滑模攤鋪路面水泥混凝土施工性評(píng)價(jià)及氣泡結(jié)構(gòu)變化對(duì)流變性能影響研究

胡師杰，凌海宇，蔡正森

（河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401）

0 引言

我國(guó)現(xiàn)階段水泥路面占有很大比例，是我國(guó)道路的主要結(jié)構(gòu)形式之一，滑模攤鋪水泥混凝土路面具有攤鋪速度快，全過程自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛采用[1].自20世紀(jì)80年代開始引進(jìn)滑模攤鋪機(jī)[2]后對(duì)混凝土材料施工性能的研究絡(luò)繹不絕[3].施工過程中混凝土材料的施工性能十分關(guān)鍵；施工性能主要為其在工程施工現(xiàn)場(chǎng)攤鋪時(shí)的具體表現(xiàn)，目前對(duì)施工性能的定義尚不完全統(tǒng)一，但主要表現(xiàn)為水泥混凝土在拌合后運(yùn)輸、鋪筑、振實(shí)、抹平過程中達(dá)到密實(shí)和穩(wěn)定的性能.

我國(guó)目前在滑模攤鋪施工中主要采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)坍落度為主要控制指標(biāo)[4]，為滿足滑模施工工藝要求，一般要求混凝土拌合物的坍落度不能過大，需控制在0～50 mm.柯國(guó)矩等在2016年提出了針對(duì)混凝土液化效果的評(píng)價(jià)方法以及表征混凝土工作性的指標(biāo)—出漿量；通過對(duì)不同坍落度下混凝土的立模性能試驗(yàn)得出最合適的坍落度[5].經(jīng)振動(dòng)后的水泥混凝土材料可塑性加強(qiáng)，利于路面的攤鋪施工.

在不改變混凝土集料配合比的情況下，外加劑的摻入（引氣劑等）對(duì)混凝土工作性起到了改善作用，摻入引氣劑后的混凝土一般含氣量均有所提高，振動(dòng)液化后的混凝土和易性有所提高.混凝土材料屬于一種“固-液-氣”三相混合材料，滑模施工時(shí)拉裂、麻面等現(xiàn)象的出現(xiàn)，與其振動(dòng)密實(shí)后的出漿量息息相關(guān)，混凝土振動(dòng)液化現(xiàn)象與混凝土內(nèi)部受力息息相關(guān)；由于引氣混凝土內(nèi)部的氣泡可以起到軸承和潤(rùn)滑作用，因此集料顆粒之間的嵌擠力與內(nèi)摩阻力與混凝土氣孔分布、氣孔孔徑有很大關(guān)系，引氣劑引入氣泡可以改變混凝土內(nèi)部受力狀態(tài)，進(jìn)而改變混凝土液化難易程度及速度[5].

但是不同混凝土引氣劑的濃度等指標(biāo)不同，討論引氣劑摻量對(duì)工作性和內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的影響意義不大，而混凝土內(nèi)部含氣量的變化對(duì)其氣泡結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生影響進(jìn)而影響其施工性能.本文在前人研究基礎(chǔ)上對(duì)含氣量變化對(duì)混凝土施工性能以及由內(nèi)部氣泡結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的流變性的影響進(jìn)行了研究.

1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料的選用

本試驗(yàn)選用的水泥為北京金隅P·O42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)集料為北京西田陽(yáng)砂場(chǎng)中砂，細(xì)度模數(shù)2.67，級(jí)配范圍符合GB/T 14684-2001《建筑用砂》中II區(qū)級(jí)配的要求；粗集料選用4.75～26.5 mm連續(xù)級(jí)配碎石，粗集料的壓碎值為12.6%，針片狀顆粒含量為4%，吸水率0.6%，含泥量0.7%；減水劑采用天津SiKa萘系高效減水劑，減水率為25%，性能優(yōu)良，其摻量按水泥的質(zhì)量來計(jì)算.各實(shí)驗(yàn)用配合比可見后文敘述.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 立模特性測(cè)試方法

滑模施工水泥混凝土路面對(duì)混凝土材料的工作性要求較高，以避免成型的路面出現(xiàn)坍邊等病害，現(xiàn)有的混凝土對(duì)工作性的測(cè)試方法有一定的局限性，本文采用立模特性檢測(cè)箱進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn).立模試驗(yàn)箱的主要功能是模擬滑模攤鋪施工成型后的路面板，通過抽取兩側(cè)擋板并測(cè)試兩側(cè)的坍邊高度來反映混凝土的立模性能.該試驗(yàn)裝置為底面積30 cm×50 cm，高30 cm，側(cè)壁可向上抽出的槽形容器.如圖1所示.

1.2.2 混凝土振動(dòng)出漿量實(shí)驗(yàn)

如圖2所示，本文采用柯國(guó)炬等[1]在研究混凝土振動(dòng)液化性能時(shí)采用的相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行振動(dòng)出漿量實(shí)驗(yàn)，此處不再贅述.

圖1 立模特性實(shí)驗(yàn)Fig.1 Modeling characteristics test

圖2 出漿量實(shí)驗(yàn)Fig.2 Test of the quantity of mortar

2 水泥混凝土材料施工性能評(píng)價(jià)

2.1 水泥混凝土最佳坍落度的確定

通過調(diào)整減水劑摻量可以調(diào)整混凝土坍落度[6]，為研究其施工性能，對(duì)其立模特性與坍落度的影響關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)用混凝土配合比見表1.

由于本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，為充分模擬施工現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)條件混凝土坍落度值測(cè)定采用經(jīng)時(shí)坍落度，即混凝土出機(jī)后置于容器內(nèi)用濕布覆蓋，30 min后對(duì)其進(jìn)行坍落度測(cè)定，同時(shí)進(jìn)行立模性能試驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3.

從圖3可知，新拌水泥混凝土坍落度與其塌邊高度具有一定的線性關(guān)系（R2=0.080 33） 隨著坍落度的增大其立模特性中的塌邊高度隨之升高，若維持其塌邊高度小于3 mm（即擁有較好的立模特性）需控制混凝土坍落度在20 mm以下.故在滑模施工過程中對(duì)水泥混凝土坍落度的要求較為嚴(yán)格.

2.2 不同坍落度水泥混凝土液化效果實(shí)驗(yàn)

水泥混凝土的振動(dòng)液化效果決定了攤鋪施工過程中混合料的工作性，為驗(yàn)證其液化效果，本文仍采用上述配合比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，摻加引氣劑并保持其摻量一定，混凝土攪拌完成后靜置30 min，按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行坍落度測(cè)試，同時(shí)進(jìn)行液化效果評(píng)價(jià)試驗(yàn).

由表2、表3可知，1、4號(hào)在保持減水劑摻量相同時(shí)，摻入引氣劑后其坍落度增加，其出漿量則增長(zhǎng)，說明引氣劑的摻入對(duì)坍落度的影響較大；對(duì)比2、3、4號(hào)可知當(dāng)引氣劑摻量一定時(shí)其坍落度隨減水劑的增加差異并不大，而出漿量則隨之降低，可認(rèn)為減水劑的增加對(duì)出漿量產(chǎn)生了抑制作用.

由上文所述可知引氣劑摻入后的混凝土含氣量對(duì)坍落度的影響較大，為驗(yàn)證含氣量對(duì)坍落度、出漿量的影響，再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，控制混合料減水劑摻量為0.6%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4、表5.

當(dāng)減水劑摻量保持一定時(shí)，混合料坍落度、出漿量均隨含氣量的增加而增長(zhǎng)，如圖4、圖5所示.

由圖4所示實(shí)驗(yàn)用水泥混凝土混合料坍落度隨混凝土含氣量的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而圖5則表明隨混凝土振搗前含氣量的增加出漿量的變化呈先快后慢的趨勢(shì)，在振搗前含氣量大于4.8%時(shí)出漿量的增長(zhǎng)明顯加快，這表明若要增加混凝土出漿量以提高其施工性能，混凝土含氣量的控制是關(guān)鍵參數(shù)之一，宜控制在4.8%左右.綜合對(duì)比圖4、圖5確定引氣劑的摻加可大幅提高混合料坍落度且振搗前含氣量控制在4.8%左右時(shí)可大幅提高其出漿量.

表1 實(shí)驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)Tab.1 Proportions mix of concrete

圖3 坍落度與坍邊高度關(guān)系Fig.3 Relationship between concrete slump and collapse height

表2 實(shí)驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)Tab.2 Proportions mix of concrete

表3 水泥混凝土液化實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Cement concrete liquefaction experiment results

表4 實(shí)驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)Tab.4 Proportions mix of concrete

表5 水泥混凝土液化實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Cement concrete liquefaction experiment results

圖4 含氣量對(duì)坍落度影響Fig.4 Influence of air-content on the concrete slump

3 含氣量對(duì)水泥混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)變化及其對(duì)流變性影響

新拌混凝土是一種多相混合物，隨水化反應(yīng)其顆粒間距之間的距離被縮小，三相之間所占比例也發(fā)生了變化，在此基礎(chǔ)上水泥混凝土即發(fā)生了硬化，強(qiáng)度隨之逐步穩(wěn)定.控制混凝土流變性的主要指標(biāo)包括：坍落度、振動(dòng)出漿量、屈服強(qiáng)度、塑性黏度等，由上文所述，摻入引氣劑后含氣量的變化對(duì)水泥混凝土的振動(dòng)出漿量及坍落度均有不同程度的影響[7]；為探究引氣劑摻量對(duì)道路用低坍落度水泥混凝土含氣量的影響及其孔結(jié)構(gòu)對(duì)水泥砂漿流變性能的影響，本研究做出以下實(shí)驗(yàn).

采用上文相同級(jí)配進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一般水泥混凝土路面滑模施工均采用高頻振搗方式，有利于其迅速、充分密實(shí)，本文測(cè)量混合料振搗前、后的含氣量，振搗時(shí)間為30 s，振搗頻率為100 Hz.并測(cè)量振搗后的氣泡參數(shù)，材料級(jí)配及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6～圖8所示.

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，其轉(zhuǎn)速與扭矩關(guān)系如圖9所示.

圖6 振搗前、后含氣量對(duì)比Fig.6 Contrast with the air content

圖7 振搗后氣泡平均直徑Fig.7 Average bubble diameter after vibrating

圖8 振搗后氣孔間距系數(shù)Fig.8 Bubble spacing factor after vibrating

圖9 扭矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系圖Fig.9 Relationship between torque and rotational speed

由圖6所示，隨該類型引氣劑摻量的增加，振搗前含氣量不斷增長(zhǎng)，主要因?yàn)閾饺胍龤鈩┖笤诎韬线^程中水泥水化熱、水化反應(yīng)速率更為明顯，氣泡生成量增加導(dǎo)致其振搗前水泥混凝土含氣量的增長(zhǎng)[7]；振搗后水泥混凝土內(nèi)部含氣量反而隨著引氣劑摻量的增加而下降，且在摻量小于0.5%時(shí)隨摻量的增加下降速率較快，而摻量大于0.5%時(shí)含氣量下降緩慢.

由圖7、圖8所示，振搗后的氣泡平均直徑、氣孔間距系數(shù)隨含氣量的增大而增大，經(jīng)振搗后的混凝土含氣量大于3.2%時(shí)，其變化速率均發(fā)生突變，曲線上升斜率變小，即在此區(qū)間上混凝土內(nèi)部氣泡變化對(duì)含氣量的敏感程度有所降低，但過大、過于稀疏的孔隙分布對(duì)于混凝土坍落度產(chǎn)生影響，綜合上文，可認(rèn)為振搗后混凝土含氣量應(yīng)控制在3%～3.2%.

由圖9所示，隨含氣量的不同的增加，其塑性黏度、屈服應(yīng)力隨之減小，且當(dāng)振搗后含氣量在3%～3.2%內(nèi)兩指標(biāo)變化相對(duì)緩慢，含氣量達(dá)到3.6%時(shí)，其屈服應(yīng)力增長(zhǎng)速率變快.隨著引氣劑的摻入，砂漿流動(dòng)度得到大幅提高，

總的來說，水泥混凝土高頻振搗后的含氣量降低[8-10]，其屈服應(yīng)力、塑性黏度隨之增大，導(dǎo)致混凝土的塑性加強(qiáng)，流動(dòng)性增加，充分說明當(dāng)引氣劑摻入后含氣量發(fā)生變化時(shí)對(duì)其流變性影響較大.滑模施工中要求水泥混凝土材料的坍落度不能過高，故在設(shè)計(jì)、施工中需對(duì)混凝土含氣量做出嚴(yán)格控制，綜合全文研究成果建議引氣劑的摻量應(yīng)在3%～3.2%區(qū)間內(nèi).

4 結(jié)論

1）通過控制減水劑摻量得出新拌水泥混凝土坍落度與其坍邊高度具有一定的線性關(guān)系，即坍落度的增加其立模特性中的坍邊高度隨之升高.

2）滑模施工前應(yīng)對(duì)混凝土材料的含氣量進(jìn)行檢驗(yàn)，保證混合料含氣量的穩(wěn)定.

3）控制實(shí)驗(yàn)混合料的減水劑摻量，混凝土坍落度與出漿量均隨振搗前含氣量的增加而增加，且含氣量控制在4.8%時(shí)為佳.

4）實(shí)驗(yàn)表明，振搗后的水泥混凝土的內(nèi)部含氣量升高，導(dǎo)致其氣泡平均直徑、氣孔間距系數(shù)，導(dǎo)致其屈服強(qiáng)度、塑性黏度均增大，含氣量在3%～3.2%時(shí)其孔隙結(jié)構(gòu)適中，坍落度、出漿量均適宜滑模攤鋪.高頻振搗對(duì)含氣量具有一定的抑制作用，對(duì)其流變性產(chǎn)生影響.

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