CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆微膨胀性能研究

2010-05-04贾恒琼李海燕吴韶亮

铁道建筑 2010年9期

贾恒琼，李海燕，吴韶亮，魏曌

(中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081)

CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆要求膨胀率(24h)为1% ～3%。通过专用灌注袋，在混凝土基座和轨道板间规定的空间内灌注砂浆。水泥乳化沥青砂浆在凝固后会产生干燥收缩，为保证轨道板与路基混凝土板之间空隙填充的密实性，在砂浆拌合过程中添加发气铝粉，亦称发气剂。铝粉与砂浆体系中的碱相互作用，在浇筑后和凝固前的这段时间，因化学作用产生氢气，均匀分布在砂浆结构中，使其形成一定的膨胀。

1 水泥乳化沥青砂浆性能指标

为了使CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆满足施工性能要求以及轨道结构的调整层要求，水泥乳化沥青砂浆需满足以下性能指标，见表1。

表1 水泥乳化沥青砂浆性能指标要求

2 铝粉发气速度对砂浆成型和性能的影响

铝粉与砂浆中的碱起化学反应，而产生氢气［1］。其反应式为

反应中，实质是铝粉与水的反应，水泥的强碱环境加速了反应的进行。氢气的产生量与产生速度，除了与铝粉的纯度、细度、处理方法等因素有关外，还与水泥的矿物组成(主要是含碱量)、水灰比、反应温度有关。一般情况下，铝粉的加量为水泥胶凝材料用量的0.006% ～0.015%左右。

铝粉在化学反应过程中产生大量气泡，在砂浆内部形成均匀的气孔结构。要使砂浆达到要求的膨胀效果，又不影响最终的强度，主要在于砂浆与铝粉发气过程相适应的程度。当砂浆凝结硬化时铝粉发气已全部结束，气泡均匀地存在于硬化的砂浆中，砂浆逐渐硬化产生多孔的结构，铝粉发气速度与砂浆稠化速度相适应这种状况则是最佳的。铝粉发气速度太快，在浇筑完毕后，砂浆膨胀速度过快，凝结硬化过程相对太慢，铝粉发气在砂浆还未硬化时或拌合中释放出，而砂浆中固体粒子下沉速度过快，砂浆可能出现泌水。此时气泡大量合并上浮，从而引起整个砂浆体系的不稳定，导致整体沉陷严重甚至塌模。铝粉发气太慢，则砂浆膨胀速度慢，而砂浆已经逐渐凝结硬化，结构产生憋气。砂浆侧面可见分布有很多横向非贯穿裂缝，长度最大1 cm(层裂)，严重破坏了结构的形成，影响了砂浆的强度［2］。

3 铝粉和水泥品种对砂浆发气效果的影响

3.1 铝粉的品种对砂浆发气效果的影响

试验选取了两种形态的铝粉，进行水泥乳化沥青砂浆的膨胀率试验。膨胀率测试，将砂浆浇筑到250 mL量筒满刻度处，按照试验要求养护24 h后，测试膨胀率。其公式为

式中，D为量筒直径(mm);H0为初始深度(mm);H24为24 h后的深度(mm)。

两种铝粉分别为Al-1、Al-2，配制流动度和含气量符合指标(表1)要求的砂浆。从加料开始分别在0、10、20、30、45、60 min 共 6 个时间点取砂浆试样，测试膨胀率的发展趋势，见图1、图2。可见，随着搅拌时间的延长，气体逸出越多，膨胀率减小。搅拌时间达10 min的砂浆，Al-1铝粉在20 min开始发气，发气很快结束，而Al-2铝粉在1 h才开始发气，5 h发气基本完毕。表明，Al-1铝粉的发气速度快于Al-2铝粉。

另外，铝粉的粒径也是影响发气速度的重要因素。试验分别选取了 Al-1铝粉400目、700目，Al-2铝粉150目、350目，考察不同粒径铝粉对砂浆膨胀率的影响。同一个砂浆体系，粒径越小，铝粉在砂浆中的反应越快，在砂浆未凝结硬化前气体较易溢出，最终的膨胀率较小;反之，粒径越大，相对于砂浆凝结硬化来说发气较慢，随着发气量增大砂浆体系黏度也在增大，生成的气体易于分布均匀，最终膨胀率较大。

3.2 水泥的品种对砂浆发气效果的影响

针对不同的铝粉应选择合适的水泥，除了水泥的碱度对铝粉发气有影响外，具备早强功能与否也很重要。上文提到的Al-1铝粉发气速度比Al-2铝粉要快，所以针对早强水泥可以选用发气较快的Al-1铝粉，不具备早强功能的水泥应选用发气较慢的Al-2铝粉。

4 拌合条件对砂浆膨胀效果的影响

4.1 拌合温度的影响

不同地区不同季节无砟轨道施工，大致分为三个温度段:5℃、20℃和35℃。根据试验结果分析，铝粉用量相同，随着拌合温度的升高，膨胀率逐渐减少，达到同一膨胀率所需的铝粉量也要增大。可见，温度越高，铝粉发气反应越快，导致最终的膨胀率达不到要求。

4.2 注模前搅拌时间的影响

配制流动度和含气量符合指标(表1)要求的砂浆，分别在搅拌到5 min和1 h时灌注量筒。砂浆养护24 h后，经观察和测试，搅拌5 min的砂浆膨胀率达3%，并且砂浆试块也呈现膨胀;而搅拌1 h的砂浆膨胀率则为0.5%，砂浆试块下塌不膨胀。这说明，搅拌时间的延长会加快内部气体的逸出，体积膨胀不易保持。

4.3 水灰比和黏度的影响

砂浆的水灰比大，黏度小，铝粉发气比较顺畅，一部分氢气由于砂浆的黏性阻力较小而上浮溢出，发气速度较快，最终膨胀率较低;砂浆水灰比小，黏度大，铝粉发气所受阻力大，发气速度较慢，发气时间较长，最终膨胀率较大。因此砂浆只有在相对固定的水灰比条件下，一定量的铝粉才能获得稳定的膨胀率。故在实际应用中，应针对砂浆基本固定的水灰比，选择发气时间合适的铝粉以及用量。

随着砂浆搅拌时间的延长，水化过程在加剧，黏度也会稍变大，铝粉发气也在进行。铝粉的膨胀与砂浆的凝结硬化是同一体系中的物理化学反应过程，影响凝结硬化的因素亦会影响铝粉发气速度。