田冬梅，崔天祥，闫广，黄钰格
中南林业科技大学，土木工程学院，湖南 长沙 410004；
摘要：本文采用阴离子(A3)、阳离子(A1)和阴-阳复合离子型(A2)等3种乳化沥青、PII型硅酸盐水泥、细砂和常用添加剂，制备了不同A/C的3种乳化沥青砂浆试件，利用CA砂浆抗渗仪研究其压力吸水规律。结果表明：在压力作用下乳化沥青砂浆的吸水速率较大，且单位面积吸水量与t1/2关系曲线上存在明显拐点，拐点前的压力吸水速率比毛细吸水速率高两个数量级，拐点后比毛细吸水速率高一个数量级。无论拐点前后，相同试验条件下，相同配比的3种乳化沥青砂浆压力吸水速率大小顺序为：A1>A3>A2，而抗渗性大小顺序为：A2>A3>A1，且抗渗性随A/C增加逐渐降低。
关键词：压力吸水规律；乳化沥青砂浆；A/C；乳化沥青；抗渗性
中图分类号：TU57＋8.1 文献标识码：A
1 引言
乳化沥青砂浆是由乳化沥青、水泥、砂、水及各种外加剂配制而成的多孔材料。对于亲水性多孔材料而言，水分通过孔隙进入材料内部并在材料中传输，是造成材料性能劣化的主要原因之一[1]。对早期建设的CRTS I型板式无砟轨道试验段和近期的CRTS II型板式无砟轨道施工现场的考察发现乳化沥青砂浆充填层出现与轨道板或底座板层间界面离缝、竖向开裂和剥落、表面翻浆及周边碎裂挤出等病害现象，分析判断雨水是造成乳化沥青砂浆充填层劣化、破坏与过早失效的重要因素。已有研究[2,3]表明，乳化沥青砂浆内部分布大量与表面相连通的毛细孔，由于孔壁表面富沥青膜上存在一层亲水基朝外的乳化剂分子层，使毛细孔壁呈亲水性，在毛细吸附力作用下雨水渗入毛细孔，乳化沥青砂浆的单位面积吸水量与吸水时间t1/2呈线性关系。当列车通过板式轨道结构时，轴重荷载产生的压力作用，此时乳化沥青砂浆的吸水规律又是如何？这也是研究乳化沥青砂浆充填层劣化与失效机理的重要内容。
2 试验
2.1 原材料及性能
1.干粉料：湖南盛林建材科技有限公司生产的水泥乳化沥青干粉料，由水泥、细砂和其他添加剂等主要组分混合而成。水泥为越秀牌P?Ⅱ52.5R硅酸盐水泥。细砂为机制硅砂，最大粒径为1.18 mm，细度模数1.7。
2. 乳化沥青：阳离子型乳化沥青(A1)，复合离子型乳化沥青(A2)，阴离子型乳化沥青(A3)，其残留物含量为60%。
3. 拌合水为自来水。
4. 化学试剂 有机硅消泡剂，溶液浓度为10%，掺量为沥青乳液的0.05%；
2.2 砂浆配合比及基本性能
乳化沥青砂浆试样配合比见表1。按照《客运专线铁路CRTS I型板式无砟轨道乳化沥青砂浆暂行技术条件》、《客运专线铁路CRTS II型板式无砟轨道乳化沥青砂浆暂行技术条件》[铁道部科技基2008(74)文]规定的方法，测量新拌乳化沥青砂浆的流动度、表观密度和含气量等性能及硬化砂浆的28d强度及弹性模量如表1所示。
2.3 试样制备
按照表1所示配合比，将搅拌均匀的浆体浇注入上口直径75mm、下口直径80mm、高30mm的砂浆抗渗试模中，置于温度为（25±2）℃、相对湿度为（65±5）%试验室中养护，24h硬化后脱模，继续置于此环境中养护至60d。将试件放置在相对湿度为10％的调温调湿箱中至恒重，以排除试件初始含水量对试验结果的影响。采用静水天平法测试待测试件的表观体积。
在试件侧面涂上一层环氧胶，将其置于抗渗试模内，旋转压紧保证试件侧面充满环氧胶，静置24h待胶固化。吸水面直径为φ80mm。待胶固化后，测试试件和试模的总质量。
表1 新拌乳化沥青砂浆的配合比与性能
注：a：W/C 是水/水泥质量比；b：A/C 是固体沥青/水泥质量比；c：圆柱体试件。
2.4 性能测试
先将SS-15型自动加压砂浆渗透仪所有排水阀关闭，在抗渗试模安装槽内注满水排出空气。再将装有试件的抗渗试模安装旋紧，表面覆盖保鲜膜防止水分蒸发。在HP4.0-4型程控砂浆抗渗仪主机操作板上设定加载压力上、下限值，本试验分别研究三级压力（0.1MPa，0.2MPa，0.3MPa）作用下乳化沥青砂浆的吸水速率。打开所有排水阀，开始试验，每隔一定时间关闭主机，快速卸下试模并擦干试件表面水分，测试试件总质量，与初始质量差即为该吸水时间的吸水量，除以吸水面面积换算成单位面积吸水量（g·cm-2），绘制单位面积吸水量与吸水时间开方关系曲线，经拟合即可得出试件的压力吸水速率（g·cm-2·min-1/2）。当同一组两个试件上表面均出现透水或者试件质量不再增加时视该组试件吸水试验结束，关闭对应排水阀。试验室温度控制在（25±2）℃。
3 试验结果与讨论
3.1 压力吸水规律
3.1.1 压力吸水速率
3种乳化沥青砂浆在0.1MPa~0.3MPa静水压力下单位面积吸水量与吸水时间的关系曲线如图1所示。由图1可以看出，不同于毛细吸水规律[3]，在静水压力作用下，整个测试周期内3种乳化沥青砂浆的单位面积吸水量与吸水时间开方呈非线性关系，单位面积吸水量在短时间内（约30min-60min）先快速增长而后逐渐缓慢增加，在吸水曲线上存在一个明显的拐点，且在拐点之前乳化沥青砂浆吸水量占总吸水量的60%以上甚至更高，而后期吸水量则较少。此外，3种乳化沥青砂浆在拐点前的压力吸水速率均比毛细吸水速率高两个数量级，拐点后的压力吸水速率亦比毛细吸水速率高一个数量级。
对于乳化沥青砂浆材料来讲，水分在其内部迁移的通道包括毛细孔及有机-无机相界面。
A1-0.1MPa; (b) A2-0.2MPa; (c) A3-0.3MPa
图1压力下单位面积吸水量与吸水时间关系曲线
毛细孔主要存在于硬化水泥砂浆内部，Mehta[9]指出：在充分水化的低水灰比水泥浆体中，毛细孔在10nm-50nm范围内；在高水灰比浆体中，水化早期的毛细孔可大到3μm-5μm。在现今许多文献中将大于50nm的毛细孔看作宏观孔，可能对混凝土的强度及渗透性影响较大，在这个孔径范围内的水称为自由水，水分可以自由迁移，且不会引起任何体积变化；而将介于5nm-50nm的毛细孔看作微观孔，这个孔径范围内的水由于受到毛细张力的作用，不容易迁移运动，当失水时会引起系统的收缩。
硬化乳化沥青砂浆结构中固相主要包括水泥水化物、沥青和砂子，水泥水化物和沥青构成复合凝胶材料，是基体相，砂子颗粒是分散相。同时，存在多种固相界面，有水泥相-沥青界面、砂-沥青界面和水泥相-砂界面，前两者属于有机-无机复合界面，由于水的极性比沥青大，所以水分易于侵入沥青-水泥、沥青-砂界面内，使沥青膜从固体颗粒表面剥离，当分散的界面缝隙逐渐扩展相互连通后，就为水分在乳化沥青砂浆内部迁移提供了良好的通道；而水泥-砂界面区由于有孔隙和微裂缝的存在，也为水分进入提供了通道。
硬化乳化沥青砂浆产生毛细吸水的驱动力是毛细管吸力作用，是砂浆在无外力作用下的自然毛细吸水速率。本文研究的是乳化沥青砂浆在静水压力作用下的吸水速率，水分在其内部迁移的驱动力除了毛细吸力以外，还有外部加载的压力，也就是说压力吸水的驱动力明显大于毛细吸水的驱动力。根据拉普拉斯方程[8]可知，润湿液进入多孔材料内的毛细管半径大小与附加压力成反比。可想而知，与毛细吸水状况相比，压力吸水试验中水分会被压入乳化沥青砂浆内更加细小的孔隙或界面缝隙中，因此压力吸水试验时进入乳化沥青砂浆内部孔隙或缝隙的水体积将显著高于毛细吸水量，这就是压力吸水速率显著高于毛细吸水速率的主要原因。
压力吸水曲线上出现拐点的原因，一方面从水分在毛细孔隙内迁移的动力学过程来讨论。由压汞法测固体材料内部孔径分布原理可知，压力不同，进入孔中汞的量也不同，且对应的临界孔半径也不同[10]。因此，当乳化沥青砂浆试件外部施加恒定压力时，在吸水前期较短时间内（约30min-60min）水分快速进入大于且等于临界孔径的毛细孔内，此时这些孔隙处于饱和状态，而小于临界孔径的毛细孔内仅有少量外来水进入，这样在乳化沥青砂浆材料孔隙内产生较大的湿度梯度。由于乳化沥青砂浆饱和孔隙内的水是自由水，可以自由进出，根据Fick定律[5]，饱和孔隙内的水分将向相对湿度较低的区域即更细小毛细孔内发生扩散迁移，而扩散过程相对缓慢，因此在吸水后期曲线变得比较平缓，这可能是压力吸水曲线上出现拐点的原因之一。饱和孔隙失去水分会变成欠饱和状态，水分会持续被吸入以补充孔隙内失去的水分，这样吸水量同时也在缓慢增长。另一方面，从水分在乳化沥青砂浆内部有机-无机相界面迁移过程来讨论。硬化乳化沥青砂浆内存在沥青-水泥、沥青-砂两种有机-无机相界面，本试验所用3种沥青表面所带电荷也不相同，因此各种界面的粘结强度大小不一。由于水的表面张力比沥青大，易于侵入沥青-无机骨料界面，且在压力作用下，这种侵入作用将显著增强，当界面粘结强度不能抵抗水分侵入时，沥青膜就会快速从骨料表面逐渐剥离形成裂缝，当分散的微裂缝快速发展并连通后，就形成了水分向砂浆内部迁移的通道，砂浆内吸水量也快速增加。而粘结强度较大的界面，水分侵入的过程就变得缓慢，吸水量增长也变得平缓，这可能是压力吸水曲线出现拐点后期变得平缓的另一个原因。
3.1.2 沥青品种对压力吸水速率的影响
由表5可以看出，A1、A2、A3组乳化沥青砂浆压力吸水速率大小顺序的大体规律是：A1>A3>A2。原因有以下两个方面：一方面， A1为阳离子型乳化沥青，既与水泥及其水化物颗粒又与砂子相互作用形成大量有机-无机相界面[2]；A3是阴离子型乳化沥青，优先被水泥及其水化物颗粒吸附，而被砂子颗粒吸附量较少，故同配比前提下A3型乳化沥青砂浆内有机-无机相界面数量少于A1型乳化沥青砂浆，因此A1型砂浆内水分经由有机-无机界面向砂浆内部迁移的速度就会高于A3型砂浆。另一方面，乳化沥青砂浆中砂子颗粒体积含量最大，颗粒细小，其总表面积也较大。故相同配比前提下，A1型砂浆中被沥青包裹的水泥水化物较少，而A3型砂浆中水泥水化物则绝大部分被沥青所包裹，水分由连通毛细孔向砂浆内部迁移必然要穿透破乳成膜的致密沥青膜结构，因此A3型砂浆内水分迁移要克服的阻力将明显高于A1型砂浆。综上所述是导致A1型砂浆压力吸水速率高于A3型砂浆的主要原因。
而A2型乳化沥青由于沥青颗粒表面有一种能与水泥水化物发生强烈相互作用的L型乳化剂分子，乳化沥青砂浆凝结硬化后，沥青-水泥及其水化物界面粘结强度显著增强，提高了界面抗水性，水分通过沥青-水泥界面向砂浆内部迁移速率将明显降低，因此A2型砂浆压力吸水速率显著低于其他两种砂浆。表5中A2-4组砂浆测试的压力吸水速率比较大，这可能是A2-4组试件在成型过程中试验误差导致试件内部存在缺陷造成的。
4结论
（1）压力作用下的单位面积吸水量与t1/2关系曲线呈非线性关系，在吸水曲线上存在明显拐点，拐点前的压力吸水速率比毛细吸水速率高两个数量级，拐点后的压力吸水速率比毛细吸水速率高一个数量级。这是由于：压力增大了水分迁移的驱动力，故吸水速率明显增加。在一定压力下，乳化沥青砂浆内部临界毛细孔在短时间内快速达到水饱和状态，而后水分在砂浆内部主要以扩散形式向低湿度区域迁移，使后期吸水速率较慢，压力吸水曲线上存在拐点。
（2）无论拐点前后，同配比同压力条件下，3种乳化沥青砂浆压力吸水速率大小顺序为：A1>A3>A2，抗渗时间大小顺序为：A2>A3>A1，且抗渗时间随A/C增加逐渐降低。这是由于：压力驱使水分侵入硬化砂浆内砂子-沥青、水泥-沥青等有机-无机相界面内，高A/C砂浆中有机-无机相界面数量比低A/C砂浆多，A1型砂浆中界面数量比A3型砂浆多，A2乳化沥青由于其颗粒表面吸附一种复合乳化剂分子，与水泥水化产物形成的界面有较强的粘结作用，因此A2型砂浆抗水性最好，A3型砂浆抗水性最差。
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