CRTS Ⅰ型水泥乳化瀝青砂漿流變性能

王 濤， 賈恒瓊， 李洪剛

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

中國(guó)鐵路軌道系統(tǒng)(China Railway Track Systems，CRTS)Ⅰ型板式無(wú)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(jié)構(gòu)組成，具有施工快捷、維修方便等特點(diǎn)[1～3]，在我國(guó)高速鐵路建設(shè)中應(yīng)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(wú)機(jī)、有機(jī)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(zhǎng)×寬約4962 mm×2400 mm)，是板式無(wú)砟軌道的關(guān)鍵材料與結(jié)構(gòu)之一[7～9]。

CA砂漿的灌注施工方式要求其具有良好的流動(dòng)性能，以黃銅制J型漏斗的流出時(shí)間作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)(規(guī)定為18～26 s)，現(xiàn)場(chǎng)使用方便，能評(píng)價(jià)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(dòng)性指標(biāo)關(guān)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(guān)，最終會(huì)影響砂漿的耐久性。CRTS Ⅰ型CA砂漿現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定乳化瀝青∶水泥≥1.4，國(guó)內(nèi)80%以上應(yīng)用的CRTS Ⅰ CA砂漿配方體系中，原材料以體積含量計(jì)[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(jī)-無(wú)機(jī)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(jiàn)的水泥漿體與水泥砂漿，因而其新拌體系流變性能不能簡(jiǎn)單借鑒水泥類漿體結(jié)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(guān)水泥-乳化瀝青復(fù)合體系的研究文獻(xiàn)則與此不同。文獻(xiàn)[16,17]研究了無(wú)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(shí)際工程用CA砂漿存在較大差異，因此，采用現(xiàn)場(chǎng)原材料與配合比，系統(tǒng)研究其流變性能對(duì)實(shí)際工程CA砂漿制備與施工具有重要的理論和指導(dǎo)意義。

本文使用工程現(xiàn)場(chǎng)用原材料，按施工配合比進(jìn)行試驗(yàn)，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(dòng)度值與其流變性能的關(guān)系，研究結(jié)果可為CA砂漿材料的研究與工程應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。

1 原材料與試驗(yàn)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(yáng)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(jì)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T(mén)D-08聚合物乳液；(4)消泡劑為有機(jī)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(dòng)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(kāi)始高速攪拌，速度120 r/min，攪拌時(shí)間為120 s；低速30 r/min攪拌30 s，砂漿制備完成。

1.2 試驗(yàn)方法

流變性能采用Brookfield RS-SST型軟固體測(cè)試流變儀測(cè)定，其適宜測(cè)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(duì)CA漿體進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試室內(nèi)溫度為25±1 ℃。

新拌CA砂漿流動(dòng)度、含氣量按照暫行技術(shù)條件(科技基[2008]74號(hào)[18])附錄進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 粘度特征

在涂料領(lǐng)域，常采用轉(zhuǎn)速6 rpm和60 rpm時(shí)體系粘度分別表征涂料類似靜止或流動(dòng)時(shí)的粘度，并用其粘度比值評(píng)價(jià)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?jǐn)?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(cè)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(dòng)狀態(tài)下的體系粘度。選取5組砂漿測(cè)試90 s，其體系粘度隨時(shí)間的變化規(guī)律結(jié)果見(jiàn)圖1，2。

圖1 6 rpm時(shí)粘度

圖2 60rpm時(shí)粘度

圖1，2表明，相同轉(zhuǎn)速下，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，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(shí)，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(shí)，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(duì)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(shì)，顆粒上浮/下沉速度可用變形后的斯托克斯公式(1)說(shuō)明。

(1)

式中：r為顆粒粒徑；v為相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dāng)ρ1>ρ2時(shí)，v>0，顆粒下沉；ρ1<ρ2時(shí)，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(yùn)動(dòng)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(duì)穩(wěn)定，但技術(shù)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(shí)間約35 min(滿足可工作時(shí)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(jí)配各50%的混合砂，控制了最大粒徑，也滿足了砂的細(xì)度模數(shù)要求，并經(jīng)實(shí)際揭板檢查，驗(yàn)證并確保了CA砂漿的斷面均勻。

2.2 觸變性滯回環(huán)

設(shè)置最高剪切速率分別為100，150 s-1，測(cè)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(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3，4。

圖3 100 s-1時(shí)粘度-剪切速率全曲線

圖4 150 s-1時(shí)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(shí)較明顯，下降、上升曲線與縱坐標(biāo)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(guò)程中容易流動(dòng)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(yīng)力-剪切速率曲線滯回環(huán)面積表征[19,20]，CA砂漿剪切應(yīng)力隨剪切速率的典型變化規(guī)律見(jiàn)圖5，6。采用同一鍋砂漿，根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)[14,15,20,22,23]中的剪切速率，本研究先測(cè)試最高剪切速率150 s-1的全曲線，再測(cè)試100 s-1的全曲線，并計(jì)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(shí)剪切應(yīng)力-剪切速率全曲線

圖6 100 s-1時(shí)剪切應(yīng)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(shí)，CA砂漿剪切應(yīng)力-速率全曲線與縱坐標(biāo)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(shì)，具有典型的剪切觸變性；但兩者上升段變化趨勢(shì)略有不同，最高剪切速率150 s-1時(shí)，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(yīng)力穩(wěn)定階段，表明在一定的剪切速率范圍內(nèi)，測(cè)試轉(zhuǎn)子周邊砂漿分散與聚集相互競(jìng)爭(zhēng)處于動(dòng)態(tài)平衡，而在速率大于115 s-1時(shí)，粉料還可在液料中進(jìn)一步分散。實(shí)際砂漿制備過(guò)程在90 r/min升至130 r/min時(shí)[21]，攪拌機(jī)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(xiàn)[21]中階段Ⅲ)，最高攪拌速度130 r/min后，干料顆粒得以進(jìn)一步分散均勻。

剪切應(yīng)力-剪切速率全曲線起始點(diǎn)與終點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，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(yīng)力先降低后增加，而相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)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(jìn)作用，不需外加減水劑或粘度改性劑，且乳化瀝青體積分?jǐn)?shù)53%以上。

另外，參考涂料觸變性評(píng)價(jià)方法[24]，采用測(cè)試60 s時(shí)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(jié)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(dòng)度關(guān)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(jìn)新拌砂漿的流動(dòng)性。分別研究含氣量-流動(dòng)度、粘度比值觸變指數(shù)-流動(dòng)度之間的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖7，8。

圖7 含氣量-流動(dòng)度關(guān)系

圖8 觸變指數(shù)-流動(dòng)度關(guān)系

圖7表明，CA砂漿流動(dòng)度與其含氣量線性擬合相關(guān)系數(shù)R2為0.59，即CA砂漿粘度與其含氣量并不顯著相關(guān)；圖8表明，粘度比值觸變性指數(shù)與流動(dòng)度相關(guān)系數(shù)R2為0.52，說(shuō)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(shí)際工程砂漿表面起皮和分層風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 滯回環(huán)面積與含氣量、流動(dòng)度變化值關(guān)系

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

圖9 150 s-1滯回環(huán)面積-流動(dòng)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(dòng)度30 min變化量具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2為0.93，說(shuō)明30 min流動(dòng)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(guān)，相關(guān)系數(shù)R2為0.81，也說(shuō)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(shí)性，其對(duì)應(yīng)觸變性既不能太大也不能太小，而應(yīng)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(dòng)性，不利于灌注填充，觸變性太大，含氣量容易過(guò)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(shí)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(guān)系以曲線表示，見(jiàn)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(biāo)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(guān)性，其中150 s-1滯回環(huán)面積與其他兩者的線性相關(guān)性較好，相關(guān)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(shí)際CA砂漿制備與施工中，通過(guò)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(shí)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(jié) 論

(1)隨著旋轉(zhuǎn)時(shí)間延長(zhǎng)、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(shí)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(shí)，CA砂漿剪切應(yīng)力-速率全曲線兩者下降段近似直線，但兩者上升段趨勢(shì)略有不同，150 s-1曲線上升段在90～115 s-1之間存在剪切應(yīng)力穩(wěn)定的水平段，可指導(dǎo)砂漿分散制備時(shí)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(duì)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(guān)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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