CN105092409A - 一种测试水泥与乳化沥青吸附率的测试装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测试水泥与乳化沥青吸附率的测试装置及检测方法，本发明所述测试水泥与乳化沥青吸附率的测试装置，由下述装置组成：1套双头单控恒温水浴磁力搅拌器、1个反应瓶、1个修正瓶、1套取样装置。本发明所述检测方法是利用乳化沥青被水泥吸附后随水泥一起沉淀，造成混合物中乳化沥青固含量下降的原理，通过测量混合物中乳化沥青固含量的下降量来表征水泥-乳化沥青的吸附量。本发明能够克服现有检测技术存在的不足，在恒定的温度条件下，连续测量水泥与乳化沥青吸附率。

Description

一种测试水泥与乳化沥青吸附率的测试装置及检测方法

技术领域

本发明属于建筑材料和油田钻采材料检测技术领域，具体涉及一种可连续测试水泥与乳化沥青吸附率的测试装置及检测方法。

背景技术

随着我国社会与经济的快速发展，地区间客、货往来日益频繁，人们对铁路运输的需求在急剧增长，原有的铁路系统因速度慢、舒适度差等因素在社会经济大发展的环境中日渐显得力不从心。高速化是铁路发展的目标。铁路高速化要求轨道结构具备稳定性、平顺性、轨道弹性适宜、轨道部件可靠及养护维修便利等条件。高速铁路采用的轨道结构形式分为有砟轨道和无砟轨道两类。其中，无砟轨道主要由扣件系统或弹性垫层代替原来的散粒道砟作为减振结构。当前应用较普遍的无砟轨道结构有轨枕支承式、轨枕嵌入式、轨枕埋入式、无轨枕现浇道床板式、无轨枕预制道床板式(板式无砟轨道)几种。其中，所谓的“板式无砟轨道”是将预制好的轨道板直接“放置”在混凝土底座上，通过向轨道板与底座间充填水泥沥青砂浆(CermentAsphaltMortar，简称CA砂浆)材料调整轨道板，以确保铺设精度。

在油田钻采领域，固井是钻完井作业过程中不可缺少的一个重要环节，它包括下套管和注水泥。固井的主要目的是保护和支撑油气井内的套管，封隔油、气和水等地层。固井所注的油井水泥浆固化后形成的水泥环具有很大的脆性，在后期射孔时易产生龟裂纹。为了减小水泥环的脆性，提高韧性，目前一般在油井水泥浆中添加大量的胶乳，但胶乳价格昂贵，因此油田钻采行业提出了采用乳化沥青替代胶乳的技术构想，即乳化沥青水泥砂浆(CA砂浆)作为固井材料。

CA砂浆是一种由水泥、乳化沥青、细骨料(砂)、混合料、水、铝粉、及功能外加剂(减水剂、消泡剂等)等多种原材料组成，经水泥水化硬化与沥青破乳胶结共同作用而形成的一种新型有机无机复合材料，其以原料组成复杂、性能指标要求高、制备技术难度大等特点而成为无砟轨道及油井固井现场施工的关键技术。

按照我国标准，板式无砟轨道可分为CRTSI型和CRTSII型等，分别采用了阳离子水泥沥青砂浆和阴离子水泥沥青砂浆作为充填层材料。CA砂浆作为一种大水灰比、高流态灌注砂浆，其工作性(流动度和扩展度)是衡量其质量的重要标准。此外，原材料中包含的沥青乳化剂、减水剂和消泡剂等均为表面活性剂，而表面活性剂具有一个重要特性，即对温度敏感。其因此，CA砂浆拌合物是也一种对温度十分敏感的材料。

从新拌CA砂浆的浆体微结构角度出发，浆体中各种粒子的相互作用是影响浆体工作性能的根本原因。浆体中的粒子有水泥颗粒，乳化沥青颗粒，减水剂分子等。水泥颗粒的主要成分有C3S，C2S，C3A，C4AF等矿物相，其中C3S和C2S与水接触后Zeta电位为负值，即带负电荷，而C3A和C4AF与水接触后Zeta电位为正值，即带正电。因此水泥颗粒间会因为电荷作用发生絮凝，进而影响CA砂率的工作性；乳化沥青熔融沥青在沥青乳化剂和胶体磨作用下具有一定稳定性的分散在水中的是带电荷的沥青小颗粒(阴离子乳化沥青表面带负电，阳离子乳化沥青表面带正电)。因此乳化沥青颗粒会与水泥颗粒发生静电吸附，吸附后浆体内微粒平均粒径变大，浆体层流作用变得生涩，表现为浆体整体工作性的下降。减水剂分子同样会因电荷作用与水泥颗粒发生吸附，打破絮凝组织，提高浆体的流动性，此外，减水剂分子与乳化沥青颗粒同水泥颗粒间可能发生竞争吸附的情况，这对CA砂浆工作性的影响更加复杂。因此研究水泥与乳化沥青颗粒吸附作用是研究CA砂浆的重要内容。

专利201410573060.2公开了利用水泥吸附乳化沥青后颗粒体积增大无法通过吸附筛的原理，测量吸附前后样品质量的变化来计算吸附率的方法，该法每测一次即需更换一次样品仓和补偿仓的吸附筛，操作过程繁琐，无法连续测量，耗材消耗大，且测试精度不高。本发明旨在针对水泥-乳化沥青颗粒吸附的特点及现有手段存在的缺点提出科学合理的检测和评估手段，此举将有助于推动乳化沥青水泥砂浆的研究工作和应用。

发明内容

本发明针对现有水泥乳化沥青吸附测试方法存在的操作繁琐，测量精度低，无法连续测量等一系列问题，提供一种测试水泥与乳化沥青吸附率的测试装置及检测方法，它能够克服现有检测技术存在的不足，在恒定的温度条件下，连续测得水泥与乳化沥青吸附率。

本发明所述一种测试水泥与乳化沥青吸附率的测试装置，由下述装置组成：1套双头单控恒温水浴磁力搅拌器、1个反应瓶、1个修正瓶、1套取样装置；

所述双头单控恒温水浴磁力搅拌器为具有两组磁极的恒温水浴磁力搅拌装置，可对两个样品同时以相同转速搅拌，水浴温度可调节；其组成包括温度传感器、加热线圈、磁力搅拌子、磁铁、马达；

所述反应瓶和修正瓶皆为锥形瓶；其中反应瓶内装水泥与乳化沥青混合物样品，修正瓶内装与反应瓶混合物样品相同水灰比的水泥浆；

所述取样装置由数字流量型蠕动泵，双折玻璃管，短玻璃管，软管，橡胶塞组成；

所述数字流量型蠕动泵通过对泵的弹性输送软管交替进行挤压和释放来泵送流体或空气；可根据需要实现正向转动和反向转动，以向反应瓶/修正瓶内吹入或抽走空气来控制样品从双折玻璃管流出和回流，主要用于控制取样；

所述的双折玻璃管由普通玻璃管经两次弯折制成，两次弯折形成的三段分别命名为进样段，中间段和出样段，进料段与出料段相平行，进料段与中间段的夹角为钝角，出料段与中间段的夹角为锐角，以此保证管内液体能自行回流到锥形瓶；

所述取样装置的橡胶塞塞入反应瓶和修正瓶的瓶口，并连同反应瓶与修正瓶置于双头单控恒温水浴磁力搅拌器内；每个橡胶塞中分别插入一根双折玻璃管与短玻璃管，两个短玻璃管的外端以软管连接至数字流量型蠕动泵的同一个端口，数字流量型蠕动泵的另一个端口直接与大气联通。

本发明所述一种测试水泥与乳化沥青吸附率的检测方法是利用乳化沥青被水泥吸附后随水泥一起沉淀，造成混合物中乳化沥青固含量下降的原理，测量混合物中乳化沥青固含量的下降量来表征水泥-乳化沥青的吸附量来计算吸附率。

本发明所述一种测试水泥与乳化沥青吸附率的检测方法具体包括下述步骤：

(1)乳化沥青初始固含量C₀及沥青的烧失率L_A的测定：

①称取一定量的乳化沥青样品m₁，置于105℃恒温烘箱内烘至恒重m₂，测定沥青的初始固含量 $C_0=\frac{m_2}{m_1};$

②将上述烘至恒重的沥青样品置于600℃的高温炉内，10min后取出称重m₃，测定沥青的烧失率 $L_A=\frac{m_2-m_3}{m_2};$

(2)任意时间T时乳化沥青固含量C_T的测定与修正：

①分别称取乳化沥青样品和水，质量均为m_A，乳化沥青装入反应瓶，水装入修正瓶，反应瓶与修正瓶置于双头单控恒温水浴磁力搅拌器内，启动搅拌开关并设置水浴温度，使乳化沥青样品及修正瓶内的水的温度与设定温度相符；

②称取水泥样品两份，其质量均为m_C，同时将水泥样品分别倒入反应瓶和修正瓶内，安装好取样装置，倒入的时间点记为试验的起始点；

③时间T-5分钟时关闭搅拌开关使混合液静置，至T分钟时，启动数字流量型蠕动泵使之正向运转，分别从反应瓶和修正瓶的两个双折玻璃管的出料口取样，质量分别为m_AT1和m_CT1。取样结束后使数字流量型蠕动泵反向运转，使滞留于双折玻璃管内的残液回流。取出的样品置于105℃恒温烘箱内烘至恒重，重量分别为m_AT2和m_CT2，测定T分钟时乳化沥青水泥混合物的固含量C_T-Mix，

④步骤③所述的烘干物置于600℃的高温炉内，10min后取出称重，质量分别为m_AT3和m_CT3，测定乳化沥青水泥混合物的烧失量L，L＝m_AT2-m_AT3；测定水泥液烘干物的烧失率L_C， $L_C=\frac{m_{CT2}-m_{CT3}}{m_{CT2}};$

⑤计算T时的乳化沥青即时固含量修正系数c，

⑥计算T时乳化沥青即时固含量C_T，C_T＝C_T-Mix-c；

(3)T分钟时水泥对乳化沥青的吸附率Q_T的计算：

则该水泥在设定温度下T分钟时对乳化沥青的吸附率可用下式求得，

$Q_T=\frac{m_A\·(C_0-C_T)}{m_C};$

(4)连续测量

连续测量水泥对乳化沥青吸附率的经时变化时，无需再次配样，仅需等到下一个时间点，然后重复步骤(2)的第③至⑥，最后用步骤(3)中的公式计算该时间点的吸附率。

本发明所述测试水泥与乳化沥青吸附率的测试装置结构简单，且所述检测方法操作简单，精度高，试验成本低；同时该法并不局限于水泥与乳化沥青吸附率的测定，其他乳液与水泥的吸附率也可参照该法测定。

附图说明

图1为可连续测试水泥与乳化沥青吸附率的测试装置示意图。

图2为双头单控恒温水浴磁力搅拌器示意图。

图3为取样装置示意图。

图1～3中的具体标注为：1双头单控恒温水浴磁力搅拌器、2反应瓶、3修正瓶、4取样装置、5温度传感器、6加热线圈、7磁力搅拌子、8磁铁、9马达、10数字流量型蠕动泵、11软管、12橡胶塞、13短玻璃管、14双折玻璃管。

图4为实施例1中数据所得水泥与CM型阴离子乳化沥青在20℃条件下吸附经时规律。

图5为实施例2中数据所得水泥与CM型阴离子乳化沥青在30℃条件下吸附经时规律。

图6为实施例3中数据所得P·II52.5水泥与CM型阴离子乳化沥青在20℃条件下的吸附率的经时变化规律。

图7为实施例4中数据所得水泥与EA-503型阳离子乳化沥青在20℃条件下的吸附率的经时变化规律。

图8为实施例5中数据所得对比水泥与阴离子乳化沥青在20℃条件下掺加减水剂后的吸附率的经时变化规律。

具体实施方式

本发明所述实施例1至实施例5皆按照以下试验步骤进行测试：

(1)称取一定量的乳化沥青样品，置于105℃恒温烘箱内烘至恒重，测定沥青的初始固含量；将上述烘至恒重的沥青样品置于600℃的高温炉内，10min后取出称重，测定沥青的烧失率；(2)分别称取等质量的乳化沥青样品和水，乳化沥青装入反应瓶2，水装入修正瓶3，反应瓶与修正瓶置于双头单控恒温水浴磁力搅拌器1内，启动搅拌开关并设置水浴温度，使乳化沥青样品及修正瓶3内的水的温度与设定温度相符；称取等质量的水泥样品两份，同时将水泥样品分别倒入反应瓶2和修正瓶3内，安装好取样装置4，倒入的时间点记为试验的起始点；取样测试前5分钟关闭搅拌开关使混合液静置，静置5分钟后启动数字流量型蠕动泵10使之正向运转，分别从反应瓶2和修正瓶3的两个双折玻璃管的出料口取样，分别称取样品质量；取样结束后使数字流量型蠕动泵10反向运转，使滞留于双折玻璃管14内的残液回流；取出的样品置于105℃恒温烘箱内烘至恒重，称重后测定乳化沥青水泥混合物的固含量；将上述烘干物置于600℃的高温炉内，10min后取出称重，分别计算乳化沥青水泥混合物的烧失量和水泥液烘干物的烧失率；(3)按照上述结果分别计算乳化沥青即时固含量修正系数及乳化沥青即时固含量，最终计算水泥对乳化沥青的吸附率；(4)在下个测试点时重复上述步骤，对水泥乳化沥青吸附率进行连续测量。

实施例1：

测定水泥与阴离子乳化沥青在20℃条件下的吸附率的经时变化规律。

水泥为基准水泥，乳化沥青为美德维实伟克CM型阴离子乳化沥青，水泥质量10g，乳化沥青样品300g，水浴温度为20℃，其12小时内水泥-乳化沥青吸附率结果见表1和图4。

以第5分钟的吸附率为例，各参数的取值如下：沥青初始固含量C₀为2.8948％，烧失率LA为96.98％，乳化沥青样品质量m_A为285.1987g，水泥质量m_C为9.5053g，第5分钟时，乳化沥青水泥混合物固含量C_T-Mix为3.6045％，乳化沥青水泥混合物烧失量L为0.0701g，水泥液烘干物的烧失率L_C为0.1522％，5分钟时的固含量修正系数c为0.8981％，5分钟时乳化沥青的及时固含量C_T为2.7064％，则5分钟时的吸附量计算为56.54mg/g。

表1

时间/min	5	11	17	23	29	35	41	47	53	59
											吸附率/mg/g	56.5	64.0	65.1	68.5	74.7	72.2	66.1	63.9	59.0	55.9
时间/min	90	120	150	180	240	300	360	420	600	720
											吸附率/mg/g	63.5	72.2	87.5	98.4	118.7	146.0	193.5	206.2	203.8	194.8

实施例2：

测定水泥与阴离子乳化沥青在30℃条件下的吸附率的经时变化规律。

水泥为基准水泥，乳化沥青为美德维实伟克CM型阴离子乳化沥青，水泥质量10g，乳化沥青样品300g，水浴温度为30℃，其12小时内水泥-乳化沥青吸附率结果见表2和图5。

以第5分钟的吸附率为例，各参数的取值如下：沥青初始固含量C₀为2.8774％，烧失率LA为99.13％，乳化沥青样品质量m_A为306.6143g，水泥质量m_C为10.2253g，第5分钟时，乳化沥青水泥混合物固含量C_T-Mix为3.2512％，乳化沥青水泥混合物烧失量L为0.0677g，水泥液烘干物的烧失率L_C为0.1996％，5分钟时的固含量修正系数c为0.5471％，5分钟时乳化沥青的及时固含量C_T为2.7041％，则5分钟时的吸附量计算为51.98mg/g。

表2

时间/min	5	11	17	23	29	35	41	47	53	59
											吸附率/mg/g	52.0	64.8	69.7	83.0	91.3	95.6	87.6	89.1	89.3	90.9
时间/min	90	120	150	180	240	300	360	420	600	720
											吸附率/mg/g	111.9	123	141.7	159.7	283.9	401.5	533.6	600.9	676.1	700.2

实施例3：

测定P·II52.5水泥与阴离子乳化沥青在20℃条件下的吸附率的经时变化规律。

水泥为P·II52.5水泥，乳化沥青为美德维实伟克CM型阴离子乳化沥青，水泥质量10g，乳化沥青样品300g，水浴温度为20℃，其12小时内水泥-乳化沥青吸附率结果见表3和图6。

以第5分钟的吸附率为例，各参数的取值如下：沥青初始固含量C₀为2.8743％，烧失率LA为99.29％，乳化沥青样品质量m_A为306.2657g，水泥质量m_C为10.2091g，第5分钟时，乳化沥青水泥混合物固含量C_T-Mix为3.2698％，乳化沥青水泥混合物烧失量L为0.0607g，水泥液烘干物的烧失率L_C为0.1398％，5分钟时的固含量修正系数c为0.5698％，5分钟时乳化沥青的及时固含量C_T为2.7000％，则5分钟时的吸附量计算为52.30mg/g。

表3

时间/min	5	11	17	23	29	35	41	47	53	59
											吸附率/mg/g	52.3	66.4	71.9	74.0	72.3	73.5	73.5	72.1	75.5	74.5
时间/min	90	120	150	180	240	300	360	420	600	720
											吸附率/mg/g	78.1	85.1	111.5	127.9	224.2	276.3	290.0	331.3	245.9	207.2

实施例4：

测定水泥与阳离子乳化沥青在20℃条件下的吸附率的经时变化规律。

水泥为基准水泥，乳化沥青为江苏苏博特新材料股份有限公司的EA-503型阳离子乳化沥青，水泥质量10g，乳化沥青样品300g，水浴温度为20℃，其12小时内水泥-乳化沥青吸附率结果见表4和图7。

以第5分钟的吸附率为例，各参数的取值如下：沥青初始固含量C₀为2.8593％，烧失率LA为99.55％，乳化沥青样品质量m_A为310.1546g，水泥质量m_C为10.3363g，第5分钟时，乳化沥青水泥混合物固含量C_T-Mix为0.4693％，乳化沥青水泥混合物烧失量L为0.0064g，水泥液烘干物的烧失率L_C为0.1006％，5分钟时的固含量修正系数c为0.2376％，5分钟时乳化沥青的及时固含量C_T为0.2317％，则5分钟时的吸附量计算为788.47mg/g。

表4

时间/min	5	11	17	23	29	35	41	47	53	59
											吸附率/mg/g	788.5	136.6	127.4	113.4	106.4	93.1	91.7	86.6	79.9	74.6
时间/min	90	120	150	180	240	300	360	420	600	720
											吸附率/mg/g	79.5	91.7	127.4	187	231.0	197.1	167.8	156.2	101.0	73.1

实施例5：

对比水泥与阴离子乳化沥青在20℃条件下掺加减水剂后的吸附率的经时变化规律的区别。

水泥为基准水泥，乳化沥青为美德维实伟克CM型阴离子乳化沥青，水泥质量10g，乳化沥青样品300g，减水剂为江苏苏博特新材料股份有限公司的PCA-I型聚羧酸减水剂，水浴温度为20℃，其12小时内水泥-乳化沥青吸附率结果见表1，表5和图8。

以第5分钟的吸附率为例，各参数的取值如下：沥青初始固含量C₀为2.8909％，烧失率LA为98.97％，乳化沥青样品质量m_A为325.4832g，水泥质量m_C为12.3490g，第5分钟时，乳化沥青水泥混合物固含量C_T-Mix为3.7231％，乳化沥青水泥混合物烧失量L为0.0656g，水泥液烘干物的烧失率L_C为0.1306％，5分钟时的固含量修正系数c为1.0584％，5分钟时乳化沥青的及时固含量C_T为2.6648％，则5分钟时的吸附量计算为59.84mg/g。

表5

时间/min	5	11	17	23	29	35	41	47	53	59
											吸附率/mg/g	59.8	69.3	68.9	67.8	62.2	60.8	56.2	54.4	51.0	51.4
时间/min	90	120	150	180	240	300	360	420	600	720

吸附率/mg/g

55.7

56.3

58.0

62.3

61.3

68.7

94.8

233.4

404.9

317.9

Claims (3)

1.一种测试水泥与乳化沥青吸附率的测试装置，其特征在于：由下述装置组成：1套双头单控恒温水浴磁力搅拌器(1)、1个反应瓶(2)、1个修正瓶(3)、1套取样装置(4)；

所述双头单控恒温水浴磁力搅拌器(1)为具有两组磁极的恒温水浴磁力搅拌装置，其组成包括温度传感器(5)、加热线圈(6)、磁力搅拌子(7)、磁铁(8)、马达(9)；

所述反应瓶(2)和修正瓶(3)皆为锥形瓶；

所述取样装置(4)由数字流量型蠕动泵(10)、双折玻璃管(14)、短玻璃管(13)、软管(11)、橡胶塞(12)组成；

所述数字流量型蠕动泵(10)通过对泵的弹性输送软管交替进行挤压和释放来泵送流体或空气；所述的双折玻璃管(14)由普通玻璃管经两次弯折制成，两次弯折形成的三段分别命名为进样段，中间段和出样段，进料段与出料段相平行，进料段与中间段的夹角为钝角，出料段与中间段的夹角为锐角；

所述取样装置(4)的橡胶塞(12)塞入反应瓶(2)和修正瓶(3)的瓶口，并连同反应瓶(2)与修正瓶(3)置于双头单控恒温水浴磁力搅拌器(1)内；每个橡胶塞(12)中分别插入一根双折玻璃管(14)与短玻璃管(13)，两个短玻璃管(13)的外端以软管(11)连接至数字流量型蠕动泵(10)的同一个端口，数字流量型蠕动泵(10)的另一个端口直接与大气联通。

2.权利要求1所述装置的检测方法，其特征在于：所述检测方法是利用乳化沥青被水泥吸附后随水泥一起沉淀，造成混合物中乳化沥青固含量下降的原理，测量混合物中乳化沥青固含量的下降量来表征水泥-乳化沥青的吸附量来计算吸附率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，具体包括下述步骤：

(1)乳化沥青初始固含量C₀及沥青的烧失率L_A的测定：

①称取一定量的乳化沥青样品m₁，置于105℃恒温烘箱内烘至恒重m₂，测定沥青的初始固含量 $C_0=\frac{m_2}{m_1};$

②将上述烘至恒重的沥青样品置于600℃的高温炉内，10min后取出称重m₃，测定沥青的烧失率 $L_A=\frac{m_2-m_3}{m_2};$

(2)任意时间T时乳化沥青固含量C_T的测定与修正：

①分别称取乳化沥青样品和水，质量均为m_A，乳化沥青装入反应瓶(2)，水装入修正瓶(3)，反应瓶(2)与修正瓶(3)置于双头单控恒温水浴磁力搅拌器(1)内，启动搅拌开关并设置水浴温度，使乳化沥青样品及修正瓶(3)内的水的温度与设定温度相符；

②称取水泥样品两份，其质量均为m_C；同时将水泥样品分别倒入反应瓶(2)和修正瓶(3)内，安装好取样装置(4)，倒入的时间点记为试验的起始点；

③时间T-5分钟时关闭搅拌开关使混合液静置，至T分钟时，启动数字流量型蠕动泵()使之正向运转，分别从反应瓶(2)和修正瓶(3)的两个双折玻璃管(14)的出料口取样，质量分别为m_AT1和m_CT1；取样结束后使数字流量型蠕动泵(10)反向运转，使滞留于双折玻璃管(14)内的残液回流；取出的样品置于105℃恒温烘箱内烘至恒重，重量分别为m_AT2和m_CT2，测定T分钟时乳化沥青水泥混合物的固含量C_T-Mix，

④步骤③所述的烘干物置于600℃的高温炉内，10min后取出称重，质量分别为m_AT3和m_CT3，测定乳化沥青水泥混合物的烧失量L，L＝m_AT2-m_AT3；测定水泥液烘干物的烧失率L_C， $L_C=\frac{m_{CT2}-m_{CT3}}{m_{CT2}};$

⑤计算T时的乳化沥青即时固含量修正系数c，

⑥计算计算T时乳化沥青即时固含量C_T，C_T＝C_T-Mix-c；

(3)T分钟时水泥对乳化沥青的吸附率Q_T的计算：

则该水泥在设定温度下T分钟时对乳化沥青的吸附率可用下式求得，

$Q_T=\frac{m_A\·(C_0-C_T)}{m_C};$

(4)连续测量

连续测量水泥对乳化沥青吸附率的经时变化时，无需再次配样，仅需等到下一个时间点，然后重复步骤(2)的第③至⑥，最后用步骤(3)中的公式计算该时间点的吸附率。