基于流变特性的CA砂浆工作性控制指标研究

张立华 ，洪锦祥 ，朱晓斌

（1.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 210008；2.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京 210008）

0 引言

CA砂浆（Cement Asphalt Mortar，也称CAM）是填充于板式无砟轨道刚性轨道板与支承层之间的弹性减振关键结构层材料，主要起支承轨道板、缓冲高速列车荷载与减振以及调整施工误差的作用。它由水泥、乳化沥青、砂和多种外加剂组成，是水泥与乳化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[1-8]。

CA砂浆采用灌注工艺进行施工，依靠砂浆自身的流动性填充支承层和轨道板间的空腔。为了保证CA砂浆的灌注质量，必须使其具备良好的工作性能。扩展度和流动度是衡量CA砂浆工作性能的重要指标。《客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》（以下简称《暂行技术条件》）规定：CA砂浆符合施工的前提条件为流动度80～120 s，扩展度≥280 mm，扩展度达280 mm时所需的时间需不大于16 s。然而实际施工经验表明，部分CA砂浆的工作性指标虽能符合《暂行技术条件》规定要求，但仍可能出现灌注不饱满、分离度不合格等问题。其次，施工单位往往注重流动度而经常忽略扩展度，致使砂浆过稀，最终影响CA砂浆的质量。此外，原材料性能尤其是乳化沥青对CA砂浆工作性的影响差异很大，这在一定程度上也影响了《暂行技术条件》的指导性。以上问题究其原因在于目前的CA砂浆施工技术控制指标是在吸收了国外转让资料的基础上形成的，借鉴指标参数时未能从更深的层次去探究参数的由来和适用性，以至于水土不服。

为了探索科学合理的CA砂浆施工控制指标，本文利用流变学原理，从可灌性、分离度及泌水3个角度探讨了CA砂浆的施工性能控制指标，研究结论可为CA砂浆施工提供更好的理论参考。

1 试验

1.1 原材料与试验方法

水泥：P·Ⅱ52.5水泥；乳化沥青：阴离子型乳化沥青，固含量60%；砂：河砂，细度模数1.8～2.0；减水剂：聚羧酸高效减水剂；消泡剂：有机硅超强消泡剂；水：自来水。

CA砂浆配合比为：乳化沥青总掺量占水泥质量的40%，砂灰比为1.5，减水剂、消泡剂掺量分别占水泥质量的0.25%、0.014%，定义水灰比W/C为拌合水用量和乳化沥青含水量的总质量与水泥质量的比。

CA砂浆流变性能的测试方法参考文献[9]。CA砂浆流动度与扩展度的测试方法参考《暂行技术条件》。

1.2 试验结果

通过改变拌合水用量调整CA砂浆的水灰比，测试了水灰比 W/C 分别为 0.4400、0.4475、0.4550、0.4625、0.4700 时 CA砂浆的流变性能。CA砂浆是典型的H-B流体[9]，以H-B流变模型（τ=τ0+Kγn）对上述CA砂浆流变规律进行拟合，结果见图1和表1。

图1 CA砂浆的流变曲线

表1 CA砂浆的H-B模型拟合结果及工作性

2 基于可灌性拌合物性能控制指标

2.1 基于可灌性拌合物性能控制指标

从流变学角度来讲，决定新拌水泥基材料流动性的流变参数是浆体的屈服应力[10]。因此，对不同水灰比CA砂浆的屈服应力τ0和流动度S进行拟合，结果见图2。

图2 不同水灰比CA砂浆S-τ0关系曲线

图2结果表明，CA砂浆的流动度S与屈服应力τ0之间具有较好的线性关系，相关系数为0.86255，其拟合方程如式（1）所示：

水泥基材料的扩展度是浆体在自重作用下的最终变形能力，其反映低剪切速度下浆体的流动性能，是屈服应力的函数。屈服应力与体系黏性变形（流动）中颗粒间的摩擦阻力有关[11]。当浆体中分散相体积分数增加时，颗粒间摩擦阻力增大，浆体屈服应力相应增加，扩展度降低[10，12]。因此，对CA砂浆的扩展度D与屈服应力τ0、稠度系数K进行拟合，关系曲线见图3。

图3 不同水灰比CA砂浆D与τ0、K的关系曲线

图3结果表明：CA砂浆的扩展度D与屈服应力τ0、稠度系数K具有较好的线性关系，相关系数为0.99979，其拟合关系式如式（2）所示：

可见，屈服应力和塑性粘度是影响CA砂浆扩展度的主要因素。综合 H-B 流变本构方程式，以及式（1）、（2）可得式（3）：

假定现场灌注1块轨道板的时间约为200 s，1罐砂浆按0.5 m3计算，管道直径取0.1 m，则灌满板的平均流速为0.31 m/s。流变试验的转子直径为48 mm，将线速度转换成剪切速率。根据流变试验转子系数将线速度0.31 m/s换算成剪切速率 γ为 14.58 s-1，将 14.58 s-1代入式（3）可得式（4）：

对于采用H-B方程拟合CA砂浆的流性指数n一般在1.1～1.5之间（见表1）。为了简化计算，取n的中间值为1.3，代入式（4），可得式（5）：

由式（3）可以看出，当n越大，流动度S对剪切应力τ的贡献就越大。当n=1.5时，流动度S对砂浆的剪切应力τ的贡献最大，其影响系数为0.218，小于扩展度D的影响系数0.902；当n=1.3时，流动度S的影响系数为0.0866，远远小于扩展度D的影响系数0.5277。可见在灌注砂浆时，控制扩展度比控制流动度更重要。

通过对实际灌板施工经验总结分析后发现：当CA砂浆的流动度在120 s，扩展度在280 mm时，砂浆较稠，难以灌注；流动度在100s，扩展度在310mm的砂浆较容易灌注。将流动度S=120s，扩展度D=280mm 代入式（5）可得 τ=38.40Pa。将流动度 S=100s，扩展度 D=310mm 代入式（5），可得 τ=24.31Pa。即当需加载的剪切应力超过38.40Pa时，砂浆较稠，难以灌注；当剪切应力小于24.31Pa时，砂浆较稀，流动性好，容易灌注。

绘制剪切应力分别为38.40 Pa和24.31 Pa时流动度与扩展度的关系曲线，并作为难灌注-可灌注和可灌注-易灌注的界限，如图4所示。

图4 扩展度、流动度对CA砂浆灌注性的影响

由图4可以看出，当D＜290mm时，即使S＜50s，CA砂浆也无法灌注。当D＞310mm时，即使S＞300s，CA砂浆也可以灌注。

2.2 基于分离度的拌合物性能控制指标

由于新拌CA砂浆其内部存在结构对抗剪力，因此只有剪切应力达到屈服值τ0后，流体才会流动。球型颗粒在H-B流体中沉降的速度v可以用式（6）进行表征[13]：

式中：d——颗粒直径，mm；

ρs、ρf——分别为颗粒、浆体的密度，g/cm3；

g——重力加速度，取9.8 m/s2。

根据式（6），要保证CA砂浆中的砂子不出现沉降，则CA净浆浆体的屈服应力τ0需要满足式（7）：

CA砂浆体系相关参数取值如下：砂的密度ρs=2.65 g/cm3，净浆密度ρf=1.43 g/cm3，根据《暂行技术条件》的规定，砂粒的粒径范围在0～1.18 mm，取最大粒径1.18 mm，代入公式计算得到τ0≥2.4 Pa，即要确保砂粒不发生沉降，CA净浆的屈服应力须达到2.4 Pa。根据试验得到屈服应力为2.4 Pa的CA净浆对应的相同配比的CA砂浆屈服应力为5.5 Pa，即CA砂浆不发生离析的前提为屈服应力不能低于5.5 Pa。

稠度系数与屈服应力存在一定的相关性，为了建立屈服应力与流动度及扩展度间的关系，将不同水灰比的CA砂浆的流动度S与稠度系数K进行拟合，结果见图5。

图5 不同水灰比CA砂浆S-K关系曲线

图5结果表明，CA砂浆的流动度S与稠度系数K间存在较好的线性关系，相关系数0.95601，其拟合方程如式（8）所示：

根据式（2）和式（8）可得式（9）：

绘制屈服应力为5.5 Pa和0 Pa时的流动度与扩展度的关系曲线，并以屈服应力为5.5 Pa时流动度与扩展度的关系曲线作为CA砂浆离析的界限，如图6所示。

图6 扩展度、流动度对CA砂浆灌注性的影响

2.3 基于泌水率拌合物性能控制指标

CA砂浆需同时满足良好的施工性能和匀质性，流动度过小或者扩展度过大的CA砂浆存在很强的泌水风险，因此，还需要从泌水的角度对CA砂浆拌合物性能加以约束。

为了研究流动度、扩展度对CA砂浆泌水的影响，在保持水灰比0.435不变的前提下，通过调节减水剂掺量控制CA砂浆的工作性，CA砂浆拌合物性能与泌水的关系如表2所示。

表2 CA砂浆拌和性能和泌水关系

表2结果表明：当CA砂浆拌合物的扩展度大于340 mm时，CA砂浆的泌水较严重。因此，基于泌水性能要求，应控制流动度大于100 s、扩展度小于340 mm（如图7所示）。

图7 扩展度、流动度对CA砂浆灌注性的影响

3 讨论与结论

从可灌注性、分离度及泌水率3个因素出发研究了CA砂浆的工作性控制指标，为CA砂浆的工作性能的控制指标研究提供了一种思路。主要结论如下：

（1）扩展度对CA砂浆施工性能的影响比流动度更为重要，实际施工过程中控制工作性时应兼顾扩展度和流动度；（2）剪切应力分别为40.65 Pa和23.13 Pa时的流动度与扩展度的关系曲线是CA砂浆难灌注-可灌注和可灌注-易灌注的界限；（3）屈服应力为5.5 Pa是控制CA砂浆离析的临界值，低于该值的砂浆易离析；（4）流动度小于100 s，扩展度大于340 mm是控制CA砂浆泌水的界限。

研究结论具有一定的借鉴意义，但也存在如下一些问题：

（1）基于可灌注性的CA砂浆工作性控制指标的研究结论是建立在CA砂浆工作性与流变参数回归结果的基础上的，虽然获得了较好的线性效果，但仍缺乏完备的理论支撑；（2）支撑可灌注性的界限参数是基于施工经验的总结，缺乏一定的理论依据；（3）研究结论划定的工作性控制指标中有部分区域虽能满足理论要求，但实际的CA砂浆的流动度与扩展度存在一定的相关性，往往不能同时满足流动度和扩展度要求，因此该区域中有部分是无效区域。

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