新拌水泥基材料触变性测试与评价方法研究

刘竞 李广辉 李铁军 赵彦旭 郑新国 李颖 沈伟 朱旭波

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081；2.中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司，乌鲁木齐830011；3.中国铁路兰州局集团有限公司，兰州730000；4.中铁二十一局集团有限公司，兰州730070

水泥净浆、砂浆、混凝土等均为初凝前具有触变性的新拌水泥基材料。该类材料受到剪切时稠度变小，停止剪切时稠度又增加，即出现剪切稀化现象［1-2］。为了施工时具有与工况、结构相适宜的形态并保持稳定性，须水泥基材料具有适宜的触变性。为了改善水泥基材料的触变性，经常采取的措施是加入触变剂。触变剂的类型主要有聚丙烯酰胺类、螯合物、水溶性纤维素衍生物体系、混合金属层状氢氧化物、改性纤维素体系、纳米矿物掺和料等，不同类型触变剂的改善功效不同［3-5］。

本文通过系统试验提出从水泥净浆、砂浆、混凝土三个层次递进式评价新拌水泥基材料触变性的方法，为特殊工况测试与评价其触变性提供参考。

1 新拌净浆触变性测试及评价方法

测试步骤：①采用惰性材料作为基材，然后加入不同种类的触变剂进行比对试验。采用净浆搅拌机搅拌，出机后测试净浆扩展度（掺入不同种类触变剂的净浆出机扩展度应保持一致），出机静止2 min后采用旋转黏度仪（图1）测试净浆的旋转黏度。②选择合适的转子系统，使转速为6、60 r/min时其读数均在满刻度表盘的20%～80%量程内，并测试两不同转速下的旋转黏度。

图1 旋转黏度仪

采用触变系数（6 r/min与60 r/min对应的旋转黏度之比η6/η60）来表征新拌净浆的触变性。触变系数越大新拌净浆的触变性越好；触变系数越小新拌净浆的触变性越差。

2 新拌砂浆触变性测试及评价方法

测试步骤：①按混凝土配合比取相同用量和比例的胶凝材料、细骨料及水制备砂浆，掺入经净浆触变性测试优选出的触变剂。②采用水泥胶砂搅拌机（图2）搅拌砂浆。③采用胶砂流动度测试仪（图3）测试砂浆扩展度。具体操作方法为用湿布擦拭跳桌台面、试模内壁、振捣棒等，将搅拌好的砂浆分2次倒入试模。第1次高度为2/3，用小刀在两个方向各划5次，用振捣棒均匀捣压15次；第2次高度为1/3，用小刀划10次，用振捣棒均匀捣压10次，刮平试模将其垂直轻轻提起；静止5 min后，用游标卡尺测量新拌砂浆底部直径D、顶部直径d及砂浆垂直高度h（图4）。采用公式Kp=11/（D＋d－h）计算新拌砂浆形状稳定系数Kp。Kp越接近1新拌砂浆的静态触变性越好。⑤新拌砂浆的静态触变性测试完毕后，开动跳桌，跳动18次后停止，测量新拌砂浆最终扩展度。用最终扩展度与初始扩展度之差（ΔD）表示新拌砂浆的动态触变性。ΔD越大新拌砂浆的动态触变性越好。

图2 水泥胶砂搅拌机

图3 砂浆流动度测试仪

图4 砂浆流动度测试

3 新拌混凝土触变性测试及评价方法

新拌混凝土在运输过程中不能出现离析现象，在浇筑过程中须保证顺利流动且不产生离析。新拌混凝土的触变性会影响其运输、浇筑过程［6-7］，因此分析新拌混凝土流变特性时，确定混凝土触变性参数至关重要。通过系列试验得出混凝土静态、动态屈服应力比和混凝土形态保持系数等参数［8-9］，对新拌混凝土触变性进行评价。

3.1 新拌混凝土静态、动态屈服应力比

新拌混凝土屈服应力是指新拌混凝土发生流动所需的最小应力［10］。新拌混凝土的屈服应力越大越不容易流动，屈服应力越小越容易流动［11］。新拌混凝土屈服应力分为动态、静态两种。在极缓慢剪切速率下新拌混凝土的剪切应力随时间的增加逐渐增大，超过静态屈服应力时，新拌混凝土才开始流动；新拌混凝土开始流动后，只需在较小的剪切应力下便可继续维持流动，此时相比静态屈服应力较小的剪切应力即为新拌混凝土的动态屈服应力。

新拌混凝土的静态、动态屈服应力测试仪器为丹麦生产的ICAR RHM⁃3000流变仪，见图5（a）。测试出来的转矩随时间变化曲线［图5（b）］的最高值与稳定后的平均值分别对应新拌混凝土的静态、动态屈服应力。两者比值可用来表征新拌混凝土的触变性。比值越大，表明新拌混凝土触变性越好。

图5 静态、动态屈服应力测试

3.2 新拌混凝土形态保持系数

1）试验装置和试验步骤

新拌混凝土形态保持系数试验装置见图6（a）。模具长度为L，高度为H，L/H≥2，沿长度方向设置n个等分点作为测量点位，n≥10。模具可绕转动轴转动一定的角度θ，0≤θ≤90°。

试验步骤：①通过转动轴将模具底部设置一定的角度θ（角度不小于拟用工况下新拌混凝土成型面角度），将新拌混凝土浇注至模具中并振捣抹平（即抹坡），采用游标卡尺在设定的n个点位测量混凝土成型面至模具顶面的距离h1、h2、…、hn［图6（b）］。②将模具绕转动轴旋转至水平后静置（即θ=0），由于模具转动带来混凝土成型面角度的变化，新拌混凝土在重力作用下内部会产生剪切应力。该剪切应力超过新拌混凝土屈服应力时混凝土会产生流动，直到剪切应力和屈服应力重新达到平衡时新拌混凝土才停止流动。新拌混凝土的流动会导致混凝土表面形态发生变化。采用同样的方法测量停止流动并初凝稳定后混凝土表面与模具顶面的距离h′1、h′2、…、h′n。

图6 新拌混凝土形态保持系数试验装置及测量现场

2）计算和评价方法

采用上述测量数据，计算n个测量点位两次测量距离差的绝对值之和的平均值，即Δh=（∣h′1-h1∣+∣h′2-h2∣+∣h′3-h3∣+…+∣h′n-hn∣）/n。采用L和Δh之比作为新拌混凝土形态保持系数η，即η=L/Δh。η越大，说明新拌混凝土成型面的形态保持能力越好，触变性越好。

3）该测试和评价方法与传统方法的对比

传统方法测试新拌混凝土坍落度、扩展度等工作性能指标一般依据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。与其相比，采用本文方法测试新拌混凝土形态保持能力具有以下优点：

①该方法更具有针对性，可有效评价新拌混凝土的形态保持能力，以便优选出与实际工况相适宜的新拌混凝土配合比。

②该方法简单实用，可快速评价新拌混凝土的形态保持能力，对配制成坡面坡度较大工况下使用的混凝土具有较好指导意义。

③该方法可分别得到新拌混凝土抹坡后与初凝后的形态变化情况，可定量评价混凝土的形态保持能力，试验结果直观可靠。

4 结论

通过试验研究提出了从水泥净浆、砂浆、混凝土三个层次递进式评价水泥基材料触变性的方法。得出结论如下：

1）对于新拌净浆，采用触变系数表征其触变性。触变系数越大新拌净浆的触变性越好；触变系数越小新拌净浆的触变性越差。

2）对于新拌砂浆，采用砂浆形状稳定系数表征其静态触变性。该系数越接近1新拌砂浆的静态触变性越好。采用跳桌振动后的最终扩展度与初始扩展度之差表征其动态触变性。该差值越大新拌砂浆的动态触变性越好。

3）对于新拌混凝土，采用静态和动态屈服应力比、形态保持系数等指标表征其触变性。静态和动态屈服应力比和形态保持系数越大，新拌混凝土触变性越好。