CA砂浆抗冻性能的影响因素研究_胡曙光

武 汉 理 工 大 学 学 报

JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

Vol.30 No.8 Aug.2008

CA砂浆抗冻性能的影响因素研究

121133

胡曙光,王 涛,王发洲,刘志超,高 涛,陈 亮

(1.武汉理工大学硅酸盐工程教育部重点实验室,武汉430070;2.武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉430070;

3.湖北国创高新材料股份有限公司,武汉430074)

摘 要: 为提高CA砂浆的抗冻性能,研究了各组成材料对其抗冻性的影响。结果表明,沥青相对含量越高,抗冻性能越好,沥青乳液与水泥相对质量比(A/C值)从1.4增至1.7时,350次冻融循环相对弹性模量分别降至75%和92%;随着冻融循环次数的增加,CA砂浆质量呈增加趋势,沥青相对含量越高,冻融循环后质量增加率越小;但采用硫铝酸盐水泥(SAC)代替普硅水泥(C)制备的CA砂浆抗冻性较差,350次冻融循环剩余相对弹性模量45%)55%;相对于基准CA砂浆的抗冻性能,加入橡胶粉(CRB)、聚合物胶粉(P3)、有机纤维(FR)和硅灰(SF)能提高CA砂浆的抗冻性能,提高幅度以CRB最大,FR次之,P3更次之,SF最小。

关键词: 板式无碴轨道; 水泥; 沥青; CA砂浆; 抗冻性中图分类号: TU528

文献标识码: A

文章编号:1671-4431(2008)08-0030-04

InfluenceFactorsonFreezingandThawingDurabilityof

CementAsphaltMortar

HUShu-guang1,WANGTao2,WANGFa-zhou1,LIUZhi-chao1,GAOTao3,CHENLiang3

(1.KeyLaboratoryforSilicateMaterialsScienceandEngineeringofMinistryofEducation,

WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China;2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,

WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China;

3.HubeiGuochuangHighTechnologyMaterialINC,Wuhan430074,China)

Abstract: Inthispaper,freezingandthawingresistanceofCAmortarwasinvestigatedandsomeinfluentialfactorssuchas

asphaltemulsionandcementratio(A/C),cementtypes,variousadditiveswerealsoexplored.ResultsindicatedthatmixtureswithahigherA/Cperformedbetterintermsofhigherrelativeelasticmoduli(REM).After350cyclesoffreezingandthaw-ing,REMdecreasedto75%and92%respectivelyformixturesof1.4-A/Cand1.6-A/C.Againofmasswasobservedforev-erymixtureafterthetest.MixturesproportionedbypartiallyreplacingordinaryPortlandcement(C)withsulfoalumninatece-&

ment(SAC)underperformedinfreezingandthawingproperty,withaREMof40%)50%after350cycles.Additionof

crumbrubberpowder(CRB),redispersiblepowder(P3),organicfiber(FR)andsilicafume(SF)improvedtheresistanceofCAmortartofreezingandthawingandtheeffectwasinadescendingorder.

Keywords: slabtrack; cement; asphalt; CAmortar; freezingandthawingresistance

板式轨道是当前国际上高速铁路广泛采用的一种先进轨道结构。水泥沥青砂浆(cementasphaltmor-tar,简称CA砂浆或CAM)是由水泥、沥青乳液、砂和多种外加剂组成,经水泥水化硬化与沥青的胶结共同作用而形成的一种新型有机无机复合材料,它是板式轨道几何状态调整、弹性减振的关键材料与结构,在高速铁路、轻轨等工程中具有广泛的应用前景[1-6]。

收稿日期:2008-03-28.

基金项目:国家自然科学基金(50602033),湖北省自然科学基金(2006ABA320)和武汉市科技攻关项目(200710321093).作者简介:胡曙光(1957-),男,教授,博导.E-mail:fzhwang@whut.edu.cn第30卷 第8期 胡曙光,等:CA砂浆抗冻性能的影响因素研究

31

-6]

CA砂浆处于轨道板与混凝土道床之间约0.05m@2.8m@5.0m大小的扁平状空间[4,在此空间内

CA砂浆内部的水分很难排出,为保证砂浆具有适当的流动性以利于施工,CA砂浆的绝对用水量(沥青乳液中的水分和外加水)远高于水泥水化用水,绝对水灰比一般在0.75以上,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,在负温时结冰发生体积膨胀并产生冰晶压力,使CA砂浆遭受冻胀破坏。

CA砂浆的受冻一般分为2个阶段:在拌和早期,由于水泥水化和沥青胶结作用,砂浆产生体积收缩,在低温时其中的水分结冰产生体积膨胀与冰晶压力,因初期砂浆强度较低,较为容易遭受冻胀破坏。对于CA砂浆早期冻胀破坏,采取加强早期养护或使用早强水泥一般均可以避免。在硬化后期,由于沥青属于温度敏感性材料,随着温度降低产生体积收缩,而砂浆中的游离水受冻产生膨胀与冰晶压力,进而导致砂浆结构遭受破坏。CA砂浆的抗冻性主要是后期的抗冻性,它主要取决于结构体系中的自由水含量与孔隙结构特征,而沥青乳液与水泥相对质量比、水泥种类和用量、外掺料种类和掺量等因素决定砂浆结构与性能。

针对上述CA砂浆应用于正负温交替的环境中时存在潜在冻融破坏危险的问题。该文从材料组成角度出发,研究了A/C值、水泥种类和用量、外掺料种类和掺量等因素对CA砂浆抗冻性的影响规律,研究结果可对CA砂浆的研究与制备提供参考。

1 实 验

1)水泥(C):亚东P.O42.5(C)和湖北安陆凤凰硫铝酸盐水泥(SAC),性能指标见表1。2)沥青乳液(A):CA砂浆专用慢裂快凝型SBS改性阳离子沥青乳液,主要性能指标见表2。3)细集料(S):河砂细度模数为1.2)1.9,密度为23kg/m3。4)减水剂(RWA):聚羧酸系PC-100,减水率30%。5)

硅灰(SF):比表面积为:20)28m/g。6)橡胶粉(CRB):粒度80目。7)聚合物胶粉(P3):主要成分为聚乙烯醋酸酯。8)纤维(FR):聚酯纤维,长度(6?1)mm。9)铝粉:鳞片状,细度\\200目;10)膨胀剂:UEA型膨胀剂;11)消泡剂:磷酸酯类。

按照GBJ82)855普通混凝土长期性能和耐久性试验方法6中抗冻性能试验的/快冻法0,对经受50次、100次、150次、200次、250次、300次和350次冻融循环的CA砂浆进行性能试验,试块尺寸100mm@100mm@400mm棱柱体试块、试验设备为TDR-1砼快速冻融试验机和DT-10W动弹仪。

表3 CA砂浆冻融试验配比

序号D1D2

D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14

A/C1.41.51.61.71.61.4

C/g30030030030000300300300300273255300300

A/g420450480510480420480480480480480480480480

S/g600600600600600600600600600600600600600600

W/g8472604860606060606060606060

300300

918

1.53

2745

2448

SAC/g

P3/g

FR/g

SF/g

CRB/g

2

表1 水泥的物理性质

水泥SACC

表观密度/(g#cm)2.793.08

-3

比表面积/(cm#g)4404.74123.9

2

-1

标准稠度用水量/g125.5140.0

凝结时间/min初凝终凝29131

50170

表2 阳离子沥青乳液的性能

密度/(g#cm-3)存贮稳定性(5d)/%固含量/%筛上剩余量/%

1.02

2.2

60

0.23

离子电荷

+

32 武 汉 理 工 大 学 学 报 2008年8月

基准配合比为CBABSBW=300B480B600B60,PC100掺量1.0%,消泡剂掺量1%,铝粉掺量为0.19j,膨胀剂等量取代掺量为15%。保证初始流动度符合16)26s的要求;A/C值、水泥种类和用量、各种外掺料(SF、CRB、P3、FR)对CA砂浆抗冻性影响的配合比见表3。

2 结果与分析

2.1 不同水泥品种和A/C值对CA砂浆抗冻性的影响

试块经过50次、100次、150次、200次、250次、300次和350次冻融循环作用后,各种配合比CA砂浆重量与弹性模量相对于初始值的变化率见图1)图4。

从图1可以看出,随着A/C值从1.4增至1.7时,CA砂浆250次、300次和350次冻融循环后剩余相对弹性模量依次增大,最后为75%)92%,即沥青相对含量越高,冻融循环后剩余相对弹性模量越大,A/C值为1.6)1.7时,其350次冻融循环剩余相对弹性模量均大于85%,而采用早强硫铝酸盐水泥(SAC)代替普通硅酸盐水泥(C)制备CA砂浆时,其抗冻性能降低,A/SAC值为1.6)1.4时,300次冻融循环相对弹性模量60%)70%,而350次冻融循环相对弹性模量45%)55%。

图2表明,随着冻融循环次数的增加,CA砂浆质量呈增加趋势,而其质量增加率随A/C值的增加而降低,即沥青相对含量越高,冻融循环后质量增加率越小;而采用早强硫铝酸盐水泥(SAC)代替普通硅酸盐水泥(C)制备CA砂浆时,其质量在200次冻融循环后明显损失,在300次时损失达7%以上,A/SAC值为1.4)1.6时,300次冻融循环后质量损失为7.0%)8.5%。

随A/C值的增大,CA砂浆抗冻性能增强,其原因在于CA砂浆中沥青组分形成了网络结构,水泥相对用量降低,使得沥青网络结构进一步增强,而沥青是一种粘弹性有机材料,弹性模量远低于水泥组分,在孔隙自由水结冰膨胀时,沥青能够吸收部分膨胀能,而不至于立刻发生冻胀破坏,因此其抗冻性能增强,表现为冻融循环后相对弹性模量下降幅度较小。冻融循环后CA砂浆质量不损失反增加的原因主要在于:CA砂浆表层孔隙中的水分经过冻融循环后,原孔隙冻胀变大,吸收的水分逐渐增多,这些孔隙是由沥青形成的网络结构。在到达冻融循环次数,取出CA砂浆试块进行测试时可以发现,用手指压一下试块表面,就可以有水分排除,放开手指水分又被吸回去,形成了类似/海绵0的网状结构。

SAC水泥制备的CA砂浆抗冻性能远不如普通硅酸盐制备的CA砂浆,分析其原因在于如下3个方面:1)SAC水泥水化产物碱度较低,pH约为10左右,低于普通硅酸盐水泥水化产物的pH值,而沥青呈弱酸性,里面含有大量的酸酐类物质,与碱度高的水泥水化产物具有较好的界面粘结性能,最终提高其抗冻性能;2)第30卷 第8期 胡曙光,等:CA砂浆抗冻性能的影响因素研究

33

SAC水泥需水量较普通硅酸盐水泥小,在绝对水灰比相同的情况下,SAC砂浆硬化体中的自由水分比CA砂浆多,使得SAC砂浆经受的冻胀破坏较大;3)SAC水泥早期强度发展迅速,后期强度基本不增长,此特性决定了在2)3个月的冻融循环测试时间里,其冻融破坏持续产生,并没有水泥石强度的增长而弥补部分破坏,而普通硅酸盐水泥随着龄期的延长,其后期强度会持续增加,在2)3个月的龄期中能够弥补部分冻融破坏。因此,最终表现为SAC水泥制备的CA砂浆抗冻性能远不如普通硅酸盐制备的CA砂浆。2.2 不同外掺料和掺量对CA砂浆抗冻性的影响

从图3可以看出,外掺料对CA砂浆的抗冻性具有影响。相对于基准CA砂浆(D3)不同冻融循环次数时的相对弹性模量,加入CRB、P3和FR能提高CA砂浆冻融循环后的相对弹性模量,在表3的用量范围内,提高幅度以CRB最大,为3%)4%,FR次之,为2%)3%,P3最小,为0.2%)0.8%,而加入SF则降低CA砂浆冻融循环后的相对弹性模量,降低幅度为0.8%)1.8%。

图4表明,相对于基准CA砂浆(D3)不同冻融循环次数时的质量损失,加入CRB、P3、FR和SF能降低CA砂浆冻融循环后的质量增量,在表3的用量范围内,降低幅度以SF最大,为2.4%)2.6%,CRB次之,为0.7%)0.9%,FR更次之,为0.35%)0.6%,P3最小,为0.2%)0.45%,且加入SF使CA砂浆350次冻融循环后的质量损失为0.7%)1.0%,而加入CRB、P3和FR并不改变CA砂浆冻融循环后的质量增加趋势。

分析原因在于CRB、P3和FR3种外加料均是有机材料,其本身具有较好的弹性,在冻胀过程中能吸收部分膨胀能量,提高了CA砂浆的抗冻性;而SF是一种硬质无机材料,其颗粒较细,比表面积较大,可以作填料密实CA砂浆的结构,但它在CA砂浆中大量使用时会降低沥青形成的网络结构,降低CA砂浆的抗冻性,可以预测,SF使用合适掺量可以提高CA砂浆的抗冻性。

3 结 论

a.随着A/C值从1.4增至1.7时,CA砂浆250次、300次和350次冻融循环后剩余相对弹性模量依次增大,即沥青相对含量越高,冻融循环后剩余相对弹性模量越大,A/SAC值为1.6)1.4时,300次冻融循环相对弹性模量60%)70%,而350次冻融循环相对弹性模量45%)55%。

b.随着冻融循环次数的增加,CA砂浆质量呈增加趋势,沥青相对含量越高,冻融循环后质量增加率越小;A/SAC值为1.4)1.6时,300次冻融循环后质量损失为7.0%)8.5%。

c.相对于基准CA砂浆(D3)的抗冻性能,加入CRB、P3和FR能提高CA砂浆的抗冻性能,提高幅度以CRB最大,FR次之,P3更次之,SF最小。

参考文献

[1] 左景奇,姜其斌,傅代正.板式轨道弹性垫层CA砂浆的研究[J].铁道建筑,2005,(9):96-98.

[2] 胡曙光,王 涛,王发洲,等.一种高早强自膨胀CA砂浆材料.中国,ZL200610018439.2[P].2006-08-23.[3] 丁庆军,王发洲,王 涛,等.一种膨胀可控的CA砂浆材料.中国,ZL200610018437.3[P].2006-08-23.

[4] 王发洲,胡曙光,王 涛,等.一种可有效防止CA砂浆分层离析的复合添加剂.中国,ZL200610018440.5[P].2006-08-23.

[5] 傅代正,郑新国,郑新国.桥上板式无碴轨道CA砂浆施工技术[J].铁道建筑技术,2002,(6):28-31.[6] 金守华,陈秀方,杨 军.板式无碴轨道用CA砂浆的关键技术[J].中国铁道科学,2006,(2):20-25.