CA砂漿的流變特性_圖文

1、第41卷第4期2008年8月武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版Engineering Journal of Wuhan University Vol.41No.4Aug.2008收稿日期:2007212230作者簡介:王發(fā)洲(19752,男,湖北襄樊人,副教授,研究方向?yàn)橄冗M(jìn)水泥基復(fù)合材料.基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號:50602033;武漢市科技攻關(guān)項(xiàng)目(編號:200710321093.文章編號:167128844(20080420069204CA 砂漿的流變特性王發(fā)洲1,王濤2,胡曙光1,劉志超1,高濤3,陳亮3(1.武漢理工大學(xué)硅酸鹽材料工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430070;2.武漢理工

2、大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,湖北武漢430070;3.湖北國創(chuàng)高新材料股份有限公司,湖北武漢430074摘要:CA 砂漿是應(yīng)用在板式軌道結(jié)構(gòu)中的一種新型有機(jī)無機(jī)復(fù)合灌漿材料,其流變性能直接決定CA 砂漿的灌注效果.通過流變儀研究了新拌CA 漿體的瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)流變特性及其影響因素.結(jié)果表明,CA 漿體屬于非牛頓流體,表現(xiàn)在低剪切速率時(shí),CA 漿體的粘度隨時(shí)間先減小后增大;中高剪切速率時(shí),其粘度先隨時(shí)間減小后趨于穩(wěn)定.在絕對水灰比固定條件下,隨著瀝青乳液與水泥質(zhì)量比、硅灰和流變助劑摻量的增大,CA 漿體的粘度增加;隨著粉煤灰摻量的增加,CA 漿體粘度略有降低.關(guān)鍵詞:流變性能;CA 砂漿;水泥;瀝青乳液

3、中圖分類號:TU 528.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼:ARheological behavior of cement asphalt mortarWAN G Fazhou 1,WAN G Tao 2,HU Shuguang 1,L IU Zhichao 1,GAO Tao 3,C H EN Liang 3(1.Key Laboratory of Silicate Materials Science and Engineering of Ministry of Education ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070,China ;2.School of

4、Civil Engineering and Architecture ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070,China ;3.Hubei Guochuang HighTechnology Material INC.,Wuhan 430074,China Abstract :Cement asphalt (CA mortar is a new organic 2inorganic composite grouting material which is applied to slab track structure ;and the grou

5、ting quality is governed by its rheological behavior.The transient and steady flow behavior of CA mortar is studied by means of a rheometer.The results show that the CA mortar is a non 2Newtonian fluid.When a low strain rate is applied ,its viscosity is decreased first and then increased ;and when a

6、 medium or high strain rate is applied ,its viscosity decreased with time and then leveled off.Absolute water/cement ratio being equal ,the viscosity of CA mortar increased with the increase of asphalt emulsion and cement ratio ,silica fume and rheological agent ,but decreased slightly with the incr

7、ease of fly ash.K ey w ords :rheological behavior ;CA mortar ;cement ;asp halt emulsionCA (cement asp halt 砂漿是由水泥、瀝青乳液、砂和多種外加劑組成,經(jīng)水泥與瀝青共同作用膠結(jié)硬化而成的一種新型有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料,在板式軌道結(jié)構(gòu)中主要起調(diào)平減振的作用16,在我國高速鐵路建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景.CA 砂漿是一種水泥2瀝青乳液復(fù)合灌漿材料,作用在高度只有50mm 的扁平狹長空間內(nèi),要求具有高流動(dòng)性,流動(dòng)半徑達(dá)到150cm.同時(shí),它的流變性能又與分層度(均質(zhì)性有密切關(guān)系7,8.新拌CA 砂漿粘度

8、小時(shí),其中的骨料下沉而瀝青乳液顆粒上浮,粘度大時(shí),原材料組份不分層但砂漿變稠難以灌注密實(shí).因此,CA 砂漿的粘度應(yīng)控制在一定的范圍武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版第41卷之內(nèi),才能保證其可灌性與均質(zhì)性的匹配.目前CA 砂漿流動(dòng)性一般以日式漏斗的流出時(shí)間(在1626s 內(nèi)為合格衡量13,此方法簡便快速,非常適合實(shí)際工程的現(xiàn)場評價(jià),但并不能確切表征CA 砂漿的流變特性(包括瞬態(tài)流變性能、穩(wěn)態(tài)流變性能以及剪切變稀、觸變性等性能912.本文用流變儀研究了新拌CA 漿體瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的流變特性,及瀝青乳液與水泥質(zhì)量比R 、礦物摻和料與流變助劑摻量對CA 漿體流變性的影響規(guī)律,同時(shí)采用惰性粉料代替水泥的方法,對比研究了水

9、泥對CA 漿體流變特性的影響.研究結(jié)果可為CA 砂漿及類似材料的研究與制備提供有價(jià)值的參考. 1試驗(yàn)原材料、配合比與試驗(yàn)方法1.1原材料1水泥(C :P.O42.5R ;2瀝青乳液(A :陽離子慢裂快凝型,固含量60%;3減水劑(SP :羧酸系;4水(W :潔凈自來水;5硅灰(SF :武鋼產(chǎn);6粉煤灰(FA :漢川級;7流變助劑(VMA :甲基纖維素;8惰性粉料(FI :磨細(xì)石灰石粉,密度2.65g/cm 3,比表面積2850cm 2/g ,其粒徑分布與水泥相近,見圖1. 圖1惰性粉料與水泥粒徑分布的比較1.2配合比為避免砂粒下沉影響測試結(jié)果,采用水泥瀝青漿體(CA 漿體進(jìn)行試驗(yàn),基本配合比見

10、表1.SF 和FA 按不同摻量等質(zhì)量取代水泥;固定絕對水灰比為0.857,此水用量為瀝青乳液中水和外加水的總和;R 不同時(shí),保持C 用量不變,改變A 的用量.表1CA 漿體基本配合比g成分C A W SP VMA 質(zhì)量3004806530.31.3試驗(yàn)方法漿體流變性能采用Brookfield R/S +CC 型同軸圓柱體流變儀測定.將原材料按比例稱量好,先加水泥等粉料,后加減水劑和水,攪拌均勻,最后加入瀝青乳液,攪拌60s 后快速對CA 漿體進(jìn)行測試.從加水到測試完畢,在15min 內(nèi)完成,以減少水泥水化或?yàn)r青乳液破乳對CA 漿體流變性能的影響.測試室內(nèi)溫度為20±1.2結(jié)果與分析2

11、.1CA 漿體的瞬態(tài)流變行為圖2為CA 漿體在不同剪切速率下粘度隨時(shí)間的變化規(guī)律.圖2CA 漿體在不同剪切速率下的瞬態(tài)流變行為由圖2可見,CA 漿體粘度變化規(guī)律與水泥漿體的流變特性類似,說明CA 漿體具有類似水泥漿體的微觀絮凝結(jié)構(gòu).CA 漿體粘度隨時(shí)間的變化取決于漿體微觀結(jié)構(gòu)絮凝速率與剪切分散速率之間的相對大小13,其微觀結(jié)構(gòu)的絮凝速率則取決于水泥的水化速度和瀝青乳液的破乳速度及兩者的相對比例.CA 漿體在原材料和配合比相同的情況下,其漿體微觀結(jié)構(gòu)的絮凝速率一定,因此,CA 漿體粘度隨時(shí)間的變化規(guī)律取決于剪切分散速率.微觀結(jié)構(gòu)絮凝速率大于剪切分散速率時(shí),粘度隨時(shí)間的延長而增加,如圖2中剪切速率

12、為0.5s -1的變化規(guī)律;微觀結(jié)構(gòu)絮凝速率小于剪切分散速率時(shí),粘度隨剪切時(shí)間的延長而降低,直至穩(wěn)定,如圖2中剪切速率為30s -1和5s -1的變化規(guī)律.同時(shí)也表明CA 漿體的初始微觀絮凝結(jié)構(gòu)的分散需要一定的剪切力,否則難以對絮凝結(jié)構(gòu)進(jìn)行分散細(xì)化,如剪切速率為0.5s -1時(shí)的剪切應(yīng)力就小于30s -1和5s -1時(shí)的剪切應(yīng)力.同時(shí),為了驗(yàn)證CA 漿體粘度的變化是否由水泥的水化引起,采用惰性粉料(FI 代替水泥進(jìn)行類似研究,FI 的粒徑分布與水泥基本相同(如圖1,FIA 漿體的瞬態(tài)流變性能見圖3.7第4期王發(fā)洲,等:CA砂漿的流變特性 圖3FIA 漿體在不同剪切速率下的瞬態(tài)流變行為由圖2和3

13、可以看出,FIA 漿體在不同剪切速率下的瞬態(tài)流變行為與CA 漿體類似,但前者的粘度要高于后者,表明減水劑對FI 的減水分散作用不如對水泥顯著.對比圖2和3中低剪切速率下(剪切速率為0.5s -1漿體的流變行為,可以發(fā)現(xiàn)CA 漿體在達(dá)到穩(wěn)態(tài)流變之前粘度都是增加的,而FIA 漿體粘度增加到一定值后處于基本穩(wěn)定狀態(tài),說明在低剪切速率下,CA 漿體粘度的增加主要是由水泥的水化引起,瀝青乳液破乳引起的粘度變化不大.CA 漿體不同的初始微觀絮凝結(jié)構(gòu)具有不同的流變行為.在CA 漿體中由水泥顆粒等細(xì)粉料形成的絮凝結(jié)構(gòu)在外力剪切作用下會(huì)破壞細(xì)化,因而可預(yù)加不同的剪切速率制得具有不同初始絮凝結(jié)構(gòu)的CA 漿體.圖4

14、為預(yù)加1min 3種不同剪切速率(0、30和50s -1CA 漿體在剪切速率為70s -1時(shí)的流變行為. 圖4漿體初始狀態(tài)對CA 漿體瞬態(tài)流變行為的影響由圖4可以看出,CA 漿體的剪切歷程對其穩(wěn)定粘度具有較大的影響,預(yù)加剪切速率大的漿體最終穩(wěn)定粘度小,這也從一定程度上表明CA 漿體具有觸變性,剪切速率越大,相對絮凝速度越小,初始微觀絮凝結(jié)構(gòu)越細(xì)化,漿體粘度越小,直至絮凝結(jié)構(gòu)細(xì)化到極限,漿體粘度穩(wěn)定.2.2CA 漿體的穩(wěn)態(tài)流變行為CA 漿體對于不同的剪切速率具有不同的穩(wěn)定行為,此時(shí)漿體的微觀絮凝速率與外力剪切分散速率相同,表現(xiàn)為CA 漿體的粘度保持穩(wěn)定,研究CA 漿體粘度與不同剪切速率間關(guān)系的過

15、程可以表征CA 漿體的穩(wěn)態(tài)流變行為.2.2.1CA 漿體的典型穩(wěn)態(tài)流變曲線圖5為不同R 時(shí)CA 漿體在剪切速率為0150s -1范圍內(nèi)的典型穩(wěn)態(tài)流變曲線.圖5CA 漿體的典型穩(wěn)態(tài)流變曲線由圖5可看出,CA 漿體具有剪切變稀性,其粘度隨剪切速率的增加而降低,后保持基本穩(wěn)定,屬于非牛頓流體;從CA 漿體粘度2剪切速率全曲線所包圍面積大小可以看出其觸變性能較弱.R 大小對CA 漿體的粘度具有影響,在絕對水灰比固定條件下,隨著R 值增大,CA 漿體的粘度增加.其原因在于:瀝青乳液顆粒相當(dāng)于細(xì)顆粒填料填充于水灰比一定的水泥漿體中,增加了漿體的粘度.2.2.2礦物摻和料對CA 漿體穩(wěn)態(tài)流變性的影響圖6為硅

16、灰和粉煤灰兩種礦物摻和料對CA 漿體流變性的影響曲線.圖6硅灰和粉煤灰對CA 漿體穩(wěn)態(tài)流變性的影響從圖6可以看出,隨著硅灰摻量的增加,CA漿體粘度顯著增加,觸變性增大;隨著粉煤灰摻量的增加,CA 漿體粘度略降低.這主要與硅灰和粉煤灰的形貌效應(yīng)、分散效應(yīng)和顆粒效應(yīng)有關(guān)13.硅灰比表面積大,具有較強(qiáng)增稠作用,而粉煤灰具有減水作用,能夠降低CA 漿體的粘度.17武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版第41卷2.2.3VMA 對CA 漿體穩(wěn)態(tài)流變性的影響流變助劑(VMA 能較好地改善水泥漿體的流變性能,廣泛應(yīng)用于多種水泥基材料體系,其不同摻量對CA 漿體流變性的影響見圖7. 圖7流變助劑(V MA摻量對CA 漿體穩(wěn)態(tài)流

17、變性的影響從圖7可以看出,隨著VMA 摻量的增加,CA 漿體粘度顯著增大,剪切屈服應(yīng)力增加,觸變性增大.VMA 是一種有機(jī)流變改性劑,其改性CA 漿體流變性的機(jī)理在于VMA 大分子間相互纏結(jié)與分離的相互作用15.摻有VMA 漿體的粘度均隨剪切速率的增大而逐漸減小,較小剪切速率時(shí)粘度降低幅度較大,較大剪切速率時(shí)粘度降低的幅度變緩,最終幾乎保持穩(wěn)定.這是由于在低剪切速率區(qū),分子間的交聯(lián)點(diǎn)受到剪切力的作用被破壞,粘度下降,CA 漿體表現(xiàn)出切力變稀現(xiàn)象;而在高剪切速率區(qū),大分子中的纏結(jié)結(jié)構(gòu)幾乎完全被破壞,來不及形成新的纏結(jié),取向也達(dá)到極限狀態(tài),大分子間的運(yùn)動(dòng)變得很容易,體系的粘度基本保持不變.另外,C

18、A 砂漿作為一種大流動(dòng)度的灌漿材料,其流動(dòng)度和分層度必須相匹配.流動(dòng)度取決于CA 砂漿剪切屈服應(yīng)力,屈服應(yīng)力越小,其流動(dòng)性越好;分層度取決于CA 砂漿粘度,粘度越大,砂粒下沉或?yàn)r青上浮趨勢越弱,分層度越小,均質(zhì)性越好.因此,CA 砂漿最理想的流變改性助劑能使?jié){體具有較小的屈服應(yīng)力和較高的漿體粘度.以此為目標(biāo),可以進(jìn)一步研究開發(fā)針對CA 砂漿流變特性的專用流變改性劑.3結(jié)論1CA 漿體具有類似水泥漿體的流變特性.剪切速率為0.5s -1時(shí),CA 漿體粘度先減小后增大,粘度增加主要由水泥水化引起;剪切速率為5s -1和30s -1時(shí),其粘度隨時(shí)間減小后趨于穩(wěn)定.2CA 漿體的剪切歷程對其穩(wěn)定粘度具

19、有較大的影響,預(yù)加剪切速率大的漿體最終穩(wěn)定粘度小,CA 漿體具有剪切變稀性,其粘度隨剪切速率的增加而降低,直至基本穩(wěn)定.3在絕對水灰比固定條件下,隨著R 值、硅灰和VMA 摻量增大,CA 漿體的粘度增加;隨著粉煤灰摻量的增加,CA 漿體粘度略降低.參考文獻(xiàn):1左景奇,姜其斌,蔡彬芬.板式軌道CA 砂漿專用瀝青乳液的試驗(yàn)研究J .鐵道建筑技術(shù),2005,(2:68270.2金守華,陳秀方,楊軍.板式無碴軌道用CA 砂漿的關(guān)鍵技術(shù)J .中國鐵道科學(xué),2006,27(2:20225.3傅代正,鄭新國.橋上板式無碴軌道CA 砂漿施工技術(shù)J .鐵道建筑技術(shù),2002,(6:28231.4丁慶軍,王發(fā)洲,

20、王濤,等.一種膨脹可控的CA 砂漿材料P.專利號:ZL200610018437.3.5王發(fā)洲,胡曙光,王濤,等.一種可有效防止CA 砂漿分層離析的復(fù)合添加劑P .專利號:Z L200610018440.5.6胡曙光,王濤,王發(fā)洲,等.一種高早強(qiáng)自膨脹CA砂漿材料P.專利號:ZL200610018439.2.7胡曙光,許祥俊,丁慶軍.干燥環(huán)境下乳化瀝青改性水泥砂漿的試驗(yàn)研究J .武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003,25(5:123.8Wang Fazhou ,Liu Zhichao ,Wang Tao ,et al.A no 2vel method to evaluate the setting process of cement and asphalt emulsion in CA mortar J .Mater.Struct.,2008,41(4:6432647.