基于同轴旋转法的水泥-阳离子乳化沥青浆体流变性研究

基于同轴旋转法的水泥--阳离子乳化沥青浆体流变性研究

水泥乳化沥砂是一种由水泥、乳化沥干、水、砂和适当的添加剂组成的有机-有机复合砂浆材料。其重要用途之一是用作我国高速铁路板式无砟轨道结构中的充填层材料。将各组成材料用适当的设备和工艺拌合均匀形成新拌砂浆,灌注在高速铁路板式无砟轨道结构的混凝土轨道板和底座之间,形成一定厚度的砂浆充填层,起支撑、调节、吸振和限位等作用。工程实践表明,砂浆充填层的灌注质量对板式无砟轨道结构的耐久性和列车运行安全性与舒适性起着非常重要的作用,而砂浆充填层的灌注质量与新拌砂浆的流动性、匀质性和稳定性等施工性能密切相关。新拌砂浆的施工性能主要取决于水泥--乳化沥青复合浆体的流变性。水泥--乳化沥青复合浆体可视为由水泥净浆和乳化沥青构成的悬浮浆体,也可视为水泥颗粒分散在沥青乳液中的悬浮浆体。由于水泥颗粒的粒径比沥青颗粒的粒径大一个数量级,且沥青颗粒在静电排斥力作用下易均匀分散在水中,因此可认为大粒径的水泥颗粒分散在沥青乳液中更恰当。所用水泥有硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥或其他水泥品种,但主要是硅酸盐水泥。乳化沥青多为阳离子型(CRTSⅠ型砂浆)和阴离子型(CRTSⅡ型砂浆)。这两种主要组成材料的不同组合,构成了不同的水泥--乳化沥青浆体。因此,水泥--乳化沥青浆体的流变性既与水泥净浆和乳化沥青的流变性有关,又因混合后水泥颗粒和沥青乳粒间相互作用而有所不同,但是目前关于这方面研究的报道很少。Wang等研究了普通硅酸盐水泥、阳离子乳化沥青和一些粉末填料组成的浆体在不同剪切速率下黏度的变化。张艳荣等通过流动扩展度测量,研究了普通硅酸盐水泥与阴离子乳化沥青浆体的流动性和温度的影响。Atzeni等采用流变仪研究了普通硅酸盐水泥与乳化沥青浆体的屈服应力受乳化沥青的种类和掺量、试验时间和温度的影响,并建立了屈服应力模型。本研究采用同轴筒式流变仪,通过测量不同组成的硅酸盐水泥--阳离子型乳化沥青(PC-CEA)复合浆体的剪切应力--剪切应变曲线,以探讨硅酸盐水泥--乳化沥青浆体的流变模型以及PC-CEA复合浆体组成对流变参数的影响规律。1实验1.1水泥、乳化沥青水泥为广东越秀牌P·II52.5R硅酸盐水泥,其物理性能和化学组成分别见表1和表2。乳化沥青为壳牌(佛山)有限责任公司产阳离子乳化沥青,其主要性能见表3。水为自来水。1.2沥青和水泥搅拌按表4的配合比称取各种原材料。采用水泥净浆搅拌机搅拌,搅拌方式为:乳化沥青和水先慢搅60s后加入水泥,慢搅60s,再快搅120s,最后慢搅30s。试验温度为25℃。1.3pc-cea净浆的流变特性测试采用德国AntonPaar公司生产的RheoPlusQC型同轴圆筒流变仪(剪切应变速率控制式)测试PC-CEA浆体的流变曲线。流变仪的试样筒容积为163mL,高为118mm,内径为42mm;试样筒套入恒温外筒中,外筒接控温装置,温度设定为25℃,控温精度为0.1℃;十字形转子型号为ST22-4V-40。测试前,对流变仪进行校准,校准时拆下转子按流变仪自带的程序自动校准;并将转子和试样筒及外筒在25℃恒温30min。将拌合好的PC-CEA浆体倒入试样筒中,再将试样筒套入恒温外筒中,装好转子,开启流变仪,按表5给出的程序测试拌合后5min(从加入水泥时算起)的PC-CEA净浆的流变曲线。所选剪切率的范围是考虑到施工现场水泥乳化沥青砂浆搅拌车的搅拌和砂浆灌注过程中的剪切率在0~300s--1以内。流变仪每隔5s自动采集一次剪切应力和剪切速率数据,绘制流变曲线。采用RheoPlusQC流变仪自带的RheoPlus/32V32.4计算程序得出流变性能参数。因剪切率很小时,测试数据离散性较大,故取剪切率5~300s--1所对应的上行段曲线;剪切率为300s--1的恒速段曲线,300~5s--1所对应的下行段曲线。2结果与讨论2.1pc-cea浆体的稳定制备性能2.1.1pc-cea净浆体的流变学特征图1为PC-CEA浆体的剪切应力τ--剪切速率的特征曲线。可以看出:当剪切应力达到一定值时才产生流动,即屈服应力;在流动过程中,浆体的剪切应力随剪切速率呈非线性增加,这表明PC-CEA净浆体是非牛顿黏性流体。另一方面,图1中的剪切应力--剪切速率曲线表明:PC-CEA浆体具有屈服应力,即当剪切应力大于屈服值是浆体才开始流动;无论是上行曲线(O1B)或是下行曲线(CO2),在低剪切速率下呈剪切变稀流体行为,在较高剪切速率下呈Bingham流体行为;在300s--1的恒定剪切速率作用下,浆体的剪切应力随时间逐渐减少,上行和下行曲线不重合,且后者处于前者下方,说明PC-CEA净浆体有明显的正触变性,其触变性大小可用上行曲线、恒速段(BC)、下行曲线所包围的面积来表征。2.1.2不同剪切速率下表观黏度的变化图2为PC-CEA浆体的表观黏度随剪切速率变化的特征曲线。可以看出:在剪切力作用下,PC-CEA浆体的表观黏度随剪切速率增加而逐渐减小,并表现为低剪切速率下先急剧减小、高剪切速率下基本保持稳定;而且,在高剪切速率下上行段曲线与下行段曲线基本重合,低剪切速率下二者间逐渐呈现差别。这再次说明PC-CEA浆体呈现明显的剪切变稀行为。2.2流变模型拟合结果PC-CEA浆体可视为一种由水泥和沥青乳液拌合形成的水泥基浆体。对于水泥基浆体,曾有多种流变模型描述其稳态流变性,如Bingham模型、改进Bingham模型、Hershel-Bulkley模型、Williamson模型、Casson模型、Eyring模型、Sisko模型和VomBerg等流变模型。Atzeni等通过对硅酸盐水泥浆体的流变实验和数据拟合,得出Hershel-Bulkley和Eyring模型与实测的剪切应力--剪切应变曲线拟合效果最佳。Papo也用不同的流变模型拟合得到的水泥浆的剪切应力与剪切应变数据,认为Hershel-Bulkley模型是最适合水泥基浆体的流变模型。上述流变模型中,Eyring、Sisko和Williamson等流变模型不包括屈服应力项,因此,选择含有屈服应力项的Bingham、Hereshel-Bulkley、改进Bingham、Casson等4种流变模型与实测的剪切应力—剪切应变曲线进行拟合,这4种流变模型的数学表达式分别如式(1)~式(4)所示。式中:τ为剪切应力,Pa;τ0为屈服应力,Pa;为剪切速率,s--1;K为稠度系数,Pa·sn;ηp为塑性黏度,Pa·s;η∞为无限大剪切速率时的黏度,Pa·s;n为流变特性指数,无因次;c为常数。由于PC-CEA浆体具有一定的触变性,因此,选择实测的下行曲线数据与各种流变模型拟合。并且在下行曲线测量中,浆体的触变结构被完全打破,有利于获得真实的结果。所有8个样品的下行曲线如图3和图4所示。由上述4个流变模型式(1)~式(4)拟合实测的图3中8个PC-ECA浆体的剪切应力--剪切应变下行曲线得到的各种流变性能参数如表6~表8所示,相应的屈服应力和塑性黏度值的变化情况分别如图5所示。图5a表明,由式(4)的Casson模型得到的屈服应力值最小,由式(2)的Hereshel-Bulkley模型预测的屈服值次之,而由式(1)的Bingham模型和式(3)的改进Bingham模型得到的屈服应力值最大,且二者相近。水泥基浆体的屈服应力反映了浆体在流动前能承受的最大剪切应力,它与浆体中固体颗粒的相互作用力和颗粒凝聚体结构有关。对于水泥--乳化沥青浆体而言,由于乳化沥青中含有大量离子型乳化剂分子,而且沥青乳粒表面带有同种电荷,因此,浆体中固体颗粒间的作用力比相同水灰比的水泥浆小,即PC-CEA浆体的屈服应力相对较小。所以,模型预测的屈服值不应过大。图5b可以看出,对于样品1~样品6而言,由式(1)的Bingham模型和式(3)的改进Bingham模型得到的塑性黏度值接近,而对于样品7和样品8,由式(3)得到塑性黏度值为负值,这显然与实际不相符。对比表8中的数据可知,由式(2)的Hereshel-Bulkley模型预测的样品1~样品6的稠度系数较大,而样品7和样品8的稠度系数趋近于0,由式(4)Casson模型得到的无限大剪切速率下的黏度均较小。另一方面,由上述4个流变模型与实测的剪切应力--剪切应变曲线的相关性如表9所示,可以看到,Hereshel-Bulkley模型与所有8个PC-CEA浆体样品的流变曲线均有很好的吻合性。将实测数据与由流变模型预测值,按照式(5)计算标准差,其结果如表10所示。式中:S为标准差;ymi为实测值;yci为模型计算值。表10中的结果也表明,由式(2)中HereshelBulkley模型的计算值与实测值的标准差相对于所有8个样品均最小。综上所述,Hereshel-Bulkley模型最适合描述硅酸盐水泥-乳化沥青浆体的流变特性,这说明将水泥颗粒分散在乳化沥青中并没有改变水泥基浆体的基本流变特性,但浆体的流变性能参数与水泥/沥青的质量比或体积比有关。2.3eshel-bolk高效模型根据实测的剪切应力-剪切应变的下行曲线,由Hereshel-Bulkley模型拟合确定PC-CEA浆体的屈服应力、稠度系数和流变特性指数n。分析PC-CEA浆体的组成对这些流变性能参数的影响。2.3.1c对增强基浆体流变性的影响当PC-CEA浆体中水泥颗粒和沥青乳粒体积之和占浆体总体积(固体体积分数φs)的60%时,PC-CEA浆体的屈服应力τ0、稠度系数K与φc的关系分别如图6和图7所示。可以看到:当φc小于0.25时,浆体的屈服应力随φc的减小呈近似线性降低;而当φc为0.30时,PC-CEA浆体屈服应力显著增加,此时,对应的沥青/水泥固体体积比为1.0(见表4),对应浆体中的水灰比为0.43。水泥基浆体的屈服应力与体系内颗粒的形状、粒径、粒径分布、表面特性及水泥水化等因素有关。沥青乳粒是一种圆球状的表面光滑的颗粒,沥青乳粒掺入水泥后,在浆体中出现了“滚珠效应”。沥青乳粒掺量越多,其“滚珠效应”越显著,有利于浆体颗粒间的相对滑动,因此水泥--沥青体系浆体的流变中,屈服应力将随着沥青乳粒掺量的增大而降低。当保持浆体的φs不变时,φc的增加,一方面沥青含量的降低减小了滚珠效应,另一方面水灰比的减小使水泥间的颗粒间距的减小,使其更易产生凝聚体网络结构,浆体的屈服应力增加。而从PC-CEA浆体的流变曲线上看(见图3和表6),浆体都具有一定的剪切变稀性质。而水泥基浆体的剪切变稀性质与水泥及其水化物构成的凝聚体网络结构有关,形成的凝聚体网络结构越紧密,剪切变稀性质越明显。从表8可以看出,随着φc的增大,流变性指数n逐渐减小,剪切变稀性质越明显,即形成的凝聚体网络结构越紧密。而凝聚体网络结构越紧密,浆体的屈服应力也更大。所以,φc为0.3时,颗粒分散程度的降低和水泥水化物的搭接使浆体的屈服应力显著增加。对比图6和图7中的曲线可以看到,表征PC-CEA浆体黏度的稠度系数K随其φc的变化趋势与屈服应力随φc的变化趋势很相似。一般来说,悬浮浆体的黏度或稠度主要与浆体中的固体体积分数相关,但图7中的曲线表明,尽管固体体积分数均为60%,但由于浆体中水泥相对体积的增加,使得浆体的稠度增加,尤其是当φc为30%时,稠度显著增加。因此,对于PC-CEA浆体而言,水泥及其水化物颗粒间的凝聚网络结构也是其稠度的主要决定因素。此外,从表8可以看到,固体体积分数为60%的PC-CEA浆体的流变性指数n值随浆体中φc的增大而逐渐减小,这说明随着浆体中水泥体积含量的增加,PC-CEA浆体有逐渐远离Bingham流体行为,即呈现更显著的剪切变稀性的趋势。而阳离子乳化沥青呈Bingham流体行为,水泥浆一般呈剪切变稀性。所以,PC-CEA浆体的流变行为主要受水泥体积分数的影响。而最适合描述水泥浆剪切变稀行为的Hereshel-Bulkley模型,对于PC-CEA浆体同样是最适合的。2.3.2s20%时当水泥/沥青的固体体积比φs恒定为1时,PC-CEA浆体的屈服应力τ0、稠度系数K随φs的变化分别如图8和图9所示。可以看到,PC-CEA浆体的屈服应力τ0和稠度系数K均随着浆体中φs的减小而降低,这与悬浮浆体的一般规律相符。在φs为60%时,PC-CEA浆体的屈服应力τ0和稠度系数K均较大,当φs≤50%时,显著减小;尤其是稠度在φs为40%时趋于0。从表8中流变指数也可看出,当φs为40%和30%时,流变指数n>1,说明这两种组成的浆体呈剪切增稠行为。曾有研究表明,很稀或掺入较多超塑化剂的的水泥浆会呈剪切增稠流变行为,并提出了“动水颗粒丛”理论,一般来说,具有剪切增稠行为的悬浮体中颗粒间以斥力为主,颗粒高度分散。当剪切应力足以驱动固体颗粒相互结合形成“颗粒堆积丛”,并随剪切速率增加,“颗粒堆积丛”将越来越大,悬浮体黏度不断增加,呈剪切增稠行为。这种因剪切作用而形成的悬浮“颗粒堆积丛”是不稳定的。静态松弛后颗粒又会因相互间斥力作用再次分散,体系黏度出现降低。因此,当沥青/水泥体积比为1,而φs小于40%时,水泥颗粒或沥青乳粒相互间作用力很弱,固体颗粒高度分散,浆体稠度很小,甚至接近0,从而使PC-CEA浆体呈剪切增稠行为。这符合水泥基浆体的一般规律,有关水泥颗粒和沥青乳粒间相互作用力的本质特性还有待进一步研究,以便探明PC-CEA浆体屈服应力的来源和影响因素。3盐水泥--乳化沥青浆体的流变行为1)PC-CEA浆体可视为水泥颗粒分散在沥青乳液中形成的水泥基浆体,其流变行为特征是:具有一定的屈服应力,主要呈剪切变稀行为,并有明显的触变现象。因此,Hereshel-Bulkley模型最适合描述硅酸盐水泥--乳