新拌水泥基材料觸變性測試與評價方法研究

劉競 李廣輝 李鐵軍 趙彥旭 鄭新國 李穎 沈偉 朱旭波

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司，烏魯木齊830011；3.中國鐵路蘭州局集團有限公司，蘭州730000；4.中鐵二十一局集團有限公司，蘭州730070

水泥凈漿、砂漿、混凝土等均為初凝前具有觸變性的新拌水泥基材料。該類材料受到剪切時稠度變小，停止剪切時稠度又增加，即出現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象［1-2］。為了施工時具有與工況、結(jié)構(gòu)相適宜的形態(tài)并保持穩(wěn)定性，須水泥基材料具有適宜的觸變性。為了改善水泥基材料的觸變性，經(jīng)常采取的措施是加入觸變劑。觸變劑的類型主要有聚丙烯酰胺類、螯合物、水溶性纖維素衍生物體系、混合金屬層狀氫氧化物、改性纖維素體系、納米礦物摻和料等，不同類型觸變劑的改善功效不同［3-5］。

本文通過系統(tǒng)試驗提出從水泥凈漿、砂漿、混凝土三個層次遞進式評價新拌水泥基材料觸變性的方法，為特殊工況測試與評價其觸變性提供參考。

1 新拌凈漿觸變性測試及評價方法

測試步驟：①采用惰性材料作為基材，然后加入不同種類的觸變劑進行比對試驗。采用凈漿攪拌機攪拌，出機后測試凈漿擴展度（摻入不同種類觸變劑的凈漿出機擴展度應(yīng)保持一致），出機靜止2 min后采用旋轉(zhuǎn)黏度儀（圖1）測試凈漿的旋轉(zhuǎn)黏度。②選擇合適的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，使轉(zhuǎn)速為6、60 r/min時其讀數(shù)均在滿刻度表盤的20%～80%量程內(nèi)，并測試兩不同轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)黏度。

圖1 旋轉(zhuǎn)黏度儀

采用觸變系數(shù)（6 r/min與60 r/min對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)黏度之比η6/η60）來表征新拌凈漿的觸變性。觸變系數(shù)越大新拌凈漿的觸變性越好；觸變系數(shù)越小新拌凈漿的觸變性越差。

2 新拌砂漿觸變性測試及評價方法

測試步驟：①按混凝土配合比取相同用量和比例的膠凝材料、細(xì)骨料及水制備砂漿，摻入經(jīng)凈漿觸變性測試優(yōu)選出的觸變劑。②采用水泥膠砂攪拌機（圖2）攪拌砂漿。③采用膠砂流動度測試儀（圖3）測試砂漿擴展度。具體操作方法為用濕布擦拭跳桌臺面、試模內(nèi)壁、振搗棒等，將攪拌好的砂漿分2次倒入試模。第1次高度為2/3，用小刀在兩個方向各劃5次，用振搗棒均勻搗壓15次；第2次高度為1/3，用小刀劃10次，用振搗棒均勻搗壓10次，刮平試模將其垂直輕輕提起；靜止5 min后，用游標(biāo)卡尺測量新拌砂漿底部直徑D、頂部直徑d及砂漿垂直高度h（圖4）。采用公式Kp=11/（D＋d－h(huán)）計算新拌砂漿形狀穩(wěn)定系數(shù)Kp。Kp越接近1新拌砂漿的靜態(tài)觸變性越好。⑤新拌砂漿的靜態(tài)觸變性測試完畢后，開動跳桌，跳動18次后停止，測量新拌砂漿最終擴展度。用最終擴展度與初始擴展度之差（ΔD）表示新拌砂漿的動態(tài)觸變性。ΔD越大新拌砂漿的動態(tài)觸變性越好。

圖2 水泥膠砂攪拌機

圖3 砂漿流動度測試儀

圖4 砂漿流動度測試

3 新拌混凝土觸變性測試及評價方法

新拌混凝土在運輸過程中不能出現(xiàn)離析現(xiàn)象，在澆筑過程中須保證順利流動且不產(chǎn)生離析。新拌混凝土的觸變性會影響其運輸、澆筑過程［6-7］，因此分析新拌混凝土流變特性時，確定混凝土觸變性參數(shù)至關(guān)重要。通過系列試驗得出混凝土靜態(tài)、動態(tài)屈服應(yīng)力比和混凝土形態(tài)保持系數(shù)等參數(shù)［8-9］，對新拌混凝土觸變性進行評價。

3.1 新拌混凝土靜態(tài)、動態(tài)屈服應(yīng)力比

新拌混凝土屈服應(yīng)力是指新拌混凝土發(fā)生流動所需的最小應(yīng)力［10］。新拌混凝土的屈服應(yīng)力越大越不容易流動，屈服應(yīng)力越小越容易流動［11］。新拌混凝土屈服應(yīng)力分為動態(tài)、靜態(tài)兩種。在極緩慢剪切速率下新拌混凝土的剪切應(yīng)力隨時間的增加逐漸增大，超過靜態(tài)屈服應(yīng)力時，新拌混凝土才開始流動；新拌混凝土開始流動后，只需在較小的剪切應(yīng)力下便可繼續(xù)維持流動，此時相比靜態(tài)屈服應(yīng)力較小的剪切應(yīng)力即為新拌混凝土的動態(tài)屈服應(yīng)力。

新拌混凝土的靜態(tài)、動態(tài)屈服應(yīng)力測試儀器為丹麥生產(chǎn)的ICAR RHM?3000流變儀，見圖5（a）。測試出來的轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線［圖5（b）］的最高值與穩(wěn)定后的平均值分別對應(yīng)新拌混凝土的靜態(tài)、動態(tài)屈服應(yīng)力。兩者比值可用來表征新拌混凝土的觸變性。比值越大，表明新拌混凝土觸變性越好。

圖5 靜態(tài)、動態(tài)屈服應(yīng)力測試

3.2 新拌混凝土形態(tài)保持系數(shù)

1）試驗裝置和試驗步驟

新拌混凝土形態(tài)保持系數(shù)試驗裝置見圖6（a）。模具長度為L，高度為H，L/H≥2，沿長度方向設(shè)置n個等分點作為測量點位，n≥10。模具可繞轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動一定的角度θ，0≤θ≤90°。

試驗步驟：①通過轉(zhuǎn)動軸將模具底部設(shè)置一定的角度θ（角度不小于擬用工況下新拌混凝土成型面角度），將新拌混凝土澆注至模具中并振搗抹平（即抹坡），采用游標(biāo)卡尺在設(shè)定的n個點位測量混凝土成型面至模具頂面的距離h1、h2、…、hn［圖6（b）］。②將模具繞轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)至水平后靜置（即θ=0），由于模具轉(zhuǎn)動帶來混凝土成型面角度的變化，新拌混凝土在重力作用下內(nèi)部會產(chǎn)生剪切應(yīng)力。該剪切應(yīng)力超過新拌混凝土屈服應(yīng)力時混凝土?xí)a(chǎn)生流動，直到剪切應(yīng)力和屈服應(yīng)力重新達到平衡時新拌混凝土才停止流動。新拌混凝土的流動會導(dǎo)致混凝土表面形態(tài)發(fā)生變化。采用同樣的方法測量停止流動并初凝穩(wěn)定后混凝土表面與模具頂面的距離h′1、h′2、…、h′n。

圖6 新拌混凝土形態(tài)保持系數(shù)試驗裝置及測量現(xiàn)場

2）計算和評價方法

采用上述測量數(shù)據(jù)，計算n個測量點位兩次測量距離差的絕對值之和的平均值，即Δh=（∣h′1-h1∣+∣h′2-h2∣+∣h′3-h3∣+…+∣h′n-hn∣）/n。采用L和Δh之比作為新拌混凝土形態(tài)保持系數(shù)η，即η=L/Δh。η越大，說明新拌混凝土成型面的形態(tài)保持能力越好，觸變性越好。

3）該測試和評價方法與傳統(tǒng)方法的對比

傳統(tǒng)方法測試新拌混凝土坍落度、擴展度等工作性能指標(biāo)一般依據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行。與其相比，采用本文方法測試新拌混凝土形態(tài)保持能力具有以下優(yōu)點：

①該方法更具有針對性，可有效評價新拌混凝土的形態(tài)保持能力，以便優(yōu)選出與實際工況相適宜的新拌混凝土配合比。

②該方法簡單實用，可快速評價新拌混凝土的形態(tài)保持能力，對配制成坡面坡度較大工況下使用的混凝土具有較好指導(dǎo)意義。

③該方法可分別得到新拌混凝土抹坡后與初凝后的形態(tài)變化情況，可定量評價混凝土的形態(tài)保持能力，試驗結(jié)果直觀可靠。

4 結(jié)論

通過試驗研究提出了從水泥凈漿、砂漿、混凝土三個層次遞進式評價水泥基材料觸變性的方法。得出結(jié)論如下：

1）對于新拌凈漿，采用觸變系數(shù)表征其觸變性。觸變系數(shù)越大新拌凈漿的觸變性越好；觸變系數(shù)越小新拌凈漿的觸變性越差。

2）對于新拌砂漿，采用砂漿形狀穩(wěn)定系數(shù)表征其靜態(tài)觸變性。該系數(shù)越接近1新拌砂漿的靜態(tài)觸變性越好。采用跳桌振動后的最終擴展度與初始擴展度之差表征其動態(tài)觸變性。該差值越大新拌砂漿的動態(tài)觸變性越好。

3）對于新拌混凝土，采用靜態(tài)和動態(tài)屈服應(yīng)力比、形態(tài)保持系數(shù)等指標(biāo)表征其觸變性。靜態(tài)和動態(tài)屈服應(yīng)力比和形態(tài)保持系數(shù)越大，新拌混凝土觸變性越好。