阴离子CA砂浆的制备及性能
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摘要：制备了阴离子乳化沥青ca砂浆，并研究了CA砂浆的弹性模量、流动度、可工作时间等性能，结果表明：先加乳化沥青时CA砂浆的早期弹性模量低于后加乳化沥青CA砂浆的早期弹性模量，而两种加料顺序的后期弹性模量基本相同；CA砂浆的流动度随着乳化沥青含量的增大而增大，而可工作时间随着乳化沥青含量的增大而减小；随着砂浆中水含量增加，可工作时间和空气含量增加，而流动度和单位体积质量减小。
中图分类号： 文献标志码：A
文章编号：0367-6358(2012)01-0001-04
无碴轨道具有结构整体性与稳定性好以及修复量少的优点，是铁路高速化的发展方向。水泥沥青砂浆(cement asphalt mortar，简称CA砂浆)是由水泥、沥青乳液、砂和多种外加剂组成，经水泥与沥青共同作用胶结硬化而成的一种新型有机无机复合材料，在板式无碴轨道结构中位于轨道和混凝土底座之间，起着减振、调整轨道几何状态的关键作用。CA砂浆作为预制轨道板与现场灌注的混凝土底座间的调整层材料，除具有一定的强度、适宜的弹性、良好的稳定性和耐久性外，还必须具备如下性能：1)为完全填充轨道板与混凝土底座之间的间隙，要求CA砂浆具备适当的流动性。2)由于流动性受气温、配合比及搅拌设备与工艺的影响，故CA砂浆必须在现场进行配合、搅拌和浇注等作业，为满足施工需要，要求CA砂浆具备足够的工作时限。3)初步固化后的CA砂浆应有一定程度的膨胀，以完全充满所处的空间，同时提供一定的预应力，防止支承螺栓卸下后轨枕板的下沉。CA砂浆还应具有较好的施工环境适应性，以满足在不同季节气候环境下施工的要求。铁道部规定的CA砂浆主要性能指标如表1。
由于阳离子乳化沥青与集料强烈的亲和性、吸附性，增加了沥青与集料的粘附性。所以目前大多数研究者对阳离子CA砂浆进行了研究，取得了一些成果。而对阴离子CA砂浆的研究很少。且阴离子乳化剂在沥青乳化时能使沥青微珠界面膜表面形成牢固的水合层，对于沥青的乳化及乳液的稳定是十分有利，应用于CA砂浆制备时能够增加拌和物的可工作时间。因此，本文制备了阴离子CA砂浆并研究了其弹性模量、流动度和可工作时间等性能。
1 材料和方法
1.1药品及仪器
阴离子乳化沥青(自制)；普通硅酸盐水泥；砂(60目)；铝粉(LR)。DF-Ⅱ型集热式磁力加热搅拌器(江苏金坛荣华仪器制造有限公司)；DT-16W动弹仪(天津港源试验仪器厂)；CA砂浆J形漏斗(70 X420X 10 mm，沧州翼路试验仪器有限公司)。
1.2试验方法
1.2.1CA砂浆的制备
两种沥青乳液加料顺序具体操作分别为：一种是先将乳化沥青和外加水加入到搅拌锅中，再加砂、铝粉和水泥(简称先加乳化沥青)，另一种是先将砂、铝粉、水泥、外加水加入到搅拌锅中，最后加入乳化沥青(简称后加乳化沥青)。
1.2.2CA砂浆弹性模量的测定
将制成的两种CA砂浆分别注入(50mmX 50ram)试模，刮平。一天后脱模。用DT-16W型动弹仪洲定它们在3、5、7、10 d时的弹性模量。其测试条件是加载频率为50 Hz，温度为25℃。
1.2.3CA砂浆流动度的测定
流动度是指将搅拌好的砂浆注入特制漏斗(上口直径70mm，下口直径10mm，高度420mm)至规定容积，砂浆从漏斗全部流出所经历的时间。
1.2.4CA砂浆可工作时间的测量
按照测流动度的方法组装装置。在流动度允许的范围内，测砂浆流下所需要时问，每隔10min测量一次，流下时间接近24s时，隔5 min测一次。重复测量3次，求平均值。
1.2.5CA砂浆的空气含量
称量砂浆所用原材料的量，按相对密度计算出砂浆理论单位容积的质量(m1)；将做流动度试验的CA砂浆搅拌30min后倒入三角烧瓶(约500mL)测其单位容积质量(m2)。用下式计算空气含量
X(％)=(m1-m2)／m1×100％
2 结果与讨论
2.1乳化沥青加料顺序对CA砂浆弹性模量的影响
弹性模量是工程材料重要的性能参数，从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度；从微观角度来说，则是原子、离子或分子之间键合强度的反映。凡影响键合强度的因素均能影响材料的弹性模量，如键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度等。CA砂浆的弹性模量与强度存在一定的对应关系。一般地，压缩强度高，相应地弹性模量大。
弹性模量随乳化沥青不同的加料顺序变化规律见图1。从图1可见，先加沥青乳液CA砂浆的早期弹性模量低于后加沥青乳液CA砂浆的早期弹性模量，而两种加料顺序的后期弹性模量(7d和10d弹性模量)基本相同。先加乳化沥青CA砂浆的3d弹性模量为0.01 GP，其3d和5d弹性模量分别比后加乳化沥青CA砂浆低50％和14.3％，而其7d和10d弹性模量与后加沥青乳液CA砂浆基本相同。分析其原因可能为：CA砂浆的早期强度主要来源于水泥的早期水化和沥青乳液的早期破乳胶结，且水泥的水化能够促进沥青乳液的破乳胶结，而专用沥青乳液组成复杂，其中包含影响水泥水化速率的有机化合物和较强吸附能力的阴离子乳化剂，若这些有机化合物在减水剂分子之前与水泥颗粒相互作用，则会延缓水泥的早期水化，而水泥水化速度的延缓就会进一步影响沥青乳液的破乳胶结。因此乳化沥青的不同加入顺序会影响CA砂浆中水泥的早期弹性模量。
2.2乳化沥青含量对CA砂浆流动度和可工作时间的影响
流动性随温度、外加剂、主要原料的配合比、水灰比的变化而不同。适当的流动度对砂浆的性能与灌注质量非常重要，流动度过小砂浆材料会出现离析，影响强度和耐久性；而流动度过大，砂浆粘稠，就难以将轨道板与基础层间的间隙填充密室，直接影响灌注质量。可工作时间与流动度是保证板式轨道CA砂浆现场灌注质量的重要指标。乳化沥青含量对CA砂浆的流动度和可工作时间影响如图2。从图2可见，乳化沥青含量在30.4％到35.8％的范围内，其流动度和可工作时间均符合要求；流动度随着乳化沥青含量的增大而增大，而可工作时间随着乳化沥青含量的增大而减小；阴离子乳化沥青的可：亡作时间普遍比较长。
CA砂浆的流动性和可工作时间取决于两大活性组成，即水泥、乳化沥青相互作用。乳化沥青是由水、沥青和乳化剂三者构成的，在其未破前，乳化剂总是如扁担般，一头挑水，一头挑沥青，不会分开。当乳化沥青和水泥相遇时，水泥表面遇到的最先是水，就会发生水化。水泥水化需要消耗水分，同时释放出大量的带电离子(Ca2+，OH-)迅速的排列在水泥表
面，形成单分子层。随着亲水端的水滴可能被水泥表面吸附或吸收，水泥表面形成正、负电荷区会压缩乳化沥青固一液两相的双电层厚度，从而促进乳化沥青破乳。乳化沥青破乳会释放出水分，满足水泥水化所需，同时破乳后的沥青颗粒会吸附在带电水泥及其水化产物表面，又会阻碍水泥的水化，因此水泥的水化和沥青的破乳两个过程相互促进，相互制约。并贯穿在CA砂浆的整个胶结硬化的过程中，共同影响着CA砂浆的流动度和可工作时间。另外，在胶结硬化的过程中由于水分的大量蒸发，也会引起CA砂浆流动度的损失。
2.3不同水用量对流动度和可工作时间的影响
不同水用量下CA砂浆的流动度和可工作时间如图3。从图中可见，不同水用量砂浆的流动度都较大，可工作时间也较长，这与阴离子乳化沥青有很大的关系。阴离子乳化剂亲水基中的氧原子、碳原子和硫原子与集料表面的亲和性、吸附性远不能和阳离子乳化剂亲水基中的氮原子相比，又因为阴离子乳化剂亲水基上较多的氧原子与水分子中的氢原子形成氢键，较牢固，在沥青成膜过程中，水分不易挥发或不易挤出，使得阴离子乳化沥青的破乳时间长，应用于CA砂浆中，增大了流动度，所以改变水的用量，流动度有较大变化：用水量仅减少0.01的比例，流动度就增加1s左右。同时，阴离子乳化沥青表面带负电荷，与大多数集料表面电荷相同，产生排斥，使沥青与集料难靠近。作为洗涤剂，阴离子表面活性剂能使污垢溶解，分散，乳化，使之从污垢载体表面脱离，作为乳化剂，阴离子表面活性剂的这种性能，有利于沥青的乳化和稳定，故应用于CA砂浆制备中，可增加CA砂浆的可工作时间，用水量仅减少0.01的比例，可工作时间减少20～30 min左右，可工作时间从100min减到80min再减到50min。
2.4不同水用量对单位容积质量和空气含量的影响
CA砂浆单位容积质量必须大于1.3 kg／cm3，才能保证CA砂浆的耐用性、抗压强度等性能，同时在CA砂浆的配制过程中导入适量的微小气泡，可提高在寒冷、积雪地区CA砂浆的抗冻性，空气含量达9％～12％时最佳，但若超过16％，砂浆层的密实度降低，影响抗压强度。不同水用量下单位容积质量和空气含量的如图4所示。
从图4可见，不同含水量的CA砂浆的单位体积质量都大于1.3 kg／cm3，符合铁道部CA砂浆的要求；空气含量也超过8％而低于12％。当砂浆各主要成分一定，稍稍改变水的用量，砂浆单位体积质量和空气含量都有变化，减少水的用量，单位体积内含水量减小，而水泥、砂的单位体积内质量增大，乳化沥青几乎不变，故CA砂浆单位体积的质量增大。向砂浆中导入空气的量，与搅拌速度大小和搅拌时间长短有关，一般而言，搅拌越快或者搅拌时间越长，导入空气量就越多：反之，越少。
3 结论
本文制备了阴离子乳化沥青CA砂浆，并研究了CA砂浆的弹性模量、流动度、可工作时间等性能，得出结论如下：
(1)先加乳化沥青时CA砂浆的早期弹性模量低于后加乳化沥青CA砂浆的早期弹性模量，而两种加料顺序的后期弹性模量基本相同；
(2)CA砂浆的流动度随着乳化沥青含量的增大而增大，而可工作时间随着乳化沥青含量的增大而减小；
(3)随着砂浆中水含量增加，可工作时间和空气含量增加，而流动度和单位体积质量减小；
(4)以上测定的阴离子乳化沥青CA砂浆的性能均符合板式无碴轨道的要求。