刘云鹏，刘沐宇
（武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070）
[摘要]研究了不同搅拌工艺下配制的水泥沥青砂浆的早期性能，试验结果表明，干料和沥青乳液的加入顺序对水泥沥青砂浆的_丁作性能、含气量和抗压强度有明显影响，先加入沥青乳液的试样具有较高的含气量、较低的强度以及较好的流动度保持率。研究了铝粉不同加入方式对水泥沥青砂浆膨胀率及含气量的影响，试验结果表明，铝粉的加入方式对水泥沥青砂浆的膨胀率及含气量影响很大，初始慢搅1 min后加入铝粉再慢搅30min的加入方式可以得到膨胀率较合适的水泥沥青砂浆及较稳定的含气量。
[关键词]铁路工程；水泥沥青砂浆；搅拌工艺；早期性能；铝粉；膨胀率；含气量
[中图分类号]TU528[文章编号]1002-8498(2016)05-0084-04
水泥沥青砂浆( cement asphalt mortar，CAM)主要由水泥、沥青乳液、细骨料和多种高效外加剂组成，是一种应用于高速铁路板式无碴轨道结构填充层的关键有机-无机复合材料（见图1），主要起支撑列车自重、弹性减振、调整轨道几何状态的作用。
CAM位于轨道板和混凝土底座之间一段扁平狭窄的封闭空间内，在实际施工过程中，为了保证灌注顺利进行并达到良好的填充效果，要求CAM具有一定的可工作时间，即在规定时间内(通常为30min)，其流动度维持在一定范围内(18~26s)。作为一种典型的有机-无机复合材料，CAM的流动性在很大程度上取决于水泥的水化过程和乳化沥青的破乳时间。当水泥与沥青乳液接触时，二者的相互作用立即开始，并始终贯穿在CAM胶结硬化的整个过程中，这表明水泥与沥青乳液加料的顺序将对CAM的施工性能产生重要影响。因此，本文将系统研究沥青乳液与干料的加料顺序对CAM的施工性能（主要包括砂浆的流动度、可工作时间及早期强度）的影响。
为了改善CAM的流动性能及保证良好的填充效果，通常通过引入高效减水剂和提高水灰比来实现。CAM的水灰比一般高达0.85，实际用水量远高于水泥完全水化的要求，这在一定程度上导致CAM在拌合过程中伴随着较大程度的塑性体积收缩，影响了砂浆微观结构的健康发展，无法满足轨道结构整体性与平顺性的要求。因此，在满足一定流动性的同时，要求CAM具有1%~3%的膨胀率。CAM的早期膨胀主要通过加入铝粉来实现，铝粉与水泥水化产物Ca( OH)2反应产生H2，随着反应的进行，气泡的数量逐渐增多，同时伴随一定的膨胀压力，当膨胀压力大于CAM的塑性强度时，CAM就会产生一定的膨胀。因此，铝粉的膨胀作用主要取决于其反应速度以及CAM的硬化速度。
铝粉发气效果受其颗粒形貌、细度及环境温度影响很大，较难控制。另外，在施工过程中，作为砂浆中的微量组分，铝粉有不同的加入方式，这进一步增加了CAM膨胀可控的难度。由于铝粉主要通过与Ca( OH)2反应产生膨胀，对CAM的含气量会有一定的影响，进而影响砂浆的抗冻性能。因此，本文主要研究铝粉不同加入方式对CAM早期膨胀率及30min内含气量的影响规律。
1 原材料和试验方法
1.1原材料
1)沥青乳液 自制CAM专用慢裂快凝型SBS改性阳离子沥青乳液A，其主要性能指标如下：恩氏黏度(25℃)10.3，筛上剩余物(1.18mm)0. 06%，存储稳定性(5d，25℃)1.7%，水泥适应性0. 36%，固含量60. 0%，蒸发残留物针入度(25℃，100g，5s，0. 1mm)77，延展度(5℃)41cm。
2)水泥 普通硅酸盐水泥(C)，强度等级为42.5级，主要化学组成为：SiO2占21. 47%，Al2O3占5. 8%，Fe2O3占4.04%，C a O占59. 64%，M g O占3. 24%，SO3占2.08%，烧失量2.44%。主要性能指标为：比表面积320.5 m2/kg，密度3.03 g/cm3，初凝时间138min，终凝时间190min，3，7，28d抗压强度分别为17.7，22.9，47. 3MPa。
3)细骨料天然河砂(S)，细度模数为1.2，表观密度为2 643. 2kg/m3。
4)外加剂 减水剂为粉状聚羧酸类高效减水剂(SP)，减水率30%；增稠剂为粉状聚丙烯酰胺类增稠剂( VMA)，分子量为．100 000；膨胀剂为鳞片状铝粉( AP)；消泡剂为磷酸三丁酯类消泡剂(DF)，密度为0. 97 g/m L。
1.2试验方法及配合比
水泥乳化沥青砂浆的配合比如表1所示。
1.2.1 含气量
1)按下式计算砂浆的密度：
2)将三角烧瓶放置于天平上，去皮。然后向烧瓶中加水至水面与瓶口齐平，记录水的质量，重复测量3次，取平均值，由此计算三角烧瓶的容积。
3)将拌合均匀的CAM倒入三角烧瓶至砂浆表面与瓶口齐平，记录此时砂浆质量。
4)由三角烧瓶的容积以及砂浆的质量可得砂浆的表观密度：
1.2.2膨胀率
将拌合好的CAM注入250mL量筒中(见图2)，至砂浆表面与量筒250mL刻度处重合时，在量筒顶部加1块玻璃板，用深度游标卡尺（量程150mm，精度0.02mm）测量砂浆表面至玻璃板的深度H0，24h后再次测量砂浆表面至玻璃板的深度H24，测量3次取平均值。按下式计算CAM的膨胀率。
膨胀率(%) =0. 000 314×（H0-H24）×D2 (4)式中：H0为砂浆初始深度(mm)；H24为砂浆静置24h深度(mm)；D为量筒内径(mm)。
1.2.3抗压强度
CAM试块尺寸为450mm×50mm，将其养护至相应龄期后，用石膏粉对砂浆试块上表面进行抛光处理。用游标卡尺测得试块底部的直径，精确至0.02 mm，重复测量3次取其平均值。然后将试块平放在万能材料试验机压板的中央，以规定的加载速率施加荷载至试块损坏为止。
1.2.4水泥沥青砂浆搅拌工艺
为了研究不同加料顺序对CAM早期性能的影Ⅱ向，本文设计了2种加料方式：第1种是先将沥青乳液(A)和水(W)加入到搅拌锅中慢搅1min( 60r/min)，加入细骨料(S)后继续慢搅1min，然后将预先混合均匀的水泥(C)、增稠剂(VMA)、减水剂(SP)和消泡剂( DF)加入到液体料中，快速搅拌3min( 120r/min)后加入铝粉(AP)，慢搅1min后成型（见图3）。第2种的搅拌制度与第1种相似，不同之处是首先将水泥、细骨料、增稠剂、减水剂和消泡剂组成的混合物加入搅拌锅中，慢搅60min后再加入乳化沥青与水（见图4）。
1.2.5 铝粉加入方式
为了研究铝粉不同加入方式对CAM早期性能的影响，本文设计了4种不同的加入制度，分别为：1铝粉加入干料中，慢搅30min后成型；②铝粉加入干料中，不慢搅，直接成型；③铝粉在初始慢搅1min后加入，再慢搅30min成型；④铝粉在慢搅30min后加入，再慢搅1min成型。
2 结果与讨论
2.1 沥青与干料加入顺序的影响
图5反映了不同加料顺序对CAM流动度的影响。从图中可以看到，先加乳化沥青的CAM流动度经时损失较先加干料的CAM流动度经时损失要好，前者30min流动度损失3s，而后者流动度损失达到6s。图6反映了不同加料顺序对CAM强度的影响。可以看到，加料顺序对CAM的后期强度(28，60d)没有明显影响，而先加入沥青乳液的CAM早期强度要低于先加入干料的CAM强度。前者1d抗压强度为0，3d和7d抗压强度分别比后者低35.7%和15.0%，但是28d和60d强度只比后者低4.0%和3.2%，差别不大。CAM的流动度保持率及强度主要取决于水泥的早期水化过程和乳化沥青的早期破乳胶结过程。先加入干料时，水泥水化对乳化沥青破乳有促进作用，而专用乳化沥青组分复杂，含有影响水泥水化速率的有机化合物及吸附能力较强的阳离子乳化剂，这些组分对水泥水化起到一定的缓凝作用（见图7），从而减缓了水泥水化引起的黏度增长带来的CAM流动度损失，但同时导致CAM早期强度偏低。
图8反映了不同加入顺序对CAM含气量的影响。结果表明，先加乳化沥青的CAM含气量比先加干料的CAM含气量高3.3%，但是其经时损失偏大。二者10min含气量损失分别为0.6%及0.4%，30min含气量损失分别为1.1%与1.8%。由于沥青乳液中含有大量的乳化剂分子，在机械搅拌的作用下会形成大量气泡，从而提高了砂浆的初始含气量，而粉料不断填充整个浆体空间，对气泡的稳定性有破坏作用，使得气泡容易破裂，从而迅速降低了砂浆的含气量（见图9）。
2.2铝粉加入方式的影响
图10反映了铝粉加入制度对CAM膨胀率的影响。可以看到，铝粉的加入顺序及慢搅时间对砂浆的膨胀率影响很大。搅拌制度4，即搅拌30min后加入铝粉并继续慢搅1min的砂浆膨胀率最高(3.59%)；而搅拌制度1，即铝粉混在干料中加入，后慢搅30min的砂浆膨胀率最低，为1.47%。这是因为CAM的膨胀主要是由于铝粉与Ca( OH)2反应生成氢气引起，浆体中Ca( OH)2含量越多，反应越剧烈，而延长慢搅时间会使消泡剂的消泡时间延长，从而降低了砂浆的含气量。从铝粉加入制度对砂浆含气量的影响图中可以看到（见图11），采用搅拌制度3配制的CAM，30min内含气量降低了1. 3%，较为稳定；而采用搅拌制度1配制的CAM，30min内含气量降低了2.7%。这主要是由于铝粉直接加入到浆体中后，可以快速发生发气反应，这在一定程度上减缓了消泡剂的消泡效果，从而保证了砂浆含气量的稳定性。而铝粉直接加入干料中，反应速度则较慢，释放的气体不足以补充消泡剂的消泡量，因此含气量损失较大。综上所述，铝粉的加入顺序决定了发气速率，而慢搅时间决定了砂浆的含气量，两者共同作用决定了CAM的膨胀率及含气量。
3 结语
不同加料顺序对CAM的早期性能影响很大。先加入沥青乳液的CAM具有较高的含气量、较低的强度以及较好的流动度保持率。这主要是由于先加入沥青乳液会引入大量气泡，同时沥青乳液中的乳化剂及缓凝组分会对水泥水化起到缓凝作用。
铝粉的加入顺序决定了CAM的发气速率，而慢搅时间决定了砂浆的含气量，两者共同作用决定了CAM的膨胀率及含气量。当Ca( OH)2生成量较多，并且消泡时间较短时，CAM的膨胀率最大。铝粉在初始慢搅1min后加入，再慢搅30min后成型的CAM具有合适的膨胀率及稳定的含气量。
