乳化瀝青種類和用量對CAM 砂漿性能影響

李 娜，徐鵬飛

（日照公路建設(shè)有限公司，山東 日照 276826）

1 概述

無碴板式軌道具有維護(hù)量低，使用壽命長，結(jié)構(gòu)高度低等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于高速鐵路建設(shè)工程[1]。水泥乳化瀝青砂漿（Cement Asphalt Emulsion Mortar，簡稱CAM）是無碴板式軌道結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵組成部分，通常作為減振材料應(yīng)用于混凝土基礎(chǔ)間[2]。CAM 主要由水泥，乳化瀝青，細(xì)集料和外加劑組成[3]。根據(jù)乳化瀝青和水泥質(zhì)量比（Asphalt Emulsionto Cement，簡稱A/C）不同，CAM 分為I 型（低模量CAM）和II 型（高模量CAM）。由于乳化瀝青存在，CAM 性能與普通水泥砂漿相差較大，除原材料組成外，乳化瀝青種類及用量對CAM 性能有重要影響。目前關(guān)于乳化瀝青類型對CAM 性能影響研究甚少，尤其缺乏針對乳化瀝青類型對I 型和II 型兩種CAM 性能的影響研究。因此，本文采用SBS 和SBR兩種改性乳化瀝青及不同乳化瀝青用量（A/C）制備高、低兩種模量CAM，研究乳化瀝青類型和用量對CAM 新拌和硬化性能影響。其中，CAM 新拌性能由工作性表征；硬化性能由抗壓強(qiáng)度、28d 彈性模量和抗沖擊韌性表征。

2 原材料和試驗(yàn)方法

2.1 原材料

2.1.1 乳化瀝青

采用SBS 和SBR 對70＃ 瀝青改性，用陽離子乳化劑對改性瀝青進(jìn)行乳化，獲得乳化瀝青，表1 為乳化瀝青主要技術(shù)指標(biāo)。其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20-2011)規(guī)范要求。

表1 乳化瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

2.1.2 水泥

膠凝材料為硫鋁酸鹽水泥和P.O42.5 級普通硅酸鹽水泥，通過試驗(yàn)確定兩者比例為3:7。膠凝材料主要技術(shù)性能指標(biāo)見表2。膠凝材料技術(shù)指標(biāo)均符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）規(guī)范要求。

表2 膠凝材料主要技術(shù)指標(biāo)

2.1.3 骨料

細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為1.6 的天然河砂，最大粒徑小于1.18mm。細(xì)集料各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ058-2000）規(guī)范要求。

2.1.4 水

拌和用水采用飲用水。

2.2 配合比設(shè)計

表3，表4 為I 型和II 型CAM 配合比。根據(jù)CAM 實(shí)際應(yīng)用情況，其水灰比固定為0.73，I 型CAM 的A/C 為0.83，0.85 和0.87；II 型CAM 的A/C為0.33，0.35 和0.37。改性劑含量分別為0～3%。其中總拌和用水量包括乳化瀝青含水量。

表3 CAM 改性劑摻量

表4 試驗(yàn)配合比

使用水泥膠砂攪拌機(jī)在室溫條件下拌和CAM。操作步驟如下：①將乳化瀝青和水加入拌和鍋中低速拌和1min；②在30s 內(nèi)加入河砂和水泥；③將混合物低速拌和1min，然后快速攪拌2min，最后再低速攪拌30s。試樣在24h 后脫模，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度20±3℃，相對濕度65%）養(yǎng)護(hù)至測試齡期。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 工作性測試

參考 《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT50080-2016）規(guī)定，采用流動時間指標(biāo)評價CAM 工作性，流動時間由J 型漏斗法測試，用新拌砂漿填充J 型漏斗，記錄砂漿從噴嘴流出所需時間為流動時間。

2.3.2 力學(xué)性能測試

參考 《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT50080-2016）規(guī)定，測試CAM 力學(xué)性能，抗壓和彈性模量試件尺寸均為Φ：50mm×50mm。

2.3.3 抗沖擊韌性測試

采用落錘沖擊試驗(yàn)測試CAM 抗沖擊韌性，試件尺寸為Φ：165mm×65mm。操作過程參考《纖維鋼筋混凝土性能測量》（ACI544.2R-1999）要求進(jìn)行。當(dāng)試樣出現(xiàn)裂紋和破損時，沖擊次數(shù)N 作為沖擊韌性指標(biāo)。

2.3.4 微觀形貌測試

采用S4800 環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）觀測CAM 微觀結(jié)構(gòu)。收集測完28d 力學(xué)性能的CAM 碎塊，將其磨成直徑約5mm，高度約3mm 小塊，測試前對試樣噴金處理，測試溫度為20℃。

3 結(jié)果與討論

3.1 新拌CAM 性的工作性

圖1 為新拌CAM 流動時間測試結(jié)果。由圖1可知，隨乳化瀝青含量增加（對應(yīng)A/C 增大，下同），新拌CAM 流動時間增加，表明乳化瀝青含量越多，CAM 工作性能越差。這是因?yàn)槿榛癁r青含量增加導(dǎo)致水泥顆粒和乳化瀝青顆粒聚集，從而降低CAM流動性；另外，乳化瀝青含量越多，CAM 粘度越大，對拌合物工作性能產(chǎn)生不利影響。與II 型CAM 相比，I 型CAM 工作性能明顯較差，這是因?yàn)镮 型CAM 的A/C 較大，乳化瀝青對拌合物工作性能阻礙作用越明顯，結(jié)果表明，乳化瀝青用量對I 型CAM工作時間不利影響更顯著。

圖1 乳化瀝青用量和類型對CAM 工作性影響

另一方面，當(dāng)乳化瀝青含量一定時（對應(yīng)A/C相等，下同），新拌CAM 流動時間隨SBR 含量增加而減少，而隨著SBS 含量增加而增加。這是因?yàn)椋孩賁BS 和SBR 對乳化瀝青粘度影響不同，SBS 摻量對提高乳化瀝青粘度作用更明顯，從而SBS 改性乳化瀝青產(chǎn)生較大的屈服應(yīng)力，對新拌CAM 流動性能產(chǎn)生不利影響；②兩種乳化瀝青粒徑分布差異，SBR改性乳化瀝青平均粒徑隨SBR 摻量增加略有減小趨勢，而SBS 改性乳化瀝青平均粒徑隨SBS 摻量增加明顯增加，對新拌CAM 流動性產(chǎn)生不利影響。結(jié)果表明，與SBR 改性乳化瀝青相比，SBS 改性乳化瀝青對CAM 工作性能的不利影響更顯著。

3.2 CAM 硬化性能

3.2.1 抗壓強(qiáng)度

圖2 為CAM7d 和28d 抗壓強(qiáng)度影響試驗(yàn)結(jié)果。由圖3 可知，CAM 抗壓強(qiáng)度隨乳化瀝青用量增多而減小，且乳化瀝青用量過多對砂漿早期強(qiáng)度發(fā)展速度不利。這是因?yàn)椋孩偃榛癁r青用量增多，意味著水泥用量相對減少，故水泥水化產(chǎn)物減少，不利于CAM 強(qiáng)度形成；②CAM 強(qiáng)度主要由水泥水化產(chǎn)物提供，乳化瀝青用量過多時，多余的乳化瀝青包裹未水化水泥顆粒，阻礙其水化，故乳化瀝青用量過大對砂漿強(qiáng)度不利；③乳化瀝青用量增加，導(dǎo)致砂漿體系中薄弱的有機(jī)-無機(jī)界面數(shù)量和面積增大，對砂漿強(qiáng)度形成不利。結(jié)果表明，乳化瀝青用量,不利于CAM 強(qiáng)度形成，I 型CAM 乳化瀝青相對含量較高，故I 型CAM 比II 型CAM 強(qiáng)度低，且強(qiáng)度增長速率較慢。

圖2 乳化瀝青用量和類型對CAM 抗壓強(qiáng)度影響

由圖2 還可看出，CAM 抗壓強(qiáng)度隨改性劑（SBS和SBR）摻量增加而降低。這是因?yàn)閾饺敫男詣┰黾恿松皾{的不均勻性，在砂漿中形成薄弱界面，進(jìn)而降低CAM 抗壓強(qiáng)度。另外，SBS 改性水泥乳化瀝青砂漿強(qiáng)度明顯低于SBR 改性水泥乳化瀝青砂漿。這是因?yàn)镾BS 改性乳化瀝青的平均粒徑較大，砂漿含氣量較高，故導(dǎo)致CAM 抗壓強(qiáng)度降低。且II 型CAM 抗壓強(qiáng)度受改性劑摻量影響較小。

3.2.2 28d 彈性模量

圖3 為CAM28d 彈性模量測試結(jié)果。由圖3 可見，CAM 的28d 彈性模量隨乳化瀝青用量增加而降低。這是因?yàn)镃AM 由高彈性模量組分（水泥）和低彈性模量組分（乳化瀝青）組成，乳化瀝青用量增加意味著體系中低彈性模量組分增加，從而CAM 表現(xiàn)出彈性模量降低趨勢。且I 型CAM 彈性模量比II型CAM 低，這是因?yàn)镮 型CAM 相對乳化瀝青用量多，從而CAM 體系中低模量組分多。

從圖3 中還可以看出，CAM 的28d 彈性模量隨改性劑摻量增加而降低，且SBS 改性水泥乳化瀝青砂漿28d 彈性模量降低幅度明顯大于SBR 改性水泥乳化瀝青砂漿。改性劑摻量對CAM 的28d 彈性模量影響趨勢與抗壓強(qiáng)度類似。

圖3 乳化瀝青用量和類型對CAM 彈性模量影響

3.2.3 抗沖擊韌性

圖4 為CAM 抗沖擊韌性影響試驗(yàn)結(jié)果。由圖4可見，CAM 抗沖擊次數(shù)隨乳化瀝青用量增加而增加，這意味著CEAM 抗沖擊韌性隨乳化瀝青用量增加而增加。這是因?yàn)樗嗳榛癁r青韌性主要由具有優(yōu)異韌性的乳化瀝青組分提供，因此乳化瀝青用量增加導(dǎo)致砂漿韌性增加，且乳化瀝青用量越多，砂漿韌性提升效果越明顯，故I 型CAM 抗沖擊韌性遠(yuǎn)優(yōu)于II 型CAM。

圖4 乳化瀝青用量和類型對CAM 抗沖擊韌性影響

從圖4 還可以看出，CEAM 的抗沖擊韌性隨改性劑摻量增加而增加。且SBS 改性水泥乳化瀝青砂漿抗沖擊韌性明顯由于SBR 改性水泥乳化瀝青砂漿，當(dāng)SBS 摻量大于2%時，CEAM 抗沖擊韌性急劇增加。這是因?yàn)镾BS 屬于熱塑性彈性體，具有良好柔韌變形能力，故摻入SBS 可起到增韌和增塑作用，從而提高CEAM 抗沖擊韌性。結(jié)果表明SBS 改性劑對CAM 抗沖擊韌性提高更有利。

4 結(jié)語

本文通過調(diào)整乳化瀝青種類和用量制備出不同類型CAM 砂漿，并研究了CAM 砂漿新拌性能和硬化性能，得到以下結(jié)論：

（1）CAM 砂漿工作性能、抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨乳化瀝青用量增加而降低；抗沖擊韌性隨乳化瀝青用量增加而增加，故II 型CAM 砂漿宜用于對強(qiáng)度要求高地方；而I 型更適合應(yīng)用于減振作用；

（2）SBS 改性劑對CAM 砂漿工作性能不利；

（3）SBS 改性水泥乳化瀝青砂漿強(qiáng)度和彈性模量明顯低于SBR 改性水泥乳化瀝青砂漿，結(jié)果表明，SBR 改性劑對CAM 砂漿性能提升效果更有效；

（4）乳化瀝青用量越多，CAM 砂漿體系水化產(chǎn)物越少，且SBR 改性CAM 砂漿比SBS 改性CAM 砂漿結(jié)構(gòu)更致密。結(jié)果表明，乳化瀝青用量不宜過多，I 型A/C 宜在0.85 左右，II 型A/C 宜在0.35 左右，SBR 改性劑最佳摻量為2%。