CRTS Ⅰ型水泥乳化沥青砂浆流变性能

王 涛， 贾恒琼， 李洪刚

(中国铁道科学研究院 金属及化学研究所， 北京 10081)

中国铁路轨道系统(China Railway Track Systems，CRTS)Ⅰ型板式无砟轨道由混凝土底座、水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)层和轨道板等主要结构组成，具有施工快捷、维修方便等特点[1～3]，在我国高速铁路建设中应用广泛[4～6]。充填层CA砂浆由水泥、乳化沥青、砂、水和多种外加剂等组成，含有大量的无机、有机成分以及多种表面活性剂，依靠自重充填于轨道板与混凝土道床之间厚度约为40～60 mm的扁平空腔内(板腔，长×宽约4962 mm×2400 mm)，是板式无砟轨道的关键材料与结构之一[7～9]。

CA砂浆的灌注施工方式要求其具有良好的流动性能，以黄铜制J型漏斗的流出时间作为评判标准(规定为18～26 s)，现场使用方便，能评价施工性能，但不能表征砂浆更多的流变参数，特别是有些流动性指标关系到砂浆的后期使用性能，如粘度与砂浆匀质性和高含气量稳定密切相关，最终会影响砂浆的耐久性。CRTS Ⅰ型CA砂浆现行标准规定乳化沥青∶水泥≥1.4，国内80%以上应用的CRTS Ⅰ CA砂浆配方体系中，原材料以体积含量计[4,6]，乳化沥青(含胶乳)约为53.4%～58.1%、砂约为26.4%～30.2%、水泥约为11.9%～12.6%，乳化沥青体积是水泥的4.2倍以上，硬化后沥青是水泥的2.5倍以上，有机-无机组成比例明显不同于CRTS Ⅱ型CA砂浆(乳化沥青∶水泥≥0.35)[10]，明显不同于常见的水泥浆体与水泥砂浆，因而其新拌体系流变性能不能简单借鉴水泥类浆体结果[11～13]；另外，该乳化沥青具有减水和使新拌体系均匀稳定的作用[14,15]，不需外加减水剂和增稠剂/流变剂，就能保证砂浆的拌和灌注与均匀稳定，相关水泥-乳化沥青复合体系的研究文献则与此不同。文献[16,17]研究了无砂CA浆体的流变特性，采用外加流变助剂、减水剂等改善浆体性能，与实际工程用CA砂浆存在较大差异，因此，采用现场原材料与配合比，系统研究其流变性能对实际工程CA砂浆制备与施工具有重要的理论和指导意义。

本文使用工程现场用原材料，按施工配合比进行试验，研究了新拌CA砂浆粘度、触变性等流变特征，并分析了含气量、流动度值与其流变性能的关系，研究结果可为CA砂浆材料的研究与工程应用提供有价值的参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料与制备

原材料主要选用：(1)乳化沥青为灌浆专用阳离子慢裂快凝型乳化沥青，固含量60%；(2)干料为CRTS Ⅰ型砂浆专用干料，干料中<0.075 mm 的颗粒含量为33%，不同厂家共计5种干料，干料组成相同，P·Ⅱ 42.5硅酸盐水泥存在产地差异；(3)胶乳为TD-08聚合物乳液；(4)消泡剂为有机硅类；(5)引气剂为松香类。

原材料配比：干料∶乳化沥青∶胶乳∶水∶消泡剂∶引气剂=3∶1.29∶0.11∶0.067∶0.0004∶0.004；其中干料密度为1103 kg/m3，乳化沥青(含胶乳)∶水泥=1.4(质量比)。调整外加水量使砂浆流动度满足要求。

搅拌工艺为：先加水、乳化沥青、胶乳、消泡剂等液料，转速30 r/min；再加干料，转速80 r/min； 最后加引气剂，开始高速搅拌，速度120 r/min，搅拌时间为120 s；低速30 r/min搅拌30 s，砂浆制备完成。

1.2 试验方法

流变性能采用Brookfield RS-SST型软固体测试流变仪测定，其适宜测试含有砂粒的CA砂浆。将原材料按比例称量、搅拌制备后快速对CA浆体进行测试，测试室内温度为25±1 ℃。

新拌CA砂浆流动度、含气量按照暂行技术条件(科技基[2008]74号[18])附录进行测试。

2 结果与分析

2.1 粘度特征

在涂料领域，常采用转速6 rpm和60 rpm时体系粘度分别表征涂料类似静止或流动时的粘度，并用其粘度比值评价其触变性。乳化沥青是涂料的一种，CA砂浆中乳化沥青体积和质量分数均为绝大多数，忽略早期水泥水化影响，用相同配比与原材的CA砂浆分别测试6 rpm和60 rpm旋转速度下的体系粘度，近似表征CA砂浆静止和流动状态下的体系粘度。选取5组砂浆测试90 s，其体系粘度随时间的变化规律结果见图1，2。

图1 6 rpm时粘度

图2 60rpm时粘度

图1，2表明，相同转速下，随着时间延长，CA砂浆粘度逐渐降低并趋于稳定。不同转速下，CA砂浆也具有剪切变稀性，转速6 rpm时，砂浆粘度在13～28 Pa·s之间，粘度稳定在8.3～11.3 Pa·s之间；而转速60 rpm时，砂浆粘度降至3.5～4.9 Pa·s之间，粘度稳定在1.7～2.4 Pa·s之间，CA砂浆具有剪切变稀的触变性。

新拌CA砂浆粘度对其流态/硬化状态的匀质性有重要影响。密度相差较大的水泥、沥青和砂颗粒在新拌CA砂浆中上浮/下沉趋势，颗粒上浮/下沉速度可用变形后的斯托克斯公式(1)说明。

(1)

式中：r为颗粒粒径；v为相对运动速度；ρ1，ρ2分别为原材料颗粒和浆体的密度；η为浆体粘度；g为重力加速度。

当ρ1>ρ2时，v>0，颗粒下沉；ρ1<ρ2时，v<0，颗粒上浮，上浮/下沉速度越快，砂浆分层越显著。在确定配方和原材料的CA砂浆中，颗粒运动速度与其粒径的平方成正比，工业化生产的水泥和乳化沥青粒径均相对稳定，但技术条件中砂子粒径规定较为宽泛，以图1粘度值8.3 Pa·s、板腔厚50 mm估算，不考虑水化后体系变稠，直径0.6 mm砂粒下沉至底部时间约35 min(满足可工作时间≥30 min)，而直径1.18 mm砂粒则仅需9 min，因而，在工程中常采用0.15～0.3 mm和0.3～0.6 mm两种级配各50%的混合砂，控制了最大粒径，也满足了砂的细度模数要求，并经实际揭板检查，验证并确保了CA砂浆的断面均匀。

2.2 触变性滞回环

设置最高剪切速率分别为100，150 s-1，测试粘度随剪切速率先增加至最高值，后降低的连续变化，典型的CA砂浆粘度-剪切速率全曲线测试结果见图3，4。

图3 100 s-1时粘度-剪切速率全曲线

图4 150 s-1时粘度-剪切速率全曲线

图3，4表明，随着剪切速率提高，砂浆粘度逐渐降低，剪切速率逐步降低阶段砂浆体系粘度又逐渐上升，该阶段曲线的粘度值略高于剪切速率提高阶段曲线的粘度值，在低剪切速率时较明显，下降、上升曲线与纵坐标轴围成粘度-剪切速率滞回环，即CA砂浆具有典型的粘度触变性，灌注过程中容易流动和填充空腔区域，停止灌注后，粘度上升能阻止颗粒上浮或下沉，使新拌CA砂浆体系中各颗粒组分保持分散均匀。

浆体触变性常用其剪切应力-剪切速率曲线滞回环面积表征[19,20]，CA砂浆剪切应力随剪切速率的典型变化规律见图5，6。采用同一锅砂浆，根据相关参考文献[14,15,20,22,23]中的剪切速率，本研究先测试最高剪切速率150 s-1的全曲线，再测试100 s-1的全曲线，并计算曲线滞回环包围面积，以表征砂浆触变性。

图5 150 s-1时剪切应力-剪切速率全曲线

图6 100 s-1时剪切应力-剪切速率全曲线

图5，6表明，最高剪切速率分别为100，150 s-1时，CA砂浆剪切应力-速率全曲线与纵坐标均可形成滞回环，不同最高剪切速率全曲线的下降段基本呈现线性下降趋势，具有典型的剪切触变性；但两者上升段变化趋势略有不同，最高剪切速率150 s-1时，曲线上升段在90～115 s-1间存在水平段，即全曲线上升段存在剪切应力稳定阶段，表明在一定的剪切速率范围内，测试转子周边砂浆分散与聚集相互竞争处于动态平衡，而在速率大于115 s-1时，粉料还可在液料中进一步分散。实际砂浆制备过程在90 r/min升至130 r/min时[21]，搅拌机功率并未立即上升，而是呈现下降后回升略持平(参考文献[21]中阶段Ⅲ)，最高搅拌速度130 r/min后，干料颗粒得以进一步分散均匀。

剪切应力-剪切速率全曲线起始点与终点相距较远，下降段在上升曲线下方，就上升曲线而言，随剪切速率增加，剪切应力先降低后增加，而相关文献研究结果为“先上升后趋缓”或“先下降后趋缓”[15,19,22,23]，也与现有流变模型不符[23]，原因可能在于本研究中乳化沥青自带减水和流变改进作用，不需外加减水剂或粘度改性剂，且乳化沥青体积分数53%以上。

另外，参考涂料触变性评价方法[24]，采用测试60 s时6 rpm粘度与60 rpm粘度的比值表征CA砂浆触变性，分析图1，2中结果，粘度比值触变性指数在4.08 ～5.88之间，区别范围较小。

2.3 含气量、粘度比值触变指数与流动度关系

乳化沥青中的表面活性剂易使砂浆在搅拌中产生气泡，消泡剂可去掉大气泡，留下适量的微小气泡可以其“滚珠轴承”作用促进新拌砂浆的流动性。分别研究含气量-流动度、粘度比值触变指数-流动度之间的关系，结果见图7，8。

图7 含气量-流动度关系

图8 触变指数-流动度关系

图7表明，CA砂浆流动度与其含气量线性拟合相关系数R2为0.59，即CA砂浆粘度与其含气量并不显著相关；图8表明，粘度比值触变性指数与流动度相关系数R2为0.52，说明增大CA砂浆粘度，也不能显著增加其粘度比值触变指数。

另外，将气泡等效于颗粒，根据式(1)可知，体系粘度增加，可减缓气泡上浮速度，有利于CA砂浆体系均匀稳定，降低实际工程砂浆表面起皮和分层风险。

2.4 滞回环面积与含气量、流动度变化值关系

触变性影响新拌CA砂浆含气量、流动度等性能，以0和30 min砂浆流动度的差值表示流动度变化量，与滞回环面积触变性的关系见图9，含气量与滞回环面积的关系见图10。

图9 150 s-1滞回环面积-流动度变化量曲线

图10 含气量-100 s-1滞回环面积曲线

图9表明，150 s-1滞回环面积与流动度30 min变化量具有较好的相关性，相关系数R2为0.93，说明30 min流动度变化量也可一定程度上表征CA砂浆的触变性。

图10表明，含气量与100 s-1滞回环面积具有一般的线性正相关，相关系数R2为0.81，也说明含气量越高，CA砂浆的触变性越大，考虑新拌砂浆的可灌注性和硬化体的密实性，其对应触变性既不能太大也不能太小，而应在一定范围内，触变性太小，体系中气泡体系容易逸出，影响流动性，不利于灌注填充，触变性太大，含气量容易过高，也不利于硬化性能。

2.5 滞回环面积与粘度比值触变指数

触变性(剪切变稀型)不仅有利于CA砂浆灌注施工，还能避免灌注后静置硬化时分层离析，改善CA砂浆各组分匀质性，最终提高砂浆耐久性能，其触变性能可分别以滞回环面积和粘度比值触变指数表示。将110 s-1滞回环面积、150 s-1滞回环面积和粘度比值触变指数三者之间的关系以曲线表示，见图11～13。

图11 100 s-1滞回环面积-粘度比值曲线

图12 150 s-1滞回环面积-粘度比值曲线

图13 150-100 s-1滞回环面积曲线

图11～13表明，在表征CA砂浆触变性的指标中，110 s-1滞回环面积、150 s-1滞回环面积和粘度比值触变指数三者具有较好的相关性，其中150 s-1滞回环面积与其他两者的线性相关性较好，相关系数R2均在0.92以上，可以较好表征CA砂浆的触变性。

依据上述研究成果，在实际CA砂浆制备与施工中，通过乳化沥青和干料匹配调节新拌砂浆体系触变性、外加用水量调整其粘度，实现新拌CA砂浆中各组成与气泡体系的均匀稳定，充填层砂浆灌注后揭板显示断面均匀，确保了高铁工程用CA砂浆的施工质量。

3 结 论

(1)随着旋转时间延长、剪切速率提高， CA砂浆粘度逐渐降低后趋于稳定，剪切速率降低时粘度逐渐上升，粘度曲线下降段略高于上升段，具有剪切变稀的触变性能；

(2)最高剪切速率为100与150 s-1时，CA砂浆剪切应力-速率全曲线两者下降段近似直线，但两者上升段趋势略有不同，150 s-1曲线上升段在90～115 s-1之间存在剪切应力稳定的水平段，可指导砂浆分散制备时的最高搅拌速度；

(3)增加CA砂浆粘度并不能显著增加体系含气量和粘度比值触变指数，触变性越大，其含气量相对较高；

(4)150 s-1滞回环面积与110 s-1滞回环面积和粘度比值触变指数的线性相关性较好，系数R2均在0.92以上，适宜表征CA砂浆的触变性。

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