王涛，贾恒琼，吴韶亮，魏曌，李海燕，祝和权，杜存山

（中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 100081）

CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆（CA砂浆）由水泥、乳化沥青、砂、水和多种外加剂等组成[1-3]，是一种新型有机-无机复合充填灌浆材料，用于轨道板与混凝土道床之间厚度为40～60 mm的扁平空腔内（长×宽约4 962 mm×2 400 mm），主要起调整、支撑、缓冲、传力和阻裂等作用，是CRTSⅠ型板式无砟轨道的关键材料与结构[4-8]。

CRTSⅠ型板式无砟轨道因具有结构简单、施工与维修方便等优势在我国应用广泛，其关键的充填层CA砂浆也随之用于各种环境，如严寒地区（哈尔滨—齐齐哈尔）、热带沿海地区（海南环岛铁路）等，经受不同严酷环境的考验。在使用前各项指标均符合现有技术条件规定，特别是表征砂浆服役寿命的耐久性指标，采用室内快速冻融法和模拟加速老化法模拟评价，可较好地预测评估CA砂浆的耐久性。

1 试验概况

1.1 原材料

试验采用原材料为：（1）乳化沥青，CRTSⅠ型砂浆专用阳离子乳化沥青，固体含量60%；（2）干料，CRTSⅠ型砂浆专用干料；（3）胶乳，TD-08聚合物乳液；（4）消泡剂，有机硅类；（5）引气剂，松香类。

1.2 试样成型

根据现场CA砂浆工艺性试验确定的施工配合比，采用砂浆搅拌车，开启电脑控制成型，自动计量各材料，并按设定顺序投入主搅拌机。搅拌工艺为：（1）加水、乳化沥青、胶乳、消泡剂，转速30 r/min；（2）加干料，转速80 r/min；（3）加引气剂，高速搅拌，转速120 r/min，搅拌120 s后低速（30 r/min）搅拌30 s，砂浆制备完成。将新拌砂浆浇筑成型：快速冻融试件（100 mm×100 mm×400 mm）、人工老化试件（40 mm×40 mm×160 mm）和耐酸碱盐试件（Φ50 mm×50 mm），28 d龄期后进行测试。

1.3 试验方法

（1）抗冻性和耐候性参照《客运专线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》（科技基〔2008〕74号）附录试验方法[6]。

（2）耐介质侵蚀试验方法如下：24 h拆模后养护至28 d，擦净试块表面，称重后检查并记录试块外观情况。将试块分别浸入盛有侵蚀液的带盖容器内，对比试块自然养护至相同龄期。浸泡1～3个月，从侵蚀液中取出试块，冲洗干净，擦干表面后观察其外观变化，并测试其抗压强度和质量。评定标准[7]见表1。

强度或质量变化率按式（1）计算：

式中：△R为试块强度，MPa（或质量变化率，%），“+”为增加，“-”为减少；R0为对比试块的强度，MPa（或质量，g）；R1为浸泡后试块的强度，MPa（或质量，g）。

各侵蚀液及浓度分别为硫酸溶液H2SO4（0.5%和1.0%）、氢氧化钠溶液NaOH（1%和2%）及硫酸钠溶液Na2SO4（1%和3%），侵蚀油为机油。所有试验均在（20±1）℃下进行。

2 结果与分析

2.1 抗冻性

按照现行暂行技术条件抗冻性试验方法，将4种不同乳化沥青制备的CA砂浆试件进行抗冻性试验，在不同冻融次数时进行测试，结果见图1。

图1表明，CA砂浆随冻融次数增加，1#、2#相对动弹性模量呈逐渐下降趋势，而3#、4#相对动弹性模量呈先下降后增加的趋势，原因在于不同CA砂浆内部孔结构形式与组成分布略有差异，即连通孔和封闭孔组成比例不同。3#、4#试样内部封闭孔比例相对高，表面砂浆冻融剥离掉后，内部砂浆依然密实，造成后期相对动弹性模量反而增加，而1#、2#砂浆试样中连通孔比例相对较高，冻融会逐渐损伤砂浆，其相对动弹性模量逐渐降低。

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，这些孔隙是由沥青网络结构形成。到达冻融循环次数后，取出CA砂浆试块迅速切割后发现，砂浆断面周边一定范围内吸水，而中心部分基本保持干燥，遭受冻融损伤的表面部分形成类似“海绵”的多孔结构，说明砂浆遭受冻融破坏的过程是：砂浆表面吸水→冻胀→表面损伤→水进入内层→表面破坏剥离→内层逐步破坏。因而，无纺布灌注袋代替四周立模施工时，与之接触的砂浆会渗出一定量水，使充填层砂浆表层硬化后密实度提高，降低实际砂浆遭受冻融破坏的风险。

CA砂浆抗冻性与其内部孔结构有关，而孔结构与新拌砂浆中较高的含气量有关，不同含气量对砂浆抗冻性的影响见图2。

由图2（a）可知，随着含气量的增加，砂浆的抗冻性能提高，但砂浆冻融循环约250次时质量损失较快。

由图2（b）可知，含气量增大，试样内孔数量增加，随着冻融进行，表层孔吸水冻胀后变大，试件吸水量增大，进一步导致封闭孔冻胀成开孔，外界水更易由表及里进入试件内层。一定循环次数后，表层冻胀剥离，表现为试件表面掉渣增多，质量出现损失。虽然增加含气量有助于提高砂浆的抗冻性能，但含气量过高会显著影响砂浆的抗压强度。

表1 沥青类材料评定标准(常温浸泡3个月)

图1 不同砂浆试样随冻融次数动弹性模量的变化

图2 不同含气量对砂浆抗冻性的影响

针对CA砂浆的冻融破坏，采用压汞法测试了冻融300次前后CA砂浆内部的孔径分布，其内部孔径分布与累计分布见图3。

由图3可知，CA砂浆硬化体内部的气泡孔径由于冻融循环而变大，冻融前孔径40 μm的气孔最多，300次冻融后孔径160 μm的气孔最多。其破坏原因与混凝土的冻融破坏类似，是受冻融循环中冰晶压力反复作用所致。

在实际工程中，通过引气剂导入微小气泡、消泡剂消除搅拌产生的大气泡、聚合物乳液改性等措施，可降低CA砂浆渗透性、减少干燥收缩、缓和冰晶压力，最终能有效改善其抗冻性，满足服役要求。

2.2 耐候性

CA砂浆的耐候性主要表征其抵抗自然界气候环境中光-热-氧-水的侵蚀与老化。但CA砂浆中沥青的老化过程不同于公路热拌沥青混合料，其制备无高温热拌过程，因此轻质油分的挥发损失已不是沥青老化的主要因素，而大气中的光-热-氧-水因素是CA砂浆服役期间老化的主要原因。采用老化试验机对CA砂浆进行耐候性测试，试验结果见图4。

从图4可知，经过500 h耐候试验，砂浆抗压强度、抗折强度以及折压比基本不下降，CA砂浆耐候性良好。

2.3 耐化学介质侵蚀

板式轨道结构中的砂浆垫层在服役过程中边缘部分与外界环境接触，特别是支模施工的砂浆在拆模后边缘部分完全暴露于外部环境中，受到环境中介质的侵蚀作用，如大气中酸雨的酸性侵蚀、机车行使过程中带来的油性侵蚀等。通过4种介质（酸、碱、盐、油）浸泡砂浆试样至一定龄期，以试样强度和质量变化考察砂浆对侵蚀介质的抵抗能力。

2.3.1 耐酸性

模拟酸雨溶液采用蒸馏水稀释浓H2SO4配制而成，浓度分别取0.5%和1.0%。酸性腐蚀后CA砂浆抗压强度与质量变化见图5。

图3 CA砂浆冻融前后孔径分布及累计分布

图4 耐候试验结果

图5酸性腐蚀后CA砂浆抗压强度与质量变化

图5 表明，随着侵蚀时间的延长，CA砂浆的强度降低，而质量增加；酸性侵蚀溶液浓度的增加，CA砂浆的强度和质量均降低，但3个月溶液侵蚀后的强度仍然大于技术标准规定的1.8 MPa。

酸性介质侵蚀后强度下降的主要原因在于酸侵蚀了砂浆水泥水化产物中的碱性结构；经过硫酸侵蚀后的CA砂浆质量增加，其原因主要由CA砂浆的多孔结构吸水引起。

2.3.2 耐碱性

铁路在穿越碱性环境地区时，CA砂浆会遭受侵蚀。选取1.0%和2.0%浓度的NaOH溶液模拟碱性侵蚀介质。碱性腐蚀后CA砂浆抗压强度与质量变化见图6。

由图6可知，碱性侵蚀介质并不降低CA砂浆的强度与质量，碱性介质浓度对砂浆影响不明显。

与酸性介质侵蚀后CA砂浆质量增加原理类似，其原因主要由CA砂浆多孔结构吸水引起。

2.3.3 耐盐性

耐盐性模拟采用硫酸钠溶液浸泡，依据CA砂浆强度和质量变化，对CA砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能进行评价。CA砂浆耐硫酸盐腐蚀强度与质量变化见图7。

图6 碱性腐蚀后CA砂浆抗压强度与质量变化

图7 CA砂浆耐硫酸盐腐蚀强度与质量变化

由图7可知，硫酸钠能降低CA砂浆的强度，但幅度不明显；随着硫酸钠溶液浓度的增加，CA砂浆的强度略降低。

CA砂浆质量随着侵蚀龄期的增加而增加，而受溶液浓度的影响不明显，其质量增加的原因主要由CA砂浆多孔结构吸水引起。

2.3.4 耐油性

通过比较CA砂浆在机油中浸泡后强度和质量的变化率来表征其抗油侵蚀的能力（见图8）。

由图8可知，机油能明显侵蚀CA砂浆，降低其强度和质量。随时间增加，CA砂浆经过机油侵蚀后强度和质量损失率增大。

从上述耐化学介质侵蚀研究结果可知，CA砂浆能够抵抗酸、碱、盐和油4种常见介质的腐蚀，在3个月侵蚀后，CA砂浆强度仍然满足指标要求；从质量变化和强度变化综合结果表明CA砂浆属于耐蚀等级。

图8 CA砂浆耐油侵蚀强度与质量变化

3 结论

（1）随冻融次数增加，CA砂浆相对动弹性模量呈现逐渐下降趋势，并随着新拌砂浆含气量增加，其抗冻性能提高，但砂浆冻融循环约250次前后质量增加和损失较快。

（2）经过500 h耐候循环后，CA砂浆抗压强度、抗折强度以及折压比均基本不下降，耐候性良好。

（3）CA砂浆具有较好的耐化学介质侵蚀性能，经酸、碱、盐和油模拟溶液浸泡3个月，砂浆试件依然具有良好的力学性能。