萬赟,洪錦祥,徐靜,朱曉斌,王文峰
(1.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司,江蘇南京 210008;2.高性能土木工程材料國家重點實驗室,江蘇南京 210008)
水泥乳化瀝青砂漿(簡稱CA 砂漿)是一種由水泥、乳化瀝青、細集料等組成的、具有一定強度及彈性模量的有機無機復(fù)合材料,是目前高速鐵路建設(shè)的關(guān)鍵材料之一.目前國內(nèi)對CA 砂漿強度的影響因素有諸多研究,取得了很多成果[1-5].但在基本配合比參數(shù)的影響方面,卻眾說紛紜,各種原材料用量、mA/mC都被認為是重要影響因素[4-8].本文從研究CRTS Ⅱ型CA 砂漿強度出發(fā),分析了CA 砂漿中對強度具有決定意義的配合比參數(shù),同時,通過SEM 分析了CA 砂漿微觀形貌,基于混凝土細觀力學(xué)基本理論,建立了CA 砂漿28d抗壓強度的理論模型,并對該模型進行了校驗.
水泥:小野田P·Ⅱ52.5水泥;乳化瀝青:自制慢裂慢凝型陰離子乳化瀝青,固含量60%(質(zhì)量分數(shù));砂:河砂,細度模數(shù)1.6;水:自來水;鋁粉:鱗片狀,細度≥74μm(200目);消泡劑:有機硅消泡劑.
攪拌、成型以及各項性能測試均參照《CRTS Ⅱ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》(下稱《技術(shù)條件》)相關(guān)規(guī)定進行.
由于乳化瀝青中含有40%(質(zhì)量分數(shù))的水,因此CA 砂漿的配合比包含兩部分水:乳化瀝青中的水及外加水.如無特別說明,本文中用水量(mW)均指總用水量,即上述兩部分水之和,同時將乳化瀝青中不含水部分(主要為瀝青,并有少量乳化劑)用mA′表示.
考慮含氣量對強度有影響[8],試驗中保持各組砂漿含氣量相近.由于所選因素已經(jīng)限定了各種原材料用量,因此,在不摻減水劑的情況下,是無法滿足《技術(shù)條件》對流動性的要求的;又因為摻減水劑可能會影響砂漿強度[6],所以正交試驗中沒有調(diào)整各組砂漿的流動性.
水泥用量(mC)和瀝青用量(mA′)對CA 砂漿28d抗壓強度的影響如圖1所示.
圖1 CA 砂漿28d抗壓強度分布Fig.1 Distribution of 28dcompressive strength for CA mortar
從圖1可以看出,提高mA′,降低mC,CA 砂漿抗壓強度降低,但單獨一種材料用量并不能決定CA 砂漿的抗壓強度.圖1中的等強度線表明,乳化瀝青用量與水泥用量的比例(mA′/mC)與CA 砂漿28d抗壓強度密切相關(guān),是決定其28d抗壓強度的一個重要因素.
由于CA 砂漿仍然需要需要通過水泥水化獲得強度,因此mW/mC同樣是CA 砂漿28d強度的重要影響因素.
以上分析表明,mA′/mC與mW/mC是決定CA砂漿28d抗壓強度的重要因素,而常被認為是重要因素的mC卻無顯著影響.因此,本文選擇mA′/mC,mW/mC和mC作為影響因素進行正交試驗.
根據(jù)前文選定的3個影響因素,本文設(shè)計了四因素(一因素為空)、三水平的L9(34)正交試驗,如表1所示.
表1 強度影響因素正交設(shè)計表Table 1 Levels and factors affecting the 28dstrength of CA mortar
根據(jù)表1進行的正交試驗及CA 砂漿28d抗壓強度試驗結(jié)果如表2所示,各影響因素在不同水平下的抗壓強度如圖2所示.
表2 CA砂漿28d抗壓強度正交試驗結(jié)果Table 2 28dcompressive strength results of the orthogonal experiment
圖2 各影響因素在不同水平下的抗壓強度Fig.2 Compressive strength of factors at different levels
從表2,圖2可以看出,隨著mA′/mC與mW/mC的增加,CA 砂漿28d的抗壓強度都呈顯著降低趨勢,而mC對抗壓強度影響不大,當mA′/mC從0.222增加到0.282時,CA 砂漿的抗壓強度下降了4.48MPa,當mW/mC從0.42增加到0.54時,CA砂漿的抗壓強度下降了2.55MPa,而mC沒有明顯的影響趨勢.
由此可見,在正交試驗的3個影響因素中,mA′/mC影響最大,其次是mW/mC,而mC影響很小.但這僅僅是3個因素影響程度的相對比較,并不能說明mA′/mC與mW/mC是決定CA 砂漿28d抗壓強度的因素,也不能完全否認mC的作用.要了解這3個影響因素的不同價值,需要對正交數(shù)據(jù)進行方差分析,檢驗其顯著性.顯著性判定是將計算出的F 值與《F 檢驗的臨界值F 分布表》中相應(yīng)自由度的F值進行比較,具體分4種情況:F>F0.01時,因素影響特別顯著;F0.01≥F>F0.05時,因素影響顯著;F0.05≥F>F0.10時,因素有一定影響;F0.10≥F 時,因素沒有影響[9].
根據(jù)表2進行的方差分析結(jié)果如表3所示.
表3 CA砂漿28d抗壓強度影響因素方差分析結(jié)果Table 3 Influence significance of the 28dcompressive strength for CA mortar
從表3可看出,mA′/mC,mW/mC與mC三因素的F 值分別為263.20,69.80,5.97,自由度均為2.與該正交試驗相應(yīng)自由度的F0.01,F(xiàn)0.05,F(xiàn)0.10值分別為99,19,9.由此可以判定mA′/mC對CA 砂漿28d抗壓強度影響非常顯著,mW/mC影響顯著,而mC無影響.同理可證明,mA′亦非顯著影響因素.
通過SEM 觀 察了不同mA′/mC的CA 砂漿及水泥砂漿的微觀形貌,見圖3.在圖3中觀察不到除瀝青、水泥及其水化產(chǎn)物以外的任何新物相,這就說明CA 砂漿仍然是通過水泥水化形成結(jié)構(gòu)及強度的體系,瀝青在體系中以填料的形式存在,屬水泥基材料的范疇.因此,可用混凝土細觀力學(xué)的理論來分析其強度.眾所周知,瀝青幾乎無強度,因此其作用可與空隙等同.
顯著性分析表明,mA′/mC對CA 砂漿28d抗壓強度的影響遠大于mW/mC的影響,因此,mA′/mC對CA 砂漿抗壓強度的影響不僅僅是空隙率的影響.從圖3可以看出,隨著mA′/mC的增加,水化產(chǎn)物減少,說明mA′/mC影響了水泥的水化程度.mA′/mC影響水泥水化程度有兩方面原因:一是瀝青覆蓋于水泥及其水化產(chǎn)物表面,阻礙了水向水泥的遷移,從而影響了水泥的進一步水化;二是乳化劑對CA 砂漿抗壓強度有一定影響[8].正是由于存在這兩種作用,使mA′/mC對CA 砂漿抗壓強度的影響顯著性大于mW/mC的影響.
圖3 不同mA′/mC下CA 砂漿的微觀形貌Fig.3 Microscopic pictures of different mA′/mC
CA 砂漿抗壓強度理論模型通過兩部分進行表征:一部分表征體系中水泥石的水化程度,這部分由mA′/mC決定,另一部分表征內(nèi)部孔隙率,由mA′/mC與mW/mC共同決定.
根據(jù)混凝土的艾布拉姆斯抗壓強度公式[10]:
本文提出了CA 砂漿抗壓強度公式:
對式(2)兩邊同時取對數(shù),得:
其中:y =ln k1′,a=ln k2′+ln k3′,b=ln k3′.
式(3)表明:CA 砂漿28d強度的對數(shù)與mA′/mC和mW/mC存在線性關(guān)系.
根據(jù)式(3)對本文正交試驗數(shù)據(jù)進行了回歸,回歸方程組如下:
其中:
常數(shù)項y 為:
表4 二元回歸計算表Table 4 Parameters of binary regression calculation
解以上方程組得:
再由式(5)可得:y=4.5387
則所求方程為:
該回歸方程的相關(guān)系數(shù)為:
R 非常接近1,故所得方程在正交試驗范圍內(nèi)應(yīng)用較為理想.
對于配合比參數(shù)不在本文正交試驗范圍內(nèi)的情況,以水泥28d膠砂強度和Ⅰ型CA 砂漿28d強度為例,分別在低、高mA′/mC兩種極端情況下,校驗了本文模型與實際情況的符合程度.
當mW/mC為0.5時,水泥膠砂28d的抗壓強度檢測值為56.7 MPa,而本文模型的計算值為49.5MPa,考慮到成型及加載制度的差異,兩者非常接近[2-3,6,8].
當mA′/mC=0.9,mW/mC=0.7時,根據(jù)眾多學(xué)者公布的資料可知,Ⅰ型CA 砂漿的實際強度約為2.0MPa,而本文模型的計算值為0.5MPa,二者的差異是由于不同乳化瀝青對強度的影響不同所致[8].這表明式(6)在較大范圍內(nèi)與實際情況相符.
mA′/mC,mW/mC是決定CA 砂漿28d 抗壓強度的主要因素;mW/mC對CA 砂漿抗壓強度的影響機理與其在混凝土中的影響機理相同;mA′/mC除了對孔隙率產(chǎn)生影響外,同時還會影響水泥水化程度,因此mA′/mC對CA 砂漿抗壓強度的影響更顯著;建立了基于孔隙率與水化程度的CA 砂漿28d抗壓強度的理論模型.
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