乳化沥青pH值对CA砂浆工作性能的影响

乳化沥青pH值对CA砂浆工作性能的影响
刘宝举;宁少英;杨元霞;陈欢
【摘要】基于乳化沥青pH值对ξ电位的影响,研究了乳化沥青pH值对CA砂浆流动度、可工作时间、分离度、含气量、表观密度及浆体体系pH值的影响.结果表明:乳化沥青pH值在2.5～9.5时,CA砂浆流动度处于稳定状态；pH＜2.5,pH＞9.5时,CA砂浆流动度均增加,且后者增加显著；pH=11.5时,其流动度达到最高；pH=9.5时,60 min后CA砂浆流动度经时损失最大,达到26.09％.pH=2.5时,CA 砂浆表观密度随时间的延长逐渐减小；pH=9.5时,CA砂浆表观密度随时间的延长而增大.pH=1.5,9.5时,CA砂浆的分离度最小.乳化沥青pH值对CA砂浆浆体体系pH值的影响不大.为提高CA砂浆的综合性能,乳化沥青的合适pH值为1.5或
9.5.%Influence of pH value of emulsified asphalt on work performance of CA mortar was studied by measuring the effect of pH on zeta potential. Results show that the pH of emulsified asphalt has great influence on the fluidity, working time, separating degree, air content and apparent density and pH of CA mortar, which results in the influence of pH of emulsified asphalt on zeta potential. When pH = 2. 5 -9. 5, the fluidity of CA mortar keeps in a stable level, while pH＜2. 5, the fluidity increases, and it increases significantly when pH＞9. 5, the fluidity reaches a maximum value when pH = ll. 5. The loss of fluidity with time reaches to 26. 09% when pH = 9. 5. The apparent density decreases with time when pH =2. 5, and it increases when pH = 9. 5. Separating degree has no effect on the symbols of the ζ potential, but it has influence on its absolute value. The bigger the absolute value, the smaller the separating degree and vice versa.
When pH = l. 5 and 9. 5, the separating degree was small. pH of asphalt has a little influence on the pH of CA mortar. The appropriate pH of asphalt for CA mortar is 1. 5 or 9. 5.
【期刊名称】《建筑材料学报》
【年(卷),期】2012(015)006
【总页数】5页(P814-818)
【关键词】pH值;CA砂浆;工作性能
【作者】刘宝举;宁少英;杨元霞;陈欢
【作者单位】中南大学土木工程学院,湖南长沙410075;中南大学土木工程学院,湖南长沙410075;中南大学土木工程学院,湖南长沙410075;中南大学土木工程学院,湖南长沙410075
【正文语种】中文
【中图分类】TU528.42
CA砂浆专用乳化沥青是高速铁路板式无砟轨道CA砂浆材料的重要组成之一，是CA砂浆材料的核心，其质量直接决定了CA砂浆的质量和板式轨道应用的成败，一直是国内外研究的重点.随着高速铁路工程建设的全面展开，针对CA砂浆性能研究专用的乳化沥青对中国高速铁路的发展具有极其重要的意义.CA砂浆专用乳化沥青除了普通沥青乳液所具有的性能外，还要求与水泥相容性好、黏度较大、破乳速度较慢、抗冻性和耐候性优异，凝固后沥青形成连续层，能与水泥、细骨料形成具有温度依存关系和滞弹性体特性［1］.针对沥青乳液的要求，国内研究者对专用
沥青乳液进行了大量研究.左景奇等［1］通过试验测试研究了CA砂浆专用沥青乳液的常规性能、最佳配方及配制工艺.赵冬田［2］在施工中分别采用快裂、慢裂、中裂的乳化剂进行试验，发现采用中裂乳化剂乳化的沥青配制CA砂浆性能最稳定.李荣等［3］发明了一种专门用于高速铁路或轻轨板式无砟轨道CA砂浆中的乳化
沥青，此乳化沥青可有效避免CA砂浆产生离析，延长CA砂浆工作时间，其组成（质量分数）为：沥青38%～55%、阳离子表面活性剂3%～20%、非离子表面
活性剂5%～20%、助剂2.0%～8.0%，其余为水.从现有研究来看，研究者主要从沥青乳液的配方、原材料、生产工艺等方面对沥青乳液进行了研究.
pH值是乳化沥青的一个重要参数，对沥青乳液的使用性能和储存性能均有着重要影响，研究表明：乳化沥青pH值对沥青的恩格拉黏度、黏度、破乳时间、储存稳定性、与集料的可拌和时间都有不同程度的影响.但沥青乳液pH值对CA砂浆性
能影响的研究鲜有报道.本文基于pH值对乳化沥青双电层结构的影响，研究了乳
化沥青pH值对CA砂浆流动度、可工作时间、表观密度、含气量、分离度工作性能和砂浆体系pH值的影响，旨在为提高CA砂浆的综合性能，探究专用乳化沥青合适的pH值.
1 原材料与试验方法
1.1 原材料和配合比
沥青乳液：SBS改性沥青经乳化后得到，其主要性能指标见表1；干料：湖南盛林生产的水泥沥青砂浆专用干粉料；工业盐酸：市售；氢氧化钠：分析纯，市售；水：自来水.配合比为m（沥青乳液）︰m（干料）︰m（水）＝500︰1 100︰50.
1.2 试验方法
1.2.1 ζ电位
ζ电位的测试采用JS94H型微电泳仪，其适用于0.5～20μm的分散体系，pH测
定范围为2.0～12.0.将乳化沥青用工业HCl或NaOH调整至相应的pH值，取调
整后的乳化沥青按0.02%的质量分数用去离子水进行稀释，稀释后用酸或碱将沥
青乳液调整至稀释前的pH值.对制备好的沥青乳液进行ζ电位测定.
1.2.2 pH 值
采用pHS－25实验室pH计测量乳化沥青、水泥乳化沥青砂浆pH值，测量范围
为0～14.00.
1.2.3 含气量、表观密度、流动度、分离度
按照科技基［2008］74号《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》进行.
表1 乳化沥青主要性能指标Table 1 Properties of emulsified asphaltItem Index Result Shallow brown liquid，uniform，no mechanical impurities Particle charge＋＋Engler viscosity（25℃） 5－15 7 Sieve test（1.18mm）（by mass）／% ＜0.1 0.02 Storage stability（1d，25℃）／% ＜1.0 0.6 Storage stability（－5℃） No coarse particles or lumps No coarse particles or lumps Cement mixed（by mass）／% ＜Appearance Shallow brown liquid，uniform，no mechanical impurities 1.0 0.5 Evaporation residue Oil content（by mass）／% 58－63 61 Penetration（25℃，100g）／（0.1mm）60－120 70 Solubility（trichloroethylene）／% ＞97 99 Ductility（5℃，
5cm·min－1）／cm ＞20 27
2 试验结果与分析
2.1 乳化沥青pH值对ζ电位的影响
乳化沥青ζ电位与乳化剂的种类、性质、用量及pH值相关，其正负性由乳化剂在水中电离后亲油基的电荷符号所决定，亲油基带正电荷，ζ电位为正值，亲油基带负电荷，ζ电位为负值.一般阳离子乳化沥青的ζ电位为＋22～＋128mV，阴离子
乳化沥青的ζ电位为－80～－30mV，非离子乳化沥青没有ζ电位［4］.图1为乳
化沥青ζ电位随pH值的变化规律.
图1 沥青乳液ζ电位随pH值的变化Fig.1 Effect of pH on the zeta potential of asphalt emulsion
从图1可以看出，pH值较小（＜4）时，沥青乳液ζ电位为正值，且电位较大，这是因为乳化沥青溶液pH值越低，乳化剂亲水性越强，其溶解度和电离度越高，乳化沥青胶粒的表面电荷增加.随着pH值的增大，沥青乳液的ζ电位减小，当pH 值在3～4时，沥青乳液出现等电点，即ζ电位为零，根据静电理论：当沥青溶液出现等电点时，沥青颗粒没有特性吸附，即乳液中除了沥青颗粒对矿质分子表面有静电力外不存在其他作用力，如化学力、烃链缔合力等，这些力的存在能使离子更多地进入紧密层，使配衡离子层的电位发生更复杂的变化.Jada等［5］研究了乳化沥青pH值对ζ电位的影响，结果表明：随着pH值的增加，乳化沥青的ζ电位逐渐减小.这与本文测试结果一致，不同的是，本文沥青乳液出现了等电点，但文献［5］中并没有出现等电点，而在Labib等［6］的研究中，当pH为3～4时沥青溶液也出现等电点，这说明不同的乳化沥青其ζ电位随pH值的变化也不同.当pH＞4时，ζ电位为负值，其绝对值随pH值增加而增大，此外，pH为10～11时，沥青乳液ζ电位绝对值最大，而后绝对值减小.
2.2 乳化沥青pH值对CA砂浆流动度的影响
流动度是保证CA砂浆现场灌注施工质量的重要指标，合适的流动度对于砂浆的性能与灌注质量非常重要，流动度过小，砂浆材料易离析，流动度过大，砂浆黏稠，难以填充密实，影响灌注质量［7］，因此规范要求的流动度为18～26s.影响CA 砂浆流动度的因素有温度、外加剂、配合比等.图2为CA砂浆流动度随pH值的变化规律.
由图2可以看出，乳化沥青pH值为2.5～9.5时，CA砂浆流动度基本不受影响，然而在强酸和强碱环境下，CA砂浆的流动度均变大，黏度亦增大.这是因为乳化沥
青溶液pH值越低，乳化剂亲水性越强，其溶解度和电离度越高，乳化沥青胶粒的表面电荷增加，拌和时电荷吸附作用增强，乳化沥青破乳速度加快，黏度增强.当pH≥10时，乳化沥青的ζ电位达到最低点，相关研究［5］表明：乳化沥青的双电层结构对乳化沥青的流变性有着重要的影响，阳离子乳化沥青中存在着2次电滞作用，第1次电滞效应发生于因剪切引起的变形，而变形的重叠或互加又引起第2次电滞效应.在pH≥10时，第2次电滞效应起主导作用，去质子化的胺分子从沥青表面脱落，季铵盐分子取代它的位置，从沥青表面脱离的胺分子有助于水相黏度的提高，从而提高CA砂浆的黏度.
图2 CA砂浆流动度随pH值的变化Fig.2 Influence of pH on the fluidity of CA mortar
图3为沥青乳液在不同pH值条件下，CA砂浆0，30，60min时的流动度.
图3 CA砂浆60min内流动度随pH值的变化Fig.3 Influence of pH on the fluidity in 60min of CA mortar
从图3可以看出，沥青乳液pH值对砂浆的可工作时间也有一定影响，当乳化沥青呈酸性时，CA砂浆可工作时间较碱性时长，且乳化沥青pH值越低（pH＝1.5，2.5，6.5时），CA 砂浆流动度经时损失越小；pH＝9.5，11.5时，流动度经时损失较大，分别达到26.09%和13.33%，这可能是沥青乳液双电层结构的改变对乳化沥青破乳时间产生了影响之故.不同pH值条件下，CA砂浆流动度的发展不尽相同，CA砂浆流动度的变化与砂浆体系pH值的变化可能存在着一定的相关性. 2.3 乳化沥青pH值对表观密度和含气量的影响
图4为不同pH值时，CA砂浆在0，30，60min时表观密度的变化.从图4可以看出：pH值对CA砂浆初始表观密度的影响较小，其影响在30min后才开始显现，到60min时，其影响明显增大，pH＝2.5处，表观密度随时间延长而不断减小，pH＝9.5处，表观密度随时间延长不断增大，这主要与乳化沥青pH值对ζ电
位的影响有关，因为在pH为2.0～4.0时，乳化沥青出现等电点，其ζ电位值为0，在pH为10左右时，乳化沥青ζ电位的绝对值达到最高，这也说明ζ电位绝
对值大小对表观密度产生影响，而ζ电位的正负不对其产生影响.
图4 pH值对表观密度的影响Fig.4 Influence of pH on the apparent density
of CA mortar
在CA砂浆中，一定量的微细、封闭、分布均匀的极性气泡可阻止固体颗粒沉降和水分上升，减少泌水量，缓和CA砂浆层内的自由水等受冻害膨胀时产生的冻晶压力，提高水泥沥青砂浆的抗冻性和抗渗性；但过大的含气量会降低CA砂浆的密实度，影响其力学性能和耐久性［7］.图5为不同pH值时，CA砂浆在0，30，
60min时含气量的变化.从图5可以看出，pH值对CA砂浆含气量的影响也主要
体现在沥青乳液的等电点处和pH为10左右.在0min时，pH值对CA砂浆含气
量的影响还没显现出来，不同pH值条件下CA砂浆含气量接近；在30min时，pH值对含气量的影响开始突显，到60min时影响更明显.乳化沥青ζ电位较小时，CA砂浆的含气量减小；ζ电位较大时，CA砂浆的含气量增大.
2.4 乳化沥青pH值对分离度的影响
图5 pH值对含气量的影响Fig.5 Influence of pH on the air content of CA mortar
CA砂浆是一种典型的非均匀材料，由于水泥、砂、乳化沥青密度相差较大，会出现乳化沥青上浮、泛浆和砂沉淀现象，导致砂浆硬化后上下层使用性能和耐久性不一致，分离度是体现CA砂浆体系各材料匀质性的评价指标.图6为乳化沥青pH
值对CA砂浆分离度的影响.由图6可见，CA砂浆分离度存在最高点和最低点，分别出现在pH为2.0～4.0和9.0～10.0时，最高点处，CA 砂浆分离度最大，这与此时乳化沥青的ζ电位相关，因为此时乳化沥青的ζ电位绝对值最小，几乎为0，CA砂浆的黏度较小；最低点处，CA砂浆分离度最小，因为此时乳化沥青的ζ电
位的绝对值接近最大，同时CA砂浆的初始流动度虽不大，但到60min时其流动度明显增大.同样在pH为2.0左右时，乳化沥青的ζ电位的绝对值较大，其分离度较小，这说明ζ电位对分离度的影响主要体现在绝对值大小上，与电位正负符号无关.
图6 乳化沥青pH值对分离度的影响Fig.6 Influence of pH on the separating degree of CA mortar
2.5 乳化沥青pH值对CA砂浆体系pH值的影响
图7为乳化沥青pH值对CA砂浆体系pH值的影响.
图7 乳化沥青pH值对CA砂浆体系pH值变化的影响Fig.7 Influence of pH of emusified asphalt on the pH of CA mortar
由图7可以看出，乳化沥青pH值对CA砂浆体系的反应过程产生了一定影响，乳化沥青自身pH值越低，浆体初始pH值也越低，但二者pH值随时间的变化趋势相似，这说明乳化沥青pH值的改变对CA砂浆体系的pH值影响不大.
2.6 乳化沥青最佳pH值的确定
从上述结果可以看出，为满足CA砂浆流动度和可工作时间的要求，乳化沥青pH 值应为1.5～9.5.从表面密度和含气量性能的角度考虑，pH＝2.5时，乳化沥青的表面密度随时间的延长而减小，含气量随时间的延长而增大，这将不利于砂浆硬化后强度的形成和力学性能；pH＝9.5时，乳化沥青的表面密度随时间的延长而增大，含气量则减小，这将有利于砂浆硬化后的密实性，提高砂浆的力学性能.从分离度的角度来看，pH＝2.5时，砂浆分离度最大，应避免这种现象出现；当pH＝1.5，9.5时，砂浆分离度最小.综合来看，乳化沥青ζ电位绝对值越大，CA砂浆的综合性能越好，即当乳化沥青pH＝1.5或9.5时，CA砂浆的综合性能最好.但应注意，由于不同乳化沥青ζ电位随pH值的变化不同，乳化沥青的最佳pH值也不同.
3 结论
（1）乳化沥青pH值的变化对乳化沥青双电层结构产生重要影响，不同乳化沥青pH值对ζ电位的影响不同.
（2）乳化沥青pH 值为2.5～9.5时，CA砂浆流动度稳定；pH＜2.5和pH＞9.5时，流动度都有增加，且后者增加显著.
（3）乳化沥青pH 值为2.0～4.0时，CA砂浆分离度最大；pH值为9.5和1.5时，CA砂浆分离度较小，因此，CA砂浆的分离度与乳化沥青ζ电位的绝对值大小相关，与符号无关，ζ电位的绝对值越大，分离度越小，反之越大.
（4）ζ电位绝对值大小对CA砂浆表观密度、含气量产生影响，ζ电位绝对值越大，CA砂浆的表观密度越大，含气量越小；ζ电位绝对值越小，CA砂浆的表观密度越小，含气量越大.ζ电位的正负号不对其产生影响.
（5）乳化沥青ζ电位绝对值越大，CA砂浆的工作性能越好，本文中乳化沥青的
最佳pH值为1.5或9.5，但应注意的是不同的乳化沥青ζ电位随pH值的变化不同，因此乳化沥青最佳pH值也不同.
参考文献：
［1］左景奇，姜其斌，蔡彬芬.板式轨道CA砂浆专用沥青乳液的试验研究［J］.铁道建筑技术，2005（2）：68－70.ZUO Jing－qi，JIANG Qi－bin，CAI Bin
－fen.Experimental study on emulsified asphalt for CA mortar used in slab track［J］.Railway Construction Technology，2005（2）：68－70.（in Chinese）
［2］赵东田.板式无碴轨道CA砂浆与施工技术研究［D］.成都：西南交通大学，2003.ZHAO Dong－tian.Study of CA mortar mixture ratio and construction technology for slab track on Qin－Shen passenger railway［D］.Chengdu：Southwest Jiaotong University，2003.（in Chinese）
［3］李荣，张洪武.用于高速铁路或轻轨板式无碴轨道CA砂浆中的乳化沥青：中国，200710078508［P］.2007－05.LI Rong，ZHANG Hong－wu.An emulsified asphalt for CA mortar used in slab track：China，200710078508［P］.2007－05.（in Chinese）
［4］刘尚乐.乳化沥青及其在道路、建筑工程中的应用［M］.北京：中国建材工业出版社，2008：7.LIU Shang－le.The application of emulsified asphalt in road and building engineering［M］.Beijing：China Building Materials Industry Press，2008：7.（in Chinese）
［5］ JADA A，FLORENTIN C，MARIOTTI S.Study of the electrical properties of cationic bitumen emulsions by micro electrophoresis ［J］.Advances in Colloid and Interface Science，2004（5）：127－132. ［6］ HEFER A，LITTLE D.Adhesion in bitumen－aggregate systems and quantification of the effects of water on the adhesive bond［R］.［s.l.］：Texas Transportation Institute，The Texas A ＆ M University System College Station，2005.
［7］江成，钱振地.秦沈客运专线桥上板式无碴轨道CA砂浆的性能试验研究［J］.铁道工程学报，2001，10（增刊）：196－200（in Chinese）.JIANG Cheng，QIAN Zhen－di.Study on experiments of CA mortar's properties for ballastless slab track laid on bridge of Qin－Shen special passenger traffic railway line［J］.Journal of Railway Engineering Society，2001，10（S）：196－200.（in Chinese）。