基于流變特性的CA砂漿工作性控制指標(biāo)研究

張立華 ，洪錦祥 ，朱曉斌

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 210008；2.高性能土木工程材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008）

0 引言

CA砂漿（Cement Asphalt Mortar，也稱CAM）是填充于板式無(wú)砟軌道剛性軌道板與支承層之間的彈性減振關(guān)鍵結(jié)構(gòu)層材料，主要起支承軌道板、緩沖高速列車荷載與減振以及調(diào)整施工誤差的作用。它由水泥、乳化瀝青、砂和多種外加劑組成，是水泥與乳化瀝青共同作用膠結(jié)硬化而成的一種新型有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料[1-8]。

CA砂漿采用灌注工藝進(jìn)行施工，依靠砂漿自身的流動(dòng)性填充支承層和軌道板間的空腔。為了保證CA砂漿的灌注質(zhì)量，必須使其具備良好的工作性能。擴(kuò)展度和流動(dòng)度是衡量CA砂漿工作性能的重要指標(biāo)?！犊瓦\(yùn)專線鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》（以下簡(jiǎn)稱《暫行技術(shù)條件》）規(guī)定：CA砂漿符合施工的前提條件為流動(dòng)度80～120 s，擴(kuò)展度≥280 mm，擴(kuò)展度達(dá)280 mm時(shí)所需的時(shí)間需不大于16 s。然而實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)表明，部分CA砂漿的工作性指標(biāo)雖能符合《暫行技術(shù)條件》規(guī)定要求，但仍可能出現(xiàn)灌注不飽滿、分離度不合格等問(wèn)題。其次，施工單位往往注重流動(dòng)度而經(jīng)常忽略擴(kuò)展度，致使砂漿過(guò)稀，最終影響CA砂漿的質(zhì)量。此外，原材料性能尤其是乳化瀝青對(duì)CA砂漿工作性的影響差異很大，這在一定程度上也影響了《暫行技術(shù)條件》的指導(dǎo)性。以上問(wèn)題究其原因在于目前的CA砂漿施工技術(shù)控制指標(biāo)是在吸收了國(guó)外轉(zhuǎn)讓資料的基礎(chǔ)上形成的，借鑒指標(biāo)參數(shù)時(shí)未能從更深的層次去探究參數(shù)的由來(lái)和適用性，以至于水土不服。

為了探索科學(xué)合理的CA砂漿施工控制指標(biāo)，本文利用流變學(xué)原理，從可灌性、分離度及泌水3個(gè)角度探討了CA砂漿的施工性能控制指標(biāo)，研究結(jié)論可為CA砂漿施工提供更好的理論參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料與試驗(yàn)方法

水泥：P·Ⅱ52.5水泥；乳化瀝青：陰離子型乳化瀝青，固含量60%；砂：河砂，細(xì)度模數(shù)1.8～2.0；減水劑：聚羧酸高效減水劑；消泡劑：有機(jī)硅超強(qiáng)消泡劑；水：自來(lái)水。

CA砂漿配合比為：乳化瀝青總摻量占水泥質(zhì)量的40%，砂灰比為1.5，減水劑、消泡劑摻量分別占水泥質(zhì)量的0.25%、0.014%，定義水灰比W/C為拌合水用量和乳化瀝青含水量的總質(zhì)量與水泥質(zhì)量的比。

CA砂漿流變性能的測(cè)試方法參考文獻(xiàn)[9]。CA砂漿流動(dòng)度與擴(kuò)展度的測(cè)試方法參考《暫行技術(shù)條件》。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)改變拌合水用量調(diào)整CA砂漿的水灰比，測(cè)試了水灰比 W/C 分別為 0.4400、0.4475、0.4550、0.4625、0.4700 時(shí) CA砂漿的流變性能。CA砂漿是典型的H-B流體[9]，以H-B流變模型（τ=τ0+Kγn）對(duì)上述CA砂漿流變規(guī)律進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖1和表1。

圖1 CA砂漿的流變曲線

表1 CA砂漿的H-B模型擬合結(jié)果及工作性

2 基于可灌性拌合物性能控制指標(biāo)

2.1 基于可灌性拌合物性能控制指標(biāo)

從流變學(xué)角度來(lái)講，決定新拌水泥基材料流動(dòng)性的流變參數(shù)是漿體的屈服應(yīng)力[10]。因此，對(duì)不同水灰比CA砂漿的屈服應(yīng)力τ0和流動(dòng)度S進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖2。

圖2 不同水灰比CA砂漿S-τ0關(guān)系曲線

圖2結(jié)果表明，CA砂漿的流動(dòng)度S與屈服應(yīng)力τ0之間具有較好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.86255，其擬合方程如式（1）所示：

水泥基材料的擴(kuò)展度是漿體在自重作用下的最終變形能力，其反映低剪切速度下漿體的流動(dòng)性能，是屈服應(yīng)力的函數(shù)。屈服應(yīng)力與體系黏性變形（流動(dòng)）中顆粒間的摩擦阻力有關(guān)[11]。當(dāng)漿體中分散相體積分?jǐn)?shù)增加時(shí)，顆粒間摩擦阻力增大，漿體屈服應(yīng)力相應(yīng)增加，擴(kuò)展度降低[10，12]。因此，對(duì)CA砂漿的擴(kuò)展度D與屈服應(yīng)力τ0、稠度系數(shù)K進(jìn)行擬合，關(guān)系曲線見圖3。

圖3 不同水灰比CA砂漿D與τ0、K的關(guān)系曲線

圖3結(jié)果表明：CA砂漿的擴(kuò)展度D與屈服應(yīng)力τ0、稠度系數(shù)K具有較好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.99979，其擬合關(guān)系式如式（2）所示：

可見，屈服應(yīng)力和塑性粘度是影響CA砂漿擴(kuò)展度的主要因素。綜合 H-B 流變本構(gòu)方程式，以及式（1）、（2）可得式（3）：

假定現(xiàn)場(chǎng)灌注1塊軌道板的時(shí)間約為200 s，1罐砂漿按0.5 m3計(jì)算，管道直徑取0.1 m，則灌滿板的平均流速為0.31 m/s。流變?cè)囼?yàn)的轉(zhuǎn)子直徑為48 mm，將線速度轉(zhuǎn)換成剪切速率。根據(jù)流變?cè)囼?yàn)轉(zhuǎn)子系數(shù)將線速度0.31 m/s換算成剪切速率 γ為 14.58 s-1，將 14.58 s-1代入式（3）可得式（4）：

對(duì)于采用H-B方程擬合CA砂漿的流性指數(shù)n一般在1.1～1.5之間（見表1）。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，取n的中間值為1.3，代入式（4），可得式（5）：

由式（3）可以看出，當(dāng)n越大，流動(dòng)度S對(duì)剪切應(yīng)力τ的貢獻(xiàn)就越大。當(dāng)n=1.5時(shí)，流動(dòng)度S對(duì)砂漿的剪切應(yīng)力τ的貢獻(xiàn)最大，其影響系數(shù)為0.218，小于擴(kuò)展度D的影響系數(shù)0.902；當(dāng)n=1.3時(shí)，流動(dòng)度S的影響系數(shù)為0.0866，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于擴(kuò)展度D的影響系數(shù)0.5277?？梢娫诠嘧⑸皾{時(shí)，控制擴(kuò)展度比控制流動(dòng)度更重要。

通過(guò)對(duì)實(shí)際灌板施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)分析后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)CA砂漿的流動(dòng)度在120 s，擴(kuò)展度在280 mm時(shí)，砂漿較稠，難以灌注；流動(dòng)度在100s，擴(kuò)展度在310mm的砂漿較容易灌注。將流動(dòng)度S=120s，擴(kuò)展度D=280mm 代入式（5）可得 τ=38.40Pa。將流動(dòng)度 S=100s，擴(kuò)展度 D=310mm 代入式（5），可得 τ=24.31Pa。即當(dāng)需加載的剪切應(yīng)力超過(guò)38.40Pa時(shí)，砂漿較稠，難以灌注；當(dāng)剪切應(yīng)力小于24.31Pa時(shí)，砂漿較稀，流動(dòng)性好，容易灌注。

繪制剪切應(yīng)力分別為38.40 Pa和24.31 Pa時(shí)流動(dòng)度與擴(kuò)展度的關(guān)系曲線，并作為難灌注-可灌注和可灌注-易灌注的界限，如圖4所示。

圖4 擴(kuò)展度、流動(dòng)度對(duì)CA砂漿灌注性的影響

由圖4可以看出，當(dāng)D＜290mm時(shí)，即使S＜50s，CA砂漿也無(wú)法灌注。當(dāng)D＞310mm時(shí)，即使S＞300s，CA砂漿也可以灌注。

2.2 基于分離度的拌合物性能控制指標(biāo)

由于新拌CA砂漿其內(nèi)部存在結(jié)構(gòu)對(duì)抗剪力，因此只有剪切應(yīng)力達(dá)到屈服值τ0后，流體才會(huì)流動(dòng)。球型顆粒在H-B流體中沉降的速度v可以用式（6）進(jìn)行表征[13]：

式中：d——顆粒直徑，mm；

ρs、ρf——分別為顆粒、漿體的密度，g/cm3；

g——重力加速度，取9.8 m/s2。

根據(jù)式（6），要保證CA砂漿中的砂子不出現(xiàn)沉降，則CA凈漿漿體的屈服應(yīng)力τ0需要滿足式（7）：

CA砂漿體系相關(guān)參數(shù)取值如下：砂的密度ρs=2.65 g/cm3，凈漿密度ρf=1.43 g/cm3，根據(jù)《暫行技術(shù)條件》的規(guī)定，砂粒的粒徑范圍在0～1.18 mm，取最大粒徑1.18 mm，代入公式計(jì)算得到τ0≥2.4 Pa，即要確保砂粒不發(fā)生沉降，CA凈漿的屈服應(yīng)力須達(dá)到2.4 Pa。根據(jù)試驗(yàn)得到屈服應(yīng)力為2.4 Pa的CA凈漿對(duì)應(yīng)的相同配比的CA砂漿屈服應(yīng)力為5.5 Pa，即CA砂漿不發(fā)生離析的前提為屈服應(yīng)力不能低于5.5 Pa。

稠度系數(shù)與屈服應(yīng)力存在一定的相關(guān)性，為了建立屈服應(yīng)力與流動(dòng)度及擴(kuò)展度間的關(guān)系，將不同水灰比的CA砂漿的流動(dòng)度S與稠度系數(shù)K進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖5。

圖5 不同水灰比CA砂漿S-K關(guān)系曲線

圖5結(jié)果表明，CA砂漿的流動(dòng)度S與稠度系數(shù)K間存在較好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.95601，其擬合方程如式（8）所示：

根據(jù)式（2）和式（8）可得式（9）：

繪制屈服應(yīng)力為5.5 Pa和0 Pa時(shí)的流動(dòng)度與擴(kuò)展度的關(guān)系曲線，并以屈服應(yīng)力為5.5 Pa時(shí)流動(dòng)度與擴(kuò)展度的關(guān)系曲線作為CA砂漿離析的界限，如圖6所示。

圖6 擴(kuò)展度、流動(dòng)度對(duì)CA砂漿灌注性的影響

2.3 基于泌水率拌合物性能控制指標(biāo)

CA砂漿需同時(shí)滿足良好的施工性能和勻質(zhì)性，流動(dòng)度過(guò)小或者擴(kuò)展度過(guò)大的CA砂漿存在很強(qiáng)的泌水風(fēng)險(xiǎn)，因此，還需要從泌水的角度對(duì)CA砂漿拌合物性能加以約束。

為了研究流動(dòng)度、擴(kuò)展度對(duì)CA砂漿泌水的影響，在保持水灰比0.435不變的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)減水劑摻量控制CA砂漿的工作性，CA砂漿拌合物性能與泌水的關(guān)系如表2所示。

表2 CA砂漿拌和性能和泌水關(guān)系

表2結(jié)果表明：當(dāng)CA砂漿拌合物的擴(kuò)展度大于340 mm時(shí)，CA砂漿的泌水較嚴(yán)重。因此，基于泌水性能要求，應(yīng)控制流動(dòng)度大于100 s、擴(kuò)展度小于340 mm（如圖7所示）。

圖7 擴(kuò)展度、流動(dòng)度對(duì)CA砂漿灌注性的影響

3 討論與結(jié)論

從可灌注性、分離度及泌水率3個(gè)因素出發(fā)研究了CA砂漿的工作性控制指標(biāo)，為CA砂漿的工作性能的控制指標(biāo)研究提供了一種思路。主要結(jié)論如下：

（1）擴(kuò)展度對(duì)CA砂漿施工性能的影響比流動(dòng)度更為重要，實(shí)際施工過(guò)程中控制工作性時(shí)應(yīng)兼顧擴(kuò)展度和流動(dòng)度；（2）剪切應(yīng)力分別為40.65 Pa和23.13 Pa時(shí)的流動(dòng)度與擴(kuò)展度的關(guān)系曲線是CA砂漿難灌注-可灌注和可灌注-易灌注的界限；（3）屈服應(yīng)力為5.5 Pa是控制CA砂漿離析的臨界值，低于該值的砂漿易離析；（4）流動(dòng)度小于100 s，擴(kuò)展度大于340 mm是控制CA砂漿泌水的界限。

研究結(jié)論具有一定的借鑒意義，但也存在如下一些問(wèn)題：

（1）基于可灌注性的CA砂漿工作性控制指標(biāo)的研究結(jié)論是建立在CA砂漿工作性與流變參數(shù)回歸結(jié)果的基礎(chǔ)上的，雖然獲得了較好的線性效果，但仍缺乏完備的理論支撐；（2）支撐可灌注性的界限參數(shù)是基于施工經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，缺乏一定的理論依據(jù)；（3）研究結(jié)論劃定的工作性控制指標(biāo)中有部分區(qū)域雖能滿足理論要求，但實(shí)際的CA砂漿的流動(dòng)度與擴(kuò)展度存在一定的相關(guān)性，往往不能同時(shí)滿足流動(dòng)度和擴(kuò)展度要求，因此該區(qū)域中有部分是無(wú)效區(qū)域。

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