水泥乳化沥青砂浆毛细吸水性研究

第31卷，第6期 2 0 10年11月 中 国 铁 道 科 学 CHINARAIl。WAYSCIENCE V01．31No．6 November，2010 文章编号：iooi一4632(2010)06—0032—06 水泥乳化沥青砂浆毛细吸水性研究 田冬梅，邓德华，黄波，廖乃凤 (中南大学土木建筑学院，湖南长沙410075) 摘要：采用ISAT测定水泥乳化沥青砂浆(简称CA砂浆)的毛细吸水速率，研究固灰比(A／C)、 孔隙率、试件干密度及拌合物含气鼍对CA砂浆毛细吸水性的影响。试验结果表明，CA砂浆的总孔隙牢影响其 强度，而CA砂浆的毛细孔特性才是其毛细吸水性的决定因素；增加固灰比、提高新拌砂浆的含气量、减小砂 浆干密度及降低砂浆的毛细孔隙率均可降低CA砂浆的毛细吸水速率；阳离子乳化沥青砂浆的强度及毛细吸水 速率均高于阴离子乳化沥青砂浆。 关键词：水泥乳化沥青砂浆；毛细吸水性；同厌比；毛细孔隙率；含气量 中图分类号：U214．16；TQl77．63文献标识码：A 板式轨道结构主要由轨道板、水泥乳化沥青砂 浆弹性垫层、混凝土底座、凸形挡台及钢轨扣件等 构成。因此，水泥乳化沥青砂浆(简称CA砂浆) 成为无砟轨道结构的关键材料之一。CA砂浆是由 乳化沥青、水泥、砂、水及各种外加剂配制而成的 多孔材料。对于多孔材料，水在材料中传输，是造 成材料性能劣化的主要原因之一。水渗入CA砂浆 后，其中的有害物质可能会导致砂浆的化学侵蚀； 沥青中低分子量组分可能随着水分的运动而溶出， 引起沥青组分的降解与转化并导致沥青连续硬化或 脆化，使其刚度增加，弹韧性降低，进而导致砂浆 充填层弹性支撑及缓冲协调作用逐渐减弱。在动荷 载的频繁冲击作用下，脆化的砂浆层将开裂。水和 动荷载的耦合作用最终导致砂浆层细微裂缝连通贯 穿，使砂浆整体结构劣化，出现边缘硬碎、开裂与 脱落。在严寒地区此现象尤为严重。因此研究CA 砂浆在水环境中的物理力学性能成为其耐久性中极 其重要内容。 水在物质中通过3种作用进行迁移[2]：扩散作 用、毛细作用及压力作用下的渗透作用。由于CA 砂浆中存在憎水性的沥青组分，水在砂浆中的扩散 过程及渗透过程均非常缓慢。因此水在多孔CA砂 浆材料中主要通过毛细作用迁移。毛细作用符合不 饱和流动理论[1]，很多文献[1。5]均以吸水速率 (sorptivity)为指标表征水在多孔材料中的迁移能 收稿日期：2010-03—11；修订日期：2010-09-11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50878209) 作者简介：田冬梅(1980一)，女，吉林松原人．讲师，博士研究生。 力。故本文采用吸水速率表征CA砂浆的毛细吸水 能力，运用ISAT(initialsurfacaabsorptiontest) 方法‘13测试CA砂浆的毛细吸水速率，研究固灰 比、毛细孔隙率、试件干密度及新拌砂浆含气量等 因素对CA砂浆毛细吸水性的影响。 1试验 试验采用湖南盛林建材科技有限公司生产的水 泥乳化沥青干粉料，其性能见表1。选用3种乳化 沥青，分别为阳离子乳化沥青A1，阳离子乳化沥 青A2，阴离子乳化沥青A3，性能见表2。 表l干粉性能 筛孔尺寸／mm 通过率／％ 龄期／d 测试值／MPa 试验试样的具体配合比见表3。每种CA砂浆 前3组试件的配比及水灰比w／c不变，第4组试 件的水灰比调整到0．75，以满足拌合物工作性能。 本试验主要研究不同固灰比(沥青固含量与水泥质 量比，记为A／C)对砂浆性能的影响。参照文 万方数据 第6期 水泥乳化沥青砂浆毛细吸水性研究 33 献E83和文献E93测试CA砂浆拌合物的性能及 硬化砂浆性能，结果列于表3。采用真空饱水法测 对湿度为90％的环境箱中至恒重时的失水求得， 失水率即为气孔及粗毛细孔孔隙率(孔径大于30 试砂浆的总孔隙率，毛细孔隙率由饱水试件置于相 nm)，总孔隙率与该值之差即为毛细孔隙率‘7|。 表2乳化沥青的性能 试验采用ISAT方法测定CA砂浆的毛细吸水 性。每组2个试件。试件尺寸为+50mmX50mm， 侧面以石蜡密封。吸水面为自然成型面，表面形成 的一层比较致密的沥青膜用砂纸打磨掉。容器中水 面高度不超过吸水面5iYln2。用游标卡尺测量成型 面垂直直径，用于计算吸水面积。试件在不同龄期 吸水体积与吸水面积的比值记为此龄期的吸水深度 h(单位，mm)。试验研究固灰比、试件干密度、 孔隙率及新拌砂浆含气量对毛细吸水速率的影响。 为排除试验温度、试件初始含水量对试验结果的影 响，试验室温度控制在(20±2)℃，试件置于相对 湿度为10％的调温调湿箱中直至恒重。毛细吸水 试验装置如图1所示。 2试验结果与分析 2．1 CA砂浆毛细吸水速率 图2给出了3种沥青的CA砂浆试件不同固灰 比的毛细吸水深度h与吸水时间t(单位：min) 的关系曲线。可见h与t1肥近似成直线关系，即可 表示为 h—A+Stl／2 (1) 图l毛细吸水试验示意图 曲线斜率S即为CA砂浆的毛细吸水速率。图 4给出了根据实验数据确定的CA砂浆试样的毛细 吸水速率以及拟合曲线的相关系数R。 2．2固灰比对CA砂浆毛细吸水性的影响 图3给出了3种CA砂浆毛细吸水速率随固灰 比的变化情况。由图3可见，随着固灰比增加， CA砂浆的毛细吸水速率降低。当水灰比为0．68、 固灰比由0．3增大到0．7时，Al，A2和A3组沥 青砂浆的吸水速率分别降低15．4％，21．6N和 16．7％；当水灰比调整为0．75、固灰比为0．9时， A1组降低了20．5％，A2组降低了27．5％，A3组 降低了40％。主要原因是CA砂浆的毛细吸水速 率与砂浆硬化体微结构和物相组成，尤其是砂浆中 水泥石的相对含量[5]有关。固灰比为0．3时，为高 弹模砂浆体，微结构为沥青与水泥水化产物相互穿 万方数据 中国铁道科学 第31卷 暑 { F／(min’ (a)AIfit溯什砂浆试件 f ：量 g 色 暑 < 瓣 溜 苗 螫 熹 岬 tv2／(min‘!’ (b)A2组沥菏砂浆试1『l ，’2／(rainl’ (c)A3组洳青抄浆试什 图2不同吸水时间的毛细吸水深度 陶灰比 图3不同固灰比CA砂浆的毛细吸水速率 表4 CA砂浆毛细吸水数据 插的混合物，水泥水化物的相对含量较高，砂浆的 毛细吸水易于进行。随着固灰比增加，转变为低弹 模砂浆，微结构以沥青为主体，水泥水化产物分散 在沥青相中，水泥石表面大多数被憎水性的沥青包 裹，水分很难透过沥青包裹层进入砂浆内部，且随 固灰比的增大，砂浆中水泥石含量逐渐减少，微观 结构中的沥青包裹效应更加明显，使砂浆的毛细吸 水速率逐渐降低。而当固灰比为0．9时，为满足拌 合物的工作性能要求，增大了水灰比，这不仅进一 步减少了砂浆中的水泥石相对含量，同时也增加砂 浆中大孔孔隙率，进而使各组砂浆的毛细吸水速率 显著下降。 2．3孔隙率对CA砂浆毛细吸水性的影响 由表3可知，随着固灰比增大，A2组沥青砂 浆的总孔隙率最小，介于4．9％～5．9％，毛细孔 隙率最大，介于3．9％～4．4％；A1组沥青砂浆的 总孔隙率介于6．o％～7．6％，毛细孔隙率介于 3．3％～4．1％；A3组沥青砂浆的总孔隙率最高， 介于7．o％～10．5％，而毛细孔隙率最低，介于 2．9％～3．7％。图4和图5分别给出3种沥青砂浆 毛细吸水速度随总孔隙率和毛细孔隙率的变化情 万方数据 第6期 水泥乳化沥青砂浆毛细吸水性研究 暑 ’蚕 l 喜 瑚 芒 掣 器 心 f ’a 吕 g g ￥ 豫 期 苗 督 蠹 凹 0．0025 O．0020 0．00I5 0．00l0 O．I)()05 O 4 5 6 7 8 9 10 1l 总孔隙率／％ 图4 CA砂浆毛细吸水性随总孔隙率的变化 毛细扎隙率／％ 图5 CA砂浆毛细吸水性随毛细孔隙率的变化 况。从图4、图5可以看出，各组砂浆随总孔隙率 的增加，其毛细吸水速率逐渐下降，而随毛细孑L隙 率的增加，其毛细吸水速率呈逐渐增加趋势。影响 CA砂浆吸水速率的孔特征包括毛细孔隙率、毛细 孔径、毛细孔连续性及毛细吸水路径的弯曲程 度[5]。硬化砂浆总孔隙率由气孔率和毛细孔隙率构 成。随着固灰比的增大，各组CA砂浆总孔隙率逐 渐增加，而毛细孔隙率逐渐减少，这随着沥青 掺量的增加，CA砂浆中逐渐增多的是孔径较大的 气孔。大的气孑L对于毛细吸水几乎不起作用，反而 减小了毛细孑L的连续性，增加了毛细吸水路径的弯 曲程度[5]。大孔比例随沥青掺量的增加而增大主要 是由于沥青中的乳化剂有类似引气剂的作用，且阴 离子乳化剂的引气作用比阳离子乳化剂引气作用要 强r6l。所以A3组沥青砂浆的孔隙率最大，而毛细 孔隙率最小，测得的毛细吸水速率最低。阳离子乳 化沥青砂浆总孔隙率较低，而毛细孔隙率则较高， 毛细吸水速率也较高。从表3亦可知，各组CA砂 浆随总孑L隙率增加，早期及后期强度均逐渐减小。 且在同一条件下，同龄期阳离子CA砂浆强度比阴 离子CA砂浆强度高，一方面足由于阳离子乳化沥 青引气量较少，砂浆总孔隙率较低；另一方面是由 于阳离子乳化沥青与集料的界面间易形成1种不溶 性盐，这一层生成物使得集料颗粒与胶凝材料之间 有很高的粘结强度。这2方面的综合作用使得阳离 子乳化沥青砂浆强度比阴离子乳化沥青砂浆高，这 与文献E63得出的结论一致。 2．4试件干密度对CA砂浆毛细吸水性的影响 图6给出了CA砂浆毛细吸水性随试件干密度 的变化情况。图6表明，随着CA砂浆干密度的增 加，毛细吸水速率增加。这与文献[5]测试的泡沫 混凝土现象一致。影响毛细吸水速率的因素主要是 CA砂浆中水泥石的相对含量、毛细孔隙率在总孔 隙率中的比例。CA砂浆固灰比越小，干密度越 大，水泥石的相对含量越多，结构中气孑L率越低， 随着气孔量减少，毛细孑L隙率比例逐渐增大，故产 生随干密度增加毛细吸水速率增加的现象。 广 ’口 量 g 昱 ≮ 簪 捌 苗 签 最 皿 f’_；瞥『堑／(kg·m+’) 图6 CA砂浆毛细吸水性随试件1：密度的变化 2．5拌合物含气量对CA砂浆毛细吸水性的影响 图7给出了CA砂浆毛细吸水性随拌合物含气 量的变化情况。由图7可知，随着拌合物含气量的 增加，硬化砂浆的毛细吸水速率降低。笔者认为其 原因有2方面：①含气量与水泥石相对含量呈反比 关系；②拌合物引入的气泡，大多数为不连续的大 矿 ．量 已 吕 暑 鼍 料 嘲 《 督 熹 础 禽气Ii；j％ 图7 CA砂浆毛细吸水性随拌合物含气量的变化 万方数据 36 中国铁道科学 第31卷 孔(50～500ttm)，这些大孔对毛细吸水产生抑制 作用，降低了毛细孔的连续性，增加了毛细吸水路 径的弯曲度，进而降低了毛细吸水速率‘5|。且阴离 子沥青的引气作用比阳离子沥青强，因此A3组沥 青砂浆的毛细吸水速率比A2组沥青砂浆低。 3结语 (1)随着固灰比增加，CA砂浆中沥青的比例 增大，CA砂浆的毛细吸水速率逐渐降低。 (2)随固灰比增加，新拌CA砂浆含气量增 [13 [2] [3] [4] [5] 1-63 [7] [8] [9] 加，硬化砂浆总孑L隙率增大，干密度减小，而毛细 孑L隙率减小，直接反映在CA砂浆早期及后期强度 逐渐降低，测定的毛细孔隙率逐渐减小。说明总孔 隙率影响CA砂浆的强度，而毛细孔特性才是影响 CA砂浆毛细吸水速率的决定因素。 (3)同一试验条件下，同龄期的阳离子乳化沥 青砂浆强度高于阴离子沥青砂浆，且毛细吸水速率 也高于阴离子砂浆。这与不同乳化剂的引气作用、 不同沥青与粉料的粘结强度有关系。 因此，通过增大固灰比、适当增大砂浆气孔率 及降低毛细孔隙率可降低砂浆的毛细吸水性。 参 考 文 献 HALLCWaterSorptionofMortarsandConcretes：aReview[J]．MagzineofConcreteResearch，1989，41 (147)：51-61． 黄蓓，钱春香．掺合料混凝土的毛细吸水现象[J]．混凝土与水泥制品，2008(4)：14-16． (HUANGBei，QIANChunxiang．CapillaryAbsorptionofAdmixtureConcrete[J]．ProductsofCementandCon— crete，2008(4)：14-16．inChinese) 10ANNOUL，HANNl月0NA，HALLCCapillaryAbsorptionofWaterandn-DecanebyAutoclavedAerated Concrete[J]．CementandConcreteResearch，2008，38：766—771． 刘伟，刑锋，谢友均．矿物掺合料对混凝土毛细吸水性的影响口]．深圳大学学报理工版，2008，25(3)：303— 307． (I。IUWei，XINGFeng，XIEYoujumInfluenceofAdmixtureontheCapillaryAbsorptionofConcrete[J]．Journal ofShenzhenUniversityofScienceandTechnology，2008，25(3)：303—307．inChinese) KuNHANANDANNEK，RAMAMuRTHYl(．SorptionCharacteristicsofFoamConcrete[J]．Cementand ConcreteResearch，2007，37：1341-1347． POULIOTN，MARCHANDN，PIGEoN从HydrationMechanism，Microstructure，andMechanicalPropertiesof MortarsPreparedwithMixedBinderCementSlurry-AsphaltEmulsion[J]．MaterialsinCivilEngineering，2003， 15(1)：54—59． NGALAVT，PAGECUEffectsCarbonationonPoreStructureandDiffusionalPropertiesofHydratedCement Pastes[J]．CementandConcreteResearch，】997，27(7)：995-1007． 谢永江，李海燕，江成，等．客运专线铁路CRTSI型板式尤砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件[Z]．北京： 中闰铁道出版社，2008． 谢永江，李海燕，江成，等．客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件[z]．北 京：中国铁道出版社，2008． ResearchontheCapillaryAbsorptionofthe Cement-EmulsifiedAsphaltMortar TIANDongmei，DENGDehua，HUANGBo，LIA0Naifeng (SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，CentralSouthUniversity。ChangshaHunan410075，China) Abstract：Thecapillarywaterabsorptionrateofthecement—emulsifiedasphaltmortar(CAmortarfor short)wasmeasuredbytheInitialSurfaceAbsorptionTest(ISAT)method．Theinfluenceoftheasphalt- 万方数据 第6期 水泥乳化沥青砂浆毛细吸水性研究 37 cementratio(A／C)，theporosity，thedrydensityofthespecimenandtheaircontentofthemixingmarl。- rialonthecapillarywaterabsorptionrateofCAmortarwasresearched．Theexperimentalresultsshow thatthetotalporosityofCAmortarinfluencesitsstrengthandthecharacteristicsofthecapillaryporesare thedominatingfactorofitscapillarywaterabsorption．ThecapillarywaterabsorptionrateofCAmortar canbedecreasedbyincreasingtheA／Candtheaircontentofthefreshmortar，anddecreasingthedryden- sityandthecapillaryporosityofthemortarspecimen．Thestrengthandthecapillarywaterabsorptionrate ofthecationicemulsifiedasphaltarebothhigherthanthatoftheanionicemulsifiedasphalt． Keywords：Cement-emulsifiedasphaltmortar；Capillaryabsorption；Asphalt—cementratio；Capillarypo— rosity；Aircontent (责任编辑吴彬) (上接第25页) 29南京大胜关长江大桥钢轨伸缩调节器和梁端伸缩装置技术条件 钢轨伸缩调节器适用于有砟轨道，采用基本轨伸缩、尖轨保持不动的结构型式，并分为主调节器和辅助调节器两部 分；尖轨刨切线型采用缓和曲线和圆曲线的组合线型，以保证尖轨各点的曲率连续变化，减小基本轨的伸缩阻力；调节器 的设计采用了弹性没计方法，不同区段采用不fljj的弹性垫层，从而保证调节器轨道的刚度均匀一致，且与区间轨道刚 度匹配，以满足客运专线列车对舒适性和平稳性的要求；调节器铁垫板采用复合定位套的紧固方式，螺栓紧固复合定位 套，不影响板下弹性性能，复合定位套起到缓冲、定位、调距的作用；主调节器一端梁端伸缩装置及一侧的钢轨采用轨书 式扣件，以便于梁端伸缩装置以及基本轨的伸缩；在调节器范围采用配套轨枕(KZ，r型)，其正向、反向承载能力与XⅢQ 型枕承载能力相比，有不同程度的提高，能满足高速和莆载铁路的要求。 梁端伸缩装置采用滑动钢枕方式，通过铰链连结来保证各滑动轨枕同步位移，使伸缩装置伸缩均匀，以适应高速行车 的要求；滑动枕木支承在2根支承梁上，支承梁的中距应大于钢轨中心距1．5In，支承梁的一端铰结在固定端位移摔制箱 上，另一端插入活动端佗移控制箱内，其中，固定端位移箱设置于主桥梁端横梁上，活动端位移控制箱设置于引桥梁端横 梁一f：或桥面混凝土板内，以实现顺桥向自由伸缩。梁端伸缩装置通过支承梁、吊架、承压支座、压紧支座、枕下垫板等部 件，可有效地调整伸缩装置的怪向弹件刚度，以便与伸缩装置两端有砟桥面的弹性刚度相匹配，改善高速行车的动力特 性。在位移控制箱与支承梁之间设置横向限佝挡块，在轨面部位设置两侧横向导轨系统，可保证行车时的横向位移控制在 士llnrn之内。 2009年4月，有关厂家按照技术条件进行了调节器与梁端伸缩装置的试制和试铺工作，并根据试制试铺结果，对铁垫 板刨切、钢枕焊接方式等进行r局部修改，并对相关的技术要求也进行了修改完善。2009年12月通过r京沪高速铁路公 司组织的技术评审。 30南京大胜关长江大桥关键技术试验研究——长大跨度桥梁钢轨伸缩调节器与梁端伸缩装置设计及试验研究 南京大胜关长江大桥足京沪高速铁路全线的控制性工程，也是沪汉蓉快速通道及南京枢纽的重要组成部分，主通航孔 桥I二部结构采用(109．5+192+336+336+192+109．5)In六跨连续钢桁梁拱桥，梁端最大设计位移量达到士400咖，需 设置大位移轨道伸缩调节器及梁端伸缩装置，以适应高速列车运行要求。 通过广泛收集国内外相关资料，结合南京桥的结构特点及使用要求，针对多种列车模型、多种运营速度开展车、线、 桥动力分析，提出了钢轨伸缩调节器及梁端伸缩装置的设计方案。为了验讧E设计、评定产品的生产质量、评估结构的实际 ：[作性能，进行了轨道伸缩调节器和梁端伸缩装置试制产品的静力学试验，测试了弹性元件刚度系数、装置伸缩性能、整 体哆向刚度、横向限位性能和伸缩阻力等指标。动力分析结果表明，车辆的嚷向加速度、横向加速度、轮重减载率和最大 脱轨系数等指标均满足高速行车的要求。静力学试验表明，装置的务部件性能均达到设计，且结构的枕距均匀，伸缩 阻力小，横向限位叮靠，安伞储备高，完全满足南京大胜关长江大桥的使用要求。该研究成果为南京大胜关长江大桥的顺 利建成和通-车提供了有力的技术支持，2009年5月通过了铁道部科技司组织的技术评审。 3l铁路客运营销辅助决策系统总体技术方案 铁路客运营销辅助决策系统总体技术方案作为客运营销辅助决策系统建设的依据，分析了铁路客运营销管理的业务需 求，提出了铁路客运营销辅助决策系统的建设原则、总体目标和系统架构，全面描述r客运营销辅助决策系统的技术方 (下转第42页) 万方数据 水泥乳化沥青砂浆毛细吸水性研究 作者： 田冬梅， 邓德华， 黄波， 廖乃凤， TIAN Dongmei， DENG Dehua， HUANG Bo， LIAO Naifeng 作者单位： 中南大学,土木建筑学院,湖南,长沙,410075 刊名： 中国铁道科学 英文刊名： CHINA RAILWAY SCIENCE 年，卷(期)： 2010,31(6) 参考文献(18条) 1.谢永江;李海燕;江成 客运专线铁路CRTS Ⅱ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件 2008 2.HALL C Water Sorption of Mortars and Concretes:a Review 1989(147) 3.谢水江;李海燕;江成 客运专线铁路CRTS Ⅰ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件 2008 4.黄蓓.钱春香 掺合料混凝土的毛细吸水现象 2008(4) 5.NGALA V T;PAGE C L Effects Carbonation on Pore Structure and Diffusional Properties of Hydrated Cement Pastes[外文期刊] 1997(07) 6.LOANNOU L.HANNLTON A.HALL C Capillary Absorption of Water and n-Decane by Autoclaved Aerated Concrete 2008 7.POULIOT N;MARCHAND N;PIGEON M Hydration Mechanism,Microstructure,and Mechanical Properties of Mortars Prepared with Mixed Binder Cement Slurry-Asphalt Emulsion[外文期刊] 2003(01) 8.刘伟.刑锋.谢友均 矿物掺合料对混凝土毛细吸水性的影响 2008(3) 9.KUNHANANDAN N E K;RAMAMURTHY K Sorption Characteristics of Foam Concrete 2007 10.KUNHANANDAN N E K.RAMAMURTHY K Sorption Characteristics of Foam Concrete 2007 11.刘伟;刑锋;谢友均 矿物掺合料对混凝土毛细吸水性的影响[期刊]-深圳大学学报(理工版) 2008(03) 12.POULIOT N.MARCHAND N.PIGEON M 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