路面免碾壓貧混凝土基層工作性研究

盛燕萍， 孫仕偉， 趙澍林， 周輝麗， 陳拴發(fā)

(1.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710064；2.青海省交通科學研究院，青海 西寧 810008)

路面免碾壓貧混凝土基層工作性研究

盛燕萍1， 孫仕偉1， 趙澍林1， 周輝麗2， 陳拴發(fā)1

(1.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710064；2.青海省交通科學研究院，青海 西寧 810008)

設(shè)計了一種免碾壓貧混凝土基層，它可有效保證貧混凝土基層的穩(wěn)定性和平整度，同時可減少施工機械、減化施工工序、縮短周期、改善施工環(huán)境.通過研究免碾壓貧混凝土基層材料，分析了影響貧混凝土工作性的因素，并提出采用維勃稠度試驗作為其工作性評價方法，以及維勃稠度作為其工作性評價指標，最后，采用多因素正交設(shè)計試驗，并根據(jù)極差分析和方差分析，得到評價指標維勃稠度的回歸公式.結(jié)果表明，維勃稠度值能夠較好地評價免碾壓貧混凝土的工作性.

道路工程；貧混凝土；免碾壓；維勃稠度值；工作性

0 引言

目前,半剛性基層已是我國高等級公路的主要結(jié)構(gòu)類型，其強弱和好壞顯著影響整個路面結(jié)構(gòu)的使用質(zhì)量和使用壽命[1].貧混凝土(Lean Concrete)是水泥用量較少的混凝土，相比水泥穩(wěn)定碎石和二灰碎石等半剛性基層，其承載力更高、抗沖刷性能和耐久性更好，是一種優(yōu)質(zhì)的基層材料[2-3].

現(xiàn)階段重載交通路面結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)場調(diào)查顯示，損壞很大程度上是由于承載力造成，部分因為基層施工原因?qū)е碌臏乜s和干縮裂縫進而形成路面結(jié)構(gòu)反射裂縫.若調(diào)整基層施工方式和工藝，提高基層的承載力，能夠改善路面的使用性能，延長使用壽命[4].目前，具備優(yōu)良性能的貧混凝土基層已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但現(xiàn)場施工大部分依然采用傳統(tǒng)的振動成型或插搗成型工藝，針對貧混凝土水泥含量少的特殊性，筆者提出了不同于普通碾壓方式的免碾壓成型方法，成型過程中無振動和插搗步驟，依靠材料自身的嵌擠和粘附讓混合料達到密實性.免碾壓與傳統(tǒng)振搗施工相比，可以顯著提高貧混凝土基層的質(zhì)量，減少和優(yōu)化施工機械和工序，減少施工時間，降低施工噪音對環(huán)境的污染.筆者對免碾壓多孔混凝土進行了較為深入的研究[5-10]，但多孔混凝土不同于貧混凝土，筆者結(jié)合免碾壓貧混凝土的特點，重點對其工作性進行分析，提出了針對免碾壓貧混凝土基層的工作性評價方法和指標.

1 免碾壓貧混凝土工作性影響因素

工作性至少包含流動性和黏聚性兩個部分，但這兩個方面又相互矛盾.混凝土增加流動性的過程是混合料中自由水增加的過程，必將導(dǎo)致混合料的黏聚性減?。欢鵀楸ＷC混合料的黏聚性和整體性，不管降低用水量還是增加增稠介質(zhì)，都會限制混合料的自由水量，降低其流動性.因此，混凝土在施工時要根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和現(xiàn)場條件，選擇流動性和黏聚性最佳的混合料組合[11-13].

1.1集漿比

保持貧混凝土材料的水灰比不變，加入的水泥漿量越多，則集料顆粒表面的包裹漿層將越厚，潤滑效果更好，混凝土具有更好的流動性，反之則小.若混合料中漿量過多，流漿和泌水現(xiàn)象將不可避免，降低了貧混凝土的粘聚性和保水性，影響其強度與耐久性.若混合料中水泥漿量太少，集料表面得不到充分裹覆，會減小貧混凝土的黏聚性，甚至產(chǎn)生崩塌，因此，貧混凝土的集漿比應(yīng)以滿足拌合物流動性要求為準.

1.2水灰比

確定集漿比后，水灰比將決定混合料中的水泥漿稠度.水灰比小說明水泥漿稠，混合料的流動性將較小；反之，水灰比較大，雖然混合料具有較大的流動性，但其整體性和保水性將變差.因此，在實際工程中若通過增加用水量提高混合料流動性時，水泥用量必需同時加大，確保水灰比保持恒定.

1.3砂率

集料總表面積和空隙率受到砂率變化的影響，且水泥砂漿不僅會潤滑粗骨料，還將粗集料之間從點接觸變成面接觸，顯著提高集料間的粘結(jié)效果，改善貧混凝土基層的工作性，提高其強度和穩(wěn)定性.

2 工作性評價方法和指標

貧混凝土的水泥膠結(jié)料含量較少，強度主要靠粗集料彼此之間的內(nèi)摩阻力形成，細集料填充空隙，對免碾壓貧混凝土而言，既要保證混合料有足夠的流動性，又要滿足混合料之間的粘聚性而確保強度.免碾壓貧混凝土工作性研究分析的目的是尋找保證良好工作性的水泥砂漿量，以此評價其工作性.

坍落度試驗和維勃稠度試驗是目前普遍采用的檢測混凝土稠度的方法.對于免碾壓貧混凝土，坍落度試驗并不能準確測出不同拌合物稠度的差異性；對于高流動性混合料，坍落度數(shù)值更不能反映其成型后穩(wěn)定性的優(yōu)劣，且稠度差異的混合料也依然可能具有相同的坍落度值，即坍落度大小與混合料稠度的高低并不存在對應(yīng)關(guān)系.

維勃稠度試驗[14]的操作過程很短，可以評價干硬性混合料填充模型的能力，彌補坍落度試驗對測試低流動性混合料靈敏度的不足，雖然維勃稠度試驗對于流動性高，坍落度大的新拌混凝土靈敏度差，但由于免碾壓貧混凝土相對普通成型的混合料的漿集比更高，在現(xiàn)場連續(xù)施工時的可操作性更強，因此，可以采用維勃稠度評價免碾壓貧混凝土的工作性.

3 免碾壓貧混凝土工作性評價

3.1試驗用原材料

筆者所用水泥為秦嶺42.5強度等級的普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標見表1.所用粗細集料均為西安本地石灰?guī)r碎石，技術(shù)指標分別列于表2和表3.采用規(guī)范推薦的級配，具體級配要求見表4.

維勃稠度值受多方面因素的影響，筆者采用正交試驗進行試驗安排.采取含水量(水占水泥、砂和集料總質(zhì)量的百分比)、水泥劑量及砂率3個因素，各因素根據(jù)實踐經(jīng)驗取如表5所示的4個水平.試驗選擇正交表L16(45)的前3列安排試驗，其中4、5列為空列.根據(jù)該試驗安排，具體的配合比和測試結(jié)果見表6.在此基礎(chǔ)上，對正交試驗結(jié)果分別進行極差分析和方差分析.

表1 水泥技術(shù)指標Tab.1 Technical index of cement

表2 粗集料技術(shù)指標Tab.2 Technical index of thick aggregate

表3 細集料技術(shù)指標Tab.3 Technical index of thin aggregate

表4 粗集料級配范圍要求Tab.4 Thick aggregate gradations

表5 貧混凝土配合比試驗正交設(shè)計因素水平表Tab.5 Table of factors and levels of orthogonaldesign for lean concrete mix ratio test

3.2極差分析

對表6所示試驗結(jié)果進行極差分析，其結(jié)果如表7所示.表7中Ⅰj是指第j列?、袼较碌闹笜撕?，Rj是指第j列中Ⅰj,Ⅱj,Ⅲj和Ⅳj之間最大值與最小值之差，稱為極差.極差的大小代表該因素變化對指標值的影響程度.通過極差的大小排序可以得到各個影響因素對VB值的影響大小，其相應(yīng)順序如表8所示.

在此基礎(chǔ)上，得到各個影響因素的不同水平值與相應(yīng)指標的變化趨勢關(guān)系，如圖1所示.

表6 正交設(shè)計和配合比安排與試驗結(jié)果Tab.6 Orthogonality design，mixture ratio arrangement and test results

表7 極差計算結(jié)果Tab.7 Results of range analysis

對正交表的極差分析僅能得到對VB影響的

一般規(guī)律，無法得出對VB有顯著影響的因素.因此，對其進一步采取方差分析，并通過分析結(jié)果歸納回歸相應(yīng)的關(guān)系式，為評價免碾壓貧混凝土基層的工作性提供定量化依據(jù)，根據(jù)表6的試驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果如表9.

從表9可以看出，當置信率為95%時，含水量對貧混凝土的維勃稠度有顯著影響；含水量和水泥用量均會顯著影響貧混凝土的維勃稠度，該影響因素的排序和表7中的極差分析結(jié)論一致.

表8 各因素對指標的影晌及最佳因素水平組合Tab.8 The factors influence on the index and the best factors combination

圖1 各個因素的水平變化影響Fig.1 The influence of various factors on the level of change表9 正交表的方差分析Tab.9 Variance analysis of orthogonal arrays

方差來源離差平方和SS自由度DF方差MSF值臨界值顯著性A(含水量)3800.4831266.8325.32B(水泥用量)537.363179.123.58C(砂率)245.06381.691.63F0.95(3,6)=4.76顯著D(空列)205.12650.04—E(空列)95.12650.04—

3.3提出回歸方程

對表6中數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到維勃稠度VB與含水量、水泥劑量及砂率的關(guān)系：

VB=268.514-5 084.3w+452.975c+110.492βS，R=0.889.

(1)

式中：VB為維勃稠度，s；w為含水量，%；c為水泥劑量，%，水泥劑量c=水泥質(zhì)量/(砂質(zhì)量+石子質(zhì)量)；βS為砂率，%.

另外，施工工藝也會明顯影響免碾壓貧混凝土的工作性，不同施工方式應(yīng)滿足表10要求的不同維勃稠度值[13].

表10 不同施工方式下貧混凝土的維勃稠度推薦值Tab.10 Vebe consistometer recommended valueof lean concrete in different construction ways s

對于提出的回歸方程(1)，其參數(shù)和對應(yīng)結(jié)果是在較為理想的室內(nèi)條件下得出，而貧混凝土在實際施工過程中，受氣候、溫度、降水等諸多環(huán)境因素影響，會導(dǎo)致維勃稠度值產(chǎn)生不規(guī)律波動，為進一步平滑該波動，筆者在提出的維勃稠度值基礎(chǔ)上，增加允許波動時間5 s，以此平滑VB的變動和切合現(xiàn)場情況，即免碾壓貧混凝土工作性的允許波動范圍為VB±5 s，若實測值在此范圍內(nèi)，則認為貧混凝土滿足工作性要求.

4 結(jié)論

(1)貧混凝土免碾壓成型方式充分利用材料的自密實性，利于提高混凝土強度和降低混合料滲透性，能夠減少施工機械和施工工序及周期，對提高生產(chǎn)率，減少噪音和環(huán)境保護有積極的效果.

(2)貧混凝土是干硬性混凝土，其組成材料、水灰比、集漿比和砂率是影響貧混凝土工作性的主要因素，通過正交試驗設(shè)計得出各因素對工作性影響的順序:含水量gt; 水泥用量 gt;砂率.

(3)維勃稠度(VB)是能夠簡單、易行、快速評價免碾壓貧混凝土工作性的適宜指標，通過試驗研究得出免碾壓貧混凝土滿足工作性要求的允許波動范圍為VB±5 s.

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ResearchonWorkabilityofCompaction-freeLeanConcreteBase

SHENG Yanping1， SUN Shiwei1， ZHAO Shulin1， ZHOU Huili2， CHEN Shuanfa1

(1.School of Materials Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China;2.Qinghai Research Institute Transportation,Xining 810008, China)

A kind of compaction-free lean concrete (CFLC) base was put forward in this paper. The smoothness and stability of the base could be ensured by using compaction-free lean concrete base. Meanwhile, the construction machinery and construction cycle could be reduced. Also, construction environment could be improved. Factors influence workability of CFLC were analyzed, the method and index of evaluating workability of CFLC were advanced. Orthogonality test design was adopted in tests, regression formula of evaluating index-Vebe consistency value was educed. The results showed that the workability of CFLC could be evaluated by Vebe consistency value.

road engineering; lean concrete; compaction-free；Vebe consistency value; workability

2016-07-28；

2017-01-19

國家自然科學基金資助項目(51208047;51208046),中國博士后科學基金資助項目(2013M532005;2015T81000),青海省科技計劃項目(2017-22J-763；2017-25ZJ-764)

盛燕萍(1981— )，女，浙江臨安人，長安大學副教授，主要從事道路材料與結(jié)構(gòu)方面的研究，E-mail:shengyanping2003@163.com.

1671-6833(2017)06-0079-04

U416 217

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.06.014