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        CRTS Ⅰ型水泥乳化瀝青砂漿流變性能

        2018-03-01 10:50:07賈恒瓊李洪剛
        土木工程與管理學報 2018年1期
        關鍵詞:回環(huán)剪切應力氣量

        王 濤, 賈恒瓊, 李洪剛

        (中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所, 北京 10081)

        中國鐵路軌道系統(tǒng)(China Railway Track Systems,CRTS)Ⅰ型板式無砟軌道由混凝土底座、水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)層和軌道板等主要結構組成,具有施工快捷、維修方便等特點[1~3],在我國高速鐵路建設中應用廣泛[4~6]。充填層CA砂漿由水泥、乳化瀝青、砂、水和多種外加劑等組成,含有大量的無機、有機成分以及多種表面活性劑,依靠自重充填于軌道板與混凝土道床之間厚度約為40~60 mm的扁平空腔內(nèi)(板腔,長×寬約4962 mm×2400 mm),是板式無砟軌道的關鍵材料與結構之一[7~9]。

        CA砂漿的灌注施工方式要求其具有良好的流動性能,以黃銅制J型漏斗的流出時間作為評判標準(規(guī)定為18~26 s),現(xiàn)場使用方便,能評價施工性能,但不能表征砂漿更多的流變參數(shù),特別是有些流動性指標關系到砂漿的后期使用性能,如粘度與砂漿勻質(zhì)性和高含氣量穩(wěn)定密切相關,最終會影響砂漿的耐久性。CRTS Ⅰ型CA砂漿現(xiàn)行標準規(guī)定乳化瀝青∶水泥≥1.4,國內(nèi)80%以上應用的CRTS Ⅰ CA砂漿配方體系中,原材料以體積含量計[4,6],乳化瀝青(含膠乳)約為53.4%~58.1%、砂約為26.4%~30.2%、水泥約為11.9%~12.6%,乳化瀝青體積是水泥的4.2倍以上,硬化后瀝青是水泥的2.5倍以上,有機-無機組成比例明顯不同于CRTS Ⅱ型CA砂漿(乳化瀝青∶水泥≥0.35)[10],明顯不同于常見的水泥漿體與水泥砂漿,因而其新拌體系流變性能不能簡單借鑒水泥類漿體結果[11~13];另外,該乳化瀝青具有減水和使新拌體系均勻穩(wěn)定的作用[14,15],不需外加減水劑和增稠劑/流變劑,就能保證砂漿的拌和灌注與均勻穩(wěn)定,相關水泥-乳化瀝青復合體系的研究文獻則與此不同。文獻[16,17]研究了無砂CA漿體的流變特性,采用外加流變助劑、減水劑等改善漿體性能,與實際工程用CA砂漿存在較大差異,因此,采用現(xiàn)場原材料與配合比,系統(tǒng)研究其流變性能對實際工程CA砂漿制備與施工具有重要的理論和指導意義。

        本文使用工程現(xiàn)場用原材料,按施工配合比進行試驗,研究了新拌CA砂漿粘度、觸變性等流變特征,并分析了含氣量、流動度值與其流變性能的關系,研究結果可為CA砂漿材料的研究與工程應用提供有價值的參考。

        1 原材料與試驗方法

        1.1 原材料與制備

        原材料主要選用:(1)乳化瀝青為灌漿專用陽離子慢裂快凝型乳化瀝青,固含量60%;(2)干料為CRTS Ⅰ型砂漿專用干料,干料中<0.075 mm 的顆粒含量為33%,不同廠家共計5種干料,干料組成相同,P·Ⅱ 42.5硅酸鹽水泥存在產(chǎn)地差異;(3)膠乳為TD-08聚合物乳液;(4)消泡劑為有機硅類;(5)引氣劑為松香類。

        原材料配比:干料∶乳化瀝青∶膠乳∶水∶消泡劑∶引氣劑=3∶1.29∶0.11∶0.067∶0.0004∶0.004;其中干料密度為1103 kg/m3,乳化瀝青(含膠乳)∶水泥=1.4(質(zhì)量比)。調(diào)整外加水量使砂漿流動度滿足要求。

        攪拌工藝為:先加水、乳化瀝青、膠乳、消泡劑等液料,轉(zhuǎn)速30 r/min;再加干料,轉(zhuǎn)速80 r/min; 最后加引氣劑,開始高速攪拌,速度120 r/min,攪拌時間為120 s;低速30 r/min攪拌30 s,砂漿制備完成。

        1.2 試驗方法

        流變性能采用Brookfield RS-SST型軟固體測試流變儀測定,其適宜測試含有砂粒的CA砂漿。將原材料按比例稱量、攪拌制備后快速對CA漿體進行測試,測試室內(nèi)溫度為25±1 ℃。

        新拌CA砂漿流動度、含氣量按照暫行技術條件(科技基[2008]74號[18])附錄進行測試。

        2 結果與分析

        2.1 粘度特征

        在涂料領域,常采用轉(zhuǎn)速6 rpm和60 rpm時體系粘度分別表征涂料類似靜止或流動時的粘度,并用其粘度比值評價其觸變性。乳化瀝青是涂料的一種,CA砂漿中乳化瀝青體積和質(zhì)量分數(shù)均為絕大多數(shù),忽略早期水泥水化影響,用相同配比與原材的CA砂漿分別測試6 rpm和60 rpm旋轉(zhuǎn)速度下的體系粘度,近似表征CA砂漿靜止和流動狀態(tài)下的體系粘度。選取5組砂漿測試90 s,其體系粘度隨時間的變化規(guī)律結果見圖1,2。

        圖1 6 rpm時粘度

        圖2 60rpm時粘度

        圖1,2表明,相同轉(zhuǎn)速下,隨著時間延長,CA砂漿粘度逐漸降低并趨于穩(wěn)定。不同轉(zhuǎn)速下,CA砂漿也具有剪切變稀性,轉(zhuǎn)速6 rpm時,砂漿粘度在13~28 Pa·s之間,粘度穩(wěn)定在8.3~11.3 Pa·s之間;而轉(zhuǎn)速60 rpm時,砂漿粘度降至3.5~4.9 Pa·s之間,粘度穩(wěn)定在1.7~2.4 Pa·s之間,CA砂漿具有剪切變稀的觸變性。

        新拌CA砂漿粘度對其流態(tài)/硬化狀態(tài)的勻質(zhì)性有重要影響。密度相差較大的水泥、瀝青和砂顆粒在新拌CA砂漿中上浮/下沉趨勢,顆粒上浮/下沉速度可用變形后的斯托克斯公式(1)說明。

        (1)

        式中:r為顆粒粒徑;v為相對運動速度;ρ1,ρ2分別為原材料顆粒和漿體的密度;η為漿體粘度;g為重力加速度。

        當ρ1>ρ2時,v>0,顆粒下沉;ρ1<ρ2時,v<0,顆粒上浮,上浮/下沉速度越快,砂漿分層越顯著。在確定配方和原材料的CA砂漿中,顆粒運動速度與其粒徑的平方成正比,工業(yè)化生產(chǎn)的水泥和乳化瀝青粒徑均相對穩(wěn)定,但技術條件中砂子粒徑規(guī)定較為寬泛,以圖1粘度值8.3 Pa·s、板腔厚50 mm估算,不考慮水化后體系變稠,直徑0.6 mm砂粒下沉至底部時間約35 min(滿足可工作時間≥30 min),而直徑1.18 mm砂粒則僅需9 min,因而,在工程中常采用0.15~0.3 mm和0.3~0.6 mm兩種級配各50%的混合砂,控制了最大粒徑,也滿足了砂的細度模數(shù)要求,并經(jīng)實際揭板檢查,驗證并確保了CA砂漿的斷面均勻。

        2.2 觸變性滯回環(huán)

        設置最高剪切速率分別為100,150 s-1,測試粘度隨剪切速率先增加至最高值,后降低的連續(xù)變化,典型的CA砂漿粘度-剪切速率全曲線測試結果見圖3,4。

        圖3 100 s-1時粘度-剪切速率全曲線

        圖4 150 s-1時粘度-剪切速率全曲線

        圖3,4表明,隨著剪切速率提高,砂漿粘度逐漸降低,剪切速率逐步降低階段砂漿體系粘度又逐漸上升,該階段曲線的粘度值略高于剪切速率提高階段曲線的粘度值,在低剪切速率時較明顯,下降、上升曲線與縱坐標軸圍成粘度-剪切速率滯回環(huán),即CA砂漿具有典型的粘度觸變性,灌注過程中容易流動和填充空腔區(qū)域,停止灌注后,粘度上升能阻止顆粒上浮或下沉,使新拌CA砂漿體系中各顆粒組分保持分散均勻。

        漿體觸變性常用其剪切應力-剪切速率曲線滯回環(huán)面積表征[19,20],CA砂漿剪切應力隨剪切速率的典型變化規(guī)律見圖5,6。采用同一鍋砂漿,根據(jù)相關參考文獻[14,15,20,22,23]中的剪切速率,本研究先測試最高剪切速率150 s-1的全曲線,再測試100 s-1的全曲線,并計算曲線滯回環(huán)包圍面積,以表征砂漿觸變性。

        圖5 150 s-1時剪切應力-剪切速率全曲線

        圖6 100 s-1時剪切應力-剪切速率全曲線

        圖5,6表明,最高剪切速率分別為100,150 s-1時,CA砂漿剪切應力-速率全曲線與縱坐標均可形成滯回環(huán),不同最高剪切速率全曲線的下降段基本呈現(xiàn)線性下降趨勢,具有典型的剪切觸變性;但兩者上升段變化趨勢略有不同,最高剪切速率150 s-1時,曲線上升段在90~115 s-1間存在水平段,即全曲線上升段存在剪切應力穩(wěn)定階段,表明在一定的剪切速率范圍內(nèi),測試轉(zhuǎn)子周邊砂漿分散與聚集相互競爭處于動態(tài)平衡,而在速率大于115 s-1時,粉料還可在液料中進一步分散。實際砂漿制備過程在90 r/min升至130 r/min時[21],攪拌機功率并未立即上升,而是呈現(xiàn)下降后回升略持平(參考文獻[21]中階段Ⅲ),最高攪拌速度130 r/min后,干料顆粒得以進一步分散均勻。

        剪切應力-剪切速率全曲線起始點與終點相距較遠,下降段在上升曲線下方,就上升曲線而言,隨剪切速率增加,剪切應力先降低后增加,而相關文獻研究結果為“先上升后趨緩”或“先下降后趨緩”[15,19,22,23],也與現(xiàn)有流變模型不符[23],原因可能在于本研究中乳化瀝青自帶減水和流變改進作用,不需外加減水劑或粘度改性劑,且乳化瀝青體積分數(shù)53%以上。

        另外,參考涂料觸變性評價方法[24],采用測試60 s時6 rpm粘度與60 rpm粘度的比值表征CA砂漿觸變性,分析圖1,2中結果,粘度比值觸變性指數(shù)在4.08 ~5.88之間,區(qū)別范圍較小。

        2.3 含氣量、粘度比值觸變指數(shù)與流動度關系

        乳化瀝青中的表面活性劑易使砂漿在攪拌中產(chǎn)生氣泡,消泡劑可去掉大氣泡,留下適量的微小氣泡可以其“滾珠軸承”作用促進新拌砂漿的流動性。分別研究含氣量-流動度、粘度比值觸變指數(shù)-流動度之間的關系,結果見圖7,8。

        圖7 含氣量-流動度關系

        圖8 觸變指數(shù)-流動度關系

        圖7表明,CA砂漿流動度與其含氣量線性擬合相關系數(shù)R2為0.59,即CA砂漿粘度與其含氣量并不顯著相關;圖8表明,粘度比值觸變性指數(shù)與流動度相關系數(shù)R2為0.52,說明增大CA砂漿粘度,也不能顯著增加其粘度比值觸變指數(shù)。

        另外,將氣泡等效于顆粒,根據(jù)式(1)可知,體系粘度增加,可減緩氣泡上浮速度,有利于CA砂漿體系均勻穩(wěn)定,降低實際工程砂漿表面起皮和分層風險。

        2.4 滯回環(huán)面積與含氣量、流動度變化值關系

        觸變性影響新拌CA砂漿含氣量、流動度等性能,以0和30 min砂漿流動度的差值表示流動度變化量,與滯回環(huán)面積觸變性的關系見圖9,含氣量與滯回環(huán)面積的關系見圖10。

        圖9 150 s-1滯回環(huán)面積-流動度變化量曲線

        圖10 含氣量-100 s-1滯回環(huán)面積曲線

        圖9表明,150 s-1滯回環(huán)面積與流動度30 min變化量具有較好的相關性,相關系數(shù)R2為0.93,說明30 min流動度變化量也可一定程度上表征CA砂漿的觸變性。

        圖10表明,含氣量與100 s-1滯回環(huán)面積具有一般的線性正相關,相關系數(shù)R2為0.81,也說明含氣量越高,CA砂漿的觸變性越大,考慮新拌砂漿的可灌注性和硬化體的密實性,其對應觸變性既不能太大也不能太小,而應在一定范圍內(nèi),觸變性太小,體系中氣泡體系容易逸出,影響流動性,不利于灌注填充,觸變性太大,含氣量容易過高,也不利于硬化性能。

        2.5 滯回環(huán)面積與粘度比值觸變指數(shù)

        觸變性(剪切變稀型)不僅有利于CA砂漿灌注施工,還能避免灌注后靜置硬化時分層離析,改善CA砂漿各組分勻質(zhì)性,最終提高砂漿耐久性能,其觸變性能可分別以滯回環(huán)面積和粘度比值觸變指數(shù)表示。將110 s-1滯回環(huán)面積、150 s-1滯回環(huán)面積和粘度比值觸變指數(shù)三者之間的關系以曲線表示,見圖11~13。

        圖11 100 s-1滯回環(huán)面積-粘度比值曲線

        圖12 150 s-1滯回環(huán)面積-粘度比值曲線

        圖13 150-100 s-1滯回環(huán)面積曲線

        圖11~13表明,在表征CA砂漿觸變性的指標中,110 s-1滯回環(huán)面積、150 s-1滯回環(huán)面積和粘度比值觸變指數(shù)三者具有較好的相關性,其中150 s-1滯回環(huán)面積與其他兩者的線性相關性較好,相關系數(shù)R2均在0.92以上,可以較好表征CA砂漿的觸變性。

        依據(jù)上述研究成果,在實際CA砂漿制備與施工中,通過乳化瀝青和干料匹配調(diào)節(jié)新拌砂漿體系觸變性、外加用水量調(diào)整其粘度,實現(xiàn)新拌CA砂漿中各組成與氣泡體系的均勻穩(wěn)定,充填層砂漿灌注后揭板顯示斷面均勻,確保了高鐵工程用CA砂漿的施工質(zhì)量。

        3 結 論

        (1)隨著旋轉(zhuǎn)時間延長、剪切速率提高, CA砂漿粘度逐漸降低后趨于穩(wěn)定,剪切速率降低時粘度逐漸上升,粘度曲線下降段略高于上升段,具有剪切變稀的觸變性能;

        (2)最高剪切速率為100與150 s-1時,CA砂漿剪切應力-速率全曲線兩者下降段近似直線,但兩者上升段趨勢略有不同,150 s-1曲線上升段在90~115 s-1之間存在剪切應力穩(wěn)定的水平段,可指導砂漿分散制備時的最高攪拌速度;

        (3)增加CA砂漿粘度并不能顯著增加體系含氣量和粘度比值觸變指數(shù),觸變性越大,其含氣量相對較高;

        (4)150 s-1滯回環(huán)面積與110 s-1滯回環(huán)面積和粘度比值觸變指數(shù)的線性相關性較好,系數(shù)R2均在0.92以上,適宜表征CA砂漿的觸變性。

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