摻加高吸水樹脂滑模混凝土流變特性研究

李傳平,陳新軒(長安大學工程機械學院,陜西西安　710064)

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李傳平,陳新軒
(長安大學工程機械學院,陜西西安710064)

摘要:基于流變學原理,測量一系列不同高吸水樹脂摻量下的滑模施工混凝土在攪拌過程中的轉速和扭矩,得出相對應的相對屈服應力和相對塑性粘度,再測量混凝土在振搗拆模后的塌邊高度,從而得出高吸水樹脂摻量對混凝土施工阻力和立模特性的影響。結果表明:摻加適量的高吸水樹脂后,混凝土的屈服應力增加,塑性粘度有所降低,能同時改善混凝土的施工阻力和立模特性;最合理的摻量為占水泥質量的0.3%。

關鍵詞:高吸水樹脂;滑?；炷?施工阻力;立模特性;屈服應力;塑性粘度

良好的流變性是滑模鋪筑高質量水泥混凝土路面的基礎,要求混凝土同時具有相對較低的施工阻力和良好的立模特性這兩個相對矛盾的工作特性［1－2]。傳統的以單一的靜態(tài)屈服應力為指標的坍落度檢測方法難以反映這兩種特性［3－5]。利用水泥混凝土雙臥軸流變儀在線檢測輸出扭矩和功率能夠實現混凝土的動態(tài)流變性的實時觀測［6－7]。SAP通常作為一種內養(yǎng)護劑被添加到混凝土中,前期吸水保水,后期釋放出水分,為混凝土后期水化提供水分,能有效降低自收縮率,減少干縮裂紋的產生［8]。但是,關于SAP對路面滑模施工混凝土流變性能影響的研究還不多見。本文通過不同SAP摻量(指SAP與水泥的質量比)下的混凝土的流變性試驗、立模試驗研究滑模施工中高吸水樹脂對施工阻力及立模特性的影響,并得到最佳的SAP的摻量。

1　試驗材料、設備及原理

1.1試驗材料

1)水泥。選用內蒙古翼東普通硅酸鹽水泥,P.O42.5級; 2)砂。內蒙古太平村砂場生產的河砂,細度模數2.98,表觀密度2.66 g/cm3,泥的質量分數為0.8%; 3)粗集料為小、中、大三擋石灰?guī)r碎石,級配合格,粗集料的壓碎值是12.7%,泥的質量分數是0.44%; 4)試驗用水為普通自來水; 5)減水劑為聚羧酸類液體減水劑,實測固體的質量分數為19.9%; 6)SAP為聚乙烯醇系樹脂,實測吸水倍率為140。

1.2試驗設備

1)水泥混凝土雙臥軸流變儀。攪拌集料最大粒徑為50 mm,轉速范圍為0～100 r/min,扭矩測量范圍為0.1～300 N·m,采樣頻率為1 Hz。2)立模試驗槽。為方形鋼槽,兩側板可以橫向抽出,模擬滑模攤鋪機的兩側滑模板。長、寬、高分別為80、25、25 cm。

1.3試驗原理

20世紀70年代,英國的Tattersall G H通過研究指出新拌混凝土可以看作賓漢姆體［9－13],其流變方程為:

式中:τ為剪切應力,Pa;τ0為屈服應力,Pa;η為塑性粘度,Pa·s; dγ/dt為剪應變速率,s－1。

由式(1)可以看出混凝土的流變性可以解釋為以屈服應力和塑性粘度為指標的剪應變速率與剪切應力之間的一次線性關系。

扭矩T與τ之間有

式中: K為設備系數; N為攪拌葉片個數; a為攪拌葉片的寬度，m; ra、rb分別為葉片兩端到攪拌軸中心的距離，統稱為攪拌半徑，m。

又有

式中: v為葉片轉速; w為角速度。

式(2)兩邊分別對r求導

等式右邊分別為水泥混凝土雙臥軸流變儀中混凝土的圓周運動和剪切運動，即

將式(2)、(3)代入式(1)，得

積分

得到

式(4)為攪拌混凝土的扭矩－轉速方程。可以看出混凝土在攪拌的過程中扭矩與轉速是一次線性關系，方程的截距與斜率分別表示混凝土的相對屈服應力和相對塑性粘度。

依據上述原理，利用水泥混凝土雙臥軸流變儀，立模試驗槽設計一系列不同SAP摻量下的混凝土的流變性試驗和立模試驗。根據測定的扭矩和轉速求出每種摻量下的混凝土的相對屈服應力和相對塑性粘度，并結合測得的塌邊高度得出SAP摻量對混凝土流變性的影響及其最佳的摻量。

2　混凝土施工阻力與立模特性檢測

混凝土配合比設計為m(水)∶m(水泥)∶m(砂)∶m(小石)∶m(中石)∶m(大石)=150∶390∶700∶120∶800∶275。減水劑的摻量為0．75%，設計坍落度為50 mm，SAP摻量依次是使用水泥質量的0、0．1%、0．3%和0. 5%。為提高SAP在混凝土中的分散效果，采用預干拌法，將稱量好的SAP投入雙臥軸流變儀內，干拌20 s，再加水攪拌，每鍋攪拌時間保持一致。SPA最初吸收的水不會參加水化反映，而是在混凝土干縮的時候才開始釋放水分。所以，為了使水化過程中的水灰比不變，摻加SPA的混凝土的水灰比分別增加0. 01、0. 04、和0. 07［14－15］。

2．1混凝土的流變性試驗

利用水泥混凝土雙臥軸流變儀依次拌和4種摻量下的混凝土，每種混凝土攪拌時轉速和扭矩記錄見表1。

表1　不同SAP摻量的混凝土轉速與扭矩的關系

2.2混凝土立模試驗

利用交通部公路科學研究院設計的立模試驗槽,在每次測完轉速和扭矩后,將攪拌好的混凝土倒入試驗槽內,斜插入振搗棒對混凝土進行滑行振搗,然后勻速抽出試驗槽的兩側板,充分模擬滑模攤鋪移動成型的特點［16－18]。待混凝土坍塌變形穩(wěn)定后,測量塌邊高度,每次在兩邊相同位置各取3點,共測量6處并求平均值。試驗結果見表2。

2.3混凝土施工阻力及立模特性分析

將不同SAP摻量的混凝土攪拌時測得的轉速和扭矩進行線性擬合,得到相應的線性方程,如圖1所示。由圖1進一步得出每種摻量的混凝土的相對屈服應力和相對塑性粘度,見表2。

表2　不同SAP摻量的混凝土的相對屈服應力、相對塑性粘度及塌邊高度

立模特性是指,在滑模攤鋪過程中,失去兩側邊模板支撐的混凝土材料保持完整的邊角特征,不顯著發(fā)生坍塌流動變形的特性。良好的立模特性不僅有助于減少后期修邊工作量,而且對保持路面板幾何形狀及原有平整度有至關重要的影響。

屈服應力是混凝土材料發(fā)生流動變形(例如路面的塌邊)所需要克服的最小的剪切應力?；炷恋那υ酱?混凝土越不容易流動變形,在路面混凝土材料自重作用下,越不容易發(fā)生塌邊,即相對較高的屈服應力有助于增強混泥土路面的立模特性。

塑性粘度能夠反映混凝土受到的作用應力與其流動變形速度之間關系,塑性粘度越大,混凝土保持一定流動速度時所需要的外力越大,所以在攤鋪機行走速度不變時,塑性粘度越大,攤鋪機所需要克服的施工阻力就越大,即塑性粘度能夠表征施工阻力的大?。?9]。

由表2可以看出,摻加了一定量的SAP后,相對于沒有摻加高吸水樹脂,混凝土的屈服應力相對增加;塑性粘度有所降低;塌邊高度明顯改善。隨著SAP摻量的增加,相對屈服應力先增大后減小;相對塑性粘度無明顯變化規(guī)律,但都有所降低;塌邊高度變化趨勢同屈服應力成負相關性,即立模性能隨著屈服應力的增加而變得越好。當SAP摻量為0.3%時,混凝土具有最高的屈服應力和相對較低的塑性粘度,換言之,施工阻力和立模特性這兩個相對矛盾的工作特性同時得到改善,所以相對而言,0.3%是最合理的SAP摻量。

3　結論

1)混凝土滑模施工中,坍落度難以完全反映混凝土的動態(tài)工作性能,等坍落度的混凝土的施工阻力和立模特性可能不同,以屈服應力和塑性粘度為指標的流變性能較好的反映滑模施工中混凝土的動態(tài)工作性能。2)滑?；炷翐郊舆m量的SPA后,相對于沒有摻加高吸水樹脂,混凝土的屈服應力增加;塑性粘度有所降低;塌邊高度明顯改善,并且塌邊高度同屈服應力成負相關性。3)滑?；炷翐郊舆m量SPA后,施工阻力和立模特性這兩個相對矛盾的工作特性同時得到改善,最合理的SAP摻量為0.3%。

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(責任編輯:郭守真)

Study on Rheological Properties of Slip-Form Concrete with Super Absorbent Polymer

LI Chuanping,CHEN Xinxuan
(School of Construction Machinery,Chang'an University,Xi'an 710064,China)

Abstract:Based on the principle of rheology,the speed and torque are measured when the concrete is mixed to get the relative yield stress and relative plastic viscosity of slip-form concrete with different content of super absorbent polymer and the height of edge collapse is also measured after the concrete is vibrated and the templates are dismantled so as to reflect the effect of super absorbent polymer and its content on the construction

resistance of concrete and the standing mold performance.The results show that the yield stress of concrete is increased and the plastic viscosity of concrete is decreased after adding suitable super absorbent polymer.It can improve the characteristics of construction resistance and standing mold performance when the concrete is mixed with super absorbent polymer.In addition,0.3% of cement dosage is the most rational content of super absorbent polymer.

Key words:super absorbent polymer; slip-form concrete; construction resistance; standing mold performance; yield stress; plastic viscosity

作者簡介:李傳平(1989—),男,河南信陽人,碩士研究生,主要研究方向為路面機械化施工及質量控制.

收稿日期:2015－07－29

DOI:10.3969/j.issn.1672－0032.2015.03.009

文章編號:1672－0032(2015)03－0038－05

文獻標志碼:A

中圖分類號:TU528.41