新拌水泥基材料觸變性測試與評價方法研究

劉競 李廣輝 李鐵軍 趙彥旭 鄭新國 李穎 沈偉 朱旭波

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司，烏魯木齊830011；3.中國鐵路蘭州局集團有限公司，蘭州730000；4.中鐵二十一局集團有限公司，蘭州730070

水泥凈漿、砂漿、混凝土等均為初凝前具有觸變性的新拌水泥基材料。該類材料受到剪切時稠度變小，停止剪切時稠度又增加，即出現剪切稀化現象［1-2］。為了施工時具有與工況、結構相適宜的形態并保持穩定性，須水泥基材料具有適宜的觸變性。為了改善水泥基材料的觸變性，經常采取的措施是加入觸變劑。觸變劑的類型主要有聚丙烯酰胺類、螯合物、水溶性纖維素衍生物體系、混合金屬層狀氫氧化物、改性纖維素體系、納米礦物摻和料等，不同類型觸變劑的改善功效不同［3-5］。

本文通過系統試驗提出從水泥凈漿、砂漿、混凝土三個層次遞進式評價新拌水泥基材料觸變性的方法，為特殊工況測試與評價其觸變性提供參考。

1 新拌凈漿觸變性測試及評價方法

測試步驟：①采用惰性材料作為基材，然后加入不同種類的觸變劑進行比對試驗。采用凈漿攪拌機攪拌，出機后測試凈漿擴展度（摻入不同種類觸變劑的凈漿出機擴展度應保持一致），出機靜止2 min后采用旋轉黏度儀（圖1）測試凈漿的旋轉黏度。②選擇合適的轉子系統，使轉速為6、60 r/min時其讀數均在滿刻度表盤的20%～80%量程內，并測試兩不同轉速下的旋轉黏度。

圖1 旋轉黏度儀

采用觸變系數（6 r/min與60 r/min對應的旋轉黏度之比η6/η60）來表征新拌凈漿的觸變性。觸變系數越大新拌凈漿的觸變性越好；觸變系數越小新拌凈漿的觸變性越差。

2 新拌砂漿觸變性測試及評價方法

測試步驟：①按混凝土配合比取相同用量和比例的膠凝材料、細骨料及水制備砂漿，摻入經凈漿觸變性測試優選出的觸變劑。②采用水泥膠砂攪拌機（圖2）攪拌砂漿。③采用膠砂流動度測試儀（圖3）測試砂漿擴展度。具體操作方法為用濕布擦拭跳桌臺面、試模內壁、振搗棒等，將攪拌好的砂漿分2次倒入試模。第1次高度為2/3，用小刀在兩個方向各劃5次，用振搗棒均勻搗壓15次；第2次高度為1/3，用小刀劃10次，用振搗棒均勻搗壓10次，刮平試模將其垂直輕輕提起；靜止5 min后，用游標卡尺測量新拌砂漿底部直徑D、頂部直徑d及砂漿垂直高度h（圖4）。采用公式Kp=11/（D＋d－h）計算新拌砂漿形狀穩定系數Kp。Kp越接近1新拌砂漿的靜態觸變性越好。⑤新拌砂漿的靜態觸變性測試完畢后，開動跳桌，跳動18次后停止，測量新拌砂漿最終擴展度。用最終擴展度與初始擴展度之差（ΔD）表示新拌砂漿的動態觸變性。ΔD越大新拌砂漿的動態觸變性越好。

圖2 水泥膠砂攪拌機

圖3 砂漿流動度測試儀

圖4 砂漿流動度測試

3 新拌混凝土觸變性測試及評價方法

新拌混凝土在運輸過程中不能出現離析現象，在澆筑過程中須保證順利流動且不產生離析。新拌混凝土的觸變性會影響其運輸、澆筑過程［6-7］，因此分析新拌混凝土流變特性時，確定混凝土觸變性參數至關重要。通過系列試驗得出混凝土靜態、動態屈服應力比和混凝土形態保持系數等參數［8-9］，對新拌混凝土觸變性進行評價。

3.1 新拌混凝土靜態、動態屈服應力比

新拌混凝土屈服應力是指新拌混凝土發生流動所需的最小應力［10］。新拌混凝土的屈服應力越大越不容易流動，屈服應力越小越容易流動［11］。新拌混凝土屈服應力分為動態、靜態兩種。在極緩慢剪切速率下新拌混凝土的剪切應力隨時間的增加逐漸增大，超過靜態屈服應力時，新拌混凝土才開始流動；新拌混凝土開始流動后，只需在較小的剪切應力下便可繼續維持流動，此時相比靜態屈服應力較小的剪切應力即為新拌混凝土的動態屈服應力。

新拌混凝土的靜態、動態屈服應力測試儀器為丹麥生產的ICAR RHM?3000流變儀，見圖5（a）。測試出來的轉矩隨時間變化曲線［圖5（b）］的最高值與穩定后的平均值分別對應新拌混凝土的靜態、動態屈服應力。兩者比值可用來表征新拌混凝土的觸變性。比值越大，表明新拌混凝土觸變性越好。

圖5 靜態、動態屈服應力測試

3.2 新拌混凝土形態保持系數

1）試驗裝置和試驗步驟

新拌混凝土形態保持系數試驗裝置見圖6（a）。模具長度為L，高度為H，L/H≥2，沿長度方向設置n個等分點作為測量點位，n≥10。模具可繞轉動軸轉動一定的角度θ，0≤θ≤90°。

試驗步驟：①通過轉動軸將模具底部設置一定的角度θ（角度不小于擬用工況下新拌混凝土成型面角度），將新拌混凝土澆注至模具中并振搗抹平（即抹坡），采用游標卡尺在設定的n個點位測量混凝土成型面至模具頂面的距離h1、h2、…、hn［圖6（b）］。②將模具繞轉動軸旋轉至水平后靜置（即θ=0），由于模具轉動帶來混凝土成型面角度的變化，新拌混凝土在重力作用下內部會產生剪切應力。該剪切應力超過新拌混凝土屈服應力時混凝土會產生流動，直到剪切應力和屈服應力重新達到平衡時新拌混凝土才停止流動。新拌混凝土的流動會導致混凝土表面形態發生變化。采用同樣的方法測量停止流動并初凝穩定后混凝土表面與模具頂面的距離h′1、h′2、…、h′n。

圖6 新拌混凝土形態保持系數試驗裝置及測量現場

2）計算和評價方法

采用上述測量數據，計算n個測量點位兩次測量距離差的絕對值之和的平均值，即Δh=（∣h′1-h1∣+∣h′2-h2∣+∣h′3-h3∣+…+∣h′n-hn∣）/n。采用L和Δh之比作為新拌混凝土形態保持系數η，即η=L/Δh。η越大，說明新拌混凝土成型面的形態保持能力越好，觸變性越好。

3）該測試和評價方法與傳統方法的對比

傳統方法測試新拌混凝土坍落度、擴展度等工作性能指標一般依據GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行。與其相比，采用本文方法測試新拌混凝土形態保持能力具有以下優點：

①該方法更具有針對性，可有效評價新拌混凝土的形態保持能力，以便優選出與實際工況相適宜的新拌混凝土配合比。

②該方法簡單實用，可快速評價新拌混凝土的形態保持能力，對配制成坡面坡度較大工況下使用的混凝土具有較好指導意義。

③該方法可分別得到新拌混凝土抹坡后與初凝后的形態變化情況，可定量評價混凝土的形態保持能力，試驗結果直觀可靠。

4 結論

通過試驗研究提出了從水泥凈漿、砂漿、混凝土三個層次遞進式評價水泥基材料觸變性的方法。得出結論如下：

1）對于新拌凈漿，采用觸變系數表征其觸變性。觸變系數越大新拌凈漿的觸變性越好；觸變系數越小新拌凈漿的觸變性越差。

2）對于新拌砂漿，采用砂漿形狀穩定系數表征其靜態觸變性。該系數越接近1新拌砂漿的靜態觸變性越好。采用跳桌振動后的最終擴展度與初始擴展度之差表征其動態觸變性。該差值越大新拌砂漿的動態觸變性越好。

3）對于新拌混凝土，采用靜態和動態屈服應力比、形態保持系數等指標表征其觸變性。靜態和動態屈服應力比和形態保持系數越大，新拌混凝土觸變性越好。