高温天气下水泥沥青砂浆的工作性能调整与灌注技术

2012年12月上第41卷第378期施工技术

CONSTRUCTION TECHNOLOGY

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高温天气下水泥沥青砂浆的工作性能

调整与灌注技术

刘云鹏，王发洲

（武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北

武汉

430070）

［摘要］针对高温天气下水泥沥青砂浆施工经常出现的工作性能损失过快及施工灌注困难等问题，从材料学原理及施工工艺两方面分析了原因并介绍了相应的解决思路与施工技术，即通过控制水泥的水化速率及提高乳化沥青的水泥适应性改善砂浆的耐高温性能，

通过控制原材料温度及对预湿工艺和灌注节奏进行管控来解决高温下施工困难的问题，这有效地保证了高温天气复杂工况下水泥沥青砂浆工作性能调整及施工。［关键词］铁路工程；水泥沥青砂浆；灌注；施工技术［中图分类号］TU578.1；U213.24

［文献标识码］A

［文章编号］1002-8498（2012）23-0059-04

Adjustment of Workability and Grouting Technique for CAM

Construction Under High Temperature

Liu Yunpeng ，Wang Fazhou

（State Key Laboratory of Silicate Materials for Architecture ，Wuhan University of Technology ，Wuhan ，Hubei

430070，China ）

Abstract ：The workability of CAM is often greatly influenced by high air temperature and caused difficulty for the grouting process．The reasons were analyzed from the perspectives of both the materials science and construction technique．The solution methods were also proposed ，including improving the heat resistance of mortar by controlling the cement hydration rate and improving the cement compatibility of asphalt emulsion ，controlling the temperature of raw materials and controlling the pre-wetting and grouting process．These measures successfully ensured the CAM workability adjustment and construction under high temperature．

Key words ：railway engineering ；cement asphalt mortars ；pouring ；construction ［收稿日期］2012-03-13

［基金项目］国家自然科学基金项目（50602033）；中央高校基本科研

业务费专项资金资助项目（2010-II-005）［作者简介］刘云鹏，博士研究生，

E-mail ：lyp027@126．com 水泥沥青砂浆是应用于高速铁路板式无砟轨道充填层的一种关键结构材料，其由水泥、乳化沥青、细骨料及各种外加剂组成，主要起弹性减振、调整轨道精度、

支撑列车重的作用，对保证轨道平顺性及运行舒适性、安全性起着重要作用。

水泥沥青砂浆是一种高流态的灌浆材料，施工时需要在现场搅拌配制，检测合格的砂浆通过中转漏斗转运到灌注现场再进行灌注，

因此水泥沥青砂浆需要一定的可工作时间来保证施工灌注顺利进行。而水泥沥青砂浆的工作性能受原材料、配合比及温度的影响很大，特别是在高温天气下砂浆可工作时间明显缩短，

严重时甚至失去工作性，且施工时经常出现灌注困难，揭板后砂浆质量缺陷较多等

问题。因此，

《客运专线铁路板式无砟轨道水泥沥青砂浆暂行技术规范》中对水泥沥青砂浆的原材料温度及施工环境温度都有严格的要求（原料储存温度及施工温度范围为5 35ħ）。但实际施工中，某些炎热地区的夏季平均气温就已达35ħ，最高气温可达40ħ，这对水泥沥青砂浆的施工性能提出了苛刻的要求。

为解决这一问题，并为高温天气下水泥沥青砂浆施工提供参考，

本文从材料学原理分析了高温天气下水泥沥青砂浆工作性能损失过快的原因，从现场施工工艺分析了水泥沥青砂浆灌注困难的原因，并针对性地从原材料调整、原材料温度控制、施工工艺改进等方面提出了解决思路。1

高温天气下水泥沥青砂浆施工性能不良的原因水泥沥青砂浆的结构发展过程可以分为4个阶段：悬浮分散阶段、

水泥与乳化沥青相互作用阶段、胶结硬化阶段、硬化体结构发展阶段。其中，前两个阶

60施工技术第41卷

段决定着砂浆的工作性能。在新拌水泥沥青砂浆中同时进行着水泥水化及乳化沥青破乳两个反应。

1）水泥水化水泥颗粒遇水后，其表面很快发生水化反应，Ca2+与OH－进入溶液，而在水泥颗粒表面形成带负电荷的富硅层，Ca2+被吸附到水泥颗粒表面从而形成双电层结构，而双电层产生的Zeta 电势使水泥颗粒在悬浮液中保持稳定，但水泥颗粒会继续与水不断反应，这样使得颗粒周围的溶液很快饱和。当达到一定的过饱和度后，Ca（OH）

2

析晶，双电层效应减弱或消失，不断增多的水化产物的相互接触连接形成凝胶体。水泥浆逐渐失去塑性，出现凝结现象。

2）乳化沥青的破乳水泥水化不可避免地对乳化沥青稳定性产生不利影响，主要包括如下几方面：首先，水泥水化会消耗大量自由水，使乳化沥青固含量升高，沥青颗粒间的空间被压缩，颗粒相互聚集容易产生团聚现象；其次，水泥水化产生的Ca2+，Al3+会对乳化沥青的双电层结构产生不利影响，使Zeta电位向等电点方向改变，沥青颗粒间的静电斥力减弱，从而使沥青颗粒相互聚并破乳；此外，水泥水化产生的高碱环境会对阳离子乳化沥青的稳定存在产生不利影响。

因此，水泥的水化过程以及乳化沥青在与水泥拌合时的稳定性很大程度上决定着水泥沥青砂浆的工作性能以及可工作时间，而水泥水化过程受温度影响较大，温度升高会显著促进水泥的水化速度，促进水泥凝结及乳化沥青破乳，进而明显缩短水泥沥青砂浆的可工作时间。

从现场施工工艺来说，水泥沥青砂浆的流动状态还与板腔的预湿状态有关。水泥沥青砂浆依靠自身重力在轨道板下6.25mˑ2.45mˑ（0.02 0.04）m的狭长空间流动，空间上、下部分均为预制混凝土。为保证灌注质量，在灌注之前需对板腔空间进行润湿，润湿的状态与效果对水泥沥青砂浆的流动有重要影响。润湿不足，会使砂浆流动困难，且容易使砂浆与混凝土表面的气孔发生气液交换，在砂浆内部形成贯穿气孔；润湿过度，会使板腔内砂浆的自由水增大，容易产生浮浆、砂浆分层及自由水蒸发引起的大面积气泡空腔，影响板下砂浆灌注质量。在高温炎热天气下，轨道板及底座板的温度可达60ħ，这就使得预湿程度更加难以控制。

2解决的技术思路

由以上分析可知，要解决高温天气下水泥沥青砂浆的工作性能损失过快以及施工困难问题，一方面要从材料入手，通过原材料及配合比的调整，保证砂浆的稳定性，延长砂浆的可工作时间；另一方面，要从施工技术入手，调整灌注施工工艺，通过原材料配合比及施工工艺的共同调整保证高温下水泥沥青砂浆的可工作时间。

2.1原材料及配合比调整

掺加一定量的缓凝剂是改善水泥混凝土工作性能，减少坍落度损失的常见方法，但在水泥沥青砂浆中引入缓凝剂往往对水泥沥青砂浆的力学性能与结构发展产生不利影响。水泥沥青砂浆的强度与结构发展过程是水泥水化与乳化沥青破乳两者协调发展的结果。缓凝剂的加入打破了这种协调平衡，使得水泥水化滞后，不但会影响砂浆的强度，而且很容易产生严重泌水及均质性不良的问题。因此，有学者通过使用缓凝组分及早强组分复合控制水泥的水化速度，实现前期水化速度慢（保证砂浆工作性能）、中后期水化迅速快（保证砂浆正常凝结），从而降低砂浆的温度敏感性，增加砂浆的温度施工范围。

改善乳化沥青与水泥拌合时的稳定性也是延长水泥沥青砂浆可工作时间的重要途径。有学者通过加入少量螯合剂与水泥水化产生的Ca2+，Al3+发生螯合反应，从而减少钙铝离子对乳化沥青的破坏，改善乳化沥青的稳定性，提高水泥沥青砂浆的耐温性能。王发洲等通过引入某种多EO数长分子链的非离子乳化剂在乳化沥青颗粒表面形成一层水化层来提高沥青颗粒的稳定性，改善乳化沥青的水泥适应性，保证高温下水泥沥青砂浆的工作性能。一方面，水分子由于氢键作用吸附在非离子乳化剂的聚醚基团周围，每个聚醚基团可吸附20 30个水分子从而形成较厚的水化层，起到良好的屏障作用，提高沥青颗粒相互聚并时的阻力，从而提高乳化沥青的稳定性；另一方面，多EO数乳化剂的分子链较长，在沥青颗粒相互碰撞挤压时可以起到良好的空间位阻作用；并且非离子乳化剂的基团不带有电荷，可以形同楔子嵌入到主乳化剂的周围，提高界面膜的致密性，降低水泥水化生成的离子对沥青颗粒界面膜结构的影响。此外，通过引入非离子乳化剂还可以调整复合乳化剂的HLB值，改善沥青的乳化效果。

这里需要注意的是，非离子乳化剂EO数的选择要恰当，不可过高或过低：过低，EO数过少，EO 数吸附的水分子过少，不能形成足够的水化层及起到屏障作用；EO数过多，吸附的水分子过多，水化层过厚，沥青颗粒的稳定性过高，会影响水泥的水化及砂浆的强度。

2.2施工技术控制

2.2.1原材料温度控制