关键词:CA砂浆 乳化沥青 制作 管理
1 前言
CA砂浆(cement asphalt mortar)是板式轨道中轨道板与混凝土道床之间的结构层材料,它是由水泥、乳化沥青、砂和多种外加剂组成,经水泥与沥青共同作用胶结硬化而成的一种新型有机无机复合材料,在板式轨道结构中主要起调平、缓冲的作用,是该轨道结构必不可少的弹性减振关键材料之一,在我国高速铁路建设中具有广阔的应用前景[1]。
乳化沥青是沥青或改性沥青与水在乳化剂、稳定剂等的作用下经过机械剪切作用制得的均匀分散体。乳化沥青是CA砂浆的关键材料,其质量决定性地影响CA砂浆使用性能,对可工作时间、泌水率、材料分离度、早期抗压强度、抗冻性及耐候性有显著影响。CA砂浆专用乳化沥青除了具有普通沥青乳液所具有的性能外,还要求与水泥相容性好、黏度较大、破乳速度较慢、抗冻性、耐候性能优异,凝固后沥青形成连续层,能与水泥、细骨料形成具有温度依存关系和滞弹性体特性的复合材料[2]。针对这种情况,本文将从CA砂浆用乳化沥青的制作、输送、储存和管理等方面进行详细介绍。
2 乳化沥青的制作
生产加工乳化沥青,乳化液中沥青的含量是一个十分重要的指标。设计生产沥青乳液除了应考虑沥青类型和特性、选择化学稳定剂外,主要是选择可靠的高性能的沥青乳化制造设备。
胶体磨机是制作乳化沥青的关键部件,采用高速旋转的剪切系统将熔化的沥青剪成细小的液滴,在立式胶体磨机内,沥青与一种化学试剂接触,这个化学试剂就是化学稳定剂。在胶体磨机内搅散之后,细小的沥青粒子和水组成乳化液,悬浮小颗粒的载体是水和化学试剂,沥青不溶于水,细小的沥青颗粒保持悬浮状态。应控制进入立式胶体磨机内的沥青粘度和温度,同时控制溶液的温度。如果温度过低,乳化液的颗粒将变得较粗大;温度过高,乳化液将沸腾,水分挥发,沥青颗粒也将变粗大。
乳化沥青制作设备可制作阴离子型乳化沥青、阳离子型乳化沥青和粘接剂型乳化沥青。选用哪一种乳化沥青,要根据实际需要进行。
阳离子乳化沥青对气候的灵敏度低,靠化学破乳,其性能较稳定,长期存放不会破乳,但阳离子乳化沥青搬运较危险,故要重视阳离子乳化沥青储存过程的安全,严格遵守储存规则。
阳离子乳化沥青适合于骨料,包括氧化硅骨料。如果石料清洁,施工时阳离子乳化沥青不需要做预处理。故在可靠性要求高的地区,且具有正确搬运方式的场地,采用阳离子乳化沥青较合适。
破乳是乳化沥青混合料的一个重要概念。多年来,各沥青研究中心均在研究加速破乳的机理,特别是欧洲的Emulcol研究中心和由澳大利亚SAMI和Emoleum的发展研究中心。大多数系统均将PH值作为控制阳离子乳化液的破乳因素,实际上材料的化学分子结构形式不同,破乳速度也不同。乳化液破乳要求颗粒聚集,颗粒之间存在的引力克服排斥力。在这一演变过程中,颗粒越来越大,逐渐粗大。通常破乳过程分为两步,即絮凝和凝聚。
破乳的过程是外力作用乳化的颗粒以任何方式聚集,如高的剪切力、加热和煮沸以消除水分,降温使颗粒凝固。如果乳化液沉积,也可能出现破乳。
阳离子乳化液具有正电荷,在铺路过程中,阳离子乳化液与骨料能够直接、迅速相互作用。电荷的数量对稳定性影响很大,电荷越多,排斥力越大,骨料带有的负电荷相互作用越迅速。
在静电作用反应完成后,乳化液将依靠絮凝和凝聚来完成破乳。在破乳完成后,水分完全蒸发,剩下的沥青获得足够强度。
3 CA砂浆用乳化沥青
CA砂浆用乳化沥青中石油沥青含量在58～63%之间,它是配制CA砂浆成型后的最终胶结料。沥青各组分(沥青质、树脂、油分)在沥青中的含量对乳化的难易、乳化后的性能影响很大。直接采用常规沥青乳剂和水泥混合不能得到适于注入和达到流动性等指标的CA砂浆,故需要对沥青进行改性,通过改性可以降低沥青的温度敏感性和脆化温度,提高沥青的软化点,增强沥青的抗裂耐磨性能。70号壳牌石油沥青的特点是相对密度大于1,含蜡量小于2%,引入高分子聚合物改性后,由其拌合成的CA砂浆抗冻融性及耐候性明显改善。
复合乳化剂在乳化沥青中所占的比例虽然很小,一般在0.1～2.0%之间,但乳化剂对沥青乳液的性能影响却是巨大的,能降低沥青与水之间的界面张力,使沥青微粒均匀得分布在水溶液中,能缩小油水两者 的绝对密度差及粘度差,在两相之间乳化剂走向排列时,能增加沥青微粒的电荷,形成双电层,增加颗粒之间的相互排斥力,阻止沥青微粒的聚合。沥青乳液的很多性能如乳化效果、电性、破乳速度、储存稳定性等直接取决于乳化剂。(阳离子型乳化沥青的吸附力强,能够将石料表面的水分排挤出去,使石料和沥青间形成所谓的化学结合,可以防止沥青和石料剥离。阴离子凝结需经过物理变化的时间,阳离子在瞬间即能完成化学反应而凝结。)
在研究乳化沥青及配制CA砂浆过程中,发现有时产生的颗粒大且不均匀,极容易发生絮凝或沉淀现象,特别是进口沥青(比重大于1),这一现象格外显著,在专用乳化沥青中,添加剂采用了无机盐和高分子缔合助剂两种,增加无机盐化合物可以增加颗粒间双电层效应,增加颗粒间的相互排斥力,减缓颗粒之间的凝聚速度,提高乳化能力,改善乳液的稳定性,增强与骨料的粘附能力以及CA砂浆早期强度,加入高分子缔合助剂,形成坚固的胶束,显著提高了乳液的黏度,改善了CA砂浆的材料分离度。乳化沥青黏度的标准范围为5～15,相应的高分子缔合助剂的用量为0.1～0.35%,适宜的用量为0.25%。
乳化沥青的配制及配方如下:按顺序将按配方计量的乳化剂、添加剂、改性剂分别加入热水中,搅拌均匀,形成乳化水溶液,水溶液温度控制在50～55℃范围内,倒入沥青乳化机中,开启乳化机,然后加入配方量的符合温度要求的热沥青,在乳化机的高速剪切作用下形成均匀稳定的沥青乳液。
CA砂浆用乳化沥青的性能指标必须满足《客运专线铁路板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》标准中技术要求。
4 乳化沥青的输送和储存设备
输送和储存设备是完成乳化沥青的制作到使用的一个中间环节的必备设备。乳化沥青的输送及使用应在专用的设备上进行。输送泵吸入是运输乳化沥青的一种方法,通常在泵吸入的过程中将挤压或剪切乳化沥青,这使得乳化沥青的原始结构被破坏。如果这种现象严重时,乳化沥青发生絮凝和凝聚,变成粗大颗粒,甚至变成沥青。因此必须合理选择输送泵,如离心泵等[4]。
输送温度对乳化沥青的影响很大。温度过低可使材料收缩,对于乳化沥青,输送温度过低使沥青颗粒更接近,而产生以下严重结果:
(1)乳化沥青出现絮凝和凝聚;
(2)沥青迅速沉淀; (3)在寒冷的天气下,泵送材料、乳化沥青颗粒已经凝缩到一起。故在低温下,乳化沥青不易采用泵输送;
(4)如乳化沥青已经被冻结,乳化沥青应重新进行溶解作业。
对于大多数类型的乳化沥青来说,温度不能低于4℃。
物体遇热将膨胀,乳化沥青也如此。水被加热后,蒸发的速度明显增加,如果蒸发的水过多,由于絮凝和凝结机理的作用,将使乳化沥青变成沥青。
如果将乳化沥青加热到95℃,将出现局部沸腾,悬浮的沥青颗粒将聚集成沥青。因此,加热乳化沥青应注意以下几点:
(1)当加热乳化液时,应缓慢加温;
(2)加热时,应使用搅拌器;
(3)在加热之前,应将输送泵预热;
(4)在寒冷地区,桶装乳化沥青,可通过远红外进行加热;
(5)乳化沥青不能够直接用明火加热;
5 乳化沥青的储存与运输
乳化沥青的储存应特别引起注意,乳化沥青的储存时间是有限度的,储存时间决定于其成分、搬运方式和储存方式。
沥青比水重,因而移动时通常出现下沉,即乳化沥青沉淀。如果乳化沥青液滴沉淀,将可能粘接在一起,即出现絮凝和凝结,此时并不能使其全部变成沥青,但形成较大的沥青颗粒,将很快出现沉淀。
搅拌工艺是防止凝结现象发生的重要手段之一。一旦乳化沥青粗化,搅动作用也不可使其细化。如果粗化的太多,搅动作业可使乳化沥青出现破碎。
预防该现象的唯一方法是使乳化液的初始状态颗粒细小,并合理存放。
根据上述原则,可用油筒储存及运输乳化液,并应注意:
(1)油筒不能太凉。应垂直置于地面,用物品覆盖;
(2)为了不使乳化沥青凝结,每两周滚动一次油筒,且上下颠倒放置;
(3)使用时,应首先使用存放时间最长的乳化沥青;
(4)在冬季,油筒不能直接放置在火上加热。
采用仓储时,应注意以下几点:
(1)桶式仓储要定时进行循环,这一工作应缓慢进行;
(2)循环频度取决于气候、储存时间;
(3)大多数乳化沥青在夏季每周循环一次,冬季每5d循环一次;
(4)循环应在中午进行;
(5)循环的时间决定于桶的体积,体积为5000l的桶每次循环15min,体积为10000l的桶每次循环20min;
(6)工作完成后,对泵进行冲洗;
(7)工作进行前,对管路和泵进行加热;
(8)工作完成后,管路内不得堵满乳化沥青。
6 乳化沥青的清洁度
乳化沥青的清洁度是非常重要的,不清洁的乳化沥青影响施工质量。空气进入乳化沥青内,乳化沥青将破乳。阳离子乳化沥青与金属接触,也将破乳。如果乳化沥青残留在泵体内,不及时清洗将会堵塞泵。管路中残留的乳化液,不及时清洗也将造成管路堵塞。乳化沥青的性能越好,要求清洗的越彻底。在储存之前,应对储存设备进行彻底清洗。
清洗过程步骤为:
(1)用高压水对管路进行冲刷;
(2)用煤油进行清洗,不允许用柴油及其他溶液清洗,这些液体不能够溶解沥青,与乳化液不相容,造成乳化沥青破乳,不便清洗;
(3)最后用清水冲洗管路,切不可冲洗乳化沥青仓桶内部;
(4)如果泵或管路已经被沥青堵塞,缓慢对其进行加热,然后进行清洗;不能加热使用中的管路,因为这将使乳化沥青破乳;
(5)用煤油浸泡输送泵的时间可达1h或更长;
(6)在堵塞物被清除后,再次用水冲洗输送泵。
7 管理中应注意的问题
(1)通常,在输送期间乳化沥青是稳定的。输送过程最常见的问题是空气进入乳化沥青内,引起乳化沥青破乳,特别是CRS乳化液,空气能够激活沉淀生成的大颗粒乳化沥青,发生破乳现象。
(2)对于输送的主要要求是确保正确的使用泵及合理的输送方法。在寒冷天气下,应将泵加热,使用清洁的桶,检查装载的各种条件。乳化沥青装入清洁的桶内,封闭容器进行运输。
(3)乳化沥青是一种化学物质,不能够与其他不同类型的乳化沥青产品混合,也不能与其他化学物质混合。锈铁、污物、植物或其他的外部杂物均不允许混入。对于阳离子乳化液尤其重要,因为其与这些杂物发生作用将产生破乳现象。
参考文献
[1] 金守华,陈秀方,杨军.板式无砟轨道用CA砂浆的关键技术[J].中国铁道科学,2006(2).
[2] 客运专线铁路CRTSI型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件.铁道部科技司.2008.6:1～6.
[3] 徐伟建,王智勇.抗冻性CA砂浆性能研究.铁道建筑.2003(12):66～67.
[4] 王涛,胡曙光,王发洲等.沥青乳液加料顺序影响CA砂浆早期强度的机理研究.客运专线建设专题.2008(1):1～3.
