道路施工論文發(fā)表水泥乳化瀝青砂漿方法

　　摘要：隨著列車反復荷載和氣候環(huán)境的作用，無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿墊層將出現(xiàn)破碎、開裂等損壞現(xiàn)象，配制一種用于快速維修的水泥乳化瀝青砂漿將會成為亟待解決的問題。本文結(jié)合“CRTSⅡ型無砟軌道維修用水泥乳化瀝青砂漿”課題的研究成果，總結(jié)配制維修用水泥乳化瀝青砂漿的研究思路和方法。

　　關鍵詞：維修用,乳化瀝青砂漿,研究方法

　　為了適應高速鐵路建設的快速發(fā)展，無砟軌道技術研發(fā)與應用突飛猛進。國內(nèi)在引進、消化、吸收的基礎上經(jīng)過再創(chuàng)新，研發(fā)出多種無砟軌道類型。其中CRTSⅡ型板式無砟軌道在京津城際、京滬高鐵、滬昆高鐵、寧杭客專、津秦客專等新建鐵路中得到了廣泛應用。水泥乳化瀝青砂漿作為無砟軌道板和底座板之間的填充層，主要起填充、支撐、承力和傳力作用，并可為軌道板提供適當?shù)膭偠群蛷楉g性。

　　水泥乳化瀝青砂漿墊層在列車反復荷載和氣候環(huán)境作用下，將出現(xiàn)破碎、開裂等損壞現(xiàn)象，隨著水的滲入，砂漿墊層破壞由外及內(nèi)繼續(xù)發(fā)展，嚴重者甚至影響行車安全，砂漿墊層的維修將成為迫切需要解決的問題。

　　一、研究目的和預想指標

　　配制CRTSⅡ型無砟軌道維修用水泥乳化瀝青砂漿，首先要明確維修用砂漿的特點和要求。根據(jù)維修施工的經(jīng)驗，既有線施工最突出的特點就是時間要求苛刻。要在天窗期快速完成砂漿墊層維修并能使砂漿性能盡快達到通車要求，及早恢復線路運營。因此暫擬定12小時作為水泥乳化瀝青砂漿從拌和完成到達到技術條件各項指標的時間標準，并且保證維修用水泥乳化瀝青砂漿的拌和物性能滿足施工、運輸、澆筑等各個環(huán)節(jié)的工藝需要。

　　按照以上要求提出CRTSⅡ型無砟軌道維修用水泥乳化瀝青砂漿預想目標如下：

　　⑴工作性能指標：水泥乳化瀝青砂漿初凝時間≥60min，初凝前擴展度、流動度以及其他工作性能指標滿足現(xiàn)行規(guī)范標準和施工工藝的要求;

　?、茝姸戎笜耍核嗳榛癁r青砂漿12小時強度達到規(guī)范規(guī)定的28天合格強度指標;

　?、悄途眯灾笜耍核嗳榛癁r青砂漿耐久性滿足現(xiàn)行規(guī)范的技術要求。

　　二、研究思路

　　水泥乳化瀝青砂漿是由乳化瀝青、水泥、細骨料、水和外加劑等材料經(jīng)特定工藝攪拌制得的具有特定性能的砂漿，其組成成分是與其功能相適應的。

　　根據(jù)京津城際和京滬高鐵現(xiàn)場施工用的CRTSⅡ型無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿性能指標統(tǒng)計，砂漿初凝時間約6～8小時，一天抗壓強度2～3MPa，這與預想指標的要求相差甚遠。所以如何加快水泥乳化瀝青砂漿初凝和提高砂漿早期強度是該研究的關鍵。本研究將圍繞著如何加快水泥乳化瀝青的凝結(jié)時間，提高12小時砂漿強度，同時兼顧砂漿工作性能和耐久性能展開。

　　三、水泥乳化瀝青砂漿的性能機理

　　乳化瀝青、水泥、細骨料、水和外加劑等主要成分在水泥乳化瀝青砂漿中起著不同的作用，其性能機理的形成過程如下：

　　水泥乳化瀝青砂漿各組分按一定的加料順序和攪拌時間拌和均勻后，水泥顆粒接觸水后開始水化反應，不斷消耗水分，形成水化硅酸鈣(C-S-H凝膠)和氫氧化鈣等水化產(chǎn)物。隨著水分不斷減少，固體產(chǎn)物不斷增加，水泥乳化瀝青砂漿開始變稠凝固。在這個反應過程的同時，隨著乳化瀝青中的水被消耗，瀝青顆粒破乳，顆粒膠體開始相互聚集，包裹著水泥水化產(chǎn)物聚集在細骨料周圍，形成瀝青膜，這種膜相互靠近粘結(jié)，最后與水泥水化產(chǎn)物形成復雜的三相體網(wǎng)絡結(jié)構。水泥水化過程和乳化瀝青破乳凝固過程雖然同時發(fā)生，互相影響、互相制約，但兩個過程之間沒有生成新的產(chǎn)物，也就是沒有發(fā)生化學反應，因此水泥和乳化瀝青在砂漿凝固過程中共同充當膠凝材料，并且各成體系，共同組成了水泥乳化瀝青的結(jié)構體系。水泥乳化瀝青砂漿呈現(xiàn)的性能特點，也是這兩種體系的共同作用下的結(jié)果。

　　根據(jù)大量研究表明，水泥乳化瀝青砂漿中的水泥膠凝材料體系的強度指標遠遠高于乳化瀝青膠凝體系，水泥膠凝體系為水泥乳化瀝青砂漿提供主要強度、剛度和脆性，而且水泥水化過程促進乳化瀝青的破乳凝固，水泥也是影響砂漿拌和物凝結(jié)時間的主要因素。

　　乳化瀝青膠凝體系對水泥乳化瀝青砂漿的作用是增加砂漿的韌性，改善砂漿的彈性。在其他條件不變的前提下，乳化瀝青摻量的增加將引起砂漿的強度指標降低，彈性模量變小，彈韌性增加。又由于乳化瀝青顆粒破乳凝固后，瀝青的高分子鏈等成分填充到砂漿孔隙中，阻斷了內(nèi)部孔隙之間的貫通，防止外界的水分進入，乳化瀝青對提高砂漿的抗凍性有一定的作用。

　　砂在乳化瀝青破乳過程中受瀝青形成的彈性膜包裹，這種彈性膜在傳遞內(nèi)部壓力時，能夠使壓力均勻地傳往其他砂粒。砂作為水泥乳化瀝青砂漿的骨料，在使用過程中承擔絕大部分荷載。砂的用量是水泥乳化瀝青強度形成的基礎，提高砂用量能夠提高乳化瀝青砂漿的強度，但也增大水泥和瀝青的使用量，使砂漿拌和物流動度降低。

　　水灰比是水泥膠凝體系強度的重要指標，在水泥用量不變的情況下，增大用水量會使砂漿強度降低，但能提高砂漿拌和物的流動性。

　　外加劑對水泥乳化瀝青砂漿的影響主要根據(jù)外加劑的不同種類表現(xiàn)在如減水能力、早強能力上。在不影響砂漿拌和物流動性等工作指標的前提下，使用高效減水劑，降低水膠比是提高砂漿強度的重要途徑。

　　綜合以上分析，水泥乳化瀝青砂漿中水泥和瀝青共同充當膠凝材料并且各成體系，但瀝青體系的強度遠遠低于水泥體系即水泥水化產(chǎn)物的強度。而且由于水泥水化反應消耗大量水，加快乳化瀝青破乳凝固，水泥也是影響砂漿凝結(jié)時間的主要因素。因此，提高水泥乳化瀝青砂漿早期強度和加快凝結(jié)時間的主要途徑是提高水泥膠凝體系的強度，加快水泥水化反應速度，促進乳化瀝青破乳凝固，使水泥乳化瀝青砂漿的凝結(jié)時間縮短。

　　四、選擇研究突破方向

　　結(jié)合上面對水泥乳化瀝青砂漿性能機理的研究，以及各種原材料對砂漿性能的影響，針對提出維修用砂漿的預想目標，提高水泥膠凝材料體系強度為突破口，選擇研究方向如下：

　　1、以早期強度高、凝結(jié)時間短為目的進行砂漿基準配合比設計優(yōu)化，確定各主要材料成分的用量范圍。

　　2、選用早期強度高的水泥基材配制單一型或復合型膠凝材料體系，提高水泥乳化瀝青砂漿的早期強度，加快砂漿凝結(jié)速度。

　　3、采用配制早強型減水劑等措施進一步提高砂漿的早期強度。

　　五、研究方法

　　根據(jù)上面的三個研究方向，逐個選擇適宜的研究方法開展試驗研究工作。

　　1、確定各主要材料成分的用量范圍。

　　在基準配合比初步設計的基礎上，研究水泥、乳化瀝青、砂、水四個主要原材料的用量對砂漿流動度、初凝時間、1天抗折強度、1天抗壓強度等四個性能指標的影響，進行基準配合比優(yōu)化設計，來確定四個主要原材料用量范圍。研究采用砂漿拌合檢驗相關指標的形式，優(yōu)化過程采用試驗正交設計的研究方法進行。

　　試驗正交設計(Orthogonal experimental design) 是研究多因素多水平的又一種設計方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點，是是一種高效率、快速、經(jīng)濟的試驗設計方法。

　　參照現(xiàn)有水泥乳化瀝青砂漿配合比，按照一定的變化范圍取值，制定四種主要成分的單位體積用量范圍，單位體積原材料用量范圍如表1：

　　按照水泥、水5kg，砂、瀝青10kg間隔進行搭配試驗，則包括4個因素(水泥、乳化瀝青、砂、水)，每個因素又有9種不同水平，全部試驗共有94=6561種搭配。采用正交設計對試驗進行優(yōu)化后，需做試驗次數(shù)為81次，決定水泥乳化瀝青砂漿的4種原材料(即4種因素)中，每個水平出現(xiàn)9次，具有均衡分散性。(篇幅所限，正交試驗表81種搭配不能一一列出)。

　　通過對81組正交試驗數(shù)據(jù)進行繪圖分析，得到以下四組結(jié)論：

　　(1)、水泥用量與砂漿強度關系表明，當水泥用量范圍在545kg～565kg時水泥乳化瀝青砂漿的1d抗壓強度較高。

　　(2)、乳化瀝青用量與砂漿流動度關系表明當乳化瀝青含量為200kg～280kg時，砂漿的流動度接近或達到標準要求值;又根據(jù)乳化瀝青用量與砂漿強度關系圖表明，隨著乳化瀝青含量的增加，砂漿的1d抗壓強度逐漸降低，但影響作用小于水泥用量對強度的影響，因此乳化瀝青的最佳用量為200kg～230kg。

　　(3)、綜合考慮用水量與流動度、初凝時間關系以及水灰比和強度的關系，剔除乳化瀝青所含水量(按乳化瀝青質(zhì)量的40%)，確定所加拌和用水量的最佳范圍為140kg～145kg。

　　(4)、砂用量

　　按照拌和物的單位容積質(zhì)量范圍為1750kg/m3～1900kg/m3合理范圍，上述步驟確定水泥、水、乳化瀝青的用量后，用單位容積質(zhì)量范圍可確定砂的最佳用量范圍為870kg～900kg。

　　另外，外加劑采用醚類聚羧酸高效減水劑，以拌合物工作狀態(tài)為檢驗標準定為每方用量定為6.0～6.5%(水泥摻量的百分比)。

　　2、選用早期強度高的水泥基材配制單一型或復合型膠凝材料體系。

　　首先要確定水泥種類的選擇范圍，綜合考慮水泥材料的性能、通用性、生產(chǎn)規(guī)模、經(jīng)濟成本等因素選擇硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、快硬硫鋁酸鹽水泥等種類的7個水泥基材料對比水泥的1天抗壓強度、抗折強度指標和初凝時間，選擇鋁酸鹽水泥和快硬硫鋁酸鹽水泥作為主要材料，其他材料作為輔助材料備用。再選擇與砂漿拌合性能關系最直接的“擴展度”、“流動度”和12小時強度進行試驗，得出鋁酸鹽水泥適應性差，砂漿長時間不凝固;而快硬硫鋁酸鹽水泥工作性指標也不能完全達到預想指標要求，因此考慮配制復合型膠凝材料體系。

　　結(jié)合高性能水泥制備相關理論，以“硅酸鹽熟料-硫鋁酸鹽熟料復合熟料”水泥體系為基礎，將硫鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥按照一定比例摻配，通過不同比例的摻配試驗，得到以硫鋁酸鹽水泥為主的，與普通硅酸鹽水泥等材料組成的復合型膠凝材料體系，在水泥乳化瀝青砂漿強度指標和初凝時間等指標上都比單一品種水泥更具有優(yōu)勢。

　　3、采用配制早強型減水劑等方式進一步提高砂漿的早期強度。

　　外加劑選用的是目前鐵路工程建設中應用最廣的聚羧酸系減水劑。聚羧酸系減水劑摻入水泥拌合物中, 能夠破壞水泥顆粒的絮凝結(jié)構, 起到分散水泥顆粒及水泥水化顆粒的作用, 從而釋放絮凝結(jié)構中的自由水, 增大拌合物的流動性，達到高效減水的作用。

　　常用的早強劑分為無機物類、有機胺類和復合早強劑三類，在聚羧酸系減水劑中復合添加早強劑比單組分早強劑具有更優(yōu)良的早強效果。根據(jù)預想指標的要求，選用無機類早強劑：氯化鈉、氯化鈣、硫酸鈣，有機胺類的三乙醇胺、三聚氰胺五種與聚羧酸減水劑進行復配。根據(jù)效果再進行組合摻配，最終確定三種早強劑與聚羧酸減水劑組成的復合型外加劑能夠使得水泥乳化瀝青砂漿性能指標達到了預想指標。

　　六、研究成果和檢測報告

　　通過微調(diào)油灰比(乳化瀝青和水泥膠材的比例)，對強度指標和工作性指標進一步優(yōu)化，最終得到CRTSⅡ型無砟軌道維修用水泥乳化瀝青砂漿配合比如下：

　　名稱復合型

　　水泥kg砂kg乳化瀝青kg水kg復合型外加劑%(水泥摻量的百分比)

　　用量范圍555～565870～900200～215140～1456.0～6.5

　　該配合比砂漿按照《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號進行12大項指標進行檢測，所有指標滿足規(guī)范要求。并且12小時指標均達到28天合格標準。通過溫度適應性試驗，確認該配合比環(huán)境溫度適用范圍在15～35℃內(nèi)。

　　七、結(jié)束語

　　“CRTSⅡ型無砟軌道維修用水泥乳化瀝青砂漿”研究課題獲得了中國中鐵股份公司的科技進步三等獎，該配合比也申請了國家發(fā)明專利。理清該研究的思路和方法，尤其作為將統(tǒng)計學知識、化學知識、圖形分析等與試驗科學有效結(jié)合的例子，希望能為廣大工程技術人員在科學研究中開拓思路提供借鑒。

　　參考文獻：

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　　[5] 夏壽榮編著.混凝土外加劑配方手冊.北京：化學工業(yè)出版社，2010

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