水泥乳化沥青复合材料（通用7篇）
水泥乳化沥青复合材料 篇1
水泥、乳化沥青、级配碎石和一些外加剂等经冷拌、冷铺及碾压后形成的水泥乳化沥青混凝土(以下简称CEAC)半柔性面层材料,具有适宜的刚度、较高的强度、良好的高温稳定性和较好的耐久性,而且采用冷拌、冷铺的施工工艺,可以降低能耗,减少环境污染,对于实现文明、环保施工非常有利[1,2,3]。
1 原材料及性能
1.1 乳化沥青
采用特殊的慢裂型阴离子乳化沥青,检测结果见表1。试验证明,该乳化沥青与碱性集料粘附性良好。
1.2 水泥
采用湖北华新(宜都)水泥厂生产的P O 42.5普通硅酸盐水泥,参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTJ E30—2005)中的有关试验方法进行性能检验[4],试验结果见表2。
1.3 粉煤灰
采用宜都东阳光火电厂生产的I级粉煤灰。掺入粉煤灰能明显改善和增强混凝土及制品的结构强度,提高匀质性、致密性和耐久性。
1.4 集料
采用宜昌本地生产的连续级配石灰岩碎石,压碎值为17.5%,其他指标均符合标准对集料的要求;矿粉种类为石灰岩,经筛分,粒径小于0.6 mm。
1.5 减水剂
采用武汉格瑞林SP010-ZQ早强型聚羧酸系高性能减水剂。
1.6 水
拌合水应符合《混凝土用水标准》(JGJ 63—2006)的要求。
2 配合比设计及试验方案
2.1 集料级配
为提高路面抗车辙能力,同时提高其高温稳定性和水温性,根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2006),选用AC-20C级配类型[5],集料配合比和集料合成级配分别见表3、表4,集料级配曲线如图1所示。
2.2 试验方案及结果分析
对于不同乳化沥青含量和水泥含量的CEAC,分别测定室温下马歇尔稳定度、15℃劈裂抗拉强度及室温下的抗压回弹模量来对其进行性能评价,以确定最佳配合比。室内试验方案如下:参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052—2000)中的马歇尔稳定度试验、劈裂抗拉强度试验及抗压回弹模量试验有关规定[6,7],并在此基础上进行相关修订,如成型马歇尔试件时,击实次数可以少于一般沥青混合料的击实次数,双面击实45~50次即可;试件成型后,在室温条件下养护48 h,然后脱模进行以上各项性能的测试。各项室内试验结果见表5,由表5可以看出:
1)掺入水泥后,CEAC的稳定度、残留稳定度、劈裂抗拉强度和抗压回弹模量均比不掺水泥的乳化沥青混凝土有所提高,流值相比降低;
2)CEAC的稳定度、残留稳定度均随着水泥含量的增加而增大,流值随着水泥含量的增加而降低,说明随着水泥含量的增加,该材料的柔性逐渐降低,有向刚性发展的趋势;
3)CEAC的15℃劈裂抗拉强度随着水泥含量的增加而增大;
4)CEAC的室温下抗压回弹模量亦随着水泥含量的增加而增大。
通过综合分析,当油石比为4%、水泥含量为4%时,此时材料的柔性比较适中,同时有较高的稳定度。此外,通过试验,CEAC的含水量控制在5.5%~6%范围内比较有利于碾压成型。
3 试验路的铺筑
3.1 试验路概况
试验路段位于宜昌-洋溪一级公路陆城往枝城方向K29+800~K30+0左幅。研究采用2种不同的路面结构组合方式——18 cm水泥稳定碎石底基层,2×17 cm高抗裂半刚性基层,5 mm稀浆封层,在K29+800~K29+900段铺筑8 cm AC-25沥青混凝土下面层,在K29+900~K30+0段铺筑8 cm CEAC下面层,4 cmAC-13C抗滑耐磨上面层。试验路(下面层)施工时间为2010年8月6日全天,当日晴转多云,平均气温31.5℃。
3.2 施工工艺
3.2.1 施工前的准备
试验路正式施工前建议试拌,这样有利于施工配合比的调整,避免正式施工过程中出现一些意料之外的问题。
施工前应准备好所需的施工机械设备,所需的主要机械设备包括强制式混凝土搅拌机、全自动履带式摊铺机、双钢轮振动压路机、胶轮压路机及运输车等。此外,由于试验路的基层已通车一定时间,表面覆盖有较多尘土和一些杂物,故在铺筑试验路前应将表面清扫干净,并均匀撒布乳化沥青粘层。
3.2.2 搅拌
施工配合比采用4.5%的油石比,4.0%的水泥含量,5.6%含水量(包括乳化沥青中的水分),2.0%的粉煤灰掺量,减水剂为水泥掺量的1%,其余为级配碎石和矿粉。
CEAC的原材料应严格按照施工配合比要求进行准确称量。称料完毕,将水泥、粉煤灰、矿粉以及碎石按比例加入料仓,进行搅拌,待搅拌均匀后再输入乳化沥青和水继续搅拌,整个搅拌过程控制在2 min内。搅拌过程中可根据混合料干湿情况适当调整含水量直至混合料搅拌均匀,并有良好的和易性方可。值得注意的是,拌和时间要严格控制,混合料的拌和要在乳化沥青破乳前完成,否则将因乳化沥青的破乳降低整个混合料的施工和易性。因此,在保证乳化沥青与集料拌和均匀的前提下,一般来说,应尽量缩短拌和时间为好。
3.2.3 运输
CEAC的运输时间必须严格限制,否则会对混合料性能带来很大影响。混合料在拌和完成后应在水泥初凝时间内运抵铺筑现场,运输时间过长会导致水泥初凝,从而极大地影响混合料的工作性能。
3.2.4 摊铺
由于试验路较宽,建议采用摊铺机分两幅分别进行摊铺的方式。摊铺前要安装好侧模,以保证平整度;松铺系数应根据预压密实度来取值,一般在1.10~1.20之间,此处取1.20。摊铺过程中,若边缘部分出现缺料,应组织人员现场进行补料,并用铁锨整平。
3.2.5 碾压
碾压是整个工序中至关重要的一步。为使混合料充分密实形成路面,碾压过程要严格控制。摊铺完成后,先采用双钢轮压路机静压1~2遍,这样可以保证路面具有一定的压实度;再开振动碾压1~2遍,振压不要超过2遍,以免发生较大推移;然后采用胶轮压路机碾压1~2遍;最后采用双钢轮压路机静压1遍对表面进行收光。
3.2.6 养生
养生是保证混合料强度形成的一个重要环节,因此不能忽视。路面铺筑完毕应立即用麻布覆盖,养生时间一般大于3 d,以7 d为宜。在此期间应封闭交通,派人定期进行洒水,以保持路表面的润湿状态。
4 试验结果与分析
1)室内试验表明,掺入水泥后,CEAC的稳定度、残留稳定度、劈裂抗拉强度和抗压回弹模量均比不掺水泥的乳化沥青混凝土有所提高,且随着水泥含量的增加而增大;但流值相比降低,混合料有向刚性发展的趋势。
2)通过试验路的铺筑,证明了CEAC这种半柔性面层材料可以采用现有的各类施工机械设备进行施工,有良好的推广可行性。
3)试验路路面整体良好,行车舒适,无剥落、坑槽等现象,加铺上面层,经多处检测,路表暂无反射裂缝出现。
4)由于试验路通车时间较短,某些路用性能暂时无法得到体现,如低温抗裂性、水稳性等,因此有待进一步观测。(下转第33页)(上接第29页)
参考文献
[1]袁文豪,沙爱民,胡力群,等.水泥、乳化沥青及其用量对水泥乳化沥青混合料性能的影响[J].筑路机械与施工机械化,2005,22(1):32-35.
[2]李江,封晨辉,陈忠达.水泥—乳化沥青混合料的研究[J].石油沥青,2005,19(6):12-16.
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[4]JTJ E30-2005,公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S].
[5]JTG D50-2006,公路沥青路面设计规范[S].
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水泥乳化沥青复合材料 篇2
目前针对CA砂浆材料领域的科研工作开展较多, “十一五”科技支撑计划和863课题已将高速铁路无砟轨道用CA砂浆立项研究。但我国CA砂浆大部分研究集中在室内试验阶段, 依托的工程实体运营时间较短, 对研究成果的检验还需要较长的时间。同时, 材料性能评价体系的研究工作中也缺乏强有力的基础数据作为依托, 致使现阶段我国可用于设计时速高达350km/h以上较为完备的CA砂浆工艺成套技术还不成熟, 尤其砂浆配合比设计方法、性能评价、施工工艺等方面尚有不足, 对高速铁路CA砂浆现场施工工艺及质量控制还没有完善的标准, 给我国高速铁路大规模的建设造成一定的技术障碍。
2 无砟轨道结构
沪昆铁路客运专线江西段站前工程HKJX-5标段位于南昌市和高安市境内, 里程为DK569+839.17~DK638+468.75, 全长68.62958千米, 首件段CRTSⅡ型板式无砟轨道起讫里程为DK587+575-DK590+637, 全长3., 062km, 包括两座特大桥, 两段路基, 共计634块CRTSⅡ型轨道板。
桥上CRTSⅡ无砟轨道结构由钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆垫层、底座、侧向挡块、滑动层、高强度挤塑板和限位板组成;路基上CRTSⅡ无砟轨道结构由钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆垫层、支撑层和线间填筑物组成。桥上轨道总结构高度679毫米 (直线段) , 路基上轨道总结构高度779毫米 (直线段) 曲线段轨道总结构高度根据超高的不同进行计算。图1和2是桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道横断面图。
3 水泥乳化沥青砂浆试配试验
3.1 原材料的选定
选定的原材料必须要与理论配合比的原材料相适应, 主要原材料如下:
⑴CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青:安徽中铁工程材料科技有限公司生产, 规格及型号:AL-NS001;颗粒极性:阴性。
⑵CA砂浆用干料:安徽中铁工程材料科技有限公司生产, 规格及型号:RP-Q2。
⑶CA砂浆用普通减水剂:安徽中铁工程材料科技有限公司生产, 规格及型号:RAWY101。
⑷CA砂浆用消泡剂:河南道纯化工技术有限公司生产, 规格及型号:DSP-010型。
⑸CA砂浆拌合用水:能饮用的自来水。
3.2 材料相容性检验
对于水泥乳化沥青砂浆来说, 各组分之间具有好的相容性是确保砂浆均匀性、稳定性以及其他各项性能的前提。所以, 在配制砂浆前, 务必要对各个材料进行相容性检验。检验不合格的一律不能用来配制CA砂浆。
⑴水泥与乳化沥青的相容性
水泥与乳化沥青的相容性是配制水泥乳化沥青砂浆的基础, 其不相容的表现形式主要有两种, 一是水泥和乳化沥青刚刚拌合就破乳;二是拌合后虽然不很快破乳, 但工作性能损失很快, 拌合结束5分钟后, 砂浆变稠, 扩展度加速变小, 流动度过低。解决这两者不相容的方法是变换水泥品种或者重新选择乳化沥青, 直至达到相容的结果
⑵干料与各种外加剂的相容性
干料与外加剂的相容性检验也是通过拌合试验来实现的。干料与外加剂的不相容表现为出机砂浆的扩展度满足技术指标要求, 而30分钟后砂浆的扩展度大幅下降, 达不到280毫米要求;或表现为砂浆严重离析、分层等。解决干料与各种外加剂的不相容应从更换水泥品种、重新选择外加剂品种或类型等方面进行。
3.3 配合比设计
完成了原材料的优选和相容性检验后, 进行水泥乳化沥青砂浆的配合比设计工作。其内容主要包括:砂浆配合比的初步确定, 砂浆试拌、成型及其基本性能的检测;根据检测结果, 对初步配合比进行调整;调整后的砂浆试拌、成型及其性能检测;当砂浆的性能仍不符合指标要求时, 重复调整直至满足砂浆的性能指标要求;确定砂浆的最终配合比。
为保证CA砂浆的力学性能与耐久性能, 在确定砂浆最终配合比时, 应满足以下要求:
⑴水泥用量宜不小于400千克每立方米。
⑵乳化沥青与水泥的比值宜不小于0.35。
⑶水灰比宜不大于0.58。
⑷CA砂浆设计厚度30毫米, 性能满足《客运专线铁路CRTSⅡ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) 和验标的要求。
⑸CA砂浆的最小抗压强度达到1兆帕后方可拆除轨道板下面的精调校正装置, 最小强度达到3兆帕后方可承重。
3.4 正交设计试配方案
⑴正交试验设计的基本原理
正交试验设计是一种安排多因素试验的数学方法, 此方法既科学又方便。对于诸如CA砂浆性能的变化规律或者最优工艺条件的确定等这类问题, 因为涉及的因素众多, 试验周期长, 量测数据离散, 试验工作繁重, 采用正交设计来安排试验, 只要做少量试验就可以得到正确的结论和好的效果, 事半功倍。这种利用数学上的正交特性-具体的说就是正确使用数学上的正交表来安排多因素试验和分析试验成果的一整套方法, 称为正交试验设计方法。他的特点就是采用最优水平组合来代替全部的组合。
⑵试验方案
在原材料初步选定后, 采用正交设计方法, 分析各原材料掺量对CA砂浆性能 (流动度、含气量、28天抗压强度、28天弹性模量) 的影响情况, 以确定最优配合比。对乳化沥青 (A) 、干料 (B) 、水 (C) 消泡剂 (D) 、减水剂 (E) 4种原材料用量各取5个水平 (表1) 进行正交设计。
⑶试配试验结果分析
通过对试配试验数据进行方差分析, 确定初始配合比为干料∶乳化沥青∶减水剂∶消泡剂∶水=1500∶250∶5.0∶0.06∶155, 对初始配合比砂浆的性能进行检测, 各项指标均满足相应要求。
3.5 工艺性试验及配合比的确定
初始配合比砂浆配合比和搅拌工艺确定后, 开始在线外试验段进行验证和灌注工艺试验、揭板试验。在试验中出现以下问题:
⑴气泡多。原因是消泡剂用量较少, CA砂浆搅拌车自动计量的消泡剂难以在短时间内充分与其他材料搅拌均匀。
⑵出现空洞的现象。是由于底座板润湿工作不到位引起的。如果底座板润湿不充分, 由于底座板吸水, 置换出底座板内的气泡在砂浆层就会产生空鼓、贯穿气孔等缺陷;如果预湿过度, 在轨道板底或者是底座板上残留有明水, 则容易造成砂浆泌水、沥青析出等缺陷。
⑶砂浆表明局部发黑的现象。经试验分析, 其主要是砂浆原材、搅拌工艺引起的。
通过多次揭板试验不断总结, 最终确定了CA砂浆基本配合比为干料∶乳化沥青∶减水剂∶消泡剂∶水=1500∶250∶5.0~5.5 (可调) ∶0.05~0.07 (可调) ∶150~170 (可调) 。
4 施工工艺
4.1 润湿工艺
⑴铺板前润湿
为了保证砂浆与底座或支撑层有良好的粘结, 铺板前应采用高压水枪冲洗底座或支撑层, 清除表面的浮浆与灰尘。
⑵封边前润湿
经线外试验段多次工艺试验, 确定先润湿后封边的工艺方案。轨道板灌注前2~4小时, 根据天气及底座板轨道板情况利用洒水车冲洗底座板及轨道板底2~3次, 冲洗充分, 确保底座板及轨道板底表面吸水饱和。封边前采用高压水枪充分冲洗轨道板底和底座板 (支承层) 表面, 使其充分湿润, 处于保水状态, 当底座或支承层凹凸不平有较多积水时应采用风力灭火机将积水清除, 利用干棉布左右移动擦除板腔内上下未吹除的明水, 确保板腔内无积水且处于饱和面干状态。封边完毕后应对灌注口和观察口进行覆盖, 防止水分散失。
⑶灌注前湿润
在灌浆前及时观察观察口和灌注口观察底座的湿润情况, 如底座潮湿, 则不需进行湿润;如底座干燥, 则需再次进行湿润。灌注砂浆前10分钟再次检查板腔润湿状况, 确认其表面无残留明水和雾化不彻底等现象。如发现局部有积水, 则可采用风力灭火机吹出或吹散积水。
4.2 CA砂浆配制
搅拌速度及时间则主要影响水泥乳化沥青砂浆的含气量、抗压强度及弹性模量, 通过多次试验, 我们得到合理的投料顺序和拌和方式如下:
⑴从水箱加水。
⑵从P乳剂箱加水。
⑶从A乳剂箱加乳化沥青, 停转后迅速投入减水剂和消泡剂;低速搅拌, 30转每分钟的速度搅拌30秒;螺旋泵投入干粉料;高速搅拌, 以105转每分钟的速度搅拌120秒;减速至30转每分钟, 搅拌90秒。
⑷CA砂浆出仓。
砂浆搅拌车加料, 定人定岗。加料前注意加料顺序, 并检查各原材料的质量、性能是否符合要求。
砂浆搅拌车的检查。每天开盘之前, 应对砂浆搅拌车进行全面检查, 防止在施工过程中出现意外情况, 保证搅拌灌注施工的顺利进行。砂浆车的计量系统, 每周须进行自校;砂浆车的搅拌主机与成品仓应及时清理剩余砂浆。
施工配合比的调整。施工配合比的调整范围必须在基本配合比的允许范围之内;施工配合比的调整应根据原材料的性能、轨道板底座的类别、板腔厚度、板腔温度、湿润等情况来调整。
4.3 灌注工艺
为防止砂浆在运输过程中产生离析, 砂浆在灌注前必须搅拌均匀。
灌注施工时先打开中转罐卸料阀门, 待砂浆充满灌注软管后, 再缓慢打开灌注阀门, 砂浆初流入时严格控制流速, 防止大气泡包裹在内, 逐渐增大流速直至灌注口砂浆面高出轨道板顶约15公分, 此后随时观察灌注孔内砂浆的液面高度, 并控制流速维持砂浆面高度, 进行连续灌注, 待四角排气孔有砂浆均匀流出后及时关闭灌注阀门。直线板的灌注时间应控制在3~4分钟内, 曲线板的灌注时间应控制在5分钟±30秒内。当砂浆面高于轨道板顶面5~10公分且不能回落时, 灌浆过程才可告结束。
砂浆灌注的节奏是慢→快→慢, 切忌砂浆灌注过程中突然增加或减小砂浆的灌注流量。
当砂浆从排气孔溢出时, 不要立即封堵, 待积水充分排出, 流出正常砂浆, 且是满断面外溢时, 用孔塞或海绵进行封堵。采用带阀门的灌注漏斗补灌精调爪处空腔, 对空腔充分润湿并消除明水, 利用封边角钢封边并与底座板结合密贴。将砂浆灌入漏斗后, 打开阀门, 软管中气体排除并流出均匀砂浆后, 将软管塞入空腔最内部, 使砂浆在空腔内由内向外流, 排除内部空气消除空洞, 慢慢移动软管, 使空腔内充填饱满砂浆。将砂浆灌注至比轨道板底边高出约5公分后停止灌注。轨道板相应位置可粘贴胶带避免污染轨道板。
灌注完成后, 保持浆面高于轨道板底10公分。待砂浆失去流动性后, 掏出多余的砂浆, 取出灌注PVC管, 使砂浆面高于轨道板底5公分。
4.4 砂浆充填层施工中的常见质量问题
⑴饱满度
技术要求:轨道板与底座板间隙的砂浆充填层灌注饱满, 排气孔应有砂浆排出;周边和四个角应与轨道板底面粘结密贴, 不允许有裂缝或空洞。
不良现象:砂浆充填层的四个角空陷, 周边稀松不密实或与轨道板底面离缝。
可能原因:新拌砂浆的流动度偏大或扩展度偏小, 灌注时四个角和周边未充满;砂浆的膨胀率偏小, 灌注后未涨满;砂浆灌注量不够, 未完全充满 (排气孔未流出足够的砂浆) 灌注就停止了。
⑵密实度
技术要求:充填层密实, 无孔径达毫米级的大气孔、表面无气孔聚集层或尺寸大于20平方厘米的气孔聚集区;断面无气孔聚集区或裂缝。
不良现象:砂浆充填层表面有密集小气泡层, 断面局部夹杂有个别大气泡或细密气泡聚集层。
可能原因:新拌砂浆含气量和气泡孔径偏大;灌注时, 砂浆流动过程中夹入了较多的空气;新拌砂浆的砂浆稳定性差, 气泡不能稳定存在;新拌砂浆的流动度偏小。
⑶匀质性
技术要求:砂浆充填层任何部位的密实度和颜色均匀一致。
不良现象:充填层表面有浮浆或泌水流痕或颜色较深;充填层底部有粗砂沉积。
可能原因:新拌砂浆稳定性与匀质性不良;新拌砂浆流动度太小或扩展度太大。
4.5 控制和提高工程质量的基本原则
⑴务必严格按照国家现有的成熟的有关技术条件和规范精细施工;
⑵按照“暂行技术条件”要求检验原材料质量, 不合格的原材料拒绝验收入库;
⑶务必严格按照经实践检验成功的基本配合比和搅拌工艺拌合砂浆;
⑷严格执行“性能指标不合格的砂浆决不灌注”的规定。
5 结束语
本文通过分析CA砂浆拌合物的流变性能和粒子沉降规律, 优选出CA砂浆的主要原材料。结合沪昆客运专线江西段首件工程, 通过大量试验, 采用正交设计方法, 确定了CA砂浆最终配合比为:干料∶乳化沥青∶减水剂∶消泡剂∶水=1500∶250∶5.0~5.5 (可调) ∶0.05~0.07 (可调) ∶150~170 (可调) 。研究CA砂浆原材料的储存与管理、轨道板精调完成后的封边施工、底座板润湿, 以及CA砂浆的灌注及养护等工艺;总结了砂浆充填层施工中的常见质量问题及防范措施, 提出控制和提高工程质量的基本原则。
文章在CRTSⅡ型板式无砟轨道施工方面做了大量工作, 但是仍有不足之处, 例如:每次在灌注轨道板前都要进行野蛮的揭板试验, 这种方法不但费时费工、无形中增加了成本, 并且不能完全保证全部的灌浆都是成功的。所以迫切需要一种自动化水平高, 技术先进, 无损坏的检测技术来监测每一块板的灌浆情况
摘要：高速铁路板式无砟轨道近年来在中国有了较大的发展, CRTSⅡ型板式无砟轨道是中国高速铁路建设的主流轨道结构之一。而水泥乳化沥青 (简称CA) 砂浆是该类轨道结构的关键结构材料, 其性能直接影响到轨道结构的耐久性与安全性。本文结合沪昆客运专线江西段首件工程, 采用正交设计方法, 分析乳化沥青、干料、消泡剂、减水剂掺量对CA砂浆性能的影响情况, 确定了CA砂浆最终配合比;然后对原材料的储存与管理、轨道板精调完成后的压紧封边施工、底座板润湿工艺, 以及CA砂浆的灌注及养护进行研究;最后总结了砂浆充填层施工中的常见质量问题, 提出了控制和提高工程质量的基本原则, 对今后CRTSⅡ型板式无砟轨道施工水平的提高提供了可借鉴的工艺和方法。
关键词：CRTSⅡ型板式无砟轨道,水泥乳化沥青砂浆,配合比
参考文献
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水泥乳化沥青复合材料 篇3
本文以聚乙二醇/二氧化硅 (PEG/Si O2) 定形相变材料和沥青、水泥为原料, 采用物理共混法制备出沥青及水泥复合定形相变材料, 研究PEG/Si O2定形相变材料与沥青、水泥复合物的储热性能、热稳定性和兼容性, 探讨PEG/Si O2定形相变材料在沥青及水泥环境中应用的可行性。
1 实验
1.1 原材料与主要仪器
聚乙二醇 (PEG2000) , 工业级, 江苏省海安石油化工厂, 相变温度42.4℃, 相变焓188.1 J/g;硅溶胶, Si O2含量 (质量) 29.3%, 粒径11.7 nm, 浙江宇达化工有限公司;SK70#基质沥青;P·O42.5普通硅酸盐水泥, 重庆天助水泥有限公司产。
复合定形相变材料的储热性能采用Netzsch STA 449C综合热分析仪进行测试, 测试条件:保护气和冲扫气均为高纯氮, 流量分别为20 ml/min和40 ml/min, 温度循环为20~200℃, 升温速度10℃/min;在200℃的真空干燥箱中保温60min, 考察其热稳定性。采用Perkin Elmer Spectrum 100红外光谱仪KBr压片法分析PEG/Si O2定形相变材料与沥青及水泥的兼容性。
1.2 PEG/Si O2定形相变材料的制备
将一定量的PEG分散在硅溶胶中搅拌, 待完全溶解后, 调节温度使之胶凝化;将所得凝胶置于80℃烘箱中鼓风干燥12 h, 研磨后可得小颗粒PEG/Si O2定形相变材料, 其中相变材料PEGR的含量为50%~80%。
1.3 复合定形相变材料的制备
将PEG含量为80%的PEG/Si O2定形相变材料分别与计量的熔融沥青或一定水灰比的水泥浆混合并搅拌均匀, 使PEG/Si O2定形相变材料表面均匀覆盖1层沥青膜或水泥膜, 制得沥青及水泥复合定形相变材料。
1.4 复合定形相变材料的相变焓
复合定形相变材料的相变焓理论值可由式 (1) 计算[15]:
式中:ΔHPEG、ΔH———纯PEG和沥青或水泥复合定形相变材料的理论相变焓;
WPEG——复合定形相变材料中PEG的质量分数。
2 结果与讨论
2.1 复合定形相变材料的储热性能
沥青、水泥复合定形相变材料的TG-DSC分析结果见图1、图2。
由图1和图2可知, 沥青、水泥复合定形相变材料的相变焓分别为120.9 J/g、89.8 J/g, 均具有较高的储热能力。
表1为复合相变材料的相变温度、相变焓测试值及相变焓理论值。
注:WPEG—PEG质量分数;Ton—相变起始温度;Tp—相变峰温;ΔHm—实测相变焓;ΔH—理论相变焓。
从表1可知, 沥青、水泥复合定形相变材料的相变焓均较理论相变焓低。在复合定形相变材料中, 二氧化硅、沥青及水泥是作为一种杂质存在, 使PEG结晶微相区减小, 不能完全相互凝聚形成结晶, 结晶度下降;另一方面, 二氧化硅的微孔结构对PEG发生相变时的体积膨胀产生了制约, 导致其晶格无法整齐排列, 影响了PEG晶区的规整性, 结晶度降低, 相变焓减小。此外, 在水泥复合定形相变材料中, 还受水泥水化产生钙离子的影响, 位于二氧化硅表面的PEG分子或链段与钙离子形成络合物, 降低了PEG的结晶性能[16], 导致水泥复合定形相变材料的相变焓低于理论值。
2.2 复合定形相变材料热稳定性
由图1TG-DSC分析可知, 复合定形相变材料在20~200℃的温度循环过程中未发生质量变化, 也就是在200℃高温作用时复合定形相变材料未发生分解或降解, 化学性质稳定。将沥青、水泥复合定形相变材料放入200℃的真空干燥箱中保温60 min, 其中水泥复合定形相变材料在室温下养护28 d后所得。高温烘烤前后沥青、水泥复合定形相变材料的外观形状如图3、图4所示。
由图3、图4可见, 经200℃高温作用后, 沥青或水泥复合定形相变材料仍能保持固态, 这是因为二氧化硅微孔的毛细管作用及孔隙间壁的阻断作用牢牢禁锢了PEG使其不得溢出, 同时表面的沥青或水泥水化产物的裹覆层也起到了阻碍PEG泄漏的作用, 因此, 沥青或水泥复合定形相变材料均表现出优异的定形性能。该复合结构具有良好的固-固相变特性及热稳定性。且经高温处理后, 材料的复合定形性能表明, 材料仍呈颗粒分散状, 可直接添加到沥青混合料和水泥混凝土中, 以主动调控路面温度, 减轻温度病害, 改善路面使用性能, 延长使用寿命。
2.3 复合定形相变材料的兼容性
图5为PEG、PEG/Si O2、沥青或水泥复合定形相变材料的FT-IR光谱分析。
由图5曲线a可知, 3435 cm-1处为—OH基团的伸缩振动峰, 2888 cm-1处为—CH2—基团的伸缩振动峰, 1468 cm-1、962 cm-1和842 cm-1处均为—CH2—基团的弯曲振动吸收峰, 最强谱带1114 cm-1为PEG中C—O的伸缩振动峰。曲线b和曲线c中—OH基团的伸缩振动峰均有小幅度的红移, 这是因为PEG链端的—OH与二氧化硅凝胶表面的—OH形成了分子间氢键;800~1500 cm-1处对应的峰强PEG弱化, PEG中—CH2—的H与二氧化硅表面Si—O上的O形成了氢键Si—OH, 同时PEG也不同程度地进入到二氧化硅微孔结构内, 其C—O—C的O与二氧化硅的内表面—OH发生氢键缔合, PEG被大量的吸附。在水泥复合定形相变材料中, 二氧化硅表面的PEG分子或链段与钙离子形成络合物, 使得—OH、C—O的伸缩振动峰, —CH2—基团的伸缩和弯曲振动峰都较为明显地减弱, 同时有小幅度地红移, 但大致的峰形并没有改变。
沥青复合定形相变材料的红外光谱反映了PEG/Si O2定形相变材料与沥青复合后, 仍保留了各自的特征吸收峰。它们之间靠氢键进行简单的物理吸附作用, 并没有发生化学变化导致新物质的生成;水泥复合定形相变材料中, PEG/Si O2定形相变材料与水泥复合后, 由于二氧化硅表面的PEG与钙离子的络合作用, 导致PEG中的—OH、—CH2—、C—O基团的峰形减弱;结合水泥复合定形相变材料相变焓的大小来看, 只稍低于理论相变焓, 说明与钙离子作用的PEG仅仅是少数, 更多的PEG仍被大量吸附在二氧化硅孔中, 并未与钙离子作用, 因此, PEG/Si O2定形相变材料与沥青及水泥兼容性良好, 可以在沥青及水泥环境中应用, 并能充分发挥相变储能特性。
3 结论
采用物理共混法制备出综合性能良好的沥青或水泥复合定形相变材料, 相变焓分别高达120.9 J/g和89.8 J/g, 且在200℃高温下, 两者均不团聚, 颗粒分散性好, 表现出良好的固-固相变特性及热稳定性, 且PEG/Si O2定形相变材料与沥青或水泥兼容性良好。虽然PEG/Si O2定形相变材料应用到沥青或水泥中其相变焓有所下降, 但仍具有可观的相变焓, 说明PEG/Si O2定形相变材料在沥青或水泥环境中具有储热调温的效能, 故可将其添加到沥青混合料或水泥混凝土中主动调控温度, 实现相变储热降温和减少温度裂缝的功效。PEG/Si O2定形相变材料在公路工程中的应用将对降低夏季沥青路面温度, 减少路面车辙、推移等热稳性病害, 缓解城市热岛效应, 乃至缓解我国的电力供需矛盾、节约能源、保护环境将发挥重要作用, 具有较高的理论价值和良好的经济社会效益。
摘要：以聚乙二醇/二氧化硅 (PEG/SiO2) 定形相变材料与沥青、水泥为原料, 采用物理共混法制备出沥青或水泥复合定形相变材料。利用综合热分析仪 (TG-DSC) 测试复合相变材料的储热性能及热稳定性, 通过FT-IR对复合相变材料的兼容性进行了表征, 探讨PEG/SiO2定形相变材料在沥青、水泥环境中应用的可行性。试验表明, 复合定形相变材料具有较高的相变焓, 良好的热稳定性和兼容性。将PEG/SiO2定形相变材料应用于公路工程中, 可实现太阳能量转换与储存, 主动调节路面的使用温度, 并在高温条件下可有效降低路表温度, 减少温度对路面的病害, 缓解城市热岛效应, 改善人居环境, 其应用前景广阔。
水泥乳化沥青复合材料 篇4
CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥沥青砂浆由乳化沥青、水泥、细骨料、水和外加剂经特定工艺搅拌制得的具有特性性能的砂浆, 其质量对轨道结构轨道结构的耐久性至关重要。由于配制水泥乳化沥青砂浆的原材料品种多、组成复杂, 原材料的品质及其稳定性对于砂浆的灌注施工工作性能及水泥沥青砂浆层长期耐久性影响极大, 石武客专CRTSII型板式无砟轨道水泥沥青砂浆在依照《客运专线铁路CRTSII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) 基础之上, 结合实际工况条件增加了原材料基准样对比检验, 起到了确保水泥沥青砂浆原材料质量稳定性作用。
1原材料基准样的定义与认定
原材料基准样是指通过现场工艺性试验确定的, 满足现有水泥乳化沥青砂浆配合比使用要求的、质量指标合格且质量稳定性较好的原材料。由水泥沥青砂浆III级试验室提供基准样检测报告, 报水泥沥青砂浆II级实验室及监理共同确认基准样的批次与基准性能, 并对基准样进行编号。基准性能包括原材料各项指标, 利用原材料制备水泥乳化沥青砂浆的各项性能指标。
2水泥沥青砂浆原材料基准样选取
2.1 基准样选取时间
(1) 水泥沥青砂浆相关原材料和水泥沥青砂浆砂浆按照《客运专线铁路CRTSII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) 规定中的检测频次要求完成Ⅱ级试验室或其他有资质的砂浆试验室进行型式检验并满足要求。
(2) 见证型式检验的取样过程中样品有代表性, 并需检查所有型式检验报告。
(3) 水泥沥青砂浆Ⅱ级试验室应按规定的检测方法完成型式检验, 在《客运专线铁路CRTSII型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》要求的基础上对各项性能指标的适宜性进行评估。
(4) 在完成相关型式检验和水泥沥青砂浆适宜性评估后, 对由乳化沥青、干料、消泡剂和减水剂四种厂家生产重点材料到厂家进行实地检查, 重点检查厂家生产的连续性、稳定性。
2.2 基准样选取品种
石武铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥沥青砂浆在通过现场工艺性试验确定, 并结合2010年5月8日现场水泥乳化沥青砂浆灌注试验结果, 自2010年5月8日起所用基准样确定如下。
(1) 乳化沥青基准样, 型号AJ-1, 为2010年5月5日进场由株洲时代鄂州基地生产的2t乳化沥青。
(2) 干料基准样, 型号MJ-1, 为2010年4月16日进场由麦克斯特北京公司生产的干粉料。
(3) 消泡剂基准样, 型号DJ-1, 为2010年5月7日现场灌板试验所用由河南道纯公司生产的对应批次消泡剂。
(4) 减水剂基准样, 型号RJ-1, 为2010年5月7日现场灌板试验所用由天津雍阳公司生产的对应批次减水剂。
2.3 基准样的数量
按表1要求留存足够数量的基准样。
3基准样管理
3.1 基准样的存储
各种原材料基准样的存储应按照《客运专线铁路CRTSII型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》中的规定执行;标准未作规定的可参照材料供应商提供的存储技术要求进行。其中:沥青乳液、消泡剂、减水剂、水宜装在密闭的桶中, 存储于20±5 ℃环境中;干料要存储20±5 ℃的干燥环境中, 必须采用塑料密闭留样桶封存。
3.2 基准样的更新
当基准样用尽或超过存储超过材料供应商提供的保质期的情况下, 应及时更新基准样。基准样的更新必须采取逐个原料更新的方法进行, 必须确认所换基准样与其他基准物料的适应性基本相同的情况下方可替换。由水泥沥青砂浆III级试验室提供基准样更换报告, 水泥沥青砂浆II级试验室和相关单位共同确认。
4基准样比对检验
4.1 基准样比对检验配合比
在通过现场工艺性试验确定基准样比对检验配合比 (单位kg/m3) :沥青乳液∶干料∶减水剂∶消泡剂∶水=250∶1500∶3.8∶0.3∶155。
4.2 基准样比对检验方法
所谓基准试验是指采用三种基准样品与一种待检样之间, 按照统一标准条件、标准试验方法进行的试验, 基准试验的配比如下。试验方法:在23±2 ℃环境条件下, 称取沥青乳液400 g, 其他物料按配比称取, 采取标准行星式砂浆搅拌机进行拌和;拌和程序为:沥青乳液、减水剂、消泡剂加入后共同搅拌1 min, 然后在慢搅过程中加入干料 (30 s内加完) , 然后快搅2 min, 再慢搅1 min。然后按照《客运专线铁路CRTSII型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》中关于相应指标的试验方法进行, 测取各项技术指标。
4.3 基准样比对检验结果判定
当原材料出厂基准样比对检验结果与水泥沥青砂浆III级试验室进场基准样比对检验结果不一致时由水泥沥青砂浆II级试验室重新进行基准样比对检验, 以水泥沥青砂浆II级试验室结果作为最终结果。
5基准样比对检验运用
5.1 原材料出厂基准样比对检验
(1) 乳化沥青、干粉等厂家在原有出厂检验的基础上, 在每批产品出厂前按基准样比对检验进行出厂检验, 在出厂检验和基准样比对检验同时合格时方可出厂, 并提供出厂检验和基准样比对检验报告。
(2) 乳化沥青、干粉等厂家在出厂检验和基准样比对检验发现产品性能变化有可能影响水泥乳化沥青砂浆性能时, 应向使用单位提供书面告知并对影响程度提出评估意见。
5.2 原材料进场基准样比对检验
(1) 每批原材料进场前对乳化沥青和干粉等材料检查确认厂家提供的出厂基准样比对检验报告。
(2) 乳化沥青、干粉、减水剂和消泡剂进行进场时由水泥沥青砂浆III级试验室做基准样比对检验, 发现产品性能变化有可能影响水泥乳化沥青砂浆性能时, 应及时向水泥沥青砂浆Ⅱ级试验室通知, 并对影响程度提出评估意见和相应解决措施建议。
6结论
在石武客专CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥沥青砂浆施工中通过增加了采用乳化沥青、干料、减水剂与消泡剂等原材料实行基准样对比检验制度, 有效消除每批进场物料的质量波动对水泥乳化沥青砂浆性能的影响, 确保水泥乳化沥青砂浆质量稳定可靠。
参考文献
[1]客运专线铁路CRTSⅡ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) [S].
[2]郑州筑邦建材有限公司.水泥乳化沥青砂浆与无砟轨道[J].河南建材, 2009, (6) :14-15.
水泥乳化沥青砂浆微观结构分析 篇5
材料的宏观性能是其微观性能的具体反映, 是内在微观性能的外在表现[1,2,3]。水泥乳化沥青砂浆材料的微观结构及性能决定了无机-有机复合水泥乳化沥青砂浆材料的力学行为和耐久性能。通过对水泥乳化沥青砂浆材料的孔结构分析、SEM分析, 以及水泥乳化沥青砂浆与混凝土界面结合方式的分析研究, 得出水泥乳化沥青砂浆材料微观结构和组成砂浆材料与种类密切相关。研究结论有助于加深对水泥乳化沥青砂浆复合材料微观性能的认识, 进一步提高该材料的技术开发与应用水平。
2 水泥乳化沥青砂浆孔结构分析
孔结构是水泥乳化沥青砂浆结构体系中重要的组成之一, 在水泥乳化沥青砂浆结构体系中存在大量孔径大小不等、形貌不同和空间排列各异的不同空隙及孔结构。水泥乳化沥青砂浆中的空隙及孔结构包含有硬化水泥石中的空隙、界面区中的空隙、砂浆搅拌中引入的空气以及由引气剂引入的空气等形成的空隙及孔结构。水泥乳化沥青砂浆空隙与孔的结构特征对砂浆的力学性能及耐久性能等宏观行为具有重要影响。通常, 空隙率越小, 强度和耐久性能越高;在总空隙率相同的情况下, 小孔的比例越大或平均孔径尺寸越小, 强度和耐久性能越高。
水泥乳化沥青砂浆28 d抗压强度与孔隙率之间的关系见图1。
由图1可以看出, 水泥乳化沥青砂浆28 d抗压强度随孔隙率的增加而减小。既然空隙与孔结构对水泥乳化沥青砂浆宏观行为影响重大, 那么研究砂浆空隙与孔结构, 包括孔径大小、孔径分布及空隙总面积等就尤为重要。结合不同组成材料及不同砂浆配合比, 对水泥乳化沥青砂浆的孔结构进行研究。
乳化沥青是组成水泥乳化沥青砂浆的关键材料, 不同性能品质乳化沥青与细骨料界面结合方式及紧密结合程度不同, 不同性能品质乳化沥青与水泥水化产物的交互作用及紧密结合程度不同。这些不同的界面结合方式、交互作用及紧密结合程度, 直接影响着水泥乳化沥青砂浆的孔径大小、孔形貌及孔的空间排列状况, 并最终影响其空隙结构。
由2种不同乳化沥青材料所制备而得的水泥乳化沥青砂浆, 其孔结构特征见表1。其中砂浆S1、S2采用乳化沥青R1, 砂浆S3、S4采用乳化沥青R2。
由表1可以看出, 采用不同乳化沥青所制得的水泥乳化沥青砂浆其总空隙面积、体积中间孔径、面积中间孔径、平均孔径和特征长度有着显著的差异。
S1、S2和S3、S4砂浆空隙结构见图2, 其中曲线1、2为S1、S2砂浆空隙结构曲线, 采用R1乳化沥青, 曲线3、4为S3、S4砂浆空隙结构曲线, 采用R2乳化沥青。
由图2可以看出, 同一种乳化沥青配制的水泥乳化沥青砂浆, 其孔结构相似, 不同乳化沥青配制的水泥乳化沥青砂浆, 孔隙结构差异显著。
不同砂浆孔径分布见图3。
由图3可以看出, 不同乳化沥青制得的水泥乳化沥青砂浆其孔径分布大不相同, 而且S1、S2砂浆中小于200μm孔径约占全部孔径50%;S3、S4砂浆孔径较大, 小于200μm孔径约占全部孔径13%, 大于200μm孔径约占全部孔径87%。按照美国学者Mehta P K的孔径理论, 认为孔径大于100μm, 对材料强度和渗透性会有消极影响[4,5,6,7,8,9,10];藉此理论, 可以判断采用原材料R1乳化沥青所制得的水泥乳化沥青砂浆所形成的空隙和孔结构较采用原材料R2乳化沥青所制得的水泥乳化沥青砂浆所形成的空隙和孔结构更为合理, 具有更优的力学性能和耐久性能。但是, 由于砂浆中各个组分存在不同的迭加效应和相互作用, 因此, 不能简单的认为水泥乳化沥青砂浆的宏观行为 (强度、耐久性) 只决定于砂浆的孔隙率和孔结构。
研究还发现, 当采用不同砂浆配合比时, 只要所制得水泥乳化沥青砂浆满足暂行条件技术要求, 其空隙分布尽管有所不同, 但差异不是特别显著。
3 水泥乳化沥青砂浆SEM分析
水泥乳化沥青砂浆是一个非匀质的多相复合体, 主要由硬化水泥浆体、细骨料、沥青颗粒、空隙和孔等组成。在水泥乳化沥青砂浆物质结构体系中, 存在砂1/4水泥浆体、砂1/4沥青颗粒和沥青颗粒1/4水泥浆体等多种结合方式, 各种组成材料及水泥水化矿物俩俩结合相互作用。由于硬化水泥浆体、沥青微粒和骨料的膨胀变形不一致, 或因骨料表面包裹水膜, 骨料与水泥浆体粘结, 沥青微粒与水泥浆体胶结、沥青微粒与骨料粘结等结合方式各不相同, 以及一定的空隙存在等因素, 致使在水泥乳化沥青砂浆内部各组分之间会产生细微的缝隙和微弱结构界面。该裂纹或微弱结构界面是砂浆中的最薄弱环节, 是直接影响砂浆力学性能与耐久性的重要因素。为了进一步观察砂浆内部矿物及界面结构的状况, 本试验利用扫描电子显微镜观察砂浆内部矿物及砂浆界面的28 d形貌特征 (见图4—图7) 。
由图4、图5可以看出, 在水泥乳化沥青砂浆结构体系中, 骨料和沥青微粒均匀分散在水泥浆体中;由图6可以看出, 在水泥乳化沥青砂浆结构体系中, 存在大量大小不等形态各异的孔结构及不同的多相结合界面;由图7可以看出, 在水泥乳化沥青砂浆各组分、矿物结合界面及孔隙中, 存在大量反应生成物, 且相互黏结螯合。从实物形貌结构上进一步解释了水泥乳化沥青砂浆强度形成机理。
4 水泥乳化沥青砂浆与混凝土界面结构分析
水泥乳化沥青砂浆与混凝土的结合情况影响着砂浆与混凝土的粘接强度, 决定着无砟轨道结构使用性能和列车的安全平稳运行。新拌水泥乳化沥青砂浆浆体在压应力、自流渗透和浸渍作用下, 由混凝土表面侵入内部空隙和毛细孔道, 在结合界面处与原生混凝土组分及水化矿物发生二次反应及二次水化反应, 形成新的反应物, 各反应物之间相互结合填充, 形成新的界面网络结构。利用扫描电子显微镜观察了不同龄期 (7 d和28 d) 水泥乳化沥青砂浆与混凝土界面结合情况的形貌特征 (见图8、图9) 。
由图8、图9可以看出, 在水泥乳化沥青砂浆和原生混凝土间存在一明显界面, 随着水化反应和二次反应的不断发展, 界面逐渐被反应物密实填, 相互结合成网络构架, 产生一定的粘结强度, 从实物形貌结构上进一步解释了水泥乳化沥青砂浆与原生混凝土界面连接较好, 结构相对紧凑密实。
图10—图13是水泥乳化沥青砂浆与原生混凝土界面结合情况宏观图片及断裂图片。
从图10—图13可以清晰看出, 水泥乳化沥青砂浆与混凝土紧密结合, 在外力破坏作用下, 其断裂位置并不局限在砂浆与混凝土结合界面, 大部分断裂位置在原生混凝土自身界面, 说明砂浆与原生混凝土之间结合紧密, 粘接有力。
5 结论
(1) 孔结构是水泥乳化沥青砂浆微观结构体系中重要组成结构之一, 空隙率越小, 强度和耐久性能越高;在总空隙率相同的情况下, 小孔的比例越大或者平均孔径尺寸越小, 强度和耐久性能越高;
(2) 采用不同乳化沥青所制得的水泥乳化沥青砂浆其总空隙面积、体积中间孔径、面积中间孔径、评均孔径和特征长度有着显著的差异;
(3) 采用R1乳化沥青所制得的水泥乳化沥青砂浆与R2乳化沥青所制得的水泥乳化沥青砂浆相比较, 由于其所形成的空隙和孔结构更为合理, 故具有更优的力学和耐久性能;
(4) 砂浆中各个组分存在不同的迭加效应和相互作用, 不能简单的认为水泥乳化沥青砂浆的宏观行为 (强度、耐久性) 只决定于砂浆的孔隙率和孔结构;
(5) 裂纹或微弱结构界面是砂浆中的最薄弱环节, 是直接影响砂浆力学性能与耐久性的重要因素;
(6) 在水泥乳化沥青砂浆各组分、矿物结合界面及孔隙中, 存在大量反应生成物, 且相互黏结螯合;
(7) 新拌水泥乳化沥青砂浆浆体在压应力、自流渗透和浸渍作用下, 侵入原生混凝土内部空隙和毛细孔道, 在结合界面处与原生混凝土组分及水化矿物发生二次反应及二次水化反应, 形成新的反应物, 各反应物之间相互结合填充, 形成新的界面网络结构;
(8) 水泥乳化沥青砂浆与原生混凝土界面连接较好, 界面结构紧凑密实。
参考文献
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水泥乳化沥青复合材料 篇6
沥青路面再生研究在国外起步较早, 已经形成了一个技术系统。1997年美国NCAT (National Center for Asphalt Technology, 国家沥青技术中心) 的报告全面总结了沥青路面再生的研究成果, 其中包括了沥青路面冷再生的材料与混合料设计的研究成果。国内近几年在沥青路面冷再生方面的研究也逐渐增多, 再生剂主要为乳化沥青、泡沫沥青及掺加少量水泥等。
乳化沥青是一种最常用的广义再生剂, 采用其进行沥青路面冷再生, 操作简单、方便。由于乳化沥青冷再生混合料在成型过程中掺入沥青乳液, 而乳液需经历破乳过程, 其粘结力随时间增长。由于混合料早期强度低, 易于发生松散, 因此早期需采取封闭交通或限制车速等措施, 待其强度在行车荷载和外界环境作用下增强到一定程度后, 才完全开放交通, 严重影响了其工程应用和推广。而在冷再生混合料中加入少量的水泥, 可加速乳化沥青破乳, 提高混合料的早期强度、缩短开放交通时间。沥青和水泥共存, 其混合料兼具刚性与柔性特点。本文以乳化沥青为主要再生剂, 通过试验, 对掺加水泥的乳化沥青冷再生沥青混合料试件的强度进行对比分析和探讨。
(一) 试验用原材料
旧沥青路面材料为京珠国道主干线湖南境内某段高速公路路面面层铣刨料, 旧沥青混合料级配为AK-16型, 其沥青结合料为SBS I-D聚合物改性沥青、含量4.4%、集料为玄武岩。乳化沥青为拌和用慢裂慢凝型SBR改性乳化沥青, 蒸发残留物含量为59%。水泥为PO32.5级普通硅酸盐水泥, 其各项技术指标满足《公路水泥混凝土路面施工技术规范JTG F30-2003》相关要求。将旧路面材料当作集料或“黑石头”, 100%RAP集料级配的筛分结果如图1所示。
(二) 混合料试件制件与养生
慢裂慢凝型乳化沥青多采用最佳液体总量确定最佳含水量, 而本试验采用的为慢裂快凝型乳化沥青, 所以本文采用最佳含水量法确定外加水的用量。
先将RAP与水泥一起拌和使水泥分布均匀, 再加入适量的水, 拌和均匀, 使集料表面完全湿润, 然后加入乳化沥青, 再拌和均匀。为了模拟混合料实际的强度生长过程, 以及路面修筑后为使混合料进一步密实的要求而继续行车压实的情况, 混合料试件击实分两次进行, 第一次为混合料拌制入模时, 两面各击实50次;模内养生24h后两面各击实25次。
温度是影响养生的重要因素, 温度高固然能提高养生速度, 但温度越高混合料中的沥青越易软化, 引起材料的结构将改变, 且会抑制水泥的水化从而导致水泥水化物最终强度降低, 本次试验养生温度采用低压蒸汽养护温度60℃, 养生时间为3d, 确保试件中没有水分, 处于完全干燥状态。
(三) 试验结果与分析
1. 15ºC劈裂强度试验
劈裂试验间接地量测材料的抗拉强度, 操作方便, 是评价沥青混合料使用性能常用的试验方法。沥青混合料与半刚性基层材料的劈裂抗拉强度也是路面结构设计的重要参数, 现行规范JTJ F40也采用劈裂试验作为评价沥青混合料的水稳定性的手段。本文测试了不同水泥剂量 (0%、1%、2%、3%) 的乳化沥青冷再生沥青混合料的15ºC劈裂强度, 其结果见图2。
由图2可知, 乳化沥青冷再生沥青混合料的15ºC劈裂抗拉强度随水泥含量的增加而近似线性增加, 说明水泥的掺入能提高混合料的最终强度。
2. 冻融劈裂强度试验
由图3可见, 掺入少量水泥既可显著改善混合料的水稳定性, 加入1%水泥可使冻融劈裂试验残留强度比TSR提高到81%, 但继续增加水泥用量却不能进一步提高混合料的TSR及混合料的抗水损性能。
3. 15ºC与20ºC抗压强度
试件制作采用已经确定的最佳含水量与最佳油石比, 参照JTJ 052规程T0704“沥青混合料试件制作方法 (静压法) ”, 圆柱体试件直径100±2.0 mm、高100±2.0 mm。根据现行JTG D50规范, 试验在20°C与15°C两个温度下, 按照JTJ 052规程T0713“沥青混合料单轴压缩试验 (圆柱体法) ”进行, 加载速率为2 mm/min。
由图4可见, 混合料15ºC与20ºC抗压强度随掺入水泥的成近似线性关系。混合料15ºC抗压强度在1.5~2.2MPa之间, 20ºC抗压强度在1.1~1.4MPa之间。
(四) 结语
本文通过对掺加不同水泥剂量的乳化沥青冷再生混合料进行劈裂强度、冻融劈裂强度和抗压强度等室内试验, 对比分析和探讨了未加水泥和加水泥乳化沥青冷再生沥青混合料的性能, 可以得出以下几点结论:
1.乳化沥青冷再生沥青混合料的15ºC劈裂抗拉强度随水泥含量的增加而近似线性增加, 说明水泥的掺入能提高混合料的最终强度。
2.掺入少量水泥既可显著改善混合料的水稳定性, 加入1%水泥可使冻融劈裂试验残留强度比TSR提高到81%, 但继续增加水泥用量却不能进一步提高混合料的TSR及混合料的抗水损性能。
3.混合料15ºC与20ºC抗压强度随掺入水泥的成近似线性关系。混合料15ºC抗压强度在1.5~2.2MPa之间, 20ºC抗压强度在1.1~1.4MPa之间。
参考文献
[1]Asphalt Recycling and Reclaiming Association (ARRA) .Guidelines for Cold In-place Recycling[M].ARRA, Annapolis, MD, 1991.
[2]美国沥青再生协会/Asphalt Recycling and Reclaiming Association (ARRA) 编著, 深圳海川工程科技有限公司编译.美国沥青再生指南/Basic Asphalt Recycling Manual[M].北京:人民交通出版社, 2006.
[3]National Center for Asphalt Technology (NCAT) , Participant’s Reference Book.Pavement Recycling Guidelines for State and Local Governments[R].U.S.Department of Transportation, Federal Highway Administration, Publication No.FHWA-SA-98-042, 1997, 4-9.
[4]交通部阳离子乳化沥青课题协作组.阳离子乳化沥青路面 (修订版) [M].北京:人民交通出版社, 1998.
水泥乳化沥青复合材料 篇7
由中铁十一局集团第二工程有限公司施工的沪杭铁路客专六标一分部, 施工里程为DK125+732~DK135+152, 设计时速350 公里, 设计为板式无砟轨道中的CRTSⅡ型 (纵连板) , 为了现场水泥乳化沥青砂浆的顺利灌注及后续施工中的有效指导, 本文对水泥乳化沥青中各种原材料的质量控制、CA砂浆的配合比、CA砂浆施工性能、外界环境对CA砂浆性能的影响以及CA砂浆现场灌注时的质量控制等各方面进行了总结, 以便日后施工中起着指导作用。
2 水泥乳化沥青砂浆灌注施工工艺性试验
CA砂浆现场灌注质量与砂浆配合比、原材料、设备、环境温湿度、现场施工板的曲线程度等有一定的关系。所以在灌注之前需要在施工现场选取一个地点, 结合施工实际情况, 制作符合现场实际情况的模拟工作台, 对每台砂浆车进行工艺性揭板试验, 总结砂浆车的搅拌参数、投料工艺、验证CA砂浆配合比可工作性, 只有灌注后揭板情况符合现行标准要求、气孔少、无沥青破乳现象发生的才可实际施工, 灌注工艺见图1。
2.1 轨道板底和底座板面冲洗和预湿
根据气候条件的不同, 对底座板及轨道板底进行预湿, 根据该部采用的角钢封边方式和天气情况, 在灌浆前2-4 小时进行预湿, 预湿和板底及底座砼表面清洗同步进行。轨道板吊起进行铺设时, 用高压水枪对底座砼和轨道板进行冲洗, 冲洗完成后, 对底座板上的明水和轨道板底的水珠用棉布进行清除, 然后铺设轨道板。也可以轨道板铺设后, 采用高压水枪对轨道板底进行湿润, 然后用吸水棉布在板腔内拉动, 消除明水。立即进行封边, 并对排气孔和灌浆孔进行遮盖, 使蒸发的水分始终在板腔内, 以保证板腔内的湿度, 如图2 所示。
2.2 轨道板边缝密封
在轨道板精调工作完成且进行预湿后立即对轨道板边进行密封。
轨道板横缝密封采用普通砂浆, 按配合比人工拌合。砂浆的注入量应超出轨道板底边至少1cm。为保证横缝砂浆的强度, 横缝密封应在灌浆前12 小时完成。灌浆时注意标志点不能被砂浆掩盖, 用5cm直径的PVC短管保护标志点。
纵向密封采用角钢安装及固定, 先将8mm厚封边布放在封边位置, 然后将角钢压在土工布条上, 安装时要注意也轨道板密贴, 不起皱。在规定的排气孔位置以45 度倾角焊长为12cm内径为3cm的钢管 (如图3 所示) 。角钢安装好后, 使用U型架从板面向下倒扣固定角钢, 通过U型架上的螺栓进行紧固。 (如图4 所示)
2.3 安装PVC管和防污布
为了保证灌浆时不污染轨道板面, 在灌浆前 (宜在预湿前) 在轨道板的三个灌浆孔中插入预制好的PVC管, 并在中间灌浆孔覆上防污布, 在边缝密封后立即对灌浆孔和排气孔进行封堵, 保证润湿水分不被蒸发。
PVC管直径为16cm, 长度为30cm, 在一端7cm处切开, 并用透明胶带缠绕, 以保证跟圆锥体形的灌浆口很好地接合。
2.4 轨道板固定
为减小在砂浆灌注时轨道板的上浮量, 在轨道板封边后, 对轨道板安装压紧装置。在轨道板两端和两侧中部进行扣压。轨道板两侧中部扣压时, 采用钻孔锚杆固定。
扣压固定装置安装, 在指定位置装上扣压装置以后, 用翼形螺母拧紧, 以防轨道板移动。
2.5 砂浆灌注
CA砂浆拌制完成并取样检测合格后, 从砂浆车搅拌仓中置入中间存储仓, 中间存储仓需有搅拌器, 使砂浆保持在搅动状态。
使用25T吊车直接吊装中转仓到灌浆位置。灌浆时确保中转仓上出料口高于轨道板表面0.5-1.0m之间, 经过漏斗注入板腔。灌浆速度按慢-快-慢进行, 时间控制在3 到5 分钟, 同时对侧面封边6个排气孔进行观测, 当排气孔处均匀满孔冒出砂浆且无气泡时, 用木塞或海绵堵住排气孔, 所有排气孔冒出砂浆, 将排气孔全部堵住, 灌浆过程即告结束。灌浆孔内砂浆表面高度至少应达到轨道板的底边以上, 而不能回落到底边以下。灌完一块板后, 中转仓返回, 等待下一次新拌砂浆。
2.6 揭板
当砂浆强度达到1MPa以上时, 采用顶升精调爪, 使轨道板与砂浆层分离, 然后用25T吊车揭板。
揭板后, 按规范及《沪杭客运专线水泥乳化沥青砂浆灌注工艺》要求, 对水泥乳化沥青砂浆是否泌水, 表面流动痕迹、表面沥青聚积、砂浆表面轨道板的拉毛痕迹、表面气泡、断面夹层、断面内气泡、表面是否起皮发泡:砂浆是否分层, 其均匀度, 轨道板下砂浆的充盈程度, 砂浆与轨道板的精结情况等进行检查, 并做好文字和图像记录。
2.7 现场施工
经多次试验, 达到质量稳定, 工艺成熟后方能进行现场施工。现场施工中必须严格按照工艺试验中总结的各项参数及各工艺流程施工。
3水泥乳化沥青砂浆质量问题分析及控制
3.1水泥沥青砂浆拌制质量控制
3.1.1水泥沥青砂浆拌制
(1) 水泥沥青砂浆采用砂浆车搅拌, 把投料顺序和搅拌工艺输入砂浆车电脑控制系统, 每次输入配合比和搅拌量后, 由砂浆车自动进行搅拌。
(2) 根据厂家给定的配合比范围在室内对施工配合比进行微调整, 使各项性能符合施工规范及现场要求, 表1 是本施工标段施工配合比调整及搅拌工艺的要求。
(3) 投料顺序和搅拌工艺:先投液料 (乳化沥青、减水剂等) , 再投干粉料。液料全部投完后, 然后在持续转速下投入干粉料, 搅拌转速为80 转/分, 待干料全部投完后进行高速搅拌, 转速为120 转/分搅拌150 秒, 最后减速至30 转/分的慢搅并维持60 秒, 至此搅拌过程结束, 卸料至中转罐。
3.1.2 水泥沥青砂浆指标检测
泥沥青砂浆搅拌完成以后, 首先进行砂浆工地试验指标检测, 如流动度、初始扩展度、含气量和容重及成品砂浆温度等, 检测后格后方可进行砂浆灌注, 如检测不合格应倒入废浆池, 并根据不合格指标, 适当调节外加剂后, 再重新搅拌砂浆, 严禁对不合格的CA砂浆混合料进行再搅拌使用。具体指标如下:初始流动度标准为80-120s;初始扩展度为a5 ≥280mm和t280 ≤16s、30 分钟扩展度为a30≥280mm和t280≤22s;含气量测定:标准为<10%;容重测量:>1800kg/m3;新拌砂浆温度测定:5-35℃, 采用精度不大于0.5℃的温度计测量。
3.2 影响水泥乳化沥青砂浆性能的因素分析
水泥乳化沥青砂浆的拌合物性能受很多因素的影响, 尤其是干料、乳化沥青、减水剂、消泡剂等原材料成分的影响, 其次总搅拌时间、搅拌转速、材料与环境温度等对混合砂浆性能影响见图5。
水泥乳化沥青砂浆含气量、流动度、扩展度受搅拌投料顺序、快速搅拌转速、搅拌总时间、材料与环境温度影响较大, 图5 是在其他条件一样的情况下分别从搅拌时间、快速搅拌转速、材料及环境温度三个方面进行试验, 从试验结果综合方面考虑及现场实际灌注揭板试验得出结论如下:新拌乳化沥青砂浆流动度为80-90s、含气量在6%-8%、温度控制在5-30℃时满足现场灌注要求。
3.3 CA砂浆原材料质量控制
CA砂浆是由乳化沥青、干料 (其中干料中含有砂、水泥、铝粉等材料) 、减水剂、水、消泡剂等多种材料混合搅拌而成。在选定各种原材料之前需对各厂家进行调查, 选择信誉好、生产规模大的、质量稳定的厂家。每种材料进场后需根据标准要求按批对各种材料的性能进行检验, 各种材料的性能指标满足《客运专线铁路CRTSII型办事无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》要求。
3.3.1 干料运输和存储注意事项:
(1) 干燥配料运输、保存和存放时须保持干燥状态, 温度为5~30℃, 存放时采取下垫上盖措施, 严禁受潮、受冻、阳光直射或直接暴露在太阳底下。
(2) 由于干料是由水泥、砂、铝粉等材料组成, 所以干料在运输和贮存时间不得超过6 周。
3.3.2 乳化沥青运输和存储注意事项:
(1) 液体配料在运输、保存和存放时温度需控制在5~30℃, 存放时严禁受潮、受冻、阳光直射或直接暴露在太阳底下。
(2) 运输和存储时必须保持干净。禁止污物、油或清洁剂等污染。
(3) 只允许采用合适的泵送沥青乳化剂, 为了避免沥青的沉淀, 乳化剂必须每天搅动或者回泵。
(4) 不同厂家的沥青不得混装, 确保沥青性能。
3.3.3 减水剂、消泡剂运输和存储中必须严格按照现行有效的国家标准和行业标准控制执行, 以免失效。
3.4 封边及加固冲击装置安装注意事项
(1) 精调爪必须安装在规定位置, 不得移位, 否则角钢无法安装。
(2) 封边布与轨道板和底座板必须密贴。
(3) 角钢上圆管位置里边的封边布上需做一个3cm的孔, 便于砂浆排出。
(4) 角钢封边时, 要轻拿轻放, 禁止破坏轨道板表面, 且不可对轨道板产生扰动。
3.5 灌浆过程注意事项
(1) 除灌浆作业人员, 其他人员禁止踩踏轨道板。
(2) 灌浆时, 排气孔封堵人员要注意观察是否漏浆, 要及时堵塞。
(3) 严格按照慢-快-慢的速度进行灌浆。
4 总结
CA砂浆灌注质量受很多因素影响, 如:混合料搅拌车的转速、搅拌时间、成品料运输时间、轨道板与混凝土支撑层或混凝土底座板之间的干湿程度、环境气候、原材料质量等, 另CA砂浆灌注过程中现场大型设备较多, 交叉作业, 需做好现场设备调度问题, 现将有关情况总结如下:
(1) 施工前所有参加人员 (施工员、安全员、调度等) 需进行岗前培训, 考核合格后持证上岗;
(2) 施工灌注前, 认真调查施工现场情况、施工图纸、配合比在选定过程中的各项注意事项、严格按照程序向各级各层上报审批;
(3) 施工之前所有砂浆车均须进行揭板试验, 总结投料顺序、搅拌转速、环境与材料温度、搅拌时间等对性能的影响后才能正式上道施工;
(4) 严格按规范要求, 采取先进的机械设备、高精密的测量和试验仪器进行质量控制。
(5) 施工之前需对各种原材料厂家进行调查, 如产能、质量控制、信誉等, 进场后对各种材料进行检测, 检验合格后方可按照贮存要求条件进行贮存管理。
(6) 施工中CA砂浆的搅拌工艺需严格按照揭板过程中参数进行投料、搅拌、运输等。
(7) 由于CA砂浆施工对轨道板精度要求很高, 所以要求一般在灌注之前24h内进行精调, 而施工中部分路段工作面有限, 为施工正常有序进行必须进行有效配合, 制定严格的安全管理制度和措施, 定期分析安全生产形势, 研究解决施工中存在的问题, 建立、健全各级安全责任制, 责任落实到人。充分发挥各级专职安检人员的检查和监督作用, 及时发现和排除安全隐患。
参考文献
[1]《客运专线无砟轨道铁路工程施工质量验收暂行标准》 (铁建设〔2007〕85号) .