低弹模水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)是高速铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道的关键充填层结构与材料[1-3]，由水泥、乳化沥青、砂、消泡剂、引气剂等多种原材组成，且乳化沥青质量多于水泥，体系中含有大量的无机、有机成分以及多种表面活性剂，材料成分复杂、性能敏感[4-6]，特别是在技术条件规定的施工温度范围两端，容易引起砂浆凝结硬化速度异常而造成病害。温度过高时流动性损失快，转运灌注时间过长，则有可能失去流动性而出现“闷锅”，造成原材浪费和耽误工期；低温时缓凝虽避免了“闷锅”，但长时间不凝结会造成新拌体系中气泡上浮形成皮层、砂粒下沉形成分层以及膨胀率不足造成塌角离缝等病害[7-9]。
在实际工程中，施工时间从秋季持续到冬季较为常见[10-13]，而冬季低温会使新拌CA砂浆凝结硬化时间延长，24 h龄期难以满足拆模要求，且易出现泌水、起皮等病害。铁道部科技基[2008]74号暂行技术条件规定了“施工环境温度应在5~35 ℃范围内”和“当日最低气温可能在0 ℃以下时应对新灌注砂浆采取适当的保温措施”，但冬季常遇春节或年度工程计价节点，工期紧张，此时砂浆灌注完毕后可能存在0~5 ℃温度环境，而当前对最低温度在0~5 ℃环境中出现的CA砂浆质量病害与原因及其解决措施缺乏研究。因此，研究CA砂浆低温病害及其优化技术对实际工程具有重要意义。
笔者结合室内试验和实际工程线下CA砂浆揭板试验，研究了冬季低温环境中CA砂浆的凝结时间和强度发展规律，采用掺入硫铝水泥和聚合物乳液的技术调控CA砂浆硬化过程，使其低温施工揭板效果符合上道要求。
乳化沥青：CRTSⅠ型砂浆专用阳离子慢裂型乳化沥青，固含量≥60%；干料：CRTSⅠ型砂浆专用干料，P·Ⅱ型硅酸盐水泥，干料中 < 0.075 mm的颗粒/粉料含量为33%(质量占比)；硫铝酸盐水泥：北极熊快硬硫铝酸盐水泥；胶乳：东方亚克力聚合物乳液1#、2#、3#和4#，性能指标均满足技术条件要求[14]；消泡剂：有机硅类；引气剂：松香类。
试验配比：干料:乳化沥青:水:消泡剂:引气剂=3:1.4:0.067:0.000 4:0.004。
砂浆车现场制备CA砂浆，搅拌工艺为：先加水、乳化沥青、胶乳、消泡剂，转速30 r/min；再加干料，转速80 r/min；最后加引气剂，开始高速搅拌，速度120 r/min，搅拌时间为120 s；低速30 r/min搅拌30 s，砂浆制备完成，取样成型抗压强度试样以及灌注揭板检查。
CA砂浆凝结时间采用维卡仪测试，试验过程参考水泥凝结时间(GB/T 1346—2011)，记录试针扎入深度；干料抗压强度测试参照水泥胶砂强度检验方法(GB/T 17671—1999) 进行；CA砂浆抗压强度按照水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件(科技基[2008]74号)附录进行。
胶乳-水泥适用性试验：100 g乳液与200 g水泥以1 500 r/min转速搅拌，记录流动性显著降低时所需时间(变稠状态)和失去流动性时间(塑性状态)。
胶乳-水泥相容性试验：100 g乳液在1 500 r/min转速搅拌下加入水泥，失去流动性时记录最大添加量。
胶乳-水泥粘度试验：100 g乳液加200 g水泥，1 500 r/min搅拌分散3 min制得样品，在0、30 min时测试其粘度，粘度仪为NDJ-5S型旋转粘度计。
板下砂浆温度用HC-TW20无线温度检测仪监控，配套1个现场数据发射器，共4个数据采集通道，将传感器预设于砂浆上部、下部、板面上与环境中，在砂浆灌注后进行连续采集。
中国长三角地区某高铁线路建设时，11月中旬发现置于室外的CA砂浆试样出现表面塌陷、上部泌水等病害(如图 1)，CA砂浆充填层揭板检查发现表面形成气泡层(灌注后板边覆盖棉被、整体覆盖防雨布)，撕开灌注袋时起皮(如图 2)；查询当天天气有寒潮降温，天气预报夜间环境温度最低5 ℃，一般远离市区环境的实际温度比预报更低，这表明CA砂浆在冬季低温环境(≤5 ℃)中容易产生泌水、揭板起皮等病害风险。
同时取现场砂浆车制备CA砂浆，出机温度4.2 ℃，浇注强度试样，连续测试室内标准养护和室外自然养护砂浆试样1、2、3、7 d抗压强度，结果见图 3。
图 3表明，在环境温度和砂浆初始温度均低于5 ℃的情况下，砂浆标养1 d无强度、也未硬化，室外自然养护2 d无强度，3 d和7 d强度均低于标准养护。原因可能在于低温时水泥水化速度大幅减缓，使得CA砂浆凝结硬化时间变长，造成早期不凝结而无强度；同时，未凝结体系内自由水、沥青颗粒和内部气泡容易上浮，在试模开口表面形成泌水，在板腔密闭空间沥青颗粒在表面形成皮层，阻止气泡逸出，并聚集形成沥青皮层。
因而，CA砂浆在冬季低温环境中施工时，需采取相关措施对其低温硬化过程进行调控，以优化CA砂浆低温施工质量。相比外部增温保温措施，优化砂浆配合比具有费用小、施工效率高等优势，可通过硫铝酸盐水泥或聚合物乳液调节水泥乳化沥青体系的低温硬化过程，达到改善CA砂浆低温质量的目的。
快硬硫铝酸盐水泥自身在5 ℃低温环境中能正常硬化，为保持CA砂浆配比稳定，将硫铝水泥等量替代部分硅酸盐水泥制备干料，以调控CA砂浆在低温环境中的硬化。恒温恒湿试验室和环境箱的最低温度≥5 ℃，砂浆出机温度为6 ℃(相比原材料5 ℃的温度存在水化升温)，凝结时间和抗压强度的养护和测试温度6 ℃，硫铝水泥不同掺量对CA砂浆凝结时间和强度的影响见图 4、图 5。
图 4表明，硫铝水泥部分替代硅酸盐水泥能缩短CA砂浆的凝结时间，随着硫铝水泥替代量的增加，CA砂浆的凝结时间逐渐缩短，当替代量为10%时，6 ℃环境下CA砂浆可在24 h内终凝；图 5表明，掺有硫铝水泥的CA砂浆抗压强度在1~7 d内呈现增长趋势，且其强度值均高于同龄期的基准CA砂浆(0%替代量)，当硫铝水泥替代量≥7%时，低温下CA砂浆1 d强度可达0.1 MPa以上，也可在24 h内凝结，满足抗压强度≥0.1 MPa的施工拆除工装要求，考虑低温下CA砂浆24 h抗压强度的富余量，硫铝水泥替代量为10%时较好。
胶乳常用来优化水泥基材料硬化体性能，对CA砂浆的新拌体系稳定与硬化体性能也具有改善作用。低温环境中，胶乳可与水泥反应，促进CA砂浆硬化，其还能在碱性环境中胶凝稠化，改善新拌CA砂浆体系在低温环境中的分散稳定性：气泡不上浮、水分不泌出、砂粒不下沉，提高CA砂浆硬化体匀质性。
通过不同比例胶乳-水泥体系的流动性、粘度等指标，研究不同种类胶乳(1#~4#)对CA砂浆所用硅酸盐水泥新拌性能的影响。试验中胶乳-水泥体系初始温度和测试环境温度相同，胶乳-水泥适用性见图 6和图 7、胶乳-水泥相容性见图 8，胶乳-水泥粘度变化见图 9(初始温度和测试环境温度均为22.4 ℃)。
图 6表明，在6~27 ℃温度范围内，随温度升高，不同种类胶乳与水泥体系拌和时流动性显著降低时间呈降低趋势，其中3#胶乳拌和时间逐渐变化，无显著变化温度点，曲线相对较平缓，有利于CA砂浆新拌体系的灌注施工性；图 7表明，在6 ℃和15 ℃相对低温环境中，胶乳-水泥体系搅拌时，不同胶乳在失去流动性所需的时间不同，3#胶乳失去流动性所需时间均最短，不同胶乳失去流动性时间随温度升高而降低，所需时间降低幅度以3#胶乳最大，约为41%；结合图 6、图 7结果，高速搅拌加速胶乳-水泥稠化的适用性试验显示，3#胶乳具有相对较好的低温稠化性能，可提高体系中各组分的均匀性，防止长时间处于流态时CA砂浆组分离析。
图 8表明，胶乳-水泥体系高速搅拌时，3#胶乳可加入的最大水泥量在6~27 ℃温度范围内逐渐降低，机理在于：温度升高促进水泥水化，进而缩短了胶乳-水泥体系失去流动性的时间；另外，图 6和图 8显示，胶乳-水泥体系流动性在温度约为20 ℃时存在陡降趋势，这与实际工程中CA砂浆流动性与温度的关系相似：在大于20 ℃时，CA砂浆可工作时间随温度升高而显著缩短。
图 9表明，相同温度环境下，不同胶乳与水泥的浆体粘度随时间的变化呈现不同规律，2#胶乳在30 min时存在粘度突变增大，在实际施工中存在不能灌注的风险，4#胶乳几乎无变化，在实际工程中不利于新拌砂浆体系内部成分的均匀稳定，2#和3#胶乳粘度均匀变化，利于施工；结合图 6、图 7和图 8的试验结果，选择3#胶乳既可保证施工时的可灌注性，又能兼顾新拌体系的均匀稳定性。
根据上述结果，用硫铝水泥等量替代硅酸盐水泥10%，同时胶乳分别等量取代乳化沥青8%(1#曲线)和10%(2#曲线)，出机温度和养护温度6 ℃，两者复掺的影响见图 10、图 11。
图 10表明，在硫铝水泥等量取代10%硅酸盐水泥条件下，胶乳取代量8%的砂浆强度在前3 d内均相对较高，而胶乳取代量10%的砂浆在7 d时反超，原因可能在于新拌体系中胶乳稠化胶凝锁住的水分挥发或消耗较慢，影响3 d内的强度，而水分降低至一定值后，胶乳成膜成网后的增强作用显示出来。
图 11中24 h膨胀结果表明，CA砂浆早期膨胀呈现先收缩后膨胀的规律，其中胶乳取代量10%的CA砂浆的收缩和膨胀值均小于取代量为8%的砂浆，原因可能在于：CA砂浆早期新拌体系塑性强度低，不能随干料中铝粉发气而膨胀，且铝粉发气速度小于体系中的气泡逸出速度，反而出现收缩，当体系塑性强度随水化反应而增加到一定值后，砂浆随铝粉发气而膨胀；胶乳量增加使CA砂浆早期体系稳定性增强，减缓早期气泡逸出速度，表现为收缩也相对较小，同时CA砂浆体系稠化塑性强度高，铝粉发气产生的自由膨胀量也会受到部分抵消，表现为砂浆膨胀率降低。
考虑实际低温施工环境要求CA砂浆具有早期硬化不缓凝、强度满足工装周转、膨胀率合适以及经济性等特点，选择硫铝水泥等量替代硅酸盐水泥10%、胶乳等量取代乳化沥青8%(1#)的复掺技术方案，进行冬季低温环境现场灌板揭板试验，现场砂浆出机温度9.5 ℃，灌注后板边覆盖棉被、整体覆盖防雨布，温度曲线见图 12、揭板检查结果见图 13。
图 12表明，砂浆层温度和板面温度随环境温度呈现规律性变化。CA砂浆灌注完后，环境温度8.9 ℃，夜间逐渐降温，2.5 h后温度降至4.4 ℃，已低于技术条件规定的5~35 ℃施工环境温度；14 h后环境温度进一步降至0.5 ℃，气温随着第2天到来而回升；板面温度10.3 ℃，随后下降至2.5 ℃，再回升，变化规律与环境气温几乎同步；砂浆充填层上部在随后2 h内温度保持8.9 ℃不变，后逐渐下降至5.2 ℃，变化幅度3.7 ℃，而下部温度则在3 h内从7.1 ℃小幅升至7.7 ℃，后逐渐降至6.7 ℃，变化幅度1 ℃，上下部温度变化幅度存在2.7 ℃差异，原因可能在于单元板轨道不同部位与外界环境热传导存在不同的热传导系数，上部砂浆与外界间隔了一层轨道板，而下部砂浆与外界间隔了轨道板和砂浆层。另外，早期CA砂浆温度略有上升，并未随环境温度降低而降低，表明水泥水化产生热量抵消了一部分热量损失，与混凝土水化热引起的温升相比[15-16]，CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆的薄层结构散热快，其水化热引起的温升在冬季施工时可以忽略。
图 13表明，同时采用硫铝水泥等量替代10%硅酸盐水泥、胶乳等量替代8%乳化沥青的复掺技术，CA砂浆揭板检查断面均匀、表面平整无起皮，符合充填层砂浆揭板检查质量要求；也表明通过合理技术手段可以解决CA砂浆在冬季低温环境中出现起皮、泌水等病害。
1) 低温导致CA砂浆超长缓凝，使体系稳定性变差，并引起泌水和揭板起皮等病害，室外自然养护2 d无强度，3 d和7 d强度均明显低于标准养护强度。
2) 硫铝水泥部分替代硅酸盐水泥能缩短CA砂浆低温下的凝结时间，随着硫铝水泥替代量的增加，CA砂浆的凝结时间逐渐缩短，当替代量为10%时，6 ℃环境下CA砂浆可在24 h内终凝。
3) 在6~27 ℃的试验温度范围内，随温度升高，胶乳-水泥流态体系可搅拌时间呈降低趋势，选用低温稠化性能合适的的胶乳，可改善新拌CA砂浆的低温均匀稳定性。
4) 复掺10%硫铝水泥和8%胶乳的CA砂浆在24 h的强度和膨胀率符合要求，在实测0.5~7.7 ℃的低温环境中，揭板检查CA砂浆断面均匀、表面平整无起皮，符合上道揭板检查要求。
2017, Vol. 39 Issue (4): 134-140
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