水泥—乳化沥青交互作用及其机理研究

发布时间：2020-07-23 00:51

【摘要】：作为高速铁路无砟轨道的关键工程材料,水泥-乳化沥青砂浆主要是灌注在无砟轨道的混凝土底座和轨道板之间的狭长结构内,起到减振的作用效果,从而保证了高速列车(时速大于250km)的安全平稳运行。作为一种灌注材料,水泥-乳化沥青砂浆的施工性能与其早期的流变性能有密切的关系。然而,在工程实践中经常发现:水泥-乳化沥青砂浆早期的流变损失较大,直接影响了施工过程。水泥-乳化沥青浆体是由水泥、乳化沥青、水和外加剂等组成的一种有机-无机复合材料,是水泥-乳化沥青砂浆的重要组成部分,对水泥-乳化沥青砂浆的流变性能有直接的影响。论文研究了水泥-乳化沥青浆体各组分的交互作用,探明了水泥-乳化沥青浆体早期流变损失的主要因素,建立了基于浆体微结构演变的流变模型,并提出了调控浆体流变行为的技术措施。论文的主要研究成果如下:1、乳化沥青延缓了水泥的水化过程在水泥-乳化沥青浆体中,阴离子乳化沥青影响水泥的水化过程。凝结时间、水化热、浆体电阻率、原位XRD、MIP、X-CT和SEM等研究结果表明:阴离子乳化沥青对水泥水化过程具有缓凝效应。揭示了阴离子乳化沥青对水泥水化的缓凝作用机理为:(1)阴离子乳化沥青通过表面的阴离子乳化剂而选择性地吸附到水泥颗粒表面,占据了水泥矿物表面的“活性位点”,影响了水泥颗粒的离子溶出,从而延缓了水泥的水化进程;(2)水泥水化产生的Ca~(2+)进入阴离子乳化沥青表面双电层而导致阴离子乳化沥青破乳团聚,形成沥青膜而覆盖在水泥颗粒表面,阻碍了水分向未水化水泥颗粒表面的迁移和离子的溶出;(3)阴离子乳化沥青周围的不同水分子之间形成更多的氢键,降低了水分子与水泥矿物之间的化学反应活性,从而延缓水泥的水化过程。2、水泥水化促进了阴离子乳化沥青的破乳在阴离子乳化沥青中加入模拟CaCl_2电解质溶液,结果表明:阴离子乳化沥青的平均粒径显著增大,光学显微镜观察到阴离子乳化沥青发生明显的破乳团聚现象;阴离子乳化沥青表面zeta电位下降,说明表面双电层被压缩。在水泥浆体滤液的作用下,阴离子乳化沥青的平均粒径随着时间的延长而逐渐增大,其变化趋势与阴离子乳化沥青在CaCl_2模拟溶液中的结果比较类似,说明水泥水化会导致阴离子乳化沥青破乳。水泥水化导致阴离子乳化沥青破乳的主要原因在于:(1)水泥水化产生的Ca~(2+)屏蔽了阴离子乳化沥青表面的部分负电荷,压缩了表面双电层,降低了阴离子乳化沥青颗粒之间的排斥力;(2)随着水化产物的生成和水分的逐渐消耗,吸附在水泥颗粒表面的阴离子乳化沥青颗粒相互聚集,并在水泥颗粒表面破乳而形成连续的沥青膜。3、阴离子乳化沥青和减水剂对水泥颗粒存在竞争吸附关系向水泥-乳化沥青浆体中掺入减水剂,随着减水剂向浆体内扩散,水泥颗粒表面吸附的阴离子乳化沥青含量逐渐减少,表明减水剂导致了已经吸附在水泥颗粒表面的阴离子乳化沥青逐渐发生脱附,上述结果证明了减水剂与阴离子乳化沥青对水泥颗粒表面的竞争吸附关系。减水剂和阴离子乳化沥青在水泥颗粒表面的竞争吸附机理为:(1)与阴离子乳化沥青相比,减水剂分子由于粒径较小而迁移速度更快,使得减水剂优先吸附到水泥颗粒表面;(2)减水剂分子的电荷密度高于阴离子乳化沥青的电荷密度,使得减水剂分子与水泥颗粒表面之间的静电吸附作用力更强。4、水泥-乳化沥青体系的早期流变损失原因、模型及调控措施阴离子乳化沥青延缓了水泥的水化,抑制了早期水化产物的形成,表明水泥水化并不是导致水泥-乳化沥青浆体早期流变损失的主要原因。阴离子乳化沥青中加入CaCl_2溶液,会直接导致阴离子乳化沥青的破乳团聚,并导致水泥-乳化沥青浆体的剪切应力和塑性粘度都显著增加,浆体的流动性下降;但在纯水泥浆体中加入CaCl_2溶液,水泥浆体的流变性能没有明显变化,证明水泥-乳化沥青浆体流变损失主要是由于乳化沥青的破乳而引起的。此外,阴离子乳化沥青引入的水中存在大量的氢键,粘度显著增加,这可能也是导致水泥-乳化沥青浆体流变损失的原因之一。建立了基于浆体微结构演变的水泥-乳化沥青浆体早期流变模型;加入减水剂可以对浆体的早期水化和流变行为进行调控。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ172.1
【图文】：

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1.1 我国中长期高速铁路网规划示意图（20planning diagram of the medium and long term Hnetwork in China (2030)北京南站至上海虹桥站，线路全长 1318km，是高速铁路，也是世界上一次建成线路里程最长国高速铁路建设的标志性工程[32]。整条线路除大桥采用有砟轨道外[33-34]，其余部分全部采用青砂浆（Cement-Asphalt Mortar, 简称 CA 砂外加剂作为原料，按照一定比例进行搅拌而制料[36]。随着高速铁路的大规模建设而得到了广轨道的关键土木工程材料和核心技术之一[37-39]用作高速铁路无碴轨道的填充材料，灌注在轨

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图 1.2 高速铁路无砟轨道板式结构示意图Fig.1.2 The schematic illustration of the ballastless track plate structure inhigh-speed railwayCA 砂浆的流变性不仅影响早期的施工性能，而且对 CA 砂浆浆体微结构的形成和发展有直接的影响[43-47]。图 1.3（a）和（b）分别为早期流变性能较好的CA 砂浆和流变性较差的 CA 砂浆硬化后浆体断面结构的照片，从断面照片可以看出：对于早期流变性能较好的 CA 砂浆，其优异的流变性能不仅有利于 CA 砂浆均匀填充在轨道板与混凝土底座之间的狭长、扁平结构内，而且有利于减少硬化 CA 砂浆浆体内部孔隙等微结构缺陷的出现，图 1.3（a）硬化后的断面照片也表明其结构比较密实，有利于其充分发挥在无碴轨道填充层的调平、承载应力和减振的作用效果，从而对高速铁路运行的平稳性、乘坐的舒适性、轨道结构的耐久性和降低运营维护成本起到积极的促进作用；反之，如果 CA 砂浆的流变性能

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素聚醚羧酸盐类阴离子型乳化sic chemical structure of the aniolignin polyether carbo青乳液）是一种热力学不稳定的的高温下进行热熔得到沥青液行机械分散和化学作用制备而。图 2.3 为制备的乳化沥青的粒

【参考文献】