CN104817301B - 一种凝结时间可控的水泥乳化沥青砂浆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种凝结硬化时间可控的水泥乳化沥青砂浆及其制备方法。所述水泥乳化沥青砂浆包括如下重量份的原料：水泥0.95～0.99份，乳化沥青0.35～1.8份，水性环氧乳液0.01～0.25份，水性环氧固化剂0.01～0.15份，砂1～2.5份，膨胀剂0.01～0.05份，水0～0.4份，消泡剂0.001～0.01份，引气剂0.005～0.01份，铝粉0.0001～0.0003份。本发明提供的水泥乳化沥青砂浆具有环境温度适应性强、凝结时间可调、耐久性好等特点，特别是在环境温度较低(5℃～10℃)时，能大幅缩短水泥乳化沥青砂浆凝结硬化时间，并提高砂浆施工质量的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于铁路建筑材料领域，具体涉及一种用于充填高速铁路板式无砟轨道板下空间的、凝结硬化时间可控的水泥乳化沥青砂浆及其制备方法和应用。
背景技术
随着高速铁路网建设规划逐步付诸实施，板式无砟轨道作为主要结构形式之一，在我国得到了大量应用。板式无砟轨道的结构特点是在路基或桥梁面上铺设混凝土底座，在底座上放置预制的轨道板，两者之间预留3～5cm厚的空间，灌注水泥乳化沥青砂浆，固化后形成均匀的兼具刚性和弹性的充填垫层。水泥乳化沥青砂浆充填层是板式无砟轨道的关键组成部分，一方面充填板下空间、调整轨道施工误差，另一方面可使轨道具有合理的弹性。因此水泥乳化沥青砂浆充填层材料的使用对于提高列车高速行驶的安全性与舒适性均具有非常重要的作用。
目前，我国自主研发的水泥乳化沥青砂浆无砟轨道施工和使用中效果均较好。现行铁道部技术条件(科技基[2008]74号)要求施工时环境温度和砂浆温度均需大于5℃，但仅规定砂浆在温度(20±3)℃下养护24h的强度大于0.1MPa，对其他温度养护条件下的24h强度并未做出要求。我国冬季时环境温度普遍较低，不仅北方地区，即使是南方地区，也会出现连续10℃以下的气温，达不到现行技术条件标准养护温度(20±3)℃的下限17℃。在这样的低温养护条件下，砂浆达到0.1MPa的拆模时间必然延长；致使相关工装周转效率低下。为此，冬季水泥乳化砂浆施工时一般采取外搭暖棚，内生炉子、覆盖棉被并加上电热毯的增温保温方案。冬季搭棚生炉子有安全隐患，砂浆施工时野外供电也较困难。即使做了这些保温增温措施，在冬季野外环境也难以达到理想的养护温度水平，夜间气温过低时更难以确保砂浆24h达到0.1MPa的拆模强度。另外，上述增温保温措施也使冬季施工费用大幅增加，增加了施工单位负担。
无论是温暖地区砂浆，还是严寒地区砂浆，针对的只是硬化后的服役环境不同，其都要求砂浆在环境温度合适的条件下施工。如果在5～10℃的环境中施工，充填在轨道板下空间的砂浆长时间不能凝结固化，一方面拆模时间延长，同时还会导致轨道病害，如揭板表面起皮、中间气泡夹层、板与砂浆离缝等。现有技术对如何调节砂浆凝结硬化速度以及保证低温条件下的砂浆灌注质量研究较少。仅少数研究单位采用合成橡胶乳液、乙烯/醋酸乙烯共聚物乳液、或改性丙烯酸橡胶乳液等单一聚合物乳液对水泥乳化沥青砂浆进行性能改善。单一乳液的胶凝/破乳成膜主要依靠水泥水化的促进，本身并不能自发反应而固化。但是水泥在低温条件下的水化速度大幅降低，即使采用上述单一聚合物乳液改性，砂浆低温下的凝结硬化速度仍不理想，并不适合直接在低温环境养护条件下的施工。因此，有必要针对低温施工养护环境，对水泥乳化沥青砂浆凝结硬化做进一步的优化。
发明内容
针对上述问题，本发明的一个目的在于提供一种用于充填高速铁路板式无砟轨道板下空间的、凝结硬化时间可控的水泥乳化沥青砂浆。在5℃～10℃的低温环境下，该水泥乳化沥青砂浆含有的水性环氧乳液和水性环氧固化剂(双组份水性环氧)能在砂浆体系中快速形成立体网络结构，不仅缩短了砂浆凝结硬化的时间，而且可以防止气泡、沥青颗粒、水泥、砂粒等上浮或下沉形成病害，保证砂浆凝结硬化过程中的均质性，从而提高了水泥乳化沥青砂浆的环境适应性和后期使用耐久性。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案。
一种凝结硬化时间可控的水泥乳化沥青砂浆，以重量份计，包括：水泥0.95～0.99份，乳化沥青0.35～1.8份，水性环氧乳液0.01～0.25份，水性环氧固化剂0.01～0.15份，砂1～2.5份，膨胀剂0.01～0.05份，水0～0.4份，消泡剂0.001～0.01份，引气剂0.005～0.01份，铝粉0.0001～0.0003份。
优选的，所述水泥乳化沥青砂浆，以重量份计，包括：水泥0.95～0.99份，乳化沥青1.2～1.6份，水性环氧乳液0.15～0.25份，水性环氧固化剂0.05～0.15份，砂1～2.5份，膨胀剂0.01～0.05份，水0～0.4份，消泡剂0.001～0.01份，引气剂0.005～0.01份，铝粉0.0001～0.0003份。
优选的，所述的水性环氧乳液选自牌号DDR331、GEM02、GEM03、AB-EP-44、AB-EP-47和AB-EP-51的水性环氧乳液中的一种或任意比例的多种。
优选的，所述水性环氧固化剂选自牌号GCA01、GCA02、AB-HGA或AB-HGT的水性环氧固化剂中的一种。
所述乳化沥青选自阳离子慢裂型乳化沥青；优选的，所述阳离子慢裂型乳化沥青的固含量为58％～63％。
优选的，所述砂选自河砂、山砂或机制硅砂中的一种或任意比例的两种，更优选的，所述砂为细度模数1.4-1.6的机制硅砂。
优选的，所述的引气剂选自松香类引气剂、三萜皂甙类、十二烷基磺酸钠和十二烷基苯磺酸钠中一种或任意比例的多种。
优选的，所述水泥为硅酸盐水泥；更优选自P·Ⅰ型硅酸盐水泥、P·Ⅱ型硅酸盐水泥、42.5普通硅酸盐水泥和52.5普通硅酸盐水泥中的一种。
优选的，所述的消泡剂选自有机硅类消泡剂、磷酸丁酯类消泡剂中的一种或任意比例的多种。
优选的，所述的膨胀剂选自UEA、CSA、石灰类膨胀剂、MgO类膨胀剂和铝粉中一种或任意比例的多种。
本发明还有一个目的在于提供上述水泥乳化沥青砂浆的制备方法，包括如下步骤：
I.按照重量配比准备各原料；
II.搅拌下，将所述重量份的水、乳化沥青、消泡剂、水性环氧乳液、水性环氧固化剂依次加入砂浆搅拌机内，搅拌速度为20～40rpm；
III.将搅拌速度升高到60～80rpm，加入所述重量份的砂、水泥、膨胀剂和铝粉；
IV.加入所述重量份的引气剂，并将搅拌速度升高到100～140rpm，搅拌3～5min；
V.将搅拌速度降低至20～40rpm，搅拌1min，即得。
或者，上述制备方法也可以经过如下步骤：
I.将水泥、砂、膨胀剂和铝粉按照所述配比预先混合均匀，得到干料；
II.搅拌下，将水、乳化沥青、消泡剂、水性环氧乳液和水性环氧固化剂按照所述配比依次加入砂浆搅拌机内，搅拌速度为20～40rpm；
III.将搅拌速度升高到60～80rpm，按照配比加入所述干料；
IV.按照配比加入所述引气剂，并将搅拌速度升高到100～140rpm，搅拌3～5min；
V.将搅拌速度降低至20～40rpm，搅拌1min，即得。
上述两种制备方法制备得到的水泥乳化沥青砂浆性能一致。预先制备干料的方法在实际施工中更便捷，因此是优选的方法。
上述水泥乳化沥青砂浆可以用作CRTS I型板式无砟轨道充填层。
本发明采用所述的水性环氧乳液和水性环氧固化剂(双组份水性环氧)来加速低温环境下水泥乳化沥青砂浆的凝结硬化速度。与现有技术中不含双组份水性环氧成分的水泥乳化沥青砂浆比较，本发明提供的水泥乳化沥青砂浆低温条件下无论是初凝时间还是终凝时间都显著缩短。具体的，在5℃和10℃下，本发明提供的水泥乳化沥青砂浆36小时内均可终凝。现场经验表明，砂浆终凝时间能控制在36小时之内，也可以保证砂浆的灌注施工质量。在优选水性环氧掺量后，本发明提供的水泥乳化沥青砂浆在5℃和10℃下24小时内均可达到0.1MPa的拆模强度。与之相对应的，不含水性环氧成分的水泥乳化沥青砂浆，5℃时52小时终凝、10℃时41小时终凝，均无法保证砂浆灌注施工的质量。分析其原因，可能是通过水性环氧的化学激发自固化，在砂浆体系中快速形成立体网络结构从而加速砂浆的硬化。同时上述立体网络结构也可以防止气泡、沥青颗粒、水泥、砂粒等上浮或下沉形成病害，提高了砂浆的密实性，从而保证砂浆凝结硬化过程中的均质性，提高了水泥乳化沥青砂浆的环境适应性和后期使用耐久性。
另外，本发明的水泥乳化沥青砂浆原料中的消泡剂和引气剂，达到消除机械搅拌引入的大气泡、增加体系微小气泡的目的，不仅提高早期流动性，而且固化后的微小空隙还可在受冻时为自由水结晶膨胀提供应力释放空间，达到提高所述砂浆抗冻的目的。所述的膨胀剂和铝粉用来调节砂浆的微膨胀性能，保证砂浆的板下充填密实性。
经检测，本发明所述的水泥乳化沥青砂浆各项性能指标均符合铁道部(科技基[2008]74号)和(科技基[2009]77号)暂行技术条件的要求；加之前述的优异的早凝快硬性能，完全能满足CRTSⅠ型板式无砟轨道充填层的在环境较低温度(5℃～10℃)条件下的施工使用，在铁路施工领域具有广阔的应用前景。
另外，按照本发明的核心思想，也可制备出完全满足CRTSⅡ型板式无砟轨道在特殊环境温度条件下施工使用的充填层的水泥乳化沥青砂浆，具体做法是将阳离子乳化沥青换成阴离子乳化沥青。但是还要调整其它多个组成成分的用量配比，比如水性环氧树脂和固化剂、水泥和乳化沥青等。
具体实施方式
以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的药材原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。
其中，水泥为P·I型52.5硅酸盐水泥，铜陵海螺水泥有限公司；
水性环氧乳液的牌号是AB-EP-44，浙江安邦新材料发展有限公司；
水性环氧固化剂的牌号是AB-HGT，浙江安邦新材料发展有限公司；
阳离子乳化沥青的组成是：阳离子慢裂乳化沥青、固含量60％；
膨胀剂为UEA普通型混凝土膨胀剂，石家庄市企鹅特种水泥有限公司；
引气剂为松香类引气剂，天津岩瑞建材有限公司；
消泡剂为有机硅类消泡剂，河南省道纯化工技术有限公司。
实施例1-4和对比例1-3一种凝结硬化时间可控的CRTS I型水泥乳化沥青砂浆的制备及制备的水泥乳化沥青砂浆
原料配比见表1所示，其中1重量份＝1kg。
实施例1和3，以及对比例1和2均通过如下方法制备：
I.按照表1所示的重量配比准备各原料，其中1重量份＝1kg；
II.搅拌下，将所述重量份的水、乳化沥青、消泡剂、水性环氧乳液和水性环氧固化剂依次加入砂浆搅拌机内，搅拌速度为20～40rpm；
III.将搅拌速度升高到60～80rpm，加入所述重量份的砂、水泥、膨胀剂；
IV.将搅拌速度升高到100～140rpm，加入所述重量份的引气剂，搅拌3～5min；
V.将搅拌速度降低至20～40rpm，搅拌1min，即得目标水泥乳化沥青砂浆。
实施例2和4，以及对比例3通过如下方法制备：
I.将水泥、砂、膨胀剂和铝粉按照表1所示重量份预先混合均匀，得到干料；
II.开启砂浆搅拌机，将水、乳化沥青、消泡剂、水性环氧乳液和水性环氧固化剂按照表1所示重量份依次加入砂浆搅拌机内，搅拌速度为20～40rpm；
III.将搅拌速度升高到60～80rpm，加入步骤I得到的所述干料；
IV.按照表1所示重量份加入所述引气剂，并将搅拌速度升高到100～140rpm，搅拌3～5min；
V.将搅拌速度降低至20～40rpm，搅拌1min，即得。
表1 实施例1-4和对比例1-3的原料组成 (重量份)
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | |
| 水泥 | 0.95 | 0.99 | 0.97 | 0.95 | 0.95 | 0.95 | 0.99 |
| 阳离子乳化沥青 | 1.0 | 1.4 | 1.4 | 1.2 | 1.4 | 1.2 | 1.4 |
| 水性环氧乳液 | 0.06 | 0.1 | 0.15 | 0.22 | 0 | 0.30 | 0.005 |
| 水性环氧固化剂 | 0.02 | 0.05 | 0.07 | 0.12 | 0 | 0.15 | 0.003 |
| 砂 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 膨胀剂 | 0.05 | 0.01 | 0.03 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.01 |
| 水 | 0.4 | 0.3 | 0.4 | 0.4 | 0.3 | 0.60 | 0.3 |
| 消泡剂 | 0.001 | 0.001 | 0.002 | 0.002 | 0.001 | 0.003 | 0.001 |
| 引气剂 | 0.005 | 0.005 | 0.004 | 0.004 | 0.005 | 0.002 | 0.005 |
| 铝粉 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0002 | 0.0002 | 0.0001 | 0.0002 | 0.0001 |
试验例1上述实施例和对比例制备的水泥乳化沥青砂浆性能测定
按照《客运专线铁路CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》(科技基[2008]74号)和《客运专线铁路CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件-严寒地区补充规定》(科技基[2009]77号)，对实施例1-4和对比例1-3制备的水泥乳化沥青砂浆各项性能进行测定，结果包括流动度、可工作时间、含气量、表观密度、抗压强度(20℃，1d、7d、28d)、弹性模量(20℃，28d)、泛浆率、膨胀率、材料分离度、抗冻性、耐候性、抗疲劳性(100万次，12Hz)等各项均满足铁道部(科技基[2008]74号)和(科技基[2009]77号)的要求，达到相关服役耐久性要求。
另外，分别在5℃和10℃下，测试了各水泥乳化沥青砂浆的初凝时间和终凝时间(这几项性能指标在上述技术要求中都没有规定)，具体结果见表2。
表2 实施例1-4和对比例1-3的水泥乳化沥青砂浆凝结硬化指标
结果：
1.实施例1～4的水泥乳化沥青砂浆5℃下，28h内初凝，33h内终凝。10℃下，上述水泥乳化沥青砂浆22h内初凝，30h内终凝。
2.实施例3和4的水泥乳化沥青砂浆在上述低温条件下，24小时抗压强度即可达到0.1MPa及以上，相较实施例1和2早凝快强性能更优越，是本发明优选的实施方式。
3.对比例1不加水性环氧树脂，对比例2和3虽然采用了水性环氧树脂及固化剂，但是用量范围均不在本发明技术方案范围内。结果显示对比例1的砂浆凝结速度最慢。对比例2水性环氧用量过多，造成所需用水量大幅增加，反而影响了砂浆的凝结时间和强度增长。对比例3水性环氧用量不足，不能将终凝时间缩短至36h内，不能符合实际工程中低温环境下的施工要求。
结论：
本发明提供的水泥乳化沥青砂浆能够达到特殊环境施工要求和相关服役耐久性要求。
总之，本发明提供的特定原料配方的板式轨道充填层水泥乳化沥青砂浆具有环境温度适应性强、凝结时间可调、耐久性好等特点，特别是在环境温度较低(5℃～10℃)时，能大幅缩短水泥乳化沥青砂浆凝结硬化时间，并提高砂浆施工质量的稳定性，从而使得一年四季施工成为可能，能够满足我国高速铁路建设质量与速度并重的巨大需求。
以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明做出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。
Claims (14)
1.一种凝结硬化时间可控的水泥乳化沥青砂浆，以重量份计，原料组成为：水泥0.95～0.99份，乳化沥青0.35～1.8份，水性环氧乳液0.01～0.25份，水性环氧固化剂0.01～0.15份，砂1～2.5份，膨胀剂0.01～0.05份，水0～0.4份，消泡剂0.001～0.01份，引气剂0.005～0.01份，铝粉0.0001～0.0003份。
2.根据权利要求1所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，以重量份计，原料组成为：水泥0.95～0.99份，乳化沥青1.2～1.6份，水性环氧乳液0.15～0.25份，水性环氧固化剂0.05～0.15份，砂1～2.5份，膨胀剂0.01～0.05份，水0～0.4份，消泡剂0.001～0.01份，引气剂0.005～0.01份，铝粉0.0001～0.0003份。
3.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述的水性环氧乳液选自牌号DDR331、GEM02、GEM03、AB-EP-44、AB-EP-47和AB-EP-51的水性环氧乳液中的一种或任意比例的多种。
4.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述水性环氧固化剂选自牌号GCA01、GCA02、AB-HGA或AB-HGT的水性环氧固化剂中的一种。
5.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述乳化沥青选自阳离子慢裂型乳化沥青；所述阳离子慢裂型乳化沥青的固含量为58％～63％。
6.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述砂选自河砂、山砂或机制硅砂中的一种或任意比例的两种。
7.根据权利要求6所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述砂为细度模数1.4-1.6的机制硅砂。
8.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述的引气剂选自松香类引气剂、三萜皂甙类、十二烷基磺酸钠和十二烷基苯磺酸钠中一种或任意比例的多种。
9.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥。
10.根据权利要求9所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述水泥选自P·I型硅酸盐水泥、P·II型硅酸盐水泥、42.5普通硅酸盐水泥和52.5普通硅酸盐水泥中的一种。
11.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述的消泡剂选自有机硅类消泡剂、磷酸丁酯类消泡剂中的一种或任意比例的多种。
12.根据权利要求1或2所述的水泥乳化沥青砂浆，其特征在于，所述的膨胀剂选自UEA、CSA、石灰类膨胀剂、MgO类膨胀剂和铝粉中一种或任意比例的多种。
13.权利要求1至11中任一项所述水泥乳化沥青砂浆的制备方法，有如下步骤：
I.按照重量配比准备各原料；
II.搅拌下，将所述重量份的水、乳化沥青、消泡剂、水性环氧乳液、水性环氧固化剂依次加入砂浆搅拌机内，搅拌速度为20～40rpm；
III.将搅拌速度升高到60～80rpm，加入所述重量份的砂、水泥、膨胀剂和铝粉；
IV.加入所述重量份的引气剂，并将搅拌速度升高到100～140rpm，搅拌3～5min；
V.将搅拌速度降低至20～40rpm，搅拌1min，即得。
14.权利要求1至12中任一项所述水泥乳化沥青砂浆的制备方法，有如下步骤：
I.将水泥、砂、膨胀剂和铝粉按照所述配比预先混合均匀，得到干料；
II.搅拌下，将水、乳化沥青、消泡剂、水性环氧乳液和水性环氧固化剂按照所述配比依次加入砂浆搅拌机内，搅拌速度为20～40rpm；
III.将搅拌速度升高到60～80rpm，按照配比加入所述干料；
IV.按照配比加入所述引气剂，并将搅拌速度升高到100～140rpm，搅拌3～5min；
V.将搅拌速度降低至20～40rpm，搅拌1min，即得。
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