成渝地区 CRTS I型 板式轨道 CA砂浆化学侵蚀类型研究

成渝地区 CRTS I型 板式轨道 CA砂浆化学侵蚀类型研究

刘哲 韩冰

四川省铁路产业投资集团有限责任公司 四川省成都市 610081

摘要：采用X射线衍射分析（XRD）、红外光谱分析（FTIR）、扫描电镜能谱分析（SEM-EDS）等试验手段对5组水泥乳化沥青砂浆（CA砂浆）样品进行研究，分析得出成渝地区导致CA砂浆性能劣化的化学侵蚀主要有碳化和酸雨侵蚀，并且酸雨侵蚀类型为钙矾石型而非碳硫硅钙石型。

关键词：CA砂浆；侵蚀；碳化；酸雨

CA砂浆填充于轨道板和底座板之间，是CRTSI型板式轨道的重要组成部分。其主要作用为支撑轨道板并对轨道板定位，以及吸收轨道板传来的振动并阻止其向下传递^[1]。CA砂浆抵抗自然环境侵蚀破坏的能力对轨道结构的耐久性至关重要。

化学侵蚀是CA砂浆性能劣化，并导致其耐久性降低的重要因素，根据ACI委员会定义，化学侵蚀主要有碳化、浸出、碱侵蚀、氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀和酸侵蚀^[2]。由于成渝地区为我国酸雨最严重的地区之一，因此可以初步推断该地区CA砂浆会受到酸侵蚀和碳化的等化学侵蚀。为了进一步探明成渝地区CA砂浆化学侵蚀类型，本文采用XRD、FTIR、SEM-EDS等试验手段对5组CA砂浆样品进行了研究分析。

1 试验

1.1 试件制备

为了通过对比分析确定成渝地区CA砂浆化学侵蚀类型，共制作了5组试件，分别为实验室模制试件、高龄期实验室模制试件、现场接板取样室内存放、接板取样室外储存和运营后试件。试件编号、养护条件及试验内容如表1所示。

表1 CA砂浆试件

1.2 XRD分析

进行XRD试验的样品均取自相应试样核心层（距表面>20mm），将取出的样品置于研钵中研磨10分钟，然后用300目负压筛分离出粒径小于0.045mm的粉末，在试样杯中将粉末与95%酒精均匀混合，待水化终止之后，将其置于40℃电热鼓风干燥箱中24h以备用。

1.3 FTIR分析

进行红外光谱分析的样品制备方法与XRD试验类似，区别在于，5#样品分别在CA砂浆块的表面层（白浆，距表面<5mm）、断裂面和中心层（距表面>20mm）选取了3组样品，且样品未与酒精混合。样品放置在40℃电热鼓风干燥箱中24h以后立即进行试验。

1.4 SEM-EDS分析

将样品制成10mm×10mm×10mm的立方体试块，保留新鲜断裂面，并且保证至少两个面平整。试样制成之后先用95%酒精擦拭表面，再用99.999%氮气吹扫试件表面以去除杂质备用。

试验结果及分析

2.1 XRD分析

1#~5#样品的XRD图谱如图1所示。由图1可以看出，在各组图谱的29°附近均检测到了明显的CaCO₃衍射峰，其中4#和5#样品尤其明显。这是由于4#和5#样品长期处于室外环境中，较置于室内环境中的样品碳化程度更为严重。

图1 1#~5#样品的XRD图谱 图2 5#样品的物相检索结果

本文对每种样品的XRD图谱进行了物相检索，以进一步明确物相信息，其中5#样品的检索结果如图2所示。由图中可以看出除了CaCO3，主要物相还有CaSO4·2H2O、Ca(OH)2、钙矾石（AFt）、碳硫硅钙石和SiO2。由于碳硫硅钙石和钙矾石有着很相似的晶体结构和形貌，在常规的测试中很难准确鉴别出碳硫硅钙石^[3]。为了能够准确的断定CA砂浆的劣化型式是钙矾石型还是碳硫硅钙石型，本文通过XRD、FTIR、SEM-EDS相结合的方法对上述两种物相加以区别。

图3 1#~5#样品局部放大后的XRD图谱

根据文献[4]的研究成果，碳硫硅钙石在19.5°、23.4°、26.0°和28.0°2θ处的衍射峰在钙矾石中是不存在的，而钙矾石在22.9°2θ处的衍射峰在碳硫硅钙石中是不存在的。1#~5#样品的XRD图谱局部放大图如图3所示。从图中可以发现，各组图谱中2θ为19.5°，26.0°处均未发现衍射峰，22.9°处都有较为明显的衍射峰，只有5#样品在23.4°处存在峰值，经过物相检索该处为CaSO₄·2H₂O衍射峰。3#和4#样品在28.0°处的衍射峰为碳硅钙石Ca₅Si₂O₇(CO₃)₂。

2.2 FTIR分析

文献[3]和文献[5]都认为FTIR光谱可以分辨水泥基材料中碳硫硅钙石和钙矾石，该观点是基于在FTIR图谱中SiO₆在500cm^-1、670cm^-1、753cm^-1附近的硅氧八面体的特征波是碳硫硅钙石独有的。图4和图5分别为4#和5#样品的红外光谱结果，这两组数据中相应位置处均未发现硅氧八面体特征波。

图4 4#样品FTIR图谱 图5 5#样品FTIR图谱

2.3 SEM-EDS分析

文献[6]等对比了碳硫硅钙石和钙矾石的背射电子像（BSE）和能谱图（EDS），根据碳硫硅钙石和钙矾石的羽毛状形貌，再结合微区成分分析，定性分析了两种物相。在EDS图上，二者的特征峰具有显著差异，钙矾石的特征峰是Ca、S、Al，碳硫硅钙石特征峰是Ca、S、Si。图6为5#样品的SEM图，图7为5#样品的能谱分析（EDS）图，从图中可以看出明显的Ca、S、Al特征峰，这与文献[6]的研究结论一致。

图6 5#样品SEM图

图7 5#样品EDS图

3 结论

成渝地区CRTS I型板式轨道CA砂浆化学侵蚀主要为碳化和酸雨侵蚀。

酸雨侵蚀类型为钙矾石型而非碳硫硅钙石型。

参考文献：

[1] 徐浩. CRTS I型板式轨道CA砂浆动态力学性能试验与理论研究[D]. 成都: 西南交通大学博士学位论文, 2015.

[2] Vladimír Zivica, Adolf Bajza. Acidic attack of cement based materials -areview.Part 1. Principle of acidic attack[J]. Construction and Building Materials 2001 (15):331-340.

[3] 杨雷, 张风臣, 马保国, 温小栋, 王耀成. 碳硫硅酸钙型硫酸盐侵蚀测试方法[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2006, 36(S2): 55-60.

[4] S.A. Hartshorn, J.H. Sharp, R.N. Swamy. Thaumasite formation in Portland-limestone cement pastes[J]. Cement and Concrete Research 1999(29):1331-1340.

[5] 邓德华, 肖佳, 元强, 张文恩, 刘轶翔. 水泥基材料中的碳硫硅钙石[J]. 建筑材料学报, 2005, 8(4): 400-409.

[6] Paul Brown, R.D. Hooton, Boyd Clark. Microstructural changes in concretes with sulfate exposure[J]. Cement & Concrete Composites2004(26):993-999.