CRTSⅡ型CA砂浆抗冻性能及微观机理的
研究
崔树国
（唐山市交通运输局，河北唐山063000）
摘要：研究掺加不同减水剂的CRTSⅡ型CA砂浆的抗冻性能，并通过测定CRTSⅡ型CA砂浆孔隙特征参数，探索CRTS
Ⅱ型CA砂浆冻融特性与孔结构的关系。
关键词：CRTSⅡ型CA砂浆；减水剂；抗冻性能；孔结构中图分类号：U416
文献标识码：A
文章编号：1002-4786（2013）01-0054-04
StudyonFrostResistanceandMicroscopicMechanismof
CRTSⅡCAMortar
CUIShu-guo
(TangshanCityTransportationBureau,Tangshan063000,China)
Abstract:ThispaperresearchesfrostresistanceperformanceofCRTSⅡCAmortarwithaddingdifferentwa-terreducingagent.ThroughmeasuringporositycharacteristicparametersoftheCRTSⅡCAmortar,thepaperex-plorestherelationshipbetweenfreeze-thawcharacteristicsandporestructureoftheCRTSⅡCAmortar.
Keywords：CRTSⅡCAmortar;waterreducingagent;frostresistanceperformance;porestructure
无碴轨道结构因其良好的稳定性和整体性、维修量少的优势，被广泛应用于高速铁路建设。CA砂浆（cementasphaltmortar简称“CA砂浆”）是板式无碴轨道的关键组成部分，主要起到减缓轨道震动和保证轨道平稳的作用。CA砂浆主要由水泥、乳化沥青、砂和各种外加剂组成，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[1，2]。
关。含气量、比表面积和气泡间隔系数是CA砂浆气泡结构的主要参数，气泡间隔系数能综合反应其气泡结构性质，是最重要要的参数。CA砂浆配制过程中，材料组成的变化会显著影响CA砂浆的孔结构，减水剂作为一种重要的外加剂被广泛应用于
CA砂浆的制备，其种类的改变将造成CA砂浆孔结
构特征的改变，从而影响其抗冻性能。CA砂浆主要分为I型CA砂浆和II型CA砂浆，I型砂浆有机物所占比例较高（为30%），组料中水泥与沥青用量相当。其性能特点为组成复杂、环境敏感性高、强度及弹性模量低。Ⅱ型砂浆有机物所占比例较低（小于15%），组成以无机材料为主，性能表现为水泥材料的基本特征，强度及弹性模量高[5，6]。目前国内关于CA砂浆抗冻性能的研究主要集中于Ⅰ型CA砂浆，鲜见于Ⅱ型CA砂浆的研究。基于此，本文对
CA砂浆拌合后，部分水与水泥发生水化反应。
在砂浆凝固并达到一定强度以前，水一直与水泥进行反应，CA砂浆由于水泥的水化、凝结而产生一定收缩。同时CA砂浆的绝对用水量（沥青乳液中的水分和外加水）比水泥水化所需用水量高，造成在水泥水化硬化后期CA砂浆内部仍然存在大量的游离水，当温度低时，游离水结冰导致CA砂浆体积膨胀，产生的冰晶压力使CA砂浆遭受冻胀破坏。冻胀破坏严重影响轨道的运行安全性和CA砂浆的耐久性能[3，4]。
CRTSⅡ型CA砂浆进行了快速冻融试验，并结合对CRTSⅡ型CA砂浆气泡特征参数的测定，综合分析了CRTSⅡ型CA砂浆的抗冻性性能及其与孔结构的
关系。
CA砂浆的抗冻性能与其内部气泡结构密切相
54
交通标准化
HighwayEngineering
道路工程（4）
11.1
试验试验材料
水泥：P.I52.5硅酸盐水泥；沥青乳液：自制
As=100nA平均气泡直径：
慢裂快凝型改性沥青乳液，固含量60%、密度
d=1Σ（2Ni=1
比表面积：
N
姨ai）p
（5）
1.02g/cm3，筛上剩余量0.22%；砂：普通河砂，细度模数1.06；铝粉：细度≥200目，鳞片状；膨胀剂：UEA型膨胀剂；引气剂：主要成分为松香类热
聚物；消泡剂：有机硅类消泡剂；采用了三种液体减水剂，固含量均为30%左右：A为聚羧酸系减水剂，减水率为28%；B为木质素系减水剂，减水率为12%；C为萘系减水剂，减水率为19%。
a=
气泡间距系数：
姨1
6p軍A
（6）
L=paAs
当p<4.33时
As
（7）
1.2试验方法
物理力学性能测试参照客运专线铁路CRTSⅡ，
式中，P为浆体含量，%。
Ⅰ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条
件。
冻融性能测试用CA砂浆试块尺寸为100×100×
L=31.4（P+1）3-1aAs
2
軍軍p<4.33
As
（8）
试验配合比及试验结果
CA砂浆有3组配合比（如表1所示），其中干混料
由水泥、砂、膨胀剂、铝粉、稳定剂等外加剂组成。第1～3组为采用了不同类型的减水剂。
表1
编号
400mm的长方体试块，自然养护90d。利用KDR-V
系列混凝土快速冻融试验机进行快速冻融试验，对经受25次、50次、75次、100次、125次、150次冻融循环的CRTSⅡ型CA砂浆进行冻融性能测试。实验过程中，采用电子秤称量试件质量，利用DT-
CA砂浆配合比
乳化沥青
水
单位：kg/m3
减水剂掺量及类型
干混料
W18型动弹仪测量试件的共振频率及动弹模量。
利用MIC-840-01型硬化混凝土孔隙结构分析
仪测量CRTSⅡ型CA砂浆的孔隙特征，该分析仪为我国首次引进，能够测量CA砂浆内部的气孔特征参数：比表面积、含气量、气泡间隔系数等。
123
154915491549
380380380
106106106
5.2A5.2B5.2C
2.1CA砂浆初始拌合物性能
从表2看出聚羧酸减水剂的减水率最高，其次
CRTSⅡ型CA砂浆试件测试面积为3600mm2，像素删除标准值取10，圆形度值取0.6。CA砂浆气泡特
征参数计算公式如下：
单位面积内的气泡数：
是萘系减水剂，最小的是木质系减水剂，可以看出流动度最好的为1号试样，流出时间最短，而掺加木质素系减水剂的流动性最差。此外，尽管加入了减水剂，但由于各配合比中用水量相同，因此1d抗
n=NS式中，测定面积为S；气泡个数为N。累计气泡面积：
N
（1）
压强度相差不大。含气量略有差别，掺加萘系的最大，而掺加木质素的最小。
表2
编号
拌和温度
CA砂浆初始拌合物性能
初始流动性/s
含气量（%）
1d强度/MPa3.93.63.7
减水剂类型
A=Σai
i=1
（2）
/℃303030
123
8610993
4.54.15.2
ABC
式中，ai为基础数据中第i个气泡的面积，i=1~
N。
平均气泡面积：
2.2
A=AN（3）
冻融试验结果与分析
经过25次、50次、75次、100次、125次和150
次冻融循环后，CRTSⅡ型CA砂浆试块的质量损失率变化如图1所示。
2013年1月第1期
55
含气量：
道路工程10.8
质量损失率（%）HighwayEngineering
聚羧酸萘系木质素系
0.60.40.20
0255075100125150
冻融循环次数/次
图1CA砂浆质量损失率
a）聚羧酸系减水剂
从图1和图2可以看出，当冻融循环次数较低时（75次以内），质量损失和相对动弹性模量变化很小，甚至不发生变化，只有在达到一定循环次数（如100次后），试件内部发生细裂纹后质量损失率增加较快，其质量损失率随着冻融循环次数的增加而显著升高。而且相对动弹性模量发生了明显变化。
65
相对动弹模（%）聚羧酸萘系木质素系
432100
25
b）木质系减水剂
5075100125150
冻融循环次数/次
图2CA砂浆相对动弹性模量
CA砂浆经冻融循环后，掺加木质系减水剂的CA砂浆质量损失率最大，掺加萘系减水剂的次之，
掺加聚羧酸系减水剂的最小。冻融循环过程中，影响CA砂浆质量变化的主要因素是砂浆表层孔隙吸水量和砂浆表层掉渣量的相对变化值。表层孔隙吸水会导致CA砂浆质量增加，表层掉渣会导致CA砂浆质量降低。在本试验条件下的150次冻融循环以内时，表层掉渣量大于表层吸水量，因此CA砂浆质量损失率增加。
随着冻融循环次数的增加，CA砂浆相对动弹模量均呈降低趋势。掺加聚羧酸系减水剂的CA砂浆剩余相对动弹模量最高，其抗冻性能最好。不同种类减水剂由于组成成份不同，其作用效果表现出差异性，因此，对CA砂浆抗冻性能的影响也不相同。
图3
c）萘系减水剂
CA砂浆微观形貌
已有研究表明减水剂类型会对水泥水化产物的微观形貌产生比较显著的影响[7]。从图3可以看出，掺加三种减水剂的CA砂浆的微观形貌差异也较大。其中，掺聚羧酸系减水剂的CA砂浆整体结构比较致密，大孔数量较少，大部分孔均以细小孔的形式出现。而掺加木质系减水剂、萘系减水剂的CA砂浆微观形貌则明显疏松的多，二者表面均可见大量明显孔，并伴随细小裂缝。并且，掺加木质系减水剂的CA砂浆大孔数量显著多于掺加其他两种减水剂的CA砂浆，并且其孔径分布差异较大。加入萘系减水剂的CA砂浆虽然也有大量孔洞，但可看到其孔径大小差异较小，孔洞均匀。正是这种孔隙结
3CA砂浆孔结构测试结果3.1CA砂浆孔结构的微观形貌
采用扫描电镜观测了掺加三种不同类型减水剂的CA砂浆微观形貌，结果如图3所示。
56
交通标准化
HighwayEngineering
道路工程构存在的差异，造成CA砂浆抗冻性能的差别，即：大孔少、孔径分布均匀的孔结构有利于提高CA砂浆的抗冻性。
系减水剂的CA砂浆而言，其拥有相对较多的大孔、更大的平均泡径及气泡间隔系数，这导致了其抗冻性能最低。
3.2CA砂浆孔结构特征参数
掺加三种不同减水剂的CA砂浆气孔特征参数
4结论
综上所述，可得出如下结论：
结果如表3所示。
表3
掺加不同类型减水剂的CA砂浆孔特征参数
聚羧酸系减水剂木质系减水剂
萘系减水剂
气泡特征参数气泡个数/个总气泡面积/mm2平均气泡径/μm气泡间隔系数/μm
a）在150次冻融循环内，CRTSII型CA砂浆的质
量损失率随着冻融次数的增大而增大；相对动弹模量随着冻融次数的增加而降低，但在100次冻融循环以内，并不显著。
18074.028.51407.1
11873.8647.59499.7
13942.9238.65459.9
b）掺加聚羧酸系减水剂和萘系减水剂的CA砂
浆拥有较多的相对微小孔、较小的平均气泡径和较小的气泡间隔系数，即有较均匀的气泡分布，该种气泡结构有利于提高CRTSII型CA砂浆的抗冻性能。
由表3可以得出，在相同的测试面积内，掺加聚羧酸系减水剂的CA砂浆的气泡数目最多，总气泡面积最大，但其平均气泡径和气泡间隔系数却最小；掺加木质系减水剂的CA砂浆的气泡个数最少，但其平均气泡径和气泡间隔系数却最大；加入萘系减水剂的CA砂浆的气泡间隔系数介于上述两者之间。气泡间隔系数是综合反应材料抗冻性能的关键微观结构特征参数，是与CRTSII型CA砂浆抗冻性最为密切的参数。在一定范围内，气泡间隔系数越小，抗冻性越好。图4表示了CRTSII型CA砂浆泡径分布情况。
7006005004003002001000
气泡个数/个木质系减水剂萘系减水剂聚羧酸系减水剂
c）掺加不同种类减水剂对CA砂浆抗冻性能及
孔结构特征有影响，因此，在CRTSII型CA砂浆的配制过程中应考虑减水剂对其性能的影响。参考文献
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0~20
20~3030~4040~5050~7070~9090~110110~140>140
气泡直径/μm
图4CA砂浆气孔孔径分布
图4显示了CA砂浆的气泡径主要集中在0～
90μm的范围内。掺加三种减水剂的CA砂浆气泡径
分布在上述范围之内的气泡数目分别达到总气泡数的93.1%、92.8%和87.3%。与掺加木质系减水剂的CA砂浆相比，掺加聚羧酸系减水剂和萘系减水剂的CA砂浆的气孔直径在0～40μm之间的气泡数相对较多，而气泡径大于90μm的气泡数相对各自气泡总数较少。
综上所述，掺加聚羧酸系减水剂和萘系减水剂的CA砂浆拥有较多的相对微小孔、较小的平均气泡径和较小的气泡间隔系数，即有较均匀的气泡分布。这种气孔分别形式有利于缓冲冻融破坏应力，提高了CA砂浆的抗冻性能；而对于掺加木质
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作者简介：崔树国（1973—），男，高级工程师，本科，一直从事公路桥梁建设、养护工作。收稿日期：2012-11-02
2013年1月第1期57
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