CA砂浆的流变特性_图文

1、第41卷第4期2008年8月武汉大学学报(工学版Engineering Journal of Wuhan University Vol.41No.4Aug.2008收稿日期:2007212230作者简介:王发洲(19752,男,湖北襄樊人,副教授,研究方向为先进水泥基复合材料.基金项目:国家自然科学基金项目(编号:50602033;武汉市科技攻关项目(编号:200710321093.文章编号:167128844(20080420069204CA 砂浆的流变特性王发洲1,王涛2,胡曙光1,刘志超1,高涛3,陈亮3(1.武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室,湖北武汉430070;2.武汉理工

2、大学土木工程与建筑学院,湖北武汉430070;3.湖北国创高新材料股份有限公司,湖北武汉430074摘要:CA 砂浆是应用在板式轨道结构中的一种新型有机无机复合灌浆材料,其流变性能直接决定CA 砂浆的灌注效果.通过流变仪研究了新拌CA 浆体的瞬态与稳态流变特性及其影响因素.结果表明,CA 浆体属于非牛顿流体,表现在低剪切速率时,CA 浆体的粘度随时间先减小后增大;中高剪切速率时,其粘度先随时间减小后趋于稳定.在绝对水灰比固定条件下,随着沥青乳液与水泥质量比、硅灰和流变助剂掺量的增大,CA 浆体的粘度增加;随着粉煤灰掺量的增加,CA 浆体粘度略有降低.关键词:流变性能;CA 砂浆;水泥;沥青乳液

3、中图分类号:TU 528.2文献标志码: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 砂浆是由水泥、沥青乳液、砂和多种外加剂组成,经水泥与沥青共同作用胶结硬化而成的一种新型有机无机复合材料,在板式轨道结构中主要起调平减振的作用16,在我国高速铁路建设中具有广阔的应用前景.CA 砂浆是一种水泥2沥青乳液复合灌浆材料,作用在高度只有50mm 的扁平狭长空间内,要求具有高流动性,流动半径达到150cm.同时,它的流变性能又与分层度(均质性有密切关系7,8.新拌CA 砂浆粘度

8、小时,其中的骨料下沉而沥青乳液颗粒上浮,粘度大时,原材料组份不分层但砂浆变稠难以灌注密实.因此,CA 砂浆的粘度应控制在一定的范围武汉大学学报(工学版第41卷之内,才能保证其可灌性与均质性的匹配.目前CA 砂浆流动性一般以日式漏斗的流出时间(在1626s 内为合格衡量13,此方法简便快速,非常适合实际工程的现场评价,但并不能确切表征CA 砂浆的流变特性(包括瞬态流变性能、稳态流变性能以及剪切变稀、触变性等性能912.本文用流变仪研究了新拌CA 浆体瞬态和稳态的流变特性,及沥青乳液与水泥质量比R 、矿物掺和料与流变助剂掺量对CA 浆体流变性的影响规律,同时采用惰性粉料代替水泥的方法,对比研究了水

9、泥对CA 浆体流变特性的影响.研究结果可为CA 砂浆及类似材料的研究与制备提供有价值的参考. 1试验原材料、配合比与试验方法1.1原材料1水泥(C :P.O42.5R ;2沥青乳液(A :阳离子慢裂快凝型,固含量60%;3减水剂(SP :羧酸系;4水(W :洁净自来水;5硅灰(SF :武钢产;6粉煤灰(FA :汉川级;7流变助剂(VMA :甲基纤维素;8惰性粉料(FI :磨细石灰石粉,密度2.65g/cm 3,比表面积2850cm 2/g ,其粒径分布与水泥相近,见图1. 图1惰性粉料与水泥粒径分布的比较1.2配合比为避免砂粒下沉影响测试结果,采用水泥沥青浆体(CA 浆体进行试验,基本配合比见

10、表1.SF 和FA 按不同掺量等质量取代水泥;固定绝对水灰比为0.857,此水用量为沥青乳液中水和外加水的总和;R 不同时,保持C 用量不变,改变A 的用量.表1CA 浆体基本配合比g成分C A W SP VMA 质量3004806530.31.3试验方法浆体流变性能采用Brookfield R/S +CC 型同轴圆柱体流变仪测定.将原材料按比例称量好,先加水泥等粉料,后加减水剂和水,搅拌均匀,最后加入沥青乳液,搅拌60s 后快速对CA 浆体进行测试.从加水到测试完毕,在15min 内完成,以减少水泥水化或沥青乳液破乳对CA 浆体流变性能的影响.测试室内温度为201.2结果与分析2.1CA 浆

11、体的瞬态流变行为图2为CA 浆体在不同剪切速率下粘度随时间的变化规律.图2CA 浆体在不同剪切速率下的瞬态流变行为由图2可见,CA 浆体粘度变化规律与水泥浆体的流变特性类似,说明CA 浆体具有类似水泥浆体的微观絮凝结构.CA 浆体粘度随时间的变化取决于浆体微观结构絮凝速率与剪切分散速率之间的相对大小13,其微观结构的絮凝速率则取决于水泥的水化速度和沥青乳液的破乳速度及两者的相对比例.CA 浆体在原材料和配合比相同的情况下,其浆体微观结构的絮凝速率一定,因此,CA 浆体粘度随时间的变化规律取决于剪切分散速率.微观结构絮凝速率大于剪切分散速率时,粘度随时间的延长而增加,如图2中剪切速率为0.5s

12、-1的变化规律;微观结构絮凝速率小于剪切分散速率时,粘度随剪切时间的延长而降低,直至稳定,如图2中剪切速率为30s -1和5s -1的变化规律.同时也表明CA 浆体的初始微观絮凝结构的分散需要一定的剪切力,否则难以对絮凝结构进行分散细化,如剪切速率为0.5s -1时的剪切应力就小于30s -1和5s -1时的剪切应力.同时,为了验证CA 浆体粘度的变化是否由水泥的水化引起,采用惰性粉料(FI 代替水泥进行类似研究,FI 的粒径分布与水泥基本相同(如图1,FIA 浆体的瞬态流变性能见图3.7第4期王发洲,等:CA砂浆的流变特性 图3FIA 浆体在不同剪切速率下的瞬态流变行为由图2和3可以看出,F

13、IA 浆体在不同剪切速率下的瞬态流变行为与CA 浆体类似,但前者的粘度要高于后者,表明减水剂对FI 的减水分散作用不如对水泥显著.对比图2和3中低剪切速率下(剪切速率为0.5s -1浆体的流变行为,可以发现CA 浆体在达到稳态流变之前粘度都是增加的,而FIA 浆体粘度增加到一定值后处于基本稳定状态,说明在低剪切速率下,CA 浆体粘度的增加主要是由水泥的水化引起,沥青乳液破乳引起的粘度变化不大.CA 浆体不同的初始微观絮凝结构具有不同的流变行为.在CA 浆体中由水泥颗粒等细粉料形成的絮凝结构在外力剪切作用下会破坏细化,因而可预加不同的剪切速率制得具有不同初始絮凝结构的CA 浆体.图4为预加1mi

14、n 3种不同剪切速率(0、30和50s -1CA 浆体在剪切速率为70s -1时的流变行为. 图4浆体初始状态对CA 浆体瞬态流变行为的影响由图4可以看出,CA 浆体的剪切历程对其稳定粘度具有较大的影响,预加剪切速率大的浆体最终稳定粘度小,这也从一定程度上表明CA 浆体具有触变性,剪切速率越大,相对絮凝速度越小,初始微观絮凝结构越细化,浆体粘度越小,直至絮凝结构细化到极限,浆体粘度稳定.2.2CA 浆体的稳态流变行为CA 浆体对于不同的剪切速率具有不同的稳定行为,此时浆体的微观絮凝速率与外力剪切分散速率相同,表现为CA 浆体的粘度保持稳定,研究CA 浆体粘度与不同剪切速率间关系的过程可以表征C

15、A 浆体的稳态流变行为.2.2.1CA 浆体的典型稳态流变曲线图5为不同R 时CA 浆体在剪切速率为0150s -1范围内的典型稳态流变曲线.图5CA 浆体的典型稳态流变曲线由图5可看出,CA 浆体具有剪切变稀性,其粘度随剪切速率的增加而降低,后保持基本稳定,属于非牛顿流体;从CA 浆体粘度2剪切速率全曲线所包围面积大小可以看出其触变性能较弱.R 大小对CA 浆体的粘度具有影响,在绝对水灰比固定条件下,随着R 值增大,CA 浆体的粘度增加.其原因在于:沥青乳液颗粒相当于细颗粒填料填充于水灰比一定的水泥浆体中,增加了浆体的粘度.2.2.2矿物掺和料对CA 浆体稳态流变性的影响图6为硅灰和粉煤灰两

16、种矿物掺和料对CA 浆体流变性的影响曲线.图6硅灰和粉煤灰对CA 浆体稳态流变性的影响从图6可以看出,随着硅灰掺量的增加,CA浆体粘度显著增加,触变性增大;随着粉煤灰掺量的增加,CA 浆体粘度略降低.这主要与硅灰和粉煤灰的形貌效应、分散效应和颗粒效应有关13.硅灰比表面积大,具有较强增稠作用,而粉煤灰具有减水作用,能够降低CA 浆体的粘度.17武汉大学学报(工学版第41卷2.2.3VMA 对CA 浆体稳态流变性的影响流变助剂(VMA 能较好地改善水泥浆体的流变性能,广泛应用于多种水泥基材料体系,其不同掺量对CA 浆体流变性的影响见图7. 图7流变助剂(V MA掺量对CA 浆体稳态流变性的影响从

17、图7可以看出,随着VMA 掺量的增加,CA 浆体粘度显著增大,剪切屈服应力增加,触变性增大.VMA 是一种有机流变改性剂,其改性CA 浆体流变性的机理在于VMA 大分子间相互缠结与分离的相互作用15.掺有VMA 浆体的粘度均随剪切速率的增大而逐渐减小,较小剪切速率时粘度降低幅度较大,较大剪切速率时粘度降低的幅度变缓,最终几乎保持稳定.这是由于在低剪切速率区,分子间的交联点受到剪切力的作用被破坏,粘度下降,CA 浆体表现出切力变稀现象;而在高剪切速率区,大分子中的缠结结构几乎完全被破坏,来不及形成新的缠结,取向也达到极限状态,大分子间的运动变得很容易,体系的粘度基本保持不变.另外,CA 砂浆作为

18、一种大流动度的灌浆材料,其流动度和分层度必须相匹配.流动度取决于CA 砂浆剪切屈服应力,屈服应力越小,其流动性越好;分层度取决于CA 砂浆粘度,粘度越大,砂粒下沉或沥青上浮趋势越弱,分层度越小,均质性越好.因此,CA 砂浆最理想的流变改性助剂能使浆体具有较小的屈服应力和较高的浆体粘度.以此为目标,可以进一步研究开发针对CA 砂浆流变特性的专用流变改性剂.3结论1CA 浆体具有类似水泥浆体的流变特性.剪切速率为0.5s -1时,CA 浆体粘度先减小后增大,粘度增加主要由水泥水化引起;剪切速率为5s -1和30s -1时,其粘度随时间减小后趋于稳定.2CA 浆体的剪切历程对其稳定粘度具有较大的影响

19、,预加剪切速率大的浆体最终稳定粘度小,CA 浆体具有剪切变稀性,其粘度随剪切速率的增加而降低,直至基本稳定.3在绝对水灰比固定条件下,随着R 值、硅灰和VMA 掺量增大,CA 浆体的粘度增加;随着粉煤灰掺量的增加,CA 浆体粘度略降低.参考文献:1左景奇,姜其斌,蔡彬芬.板式轨道CA 砂浆专用沥青乳液的试验研究J .铁道建筑技术,2005,(2:68270.2金守华,陈秀方,杨军.板式无碴轨道用CA 砂浆的关键技术J .中国铁道科学,2006,27(2:20225.3傅代正,郑新国.桥上板式无碴轨道CA 砂浆施工技术J .铁道建筑技术,2002,(6:28231.4丁庆军,王发洲,王涛,等.一

20、种膨胀可控的CA 砂浆材料P.专利号:ZL200610018437.3.5王发洲,胡曙光,王涛,等.一种可有效防止CA 砂浆分层离析的复合添加剂P .专利号:Z L200610018440.5.6胡曙光,王涛,王发洲,等.一种高早强自膨胀CA砂浆材料P.专利号:ZL200610018439.2.7胡曙光,许祥俊,丁庆军.干燥环境下乳化沥青改性水泥砂浆的试验研究J .武汉理工大学学报,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.