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        水泥—瀝青膠凝材料的彈性模量與組成參數(shù)的關(guān)系

        2016-03-30 03:01:08鄧德華彭建偉
        中國(guó)鐵道科學(xué) 2016年2期
        關(guān)鍵詞:水化物試片水化

        田 青,鄧德華,彭建偉

        (1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410075;2.安徽中鐵工程材料科技有限公司,安徽 合肥 230023)

        列車與無(wú)砟軌道動(dòng)態(tài)相互作用的動(dòng)力學(xué)理論是無(wú)砟軌道研發(fā)的重要理論基礎(chǔ),動(dòng)力性能分析及評(píng)估是無(wú)砟軌道研發(fā)過(guò)程中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)[1]。水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)作為板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)(CRTS)的充填層材料,起著提高板式軌道彈性、減緩振動(dòng)的重要作用。CA砂漿的彈性模量作為軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的重要技術(shù)參數(shù),其合理的取值對(duì)提高板式軌道結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力性能具有十分重要的意義[2-4]。

        CA砂漿由水泥、乳化瀝青、砂、水以及外加劑制成,其中水泥和瀝青共同作為其膠凝材料,簡(jiǎn)稱CAB。相關(guān)研究表明[5-6]:在一定范圍內(nèi),砂的級(jí)配、砂灰比對(duì)CA砂漿力學(xué)性能的影響并不明顯,決定整個(gè)砂漿力學(xué)性能的主要因素是其膠凝材料的特性。不同于水泥漿和聚合物水泥漿,CA凈漿中瀝青含量極高(水泥質(zhì)量的30%~90%),因而其力學(xué)性能由水泥和瀝青共同決定。Li[7]等對(duì)水泥瀝青乳液復(fù)合材料的疲勞、剛度、溫度敏感性和力學(xué)性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)該種材料既具有水泥基材料較長(zhǎng)的疲勞壽命和較低的溫度敏感性,又兼有瀝青基材料的高韌性與高彈性。Pouliot[8]等研究了水泥瀝青乳液復(fù)合材料的水化進(jìn)程、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)瀝青在水泥漿中分散均勻并延緩了水泥的水化反應(yīng),復(fù)合材料的力學(xué)性能隨瀝青含量的增加而顯著下降。這些研究表明,CAB的彈性模量與其配合比、微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。

        CRTS Ⅰ型CA砂漿具有高韌性、低強(qiáng)度、低彈性模量等特點(diǎn)[9]。硬化后的CAB以有機(jī)的瀝青相為連續(xù)相,水泥水化物為分散相,其力學(xué)性能更接近于瀝青的力學(xué)特性[6,10]。由于常溫下瀝青是一種典型的柔性高分子材料,而硬化水泥漿體則為剛性無(wú)機(jī)材料,其力學(xué)性能遠(yuǎn)高于瀝青。因而,硬化后的CAB可視為水化產(chǎn)物增強(qiáng)瀝青基體材料,其力學(xué)性能既與瀝青的性質(zhì)有關(guān),又隨水化產(chǎn)物含量的變化而有所不同。但是目前關(guān)于這方面研究的報(bào)道很少。本文通過(guò)對(duì)不同組成CRTS Ⅰ型CA砂漿的CAB進(jìn)行應(yīng)力—應(yīng)變壓縮試驗(yàn),并結(jié)合真空飽水、瀝青抽濾等分析及測(cè)試方法,研究CAB的彈性模量與微結(jié)構(gòu)參數(shù)、配合比的關(guān)系。

        1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

        1.1 原材料

        水泥選用江西亞?wèn)|水泥有限公司生產(chǎn)的P·Ⅱ 52.5R硅酸鹽水泥,其物理性能及力學(xué)性能見表1,化學(xué)組成見表2,礦物組成及燒失量見表3。瀝青選用殼牌(天津)公司生產(chǎn)的陽(yáng)離子乳化瀝青,主要性能見表4。拌合水用一般自來(lái)水。消泡劑選用有機(jī)硅消泡劑,其固含量為25%。

        表1 水泥的物理及力學(xué)性能

        表2 水泥的化學(xué)組成 %

        表3 水泥的礦物組成及燒失量 %

        表4 乳化瀝青的性能

        1.2 試件制備

        試驗(yàn)用CAB的配合比見表5,其中A/C為瀝灰比,即CAB中所含瀝青與水泥質(zhì)量之比;W/C為水灰比,水灰比的計(jì)算中水為乳化瀝青中水與外加水之和。先將乳化瀝青和水加入攪拌鍋中,以30 r·min-1的慢速攪拌并加入適量的消泡劑;消泡后在慢速攪拌下徐徐加入水泥,然后以120~150 r·min-1快速攪拌120 s,使各種物料分散均勻,最后慢速攪拌30 s,消除較大氣泡。

        表5 試件配合比

        將拌好的CAB漿體注入內(nèi)徑為71 mm的 PVC管模具中,室溫養(yǎng)護(hù)24 h;然后置于(20±2)℃、相對(duì)濕度60%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)至180 d。用巖石切割機(jī)將試件切割成φ(71.00±0.10)mm×(100.00±0.10)mm的圓柱體試件,并用打磨機(jī)進(jìn)行表面打磨。

        1.3 應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試

        常溫下(20 ℃)采用長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)研究院生產(chǎn)的DNS 100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試塊進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變壓縮試驗(yàn)。測(cè)試采用位移控制,加載速率為1 mm·min-1。正式加載前預(yù)加載3次,預(yù)壓力為0.1 MPa,使試塊與試驗(yàn)機(jī)加載接觸面接觸良好。每個(gè)配比測(cè)試3個(gè)試塊,取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

        1.4 微結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)試

        1)毛細(xì)孔體積分?jǐn)?shù)

        為得到試件的毛細(xì)孔體積分?jǐn)?shù),將經(jīng)力學(xué)性能測(cè)試后的試塊用金剛砂輪切割成厚度為3~5 mm的試片。將試片置于HDXM-21型混凝土飽水儀中抽真空吸水飽和至恒重,用濾紙吸取表面自由水,稱取試片質(zhì)量m1。采用凈水天平法測(cè)量吸水飽和試片在水中的質(zhì)量m2。

        配制飽和MgCl2溶液(相對(duì)濕度約為33%)[11],將吸水飽和的試片放入盛有MgCl2溶液的玻璃瓶中干燥至恒重,稱取試片質(zhì)量m3。按照式(1)計(jì)算試片的毛細(xì)體積吸水率或毛細(xì)孔體積分?jǐn)?shù)。

        (1)

        2)瀝青相體積分?jǐn)?shù)

        將干燥至恒重的試片放入盛有三氯乙烯的玻璃瓶中,密封后在多功能振蕩機(jī)上輕搖,使試片中的瀝青溶出。1 d后,將玻璃瓶中的液體倒入底部裝有0.45 μm微孔濾膜的漏斗中,將漏斗安裝在抽濾瓶上,抽真空除去溶劑。將漏斗中的固體重新放入玻璃瓶中,并加入三氯乙烯溶劑,如此反復(fù)進(jìn)行抽濾,分離溶劑和固體物,直至溶劑顏色很淺為止。將分離的固體物放入抽濾瓶中,真空干燥至恒重,稱其質(zhì)量m4。按照式(2)計(jì)算試片中瀝青相的體積分?jǐn)?shù)。

        (2)

        3)水化物相體積分?jǐn)?shù)

        假設(shè)試片的總體積是瀝青體積、水化物相體積和毛細(xì)孔體積之和,即三者的體積分?jǐn)?shù)和應(yīng)等于1。則水化物相的體積分?jǐn)?shù)可表示為

        Vch=1-Va-Vp

        (3)

        2 結(jié)果與討論

        2.1 試驗(yàn)結(jié)果

        圖1為試驗(yàn)所得CAB的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。由圖1可以看出:A/C和W/C對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變曲線的影響顯著,W/C相同時(shí),應(yīng)力—應(yīng)變曲線的峰值和彈性階段的曲線斜率(彈性模量)隨A/C的減小而顯著增大;當(dāng)A/C相同時(shí),W/C的變化對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變曲線的峰值和彈性階段的曲線斜率(彈性模量)的影響較小。說(shuō)明,A/C才是影響CAB力學(xué)性能的關(guān)鍵因素,而W/C在一定范圍內(nèi)波動(dòng)并不會(huì)顯著改變CAB的力學(xué)性能。

        圖1 不同配比CAB的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

        取CAB應(yīng)力—應(yīng)變曲線1/3抗壓強(qiáng)度與預(yù)壓強(qiáng)度(0.1 MPa)之間的割線斜率,作為CAB的彈性模量,得到的各配合比試件的彈性模量見表6,彈性模量隨A/C及W/C的變化規(guī)律如圖2和圖3所示。

        表6 CAB的彈性模量及各物相的體積分?jǐn)?shù)

        圖2 W/C=0.67時(shí)彈性模量隨A/C的變化規(guī)律

        由表6及圖2、圖3可知:W/C相同時(shí),A/C由0.7增加到1.0,CAB的彈性模量自645 MPa下降到354 MPa,下降幅度達(dá)到45%;而A/C為0.7時(shí),W/C由0.55增加到0.67,彈性模量自768 MPa下降到645 MPa,下降幅度僅為16%,且A/C為0.9時(shí),彈性模量隨W/C的變化幅度甚至更小。

        圖3 彈性模量隨W/C的變化規(guī)律

        相關(guān)研究[12-13]表明,當(dāng)A/C≥0.7時(shí),CAB硬化體的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以乳化瀝青凝聚成膜形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主,水泥水化產(chǎn)物被瀝青連續(xù)相包裹。水泥的彈性模量遠(yuǎn)大于瀝青,因而可將水化產(chǎn)物視為剛性粒狀,則硬化CAB可視為剛性顆粒增強(qiáng)柔性基體材料。而對(duì)于剛性顆粒增強(qiáng)柔性基體材料,已有諸多文獻(xiàn)表明[14-17],增強(qiáng)相的體積是影響增強(qiáng)效果的本質(zhì)因素。

        試驗(yàn)得到的不同配合比CAB的各物相體積分?jǐn)?shù)見表6。從表6可見,W/C相同、A/C不同的CAB的水化產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)相差較大;而A/C相同、W/C不同時(shí),水化產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)則較為接近。這也證明了A/C是通過(guò)影響CAB的水化產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù),進(jìn)而影響CAB的力學(xué)性能;而W/C對(duì)CAB水化產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的影響不顯著,進(jìn)而對(duì)CAB力學(xué)性能的影響也不大。

        2.2 CAB的彈性模量模型

        相關(guān)研究表明,當(dāng)A/C≥0.7時(shí),硬化后的CAB是以瀝青為基體相、水化產(chǎn)物為增強(qiáng)相的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合體結(jié)構(gòu),如圖4所示。

        圖4 高A/C的CAB的物理結(jié)構(gòu)模型

        圖5為采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察到的CAB微觀結(jié)構(gòu)照片。圖5顯示,水化產(chǎn)物雖被瀝青所包裹,但彼此之間并非完全分散,水化產(chǎn)物之間仍存在部分搭接或相互作用。

        圖5 CAB的微觀結(jié)構(gòu)

        對(duì)于剛性顆粒增強(qiáng)柔性基體材料(例如石粉增強(qiáng)瀝青卷材),曾有多種力學(xué)模型描述其彈性模量隨組成結(jié)構(gòu)的變化,如Einstein模型、Guth模型、Mooney模型、Kerner模型、Thomas模型、Frankle-Acrivos模型和Quemada模型[18]。上述模型中,Einstein模型僅適用于顆粒體積分?jǐn)?shù)很小時(shí)(≤0.02)[19];Frankle-Acrivos[20]和Quemada[21]模型僅仕用于顆粒的堆積密度接近最大時(shí),而顆粒緊密堆積時(shí)的體積分?jǐn)?shù)一般均遠(yuǎn)大于0.5,因而這3個(gè)模型在本文不予考慮。

        Guth模型通過(guò)引入增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的高次項(xiàng)表征顆粒間復(fù)雜的相互作用[22];Thomas模型則通過(guò)增加指數(shù)項(xiàng)進(jìn)行表征[22];Mooney模型則將顆粒間的相互作用假設(shè)為“擁擠效應(yīng)”,并通過(guò)方程中的參數(shù)b進(jìn)行表征[23];Kerner模型則沒有充分考慮顆粒間的相互作用[24]。因此,選擇顆粒體積分?jǐn)?shù)適用范圍廣泛且考慮顆粒間相互作用的Thomas模型、Guth模型、Mooney模型進(jìn)行實(shí)測(cè)CAB彈性模量與水化物相體積分?jǐn)?shù)擬合。

        3種力學(xué)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。

        Thomas模型:

        aexp(bVch)]

        (4)

        Guth模型:

        (5)

        Mooney模型:

        (6)

        式中:Ecab為CAB的彈性模量,MPa;Ea為瀝青的彈性模量,常溫下(20 ℃)取為1 MPa;Vch為水化物相的體積分?jǐn)?shù);a和b為回歸系數(shù)。

        用式(4)—式(6)對(duì)5個(gè)試件的彈性模量與水化物相的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行擬合,得到的擬合曲線如圖6所示。各模型的回歸系數(shù)及擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)(R2)和標(biāo)準(zhǔn)差S見表7。

        圖6 力學(xué)模型擬合結(jié)果

        表7 各模型擬合的結(jié)果

        圖6和表7表明,由Guth模型得到的計(jì)算結(jié)果,在Vch較小及較大時(shí)與實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大,且標(biāo)準(zhǔn)差S達(dá)到51 MPa,具有較大的離散性。而Thomas模型和Mooney模型則與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好,相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.984 0和0.988 6,而由Mooney模型得到的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)差更小。綜上所述,Mooney模型最適合描述水泥—瀝青膠凝材料CAB的彈性模量。這說(shuō)明CAB的彈性模量與Vch呈指數(shù)關(guān)系,在Vch較小時(shí),CAB的彈性模量較小,隨著Vch的增加,CAB彈性模量的增加速度逐漸增大。

        2.3 彈性模量與組成參數(shù)間關(guān)系

        對(duì)于CAB來(lái)說(shuō),懸浮在水中的固體相除了水泥顆粒外,還有瀝青乳粒。相關(guān)研究表明,新拌CAB在凝結(jié)過(guò)程中水泥與瀝青間并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。其中水化產(chǎn)物及相應(yīng)的毛細(xì)孔等的體積分?jǐn)?shù)僅與CAB中的水泥漿含量有關(guān),因此硬化CAB中各物相的體積分?jǐn)?shù)可分別表示如下[25-26]。

        (1)新拌CAB中水泥漿(水泥顆粒與水)的體積分?jǐn)?shù)Vcp為

        (7)

        式中:W為拌合用水量,g;C為水泥用量,g;ρw為水的密度,1.0 g·cm-3;ρc為水泥的密度,硅酸鹽水泥可取為3.12 g·cm-3;ρa(bǔ)為固體瀝青的密度,一般為1.02 g·cm-3。

        (2)純水泥漿中拌合水所占體積分?jǐn)?shù)Vp0(又稱初始空隙率)為

        (8)

        (3)新拌漿體中固體瀝青相的體積分?jǐn)?shù)Va為

        Va=1-Vcp

        (9)

        (4)毛細(xì)孔的體積分?jǐn)?shù)Vp為

        Vp=Vcp[Vp0-1.32α(1-Vp0)]

        (10)

        式中:α為水泥的水化程度。

        (5)水泥水化物的體積分?jǐn)?shù)Vch為

        Vch=2.12Vcp(1-Vp0)α

        (11)

        對(duì)于養(yǎng)護(hù)180 d的試件,可認(rèn)為水泥接近完全水化,即α可近似為1[10]。表8給出了試件CAB 5(A/C=0.7,W/C=0.55)各物相體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算值及試驗(yàn)值。

        表8 計(jì)算值與試測(cè)值的比較

        由表8可知,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值符合良好,式(7)—式(11)可有效計(jì)算硬化CAB各物相的體積分?jǐn)?shù)。將CAB各物相體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算式與反映其彈性模量的Mooney方程并聯(lián),即可估算已知A/C與W/C的CAB的彈性模量Ecab,即

        (12)

        典型的CRTS Ⅰ型CAB的W/C為0.70,A/C為0.86[9]。假設(shè)水泥完全水化(α=1),圖7給出了W/C固定為0.70時(shí),CAB的彈性模量隨A/C的變化曲線。圖8給出了A/C固定為0.86時(shí),CAB的彈性模量隨W/C的變化曲線。

        圖7 W/C為0.70時(shí)A/C對(duì)CAB彈性模量的影響

        由圖7和圖8可知,在實(shí)際施工配合比基礎(chǔ)上,W/C,A/C小范圍波動(dòng)時(shí),CAB的彈性模量改變較小,即在符合標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi),可根據(jù)實(shí)際要求的CAB工作性能,在一定范圍內(nèi)對(duì)W/C,A/C進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

        圖8 A/C為0.86時(shí)W/C對(duì)CAB彈性模量的影響

        3 結(jié) 論

        (1)CRTS Ⅰ型CA砂漿的CAB可視為水化產(chǎn)物增強(qiáng)瀝青基體材料,水化物相的體積分?jǐn)?shù)是影響CAB彈性模量的本質(zhì)因素。

        (2)可采用Mooney方程表征CAB的彈性模量和水化物相體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系,且兩者之間呈指數(shù)形式。

        (3)建立了硬化CAB的彈性模量與瀝灰比、水灰比、水化度等組成參數(shù)間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

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