水泥與乳化瀝青相容性機理及其改善措施研究

孔德玉，胡紅貴，錢曉倩，楊芳兒，楊林江，湯 薇，吳文軍

(1．浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014;2．浙江大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310013;3．浙江蘭亭高科有限公司，浙江 杭州 312044)

隨國民經濟快速發展，我國將建設“四縱四橫”客運專線高速鐵路網，設計時速最高達350 km/h。為提高列車高速運行穩定性和安全性，減少軌道維護工作量，國外發展多種形式無砟軌道，板式軌道是技術最為成熟軌道之一，在發達國家高速鐵路上大量鋪設已成發展趨勢，其特點是在路基上鋪設混凝土底座，底座上放置預制軌道板，其間預留30～50 mm空隙，中間灌注水泥瀝青砂漿(Cement asphalt mortar，CA砂漿)，固化后形成兼具一定剛性和彈性的填充墊層，為軌道提供必要強度和彈性，是板式無砟軌道結構中彈性調整層關鍵組成部分，也是板式軌道核心技術之一［1-4］。

目前我國將板式無砟軌道分為CRTSⅠ型和CRTSⅡ型兩種，京滬高速鐵路工程主要采用CRTSⅡ型。對于CRTSⅡ型CA砂漿，《客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件》(科技基［2008］74號，以下簡稱《暫行技術條件》)規定，宜采用陰離子型乳化瀝青，并提出乳化瀝青與水泥的適應性指標。目前，國內外關于乳化瀝青與水泥適應性的研究尚不多見。WANG Fazhou等［5］研究了不同乳化劑對乳化瀝青與水泥之間適應性的影響，表明采用二胺類乳化劑乳化得到的瀝青乳液與水泥之間具有較好的適應性。主要研究了水泥品種對瀝青乳液與水泥之間適應性的影響，對比研究了水泥與瀝青乳液之間的適應性及其與減水劑之間適應性的關系，提出了改善瀝青乳液與水泥之間適應性的措施。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗用瀝青乳液由浙江蘭亭高科股份有限公司生產，為CA砂漿專用慢裂快凝型陰離子瀝青乳液，其基本性能見表1。選取了五種來源的水泥，取自五家水泥廠，代號分別為 JFC，ZKDC，CGC，XDC和 HLC。所用減水劑為HG-PCA600型聚羧酸高效減水劑(Sp)，固含量為35%，減水率為28%。乳化劑由浙江蘭亭高科股份有限公司提供。水為自來水。

表1 瀝青乳液性能

1.2 試驗方法

瀝青乳液與水泥的適應性按《暫行技術條件》中規定的方法進行測定，采用20 s內混合物的流出體積(ml)或全部流出所需的流出時間(s)來表征瀝青乳液與水泥的適應性。采用涂-4黏度計測定摻加減水劑或乳化劑水泥凈漿的流動性。試驗時，先用手指堵住黏度計漏斗的出口，然后將攪拌得到的凈漿加入漏斗中，松開手指至觀察到凈漿開始流下時開始計時，采用流下的凈漿體積為25 ml時對應的流下時間(s)表征水泥凈漿的流動性。

2 結果分析與討論

2.1 水泥與瀝青乳液、減水劑的適應性

圖1所示為不同來源的水泥與瀝青乳液的適應性測定結果。由圖1可見，JFC與瀝青乳液的適應性最好，水泥與瀝青乳液和水攪拌均勻，并在40℃下靜置4 h后，瀝青乳液未破乳，繼續攪拌均勻后，按規定方法測得20 s內混合物的流出體積達到135 ml。ZKDC和XDC與瀝青乳液的適應性也較好，按規定方法測得20 s內混合物的流出體積均在70 ml以上，分別達到110 ml和95 ml。其它三種水泥與瀝青乳液的適應性則較差，兩者混合后并在40℃下靜置4 h后，瀝青乳液出現破乳現象，重新攪拌后的混合物無法從漏斗中流出。

圖2所示為水灰比W/C=0.26，高性能減水劑摻量為水泥用量的1%，采用不同來源水泥拌制的水泥凈漿流下時間。由圖2可見，4種水泥中，以JFC與該高性能減水劑的適應性最好，制備得到的水泥凈漿流下25 ml所需的時間最少，僅為68 s;CGC與該高性能減水劑的適應性最差，制備得到的水泥凈漿流下25 ml所需的時間最多，其流下時間達到109 s。

圖1 瀝青乳液與不同來源水泥的適應性

圖2 不同水泥與高性能減水劑的適應性比較

圖3 水泥乳化瀝青漿體20 s流出體積與水泥漿體25 ml流出時間的關系

圖3所示為按《暫行技術條件》測試瀝青乳液與水泥適應性時的20 s流下體積與水灰比為0.26、高性能減水劑摻量為1%的水泥漿25 ml流出時間之間的關系。由圖3可見，與瀝青乳液適應性良好的水泥，其與瀝青乳液混合而成的水泥瀝青漿體20 s流下體積及其與減水劑溶液混合而成的漿體25 ml流出時間幾乎呈線性關系，即水泥與減水劑的適應性越好，水泥與瀝青乳液之間的適應性越好。由圖3可以預測，若將水泥按W/C=0.26，減水劑摻量為1.0%制備得到水泥漿體，其流出25 ml所需時間＞85 s，該水泥與瀝青乳液之間的相容性將不能滿足《暫行技術條件》的要求。

綜合圖1～圖3可見，瀝青乳液與水泥之間的適應性機理實際上可能與水泥與減水劑之間的適應性機理相類似。

圖4所示為減水劑和乳化劑摻量對水灰比分別為0.28和0.38的JFC水泥漿體和CGC水泥漿體25 ml流出時間的影響。由圖4(a)可見，JFC水泥與聚羧酸減水劑之間的適應性良好，隨減水劑摻量增大，水泥漿體流出時間呈先減小后增大趨勢，減水劑的最佳摻量為1.0%，摻量超過1.0%后，其流出時間僅略有增大。然而，CGC水泥與減水劑的適應性明顯較差，減水劑摻量＜1.0%時，漿體流出時間隨減水劑摻量增大而明顯下降，但減水劑摻量為1.25%時，其稠度反而急劇增大，然后又隨減水劑摻量增大而明顯下降。這一方面與兩者之間適應性有關，同時也可能與該水泥本身質量的穩定性有關。

由圖4(b)可見，JFC水泥與瀝青乳化劑之間也具有良好的適應性，制備得到的水泥漿體稠度隨乳化劑摻量的變化趨勢與摻減水劑時基本相同;而CGC水泥與瀝青乳化劑之間的適應性同樣較差，摻量為0.75%時，得到的水泥漿體甚至不能流下。隨乳化劑摻量進一步增大，水泥漿稠度開始下降，但乳化劑摻量為1.5%時，得到的水泥漿體稠度才能與摻1.0%的JFC水泥漿體相當。此外，對比圖4(a)和圖4(b)可見，雖然乳化劑對水泥亦具有一定的減水效果，但其減水效果遠低于聚羧酸減水劑。

圖4 減水劑和乳化劑摻量對水泥凈漿流出時間的影響

2.2 改善水泥與瀝青乳液適應性的措施

2.2.1 增加減水劑用量

為考察采用與瀝青乳液適應性差的水泥制備CA砂漿的可行性，考慮在進行水泥與瀝青乳液適應性試驗時，在乳化瀝青和水泥混合之前，先在水中加入適量聚羧酸減水劑，研究摻加少量減水劑對水泥和乳化瀝青之間適應性的影響，試驗結果如圖5所示。由圖5可見，當減水劑摻量僅為0.1%和0.2%時，CGC水泥與瀝青乳液混合，在40℃下靜置4 h后，瀝青乳液破乳，混合漿體無法流出。當減水劑摻量達到0.3%時，乳化瀝青與水泥混合并在40℃下靜置4 h后的混合漿體可以流動，但流下70 ml需時45 s，仍未達到20 s流下70 ml的要求，但當減水劑摻量達到0.4%以上時，乳化瀝青與水泥混合并在40℃下靜置4 h后的混合漿體流下70 ml所需時間均為10 s以下。由此可見，即使所用水泥與乳化瀝青的適應性不好，原則上仍可用于制備CA砂漿，但需采用一些技術措施，如增大減水劑摻量才能防止CA砂漿制備過程中乳化瀝青破乳。

2.2.2 增加乳化劑用量

根據以上分析，水泥與瀝青乳液適應性差的主要原因是由于水泥顆粒對瀝青乳液中的乳化劑產生競爭性吸附的結果。因此，在制備乳化瀝青時，通過適當增加乳化劑用量可提高瀝青乳液與水泥之間的適應性。圖6為外加乳化劑對乳液與水泥之間適應性的影響。由圖6可見，當乳化劑摻量僅為0.1%，0.2%和0.3%時，CGC水泥與瀝青乳液混合，在40℃下靜置4 h后，瀝青乳液仍發生破乳，混合漿體無法流出。當乳化劑摻量達到0.4%時，乳化瀝青與水泥混合并在40℃下靜置4 h后的混合漿體可以流動，但流下70 ml需時36.45 s，仍未達到20.00 s流下70 ml的要求。當乳化劑摻量為0.5%時，乳化瀝青與水泥混合并在40℃下靜置4 h后的混合漿體流下70 ml所需時間為7.31 s，已滿足瀝青乳液與水泥的相容性要求。乳化劑用量進一步增加對相容性的改善已無明顯效果。

圖5 高性能聚羧酸減水劑摻量對瀝青乳液與CGC水泥之間適應性的影響

圖6 外摻乳化劑摻量對瀝青乳液與CGC水泥之間適應性的影響

2.2.3 對水泥進行表面改性

采用偶聯劑對水泥進行表面憎水處理亦可改善水泥與乳化瀝青之間的相容性。圖7所示為對CGC水泥進行表面改性處理后，硅烷偶聯劑摻量對水泥與乳化瀝青相容性的影響。由圖7可見，通過偶聯劑對水泥進行表面改性處理亦可有效改善瀝青乳液與水泥之間的適應性，但偶聯劑KH550摻量僅為0.02%時，其與瀝青乳液之間的相容性仍很差，瀝青乳液發生破乳現象，當偶聯劑摻量達到0.05%時，其對相容性的改善效果最好，但繼續增大偶聯劑用量反而導致20 s內流出的體積下降，但其相容性仍能滿足要求。

圖7 偶聯劑KH550摻量對瀝青乳液與表面改性CGC水泥之間適應性的影響

根據以上分析可見，通過優選水泥品種、適量摻加減水劑、乳化劑或對水泥進行表面憎水處理均可有效改善瀝青乳液與水泥之間的適應性，防止乳化瀝青在拌制CA砂漿過程中發生破乳現象。對比圖5和圖6可見，相同摻量情況下，摻加減水劑對改善兩者之間相容性的效果更好。從經濟性角度出發，合理選擇水泥品種是防止CA砂漿拌制過程中瀝青乳液破乳的首要措施。然而，在生產過程中，由于水泥化學組成與性能變異的影響，可能仍會出現破乳現象，此時可通過適當提高減水劑摻量或摻加乳化劑等措施改善相容性。通過表面憎水處理可確保兩者之間的相容性，且表面憎水處理后的水泥不易受潮失效，對提高原材料的儲存性能有利。

3 結論

1)瀝青乳液與水泥之間的相容性與減水劑與水泥之間的適應性直接相關，其機理是由于水泥顆粒表面對瀝青乳液中乳化劑的競爭性吸附所致。

2)乳化劑對水泥有一定的減水效果，但減水效果較差。

3)通過適當提高高效減水劑用量或外摻適量乳化劑以及對水泥進行表面憎水處理可明顯改善水泥與瀝青乳液之間的相容性。

［1］ 徐學東，徐建，陳志華，等．板式無砟軌道墊層 CA砂漿研究與進展［J］．華東交通大學學報，2008，26(4):58-62．

［2］ MAKOTO U，MASAO U，MASAMICHI S，et al．Development of new type guideway structure［J］．QR of RTRI，2004，45(1):13-16．

［3］ KATSUTOSHI A，MAKOTO S，HIFUMI A，et al．Development of slab tracks for Hokuriku Shinkansen Line［J］．QR of RTRI，2001，42(1):35-41．

［4］ 金守華，陳秀方，楊 軍．板式無砟軌道用 CA砂漿的關鍵技術［J］．中國鐵道科學，2006，27(2):20-25．

［5］ WANG Fazhou，ZHANG Yunhua，LIU Zhichao，etal．Preliminary study on asphalt emulsion used in cement asphalt mortar［J］．Journal of Testing and Evaluation，2009，37(5):14-17．