偏大。二者10min含氣量損失分別為0.6%及0.4%，30min含氣量損失分別為1.1%與1.8%。由于瀝青乳液中含有大量的乳化劑分子，在機械攪拌的作用下會形成大量氣泡，從而提高了砂漿的初始含氣量，而粉料不斷填充整個漿體空間，對氣泡的穩(wěn)定性有破壞作用，使得氣泡容易破裂，從而迅速降低了砂漿的含氣量（見圖9）。
2.2鋁粉加入方式的影響
圖10反映了鋁粉加入制度對CAM膨脹率的影響�？梢钥吹�，鋁粉的加入順序及慢攪時間對砂漿的膨脹率影響很大。攪拌制度4，即攪拌30min后加入鋁粉并繼續(xù)慢攪1min的砂漿膨脹率最高(3.59%)；而攪拌制度1，即鋁粉混在干料中加入，后慢攪30min的砂漿膨脹率最低，為1.47%。這是因為CAM的膨脹主要是由于鋁粉與Ca( OH)2反應(yīng)生成氫氣引起，漿體中Ca( OH)2含量越多，反應(yīng)越劇烈，而延長慢攪時間會使消泡劑的消泡時間延長，從而降低了砂漿的含氣量。從鋁粉加入制度對砂漿含氣量的影響圖中可以看到（見圖11），采用攪拌制度3配制的CAM，30min內(nèi)含氣量降低了1. 3%，較為穩(wěn)定；而采用攪拌制度1配制的CAM，30min內(nèi)含氣量降低了2.7%。這主要是由于鋁粉直接加入到漿體中后，可以快速發(fā)生發(fā)氣反應(yīng)，這在一定程度上減緩了消泡劑的消泡效果，從而保證了砂漿含氣量的穩(wěn)定性。而鋁粉直接加入干料中，反應(yīng)速度則較慢，釋放的氣體不足以補充消泡劑的消泡量，因此含氣量損失較大。綜上所述，鋁粉的加入順序決定了發(fā)氣速率，而慢攪時間決定了砂漿的含氣量，兩者共同作用決定了CAM的膨脹率及含氣量。
3 結(jié)語
不同加料順序?qū)AM的早期性能影響很大。先加入瀝青乳液的CAM具有較高的含氣量、較低的強度以及較好的流動度保持率。這主要是由于先加入瀝青乳液會引入大量氣泡，同時瀝青乳液中的乳化劑及緩凝組分會對水泥水化起到緩凝作用。
鋁粉的加入順序決定了CAM的發(fā)氣速率，而慢攪時間決定了砂漿的含氣量，兩者共同作用決定了CAM的膨脹率及含氣量。當(dāng)Ca( OH)2生成量較多，并且消泡時間較短時，CAM的膨脹率最大。鋁粉在初始慢攪1min后加入，再慢攪30min后成型的CAM具有合適的膨脹率及穩(wěn)定的含氣量。
