高铁用CA砂浆聚合物乳液的适应性及其结构表征

水泥砂浆由于其自身刚性过大而韧性不足的特点使其应用受到很多限制,通常采用聚合物乳液改性砂浆[1-7],常用的聚合物材料如丁苯橡胶、氯丁橡胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液等。掺入聚合物乳液后,砂浆内部形成空间网状结构,从而提高砂浆的韧性,增强砂浆的抗裂性及抵抗裂纹扩展的能力[8-12]。但是聚合物乳液在高速铁路用水泥乳化沥青砂浆中的应用研究尚少。本研究选择了国内七种不同种类的聚合物乳液,通过其各自与自制的乳化沥青的匹配性和所制备砂浆的各项性能指标的研究,与进口的聚合物乳液使用时的效果相对比,选择出能制备性能良好砂浆的聚合物乳液,改善水泥乳化沥青砂浆的工作性和对地材的适应性。

1 实验部分
1.1 主要原料及仪器
聚合物乳液(RP 为进口聚合物乳液、P1 为聚丙烯酰胺乳液、P2 为丁苯胶乳、P3 为苯丙乳液、P4 为聚乙酸乙烯酯乳液、P5 为氯丁胶乳、P6 为聚丙酸乙烯酯乳液、P7 为聚丙烯酸酯乳液);乳化沥青(自主研发配方、自制);干粉料(包括砂子、水泥、膨胀剂和铝粉、安徽合肥);消泡剂、安徽芜湖;引气剂、山东济南;烷基胺类E002、江苏常州;烷基胺类D002、北京。水泥乳化沥青砂浆搅拌机、日本;电子万能试验机、深圳新三思;低温恒温恒湿箱、上海建恒;快速冻融试验机、北京三思行。

1.2 试验步骤
根据乳化沥青的制备规程,制备以下乳化沥青,为砂浆的拌合做准备。
(1)自主研发乳化沥青的制备
确定以E002 和D002 复配,且阳离子乳化剂E002 的掺量为0.8 %,制备乳化沥青A。
(2)水泥乳化沥青砂浆的拌合
实验室小试砂浆质量比为乳化沥青:干粉料:聚合物乳液:消泡剂:引气剂=4410︰9460︰630︰1.6︰79,其中干粉料由砂子、水泥、膨胀剂和铝粉按照一定的配比组成。将聚合物乳液分别与自制乳化沥青A 进行砂浆拌合试验,制备出不同的水泥乳化沥青砂浆。

1.3 性能检测
1.3.1 聚合物乳液与乳化沥青匹配性能检验
将所选几种聚合物乳液分别与进口乳化沥青和自制乳化沥青进行调和,考察不同种类聚合物乳液与各乳化沥青的匹配性,如是否会发生破乳、絮凝、沉淀等现象。
1.3.2 水泥乳化沥青砂浆指标的检测
制备的水泥乳化沥青砂浆按《客运专线铁路CRTS I 型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》进行各项指标的检测,研究聚合物乳液的水泥砂浆的适应性。
1.3.3 聚合物乳液TEM 分析
JEM-100SX 透射电镜,将乳液稀释至固含量到5 %以下,然后超声分散滴在铜网在室温下干燥后使用,用配好的2 %的磷钨酸水溶液进行染色,观察微球的形貌,粒径分布均匀的情况。
1.3.4 聚合物乳液的FTIR 分析
傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析:将产物采用美国尼高力仪器公司生产的MAGNA-IR 750 型FTIR 仪对其进行分析。

2 结果与分析
2.1 聚合物乳液与乳化沥青的匹配性
将基本检测指标合格的聚合物乳液与所制备的乳化沥青A 进行调和,静置24 h 后,观察混合物的现象,所得结果如表1 所示。
表1 聚合物乳液与乳化沥青调和结果

由表1 中结果可知,聚合物乳液P1、P2、P5、P7 与自制乳化沥青A 的匹配性都很好,不会造成乳液破乳;P3 与两种乳化沥青调和后都会造成乳液破乳,说明所选苯丙聚合物乳液与所制备的乳化沥青的匹配性不好,P4 与乳化沥青调和后出现黑色可能是聚合物与乳化沥青中的乳化剂的匹配性不好,造成轻微破乳而呈黑色,但也不会有大颗粒沥青生成而沉淀。
以上结果表明,聚合物乳液P1、P2、P5、P7 和进口聚合物乳液RP 在与乳化沥青A 调和时,性能基本相似,这四种与乳化沥青的适应性最好。

2.2 水泥乳化沥青砂浆性能的检测
采用RP、P1、P2、P5 和P7 与自制乳化沥青A 配合,制备五种水泥乳化沥青砂浆,其各指标测定结果如表2 所示。由五种聚合物乳液与乳化沥青A 拌合的水泥乳化沥青砂浆检测结果可知,四种聚合物乳液中P7 的效果也是最好的,其对应的砂浆P7-A 各项指标与进口聚合物乳液制备的砂浆RPA 相近;P5 效果最差,其对应的砂浆P5- A 可工作时间不符合指标要求。

以上五种不同聚合物乳液与自制乳化沥青A制备的水泥乳化沥青砂浆结果表明,聚合物乳液P7 适合与进口乳化沥青、自制乳化沥青A 相调和,且其所制备的水泥乳化沥青砂浆工作性能最优秀,比进口聚合物乳液改性砂浆的效果更好。
2.3 聚合物乳液适应性研究
聚丙烯酸酯乳液(P7)在三种不同温度下,采用自制乳化沥青A、聚合物乳液P7、砂子(合肥河砂)、水泥(安徽海螺)等,拌合水泥乳化沥青砂浆,考察P7 在不同温度下拌合水泥乳化沥青砂浆的适应性,砂浆指标检测结果如表3 所示。

从表中的数据可以看出,加入P7 后,要达到相同的流值,砂浆的需水量降低了约五个百分点;砂浆的工作性能得到了有效地改善,在常温下,能将砂浆的可工作时间延长半小时,在低温和高温下也能延长可工作时间约20 min。同时砂浆的抗冻性和耐候性表现优越,明显比不加入聚合物乳液的提高很多。

2.4 聚合物乳液P7 的结构分析
2.4.1 红外分析

图1 为聚丙烯酸乳液的FT-IR 图谱,其中1736 cm-1 为酯羰基(C=O)的伸缩振动峰;1171 cm-1、1239 cm-1 是酯基的 (-C-O-C-)的对称和反对称伸缩振动峰;2959 cm-1、2935 cm-1、2874 cm-1、1436 cm-1、1372 cm-1 是甲基(-CH3)、亚甲基(-CH2)的特征吸收峰;945 cm-1 为丁酯特征峰。

2.4.2 TEM 分析
图2 是聚丙烯酸乳液P7 的透射电镜照片,从照片可以看出,聚丙烯酸酯为明显的核壳结构,粒径大小均匀,为200 nm 左右。

3 结论
通过对比7 种不同聚合物乳液基本指标,研究其与自制乳化沥青的适应性;然后将优先的聚合物乳液应用于水泥乳化沥青砂浆中,重点研究了乳液结构和粒径的大小,其结构如下:
(1)聚合物乳液基本指标检测中,P1、P2、P5、P7 与乳化沥青适应性好,用P7 拌合的水泥乳化沥青砂浆比用进口聚合物乳液拌合的水泥乳化沥青砂浆的效果相近,甚至更好加入聚合物乳液P7的水泥乳化沥青砂浆在各方面的性能表现更优异,可工作时间更长,抗冻性和耐候性也有明显改善。
(2)优先的聚合物乳液符合聚丙烯酸酯类红外谱图的特征,结构为明显的核壳结构,粒径大小为200 nm 左右,符合客运专线客运专线铁路CRTS I型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆对P乳剂的要求。

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