快速封錨砂漿用緩凝劑試驗(yàn)研究

吳韶亮

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081）

CRTSⅢ型先張法軌道板是目前板式無砟軌道的主要結(jié)構(gòu)形式，廣泛應(yīng)用于高速鐵路中。與其他軌道板相比，CRTSⅢ型先張法軌道板錨穴直徑小、數(shù)量多，普通干硬性封錨砂漿無法保證封錨質(zhì)量。通過對封錨砂漿材料體系、施工工裝與工藝的重新設(shè)計(jì)與構(gòu)建，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司研制出了滿足Q/CR 567—2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板》要求的可擠入式快速封錨砂漿材料。通過減水劑、塑性膨脹劑、流變改性劑等外加劑來控制砂漿的流動(dòng)性、注塑性、體積穩(wěn)定性；通過添加緩凝劑來控制砂漿的可施工時(shí)間。本文研究了不同種類及摻量的緩凝劑對CRTSⅢ型先張法軌道板封錨砂漿可施工時(shí)間及力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

封錨砂漿的原材料包括干粉、乳膠、拌和水。干粉主要由52.5 快硬硫鋁酸鹽水泥、40～80 目石英砂、高性能聚羧酸減水劑、塑性膨脹劑、流變改性劑和緩凝劑組成；膠乳為自行配制的丙烯酸體系的聚合物乳液；拌和水為符合飲用水要求的自來水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

30 L 砂漿攪拌機(jī)，攪拌三擋可調(diào)；自制砂漿裝袋機(jī)；CMT6104和CM5305微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)。

1.3 試驗(yàn)方案

固定干粉體系中水泥、石英砂、減水劑、塑性膨脹劑、流變改性劑的配比，分別加入硼酸、硼砂、酒石酸、葡萄糖酸鈉4種緩凝劑。通過調(diào)整緩凝劑摻量并采用適當(dāng)?shù)臄嚢韫に?，制備出滿足Q/CR 567—2017要求的快速封錨砂漿。參照GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》中的終凝時(shí)間進(jìn)行可施工時(shí)間測試；按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 緩凝劑摻量與可施工時(shí)間的匹配

軌道板的生產(chǎn)工藝流程對快速封錨砂漿有2方面要求：①必須具有適宜的可施工時(shí)間，以保證封錨作業(yè)的批量施工；②施工完成后必須能夠在較短時(shí)間內(nèi)凝結(jié)硬化，以確保后續(xù)養(yǎng)護(hù)工序的正常進(jìn)行。

快硬硫鋁酸鹽水泥能夠快速凝結(jié)是由鈣礬石在水泥漿體中的析晶特點(diǎn)所決定的［1-3］。要延長水泥的凝結(jié)時(shí)間，須加入與其相匹配的外加劑，在水化初期包裹水泥熟料顆粒，延遲鈣礬石的生成［4-6］。不同種類的緩凝劑作用方式不同，有的通過大基團(tuán)陰離子吸附在固相和水化產(chǎn)物表面形成包裹層，有的與膠凝材料中的Ca2+等反應(yīng)形成硼酸鈣等小晶粒包裹在水泥顆粒水化層表面，但均能減緩鈣礬石晶體的形成及生長速度，最終達(dá)到延緩水泥水化的目的。不同種類緩凝劑的水溶性、吸附和反應(yīng)速度、形成包裹層結(jié)構(gòu)等均有差異，導(dǎo)致達(dá)到相同緩凝效果所需要的摻量不同。

研究過程中，將CRTSⅢ型先張法軌道板封錨砂漿可施工時(shí)間控制在（60±5）min。通過多次試配，分別確定了4 種緩凝劑在20，35 ℃條件下滿足可施工時(shí)間要求的質(zhì)量摻量，見表1?？芍阂频每墒┕r(shí)間相近的封錨砂漿，不同種類緩凝劑的質(zhì)量摻量差異較大，其中硼酸和硼砂用量較??；隨著溫度的升高，4 種緩凝劑的質(zhì)量摻量均有不同程度的增大。

表1 4種緩凝劑滿足可施工時(shí)間要求的質(zhì)量摻量

2.2 緩凝劑對封錨砂漿力學(xué)性能的影響

當(dāng)緩凝劑處于適宜摻量范圍時(shí)，產(chǎn)生的作為包裹層的陰離子基團(tuán)或者硼酸鈣在較好地將水泥顆粒包裹的同時(shí)，還能夠余下較少的通道讓水和SO42-離子等緩慢滲入到包裹層內(nèi)，逐步引起膜內(nèi)水泥顆粒水化。隨著緩凝劑的消耗和生成鈣礬石量的增加，包裹層逐漸脫落，最終達(dá)到既能保證砂漿具有適宜的可施工時(shí)間又能保證砂漿結(jié)構(gòu)及時(shí)硬化的目的。

在20 ℃條件下，按照表1 的質(zhì)量摻量，分別加入4 種緩凝劑制得封錨砂漿，并進(jìn)行 1，7，28 d 抗壓強(qiáng)度測試，結(jié)果見表2?？芍?，在滿足可施工時(shí)間要求的條件下，硼酸和硼砂制得的封錨砂漿抗壓強(qiáng)度相對較高，酒石酸次之，葡萄糖酸鈉最低。

表2 封錨砂漿抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

2.3 緩凝劑的優(yōu)選試驗(yàn)研究

綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和封錨砂漿的力學(xué)性能，優(yōu)選硼酸和硼砂作為封錨砂漿的緩凝劑。

加入不同質(zhì)量摻量的硼酸和硼砂制成封錨砂漿，進(jìn)行可施工時(shí)間和1 d 抗壓強(qiáng)度測試，結(jié)果見圖1?？芍?，隨著緩凝劑摻量的增加，封錨砂漿的可施工時(shí)間明顯延長且增加幅度越來越大，但其1 d 抗壓強(qiáng)度逐漸降低。這是因?yàn)殡S著緩凝劑摻量的增加，生成的硼酸鈣包裹層更加致密穩(wěn)定，水分子和離子因擴(kuò)散阻力過大而不易進(jìn)入膜內(nèi)，水泥出現(xiàn)過度緩凝甚至不凝，造成封錨砂漿抗壓強(qiáng)度降低。

圖1 緩凝劑摻量對封錨砂漿性能的影響

根據(jù)測試結(jié)果，為了保證施工現(xiàn)場封錨砂漿施工作業(yè)和軌道板入水養(yǎng)護(hù)需求，常溫（25 ℃）下硼酸、硼砂的質(zhì)量摻量分別以0.18%，0.30%為宜。

針對硼酸和硼砂的質(zhì)量摻量相差較大的現(xiàn)象，可以從溶解、緩凝、消退3個(gè)過程進(jìn)行分析。

1）溶解過程

為使緩凝劑盡快溶解并參與反應(yīng)，緩凝劑須具有適宜的溶解度。不同溫度下硼砂和硼酸的溶解度曲線見圖2?？芍?，硼酸的溶解度明顯高于硼砂。因此，在封錨砂漿拌和物體系中游離水量有限的情況下，硼酸在水溶液中可發(fā)揮作用的濃度顯著優(yōu)于硼砂。

圖2 硼酸和硼砂的溶解度曲線

2）緩凝過程

為有效延遲水泥的水化，緩凝劑須快速反應(yīng)并形成包裹層。以硼酸為緩凝劑時(shí)，其與封錨砂漿拌和物中的Ca（OH）2等通過酸堿中和反應(yīng)快速生成包裹層所需的硼酸鈣，從而有效地發(fā)揮緩凝作用。以硼砂為緩凝劑時(shí)，由于OH-的存在，硼砂與體系中Ca2+生成硼酸鈣的反應(yīng)屬于可逆反應(yīng)，因而需要添加稍過量的硼砂來保證反應(yīng)向著生成硼酸鈣的方向進(jìn)行。

3）消退過程

封錨作業(yè)結(jié)束后，緩凝劑要盡快失去作用以保證水泥能夠及時(shí)硬化，形成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。以硼砂為緩凝劑時(shí)，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，砂漿體系溫度緩慢升高。此時(shí)硼砂溶解度變大，導(dǎo)致水泥顆粒周圍的硼酸鈣包裹層消退緩慢，延遲了砂漿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的形成，封錨砂漿抗壓強(qiáng)度相對較低。以硼酸為緩凝劑時(shí)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，硼酸逐漸被消耗，保證了施工結(jié)束后砂漿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠及時(shí)形成，封錨砂漿抗壓強(qiáng)度相對較高。

2.4 其他因素對封錨砂漿性能的影響

緩凝劑的細(xì)度和干粉儲存時(shí)間對封錨砂漿的可施工時(shí)間均有影響。分別以細(xì)度為50，100，200 目且干粉儲存時(shí)間不同的硼酸和硼砂為緩凝劑制成封錨砂漿，測試其可施工時(shí)間，結(jié)果見圖3。其中，硼酸、硼砂的質(zhì)量摻量分別為0.18%，0.30%。

圖3 緩凝劑的細(xì)度及干粉儲存時(shí)間對封錨砂漿性能的影響

由圖3（a）可知：以硼酸為緩凝劑時(shí)，細(xì)度對可施工時(shí)間影響不大；以硼砂為緩凝劑時(shí)，可施工時(shí)間隨著細(xì)度的增大而顯著變長。這是由于粒徑越小溶解速度越快，特別是溶解度較小的物質(zhì)。同時(shí)，硼砂生產(chǎn)硼酸鈣的反應(yīng)屬于可逆反應(yīng)，細(xì)度對硼砂發(fā)揮緩凝效果的影響更為顯著。因此，硼砂細(xì)度以200目為宜。

由圖3（b）可知：對于200目硼砂，干粉儲存時(shí)間對封錨砂漿的可施工時(shí)間幾乎沒有影響；對于不同細(xì)度的硼酸，封錨砂漿的可施工時(shí)間隨著干粉儲存時(shí)間的增加而減少，且干粉中添加的硼酸細(xì)度越大可施工時(shí)間減少越顯著，儲存4 周后趨于穩(wěn)定。這是由于硼酸粒徑越小活性越高，即使在固相狀態(tài)下也可與膠凝材料緩慢反應(yīng)，生成硼酸鈣聚集在硼酸顆粒周圍。隨著硼酸鈣包裹層的形成，硼酸終止反應(yīng)，此過程約4周時(shí)間。因此，硼酸細(xì)度以50目為宜。

3 結(jié)論

1）要制得可施工時(shí)間相近的封錨砂漿，不同種類的緩凝劑所需摻量差異較大，且隨溫度升高各種緩凝劑的摻量均有不同程度的增大。硼酸和硼砂用量較小且制得的封錨砂漿的抗壓強(qiáng)度相對較高。

2）隨著硼酸和硼砂摻量的增大，封錨砂漿的可施工時(shí)間顯著增大，且增加幅度越來越大，但封錨砂漿的抗壓強(qiáng)度會(huì)有所降低。綜合考慮，常溫（25 ℃）下硼酸、硼砂的質(zhì)量摻量分別以0.18%，0.30%為宜。

3）硼砂的緩凝效果受細(xì)度影響較大，硼砂細(xì)度以200 目為宜；干粉儲存時(shí)間對摻有硼酸的封錨砂漿的可施工時(shí)間影響顯著，硼酸細(xì)度以50目為宜。在配方研制及產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，必須對緩凝劑的細(xì)度進(jìn)行嚴(yán)格控制，以確保發(fā)揮其最佳效果。