CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿微膨脹性能研究

賈恒瓊，李海燕，吳韶亮，魏 曌

(中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京 100081)

CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿要求膨脹率(24h)為1% ～3%。通過專用灌注袋，在混凝土基座和軌道板間規定的空間內灌注砂漿。水泥乳化瀝青砂漿在凝固后會產生干燥收縮，為保證軌道板與路基混凝土板之間空隙填充的密實性，在砂漿拌合過程中添加發氣鋁粉，亦稱發氣劑。鋁粉與砂漿體系中的堿相互作用，在澆筑后和凝固前的這段時間，因化學作用產生氫氣，均勻分布在砂漿結構中，使其形成一定的膨脹。

1 水泥乳化瀝青砂漿性能指標

為了使CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿滿足施工性能要求以及軌道結構的調整層要求，水泥乳化瀝青砂漿需滿足以下性能指標，見表1。

表1 水泥乳化瀝青砂漿性能指標要求

2 鋁粉發氣速度對砂漿成型和性能的影響

鋁粉與砂漿中的堿起化學反應，而產生氫氣［1］。其反應式為

反應中，實質是鋁粉與水的反應，水泥的強堿環境加速了反應的進行。氫氣的產生量與產生速度，除了與鋁粉的純度、細度、處理方法等因素有關外，還與水泥的礦物組成(主要是含堿量)、水灰比、反應溫度有關。一般情況下，鋁粉的加量為水泥膠凝材料用量的0.006% ～0.015%左右。

鋁粉在化學反應過程中產生大量氣泡，在砂漿內部形成均勻的氣孔結構。要使砂漿達到要求的膨脹效果，又不影響最終的強度，主要在于砂漿與鋁粉發氣過程相適應的程度。當砂漿凝結硬化時鋁粉發氣已全部結束，氣泡均勻地存在于硬化的砂漿中，砂漿逐漸硬化產生多孔的結構，鋁粉發氣速度與砂漿稠化速度相適應這種狀況則是最佳的。鋁粉發氣速度太快，在澆筑完畢后，砂漿膨脹速度過快，凝結硬化過程相對太慢，鋁粉發氣在砂漿還未硬化時或拌合中釋放出，而砂漿中固體粒子下沉速度過快，砂漿可能出現泌水。此時氣泡大量合并上浮，從而引起整個砂漿體系的不穩定，導致整體沉陷嚴重甚至塌模。鋁粉發氣太慢，則砂漿膨脹速度慢，而砂漿已經逐漸凝結硬化，結構產生憋氣。砂漿側面可見分布有很多橫向非貫穿裂縫，長度最大1 cm(層裂)，嚴重破壞了結構的形成，影響了砂漿的強度［2］。

3 鋁粉和水泥品種對砂漿發氣效果的影響

3.1 鋁粉的品種對砂漿發氣效果的影響

試驗選取了兩種形態的鋁粉，進行水泥乳化瀝青砂漿的膨脹率試驗。膨脹率測試，將砂漿澆筑到250 mL量筒滿刻度處，按照試驗要求養護24 h后，測試膨脹率。其公式為

式中，D為量筒直徑(mm);H0為初始深度(mm);H24為24 h后的深度(mm)。

兩種鋁粉分別為Al-1、Al-2，配制流動度和含氣量符合指標(表1)要求的砂漿。從加料開始分別在0、10、20、30、45、60 min 共 6 個時間點取砂漿試樣，測試膨脹率的發展趨勢，見圖1、圖2。可見，隨著攪拌時間的延長，氣體逸出越多，膨脹率減小。攪拌時間達10 min的砂漿，Al-1鋁粉在20 min開始發氣，發氣很快結束，而Al-2鋁粉在1 h才開始發氣，5 h發氣基本完畢。表明，Al-1鋁粉的發氣速度快于Al-2鋁粉。

另外，鋁粉的粒徑也是影響發氣速度的重要因素。試驗分別選取了 Al-1鋁粉400目、700目，Al-2鋁粉150目、350目，考察不同粒徑鋁粉對砂漿膨脹率的影響。同一個砂漿體系，粒徑越小，鋁粉在砂漿中的反應越快，在砂漿未凝結硬化前氣體較易溢出，最終的膨脹率較小;反之，粒徑越大，相對于砂漿凝結硬化來說發氣較慢，隨著發氣量增大砂漿體系黏度也在增大，生成的氣體易于分布均勻，最終膨脹率較大。

3.2 水泥的品種對砂漿發氣效果的影響

針對不同的鋁粉應選擇合適的水泥，除了水泥的堿度對鋁粉發氣有影響外，具備早強功能與否也很重要。上文提到的Al-1鋁粉發氣速度比Al-2鋁粉要快，所以針對早強水泥可以選用發氣較快的Al-1鋁粉，不具備早強功能的水泥應選用發氣較慢的Al-2鋁粉。

4 拌合條件對砂漿膨脹效果的影響

4.1 拌合溫度的影響

不同地區不同季節無砟軌道施工，大致分為三個溫度段:5℃、20℃和35℃。根據試驗結果分析，鋁粉用量相同，隨著拌合溫度的升高，膨脹率逐漸減少，達到同一膨脹率所需的鋁粉量也要增大。可見，溫度越高，鋁粉發氣反應越快，導致最終的膨脹率達不到要求。

4.2 注模前攪拌時間的影響

配制流動度和含氣量符合指標(表1)要求的砂漿，分別在攪拌到5 min和1 h時灌注量筒。砂漿養護24 h后，經觀察和測試，攪拌5 min的砂漿膨脹率達3%，并且砂漿試塊也呈現膨脹;而攪拌1 h的砂漿膨脹率則為0.5%，砂漿試塊下塌不膨脹。這說明，攪拌時間的延長會加快內部氣體的逸出，體積膨脹不易保持。

4.3 水灰比和黏度的影響

砂漿的水灰比大，黏度小，鋁粉發氣比較順暢，一部分氫氣由于砂漿的黏性阻力較小而上浮溢出，發氣速度較快，最終膨脹率較低;砂漿水灰比小，黏度大，鋁粉發氣所受阻力大，發氣速度較慢，發氣時間較長，最終膨脹率較大。因此砂漿只有在相對固定的水灰比條件下，一定量的鋁粉才能獲得穩定的膨脹率。故在實際應用中，應針對砂漿基本固定的水灰比，選擇發氣時間合適的鋁粉以及用量。

隨著砂漿攪拌時間的延長，水化過程在加劇，黏度也會稍變大，鋁粉發氣也在進行。鋁粉的膨脹與砂漿的凝結硬化是同一體系中的物理化學反應過程，影響凝結硬化的因素亦會影響鋁粉發氣速度。

5 結論

1)不同品種鋁粉的發氣早晚影響砂漿最終的膨脹率。添加等量的兩種鋁粉，與發氣較早的Al-1鋁粉相比，發氣較晚的Al-2鋁粉獲得的砂漿膨脹率較大。針對不同的水泥應選用不同發氣速度的鋁粉，具有早強功能的水泥可以選用發氣較快的鋁粉，對不具備早強功能的水泥可以選用發氣稍晚的鋁粉。

2)拌合條件也是影響砂漿膨脹率的直接因素。添加等量鋁粉，隨著拌合溫度的升高、攪拌時間的延長、大水灰比獲得的砂漿膨脹率較小;反之，膨脹率則較大。

［1］劉尚樂.乳化瀝青及其在道路、建筑工程中的應用［M］.北京:中國建材工業出版社，2008.

［2］任勝鴿.談鋁粉發氣速度對澆筑穩定性的影響［J］.加氣混凝土，2008(2):26-27.