可融冰含鹽陶粒混凝土分層度試驗(yàn)

侯子義，李虹橙,，鄭少鵬，李思李，程志豪

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；3.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650041; 4.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

含鹽陶?；炷磷鳛橐环N新型蓄鹽路面材料[1-3]，所制備的含鹽陶?；炷?，在路面除冰雪方面有著良好的效果.但由于含鹽陶粒經(jīng)聚合物改性水泥凈漿覆裹緩釋處理后，其表觀密度較鹽分載體頁巖陶粒的密度1 030 kg/m3有所提高，仍比水泥砂漿及骨料碎石的密度小，使得材料之間存在密度差異.而施工成型過程中為增強(qiáng)混凝土材料的流動(dòng)性和密實(shí)性，常采用機(jī)械振搗的方法，在振動(dòng)能量的作用下，含鹽陶粒會(huì)出現(xiàn)上浮，導(dǎo)致混凝土中含鹽陶粒分布不均，對混凝土的力學(xué)性能和除冰雪長效性均有不利影響.

參考輕集料混凝土中對陶粒上浮影響因素的研究[4]，可以將混凝土拌合物中陶粒顆粒的運(yùn)動(dòng)速度描述為

(1)

式中：ρ為陶粒顆粒的密度，kg/m3;ρc為水泥砂漿的密度，kg/m3;r為顆粒半徑，cm;η為混凝土的黏滯系數(shù)，Pa·s；v為顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，cm/s.

由于陶粒顆粒與水泥砂漿的密度差異，會(huì)有ρ-ρc<0，從而得到陶粒的運(yùn)動(dòng)速度為負(fù)值，其物理意義為陶粒的運(yùn)動(dòng)方向與重力作用的方向相反，即陶粒出現(xiàn)上浮.通過式(1)中參數(shù)可知，影響輕集料上浮的因素主要有集料的顆粒半徑、混凝土的黏滯系數(shù)及材料的密度差異，但工業(yè)化生產(chǎn)的頁巖陶粒粒徑改變會(huì)使其強(qiáng)度降低.因此，振動(dòng)條件下混凝土的黏滯系數(shù)及材料密度差異變化是影響含鹽陶粒勻質(zhì)性分布的關(guān)鍵，為了保證含鹽陶?；炷敛牧暇哂辛己玫穆酚眯阅?，采用分層度試驗(yàn)對含鹽陶粒勻質(zhì)分布的影響因素進(jìn)行研究，從而揭示含鹽陶粒在混凝土內(nèi)部的分布規(guī)律，得到最佳的施工工藝，為含鹽陶?；炷恋墓こ虘?yīng)用提供有效理論支撐.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用盾石牌P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，表觀密度為3 150 kg/m3；唐山某電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰.細(xì)集料采用秦皇島Ⅱ區(qū)天然中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，表觀密度為2 621 kg/m3.粗集料為連續(xù)級配碎石，最大粒徑為25 mm，表觀密度為2 760 kg/m3.含鹽陶粒采用頁巖陶粒為鹽分載體，表面由聚合物改性水泥凈漿覆裹緩釋處理，養(yǎng)生至28 d，吸附的融冰鹽成分為氯化鈉，如圖1所示.其主要物理力學(xué)性能指標(biāo)為：顆粒粒徑10～22 mm，連續(xù)級配，表觀密度1 567 kg/m3，堆積密度821 kg/m3，1 h吸水率6%，筒壓強(qiáng)度5.4 MPa.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中含鹽陶粒對骨料碎石的替代率為50%，材料水膠比為0.41，砂率為36%，粉煤灰對水泥的替代率為20%，為了便于滑模施工，控制混凝土拌合物的坍落度為0～3 mm[4]，材料基準(zhǔn)配合比為A0，陶粒與碎石的體積比為50∶50，用水量為150 kg/m3，水泥用量為292.8 kg/m3，粉煤灰用量為73.2 kg/m3，砂用量為688 kg/m3，含鹽陶粒用量為347.2 kg/m3，碎石用量為612 kg/m3.

針對含鹽陶?；炷恋膭蛸|(zhì)性試驗(yàn)，通過測定振搗后的混凝土上下層的濕表觀密度差異和含鹽陶粒的質(zhì)量差異，反映含鹽陶粒上浮對混凝土勻質(zhì)性的影響，并目視觀察振搗過程中混凝土拌合物的離析泌水來綜合評價(jià)[5].分層度筒為外徑135 mm、內(nèi)徑115 mm的圓柱形鋼筒，分為上中下3層，且互相貫通，各層高度均為50 mm.試驗(yàn)時(shí)將各組混凝土拌合物裝入分層度筒，經(jīng)振動(dòng)臺(tái)振搗規(guī)定時(shí)長(技術(shù)參數(shù)：振動(dòng)頻率50 Hz,振幅0.5 mm)，然后分別取出上下層拌合物，測定其濕表觀密度.再將拌合物倒入直徑4.75 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩中，用水沖刷凈水泥砂漿成分，去除骨料碎石后，將剩余含鹽陶粒烘干測得其質(zhì)量，含鹽陶?；炷撩芏确謱佣群吞樟Ｙ|(zhì)量分層度的計(jì)算公式分別為

(2)

(3)

式中：ρ上和ρ下分別為上下層混凝土拌合物的濕表觀密度，kg/m3；g上和g下分別為上下層混凝土拌合物內(nèi)的含鹽陶粒的質(zhì)量，g.

2 含鹽陶?；炷羷蛸|(zhì)性的影響因素及分析

2.1 砂率對含鹽陶粒勻質(zhì)性的影響

通過對陶粒振動(dòng)上浮的機(jī)理分析可知，增大水泥砂漿的黏度可以有效減弱陶粒的上浮.砂率(細(xì)集料質(zhì)量占全部集料總質(zhì)量的百分率)作為影響混凝土工作性的重要因素，其與水泥漿體組成的水泥砂漿，在混凝土拌合物中起著潤滑的作用，但砂率過低或過高都會(huì)影響混凝土拌合物的流動(dòng)性，導(dǎo)致材料的黏聚性和保水性較差，使混凝土出現(xiàn)離析流漿的問題.同時(shí)砂率的變化不僅會(huì)影響水泥砂漿的黏度，也會(huì)影響含鹽陶粒與水泥砂漿之間的密度差異，所以含鹽陶?；炷恋闹苽浯嬖谝粋€(gè)最佳砂率.在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)輕集料混凝土的試驗(yàn)研究[6-7]，在工程應(yīng)用中砂率一般取值為35%～45%，將砂率從34%增大到42%，分析其對陶粒分布勻質(zhì)性的影響，試驗(yàn)各組配合比如表1所示,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

表1 含鹽陶?；炷恋呐浜媳?/p>

根據(jù)圖2中分層度的變化分析可知，當(dāng)砂率由34%增大到36%時(shí)，含鹽陶?；炷恋纳舷聦用芏炔町惣吧舷聦影韬衔镏械暮}陶粒質(zhì)量差異均呈現(xiàn)下降趨勢，說明砂率的提高增大了混凝土拌合物中水泥砂漿的黏度，也增大了漿體材料對含鹽陶粒的覆裹，有效地減弱了陶粒的上浮.觀察混凝土拌合物的工作性，發(fā)現(xiàn)隨著砂率的提高，C2試驗(yàn)組較C1試驗(yàn)組，混凝土的黏聚性有明顯改善，未出現(xiàn)離析泌水.但當(dāng)砂率由38%增大到42%時(shí)，混凝土拌合物上下層的濕表觀密度和陶粒質(zhì)量的分層度指數(shù)均出現(xiàn)不同程度增長，說明隨著砂率的提高含鹽陶粒混凝土拌合物的勻質(zhì)性變差，含鹽陶粒出現(xiàn)離析分層.進(jìn)一步結(jié)合混凝土拌合物的狀態(tài)分析可知，分層度指數(shù)的增大是由于砂率的不斷提高，導(dǎo)致含鹽陶粒與水泥砂漿的密度差異過大，各試驗(yàn)組砂率增大的同時(shí)膠凝材料的用量均保持不變，水泥漿數(shù)量不足以覆裹細(xì)集料，導(dǎo)致混凝土拌合物出現(xiàn)泌水.

因此，可以確定當(dāng)砂率為36%時(shí)含鹽陶粒混凝土拌合物的抗分層和抗離析性能最好.

2.2 粉煤灰摻量對含鹽陶粒勻質(zhì)性的影響

由于粉煤灰的密度2 300 kg/m3較水泥的密度3 100 kg/m3小，在含鹽陶?；炷林袚饺敕勖夯夷苡行Ы档退嗌皾{材料與含鹽陶粒的密度差異，且粉煤灰顆粒的表面形貌效應(yīng)能改善混凝土拌合物的流動(dòng)性，但粉煤灰摻量過大會(huì)導(dǎo)致含鹽陶?；炷恋挠不瘡?qiáng)度降低及耐磨性變差[8-10].因此，采取粉煤灰替代水泥改善含鹽陶?；炷恋膭蛸|(zhì)性時(shí)，其存在一個(gè)最佳摻量.試驗(yàn)在表2基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，通過改變粉煤灰對水泥的替代率，分析其對含鹽陶粒勻質(zhì)性的影響，試驗(yàn)配合比和結(jié)果分別見表2和圖3.

表2 含鹽陶?；炷恋呐浜媳?/p>

由圖3中分層度的變化分析可知，當(dāng)粉煤灰對水泥的替代量由10%增大到20%時(shí)，混凝土拌合物上下層的濕表觀密度差異及拌合物中含鹽陶粒的質(zhì)量差異均呈現(xiàn)下降趨勢.說明粉煤灰對水泥的替代改善了混凝土拌合物的工作性能，降低了水泥砂漿的密度，縮小了其與含鹽陶粒的密度差異，從而有效減弱了陶粒的上浮.同時(shí)觀察混凝土拌合物的表觀狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)隨著粉煤灰摻量的提高，混凝土的黏聚性有明顯改善，未出現(xiàn)離析泌水.但替代率增大到30%時(shí)，含鹽陶?；炷涟韬衔锏膭蛸|(zhì)性反而變差，分層度指數(shù)均出現(xiàn)不同程度增長，含鹽陶粒出現(xiàn)明顯上浮.進(jìn)一步分析混凝土拌合物的狀態(tài)可知，該現(xiàn)象是由于粉煤灰的大量摻入使混凝土拌合物的流動(dòng)性大幅度提高，但也導(dǎo)致了水泥砂漿的黏度降低，在振搗后甚至出現(xiàn)流漿的問題，使得含鹽陶粒的上浮速率加快，為保證含鹽陶?；炷辆哂辛己玫膭蛸|(zhì)性，應(yīng)控制粉煤灰的摻量，其最佳替代率為20%.

2.3 振搗時(shí)間對含鹽陶粒勻質(zhì)性的影響

振搗過程中混凝土材料在振動(dòng)能量的作用下，其內(nèi)部的絮凝結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞，材料的黏附性降低，組分顆粒出現(xiàn)相對運(yùn)動(dòng)[11].這一過程中混凝土材料的振動(dòng)黏度系數(shù)變化也是影響含鹽陶粒上浮的重要因素.結(jié)合混凝土振搗特性的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[12-13]，在振搗作用下混凝土拌合物內(nèi)的膠凝材料與水會(huì)充分接觸，使混凝土拌合物的黏度系數(shù)明顯提高，從而改善混凝土的黏聚性.但隨著振搗時(shí)間的延長，混凝土內(nèi)的自由漿體會(huì)逐漸增加，多余自由漿體的潤滑作用會(huì)導(dǎo)致黏度系數(shù)大幅降低，含鹽陶粒上浮明顯[14-16].因此，可以通過控制振搗時(shí)長來改變含鹽陶?；炷恋酿ざ认禂?shù)，從而減弱含鹽陶粒的上浮.本節(jié)試驗(yàn)在2.1、2.2節(jié)研究的基礎(chǔ)上，探究振搗時(shí)間對含鹽陶粒分布勻質(zhì)性的影響，確定一個(gè)最佳振搗時(shí)長，對相同配比的試驗(yàn)組進(jìn)行不同時(shí)長的振搗，試驗(yàn)配合比為E0，砂率36%，粉煤灰20%，用水量150 kg/m3，水泥用量292.8 kg/m3，粉煤灰用量73.2 kg/m3，砂用量688 kg/m3，含鹽陶粒用量347.2 kg/m3，碎石用量612 kg/m3，結(jié)果見圖4.

根據(jù)圖4的數(shù)據(jù)可知，振搗時(shí)長的改變對含鹽陶粒混凝土的上下層密度差異及上下層拌合物中的含鹽陶粒質(zhì)量差異有明顯影響.觀察振搗過程中混凝土拌合物的狀態(tài)可知，振搗時(shí)間為90 s的試驗(yàn)組,其勻質(zhì)性要優(yōu)于振搗時(shí)間只有60 s的試驗(yàn)組，如圖5所示.這是由于混凝土拌合物的振搗時(shí)間較短，水泥漿體并未完全液化，拌合物流動(dòng)性較差，內(nèi)部的集料分布不均，使得上下層拌合物濕表觀密度差異較大.

隨著振搗時(shí)間的延長，混凝土內(nèi)的自由漿體增加，其內(nèi)部集料在振動(dòng)能量的作用下開始不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使得分層度有所下降.但振搗時(shí)長延長至120 s時(shí)，含鹽陶粒混凝土?xí)霈F(xiàn)“過振”問題，拌合物分層度迅速增大，混凝土出現(xiàn)離析泌水，且含鹽陶粒上浮嚴(yán)重，如圖5(d)所示.綜合上述試驗(yàn)的分層度指數(shù)，可以確定各因素對含鹽陶粒分布的影響程度由大到小依次為振搗時(shí)長、粉煤灰摻量、砂率.

3 含鹽陶?；炷琳駬v工藝的應(yīng)用分析

在上述分析的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步確定振搗工藝的合理性，了解含鹽陶粒經(jīng)振搗處理后在混凝土內(nèi)部的豎向分布規(guī)律，采用分層度試驗(yàn)確定的各項(xiàng)參數(shù)，對含鹽陶?；炷吝M(jìn)行振搗處理，制備尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試件，養(yǎng)生至28 d，再對不同替代率的各組試件進(jìn)行豎向切割，切割厚度為35 mm，各組試件豎向剖面如圖6所示.

試驗(yàn)利用陶粒內(nèi)部具有豐富孔系的特點(diǎn)來區(qū)分剖切面內(nèi)的碎石和陶粒，通過目視計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)陶粒顆粒分布的截面面積和集中分布深度，規(guī)定在豎向深度10 mm的截面范圍內(nèi)，當(dāng)陶粒顆數(shù)總數(shù)小于20時(shí)，為集中分布深度的截止面，從試件表面到該截止底面線的距離，為含鹽陶粒的集中分布深度.試件的剖切面面積為220 cm2，陶粒顆粒累計(jì)截面積與剖切面截面積的比值為含鹽陶粒的分布所占比例，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

由表3的數(shù)據(jù)可知，隨著陶粒替代率的增加，陶粒集中分布深度和陶粒分布比例均逐漸增加.同時(shí)觀察各組試件剖切面含鹽陶粒的豎向分布密度可以發(fā)現(xiàn)，替代率越大，則含鹽陶粒的豎向分布深度越深，其相同深度位置的陶粒分布越多，且各組試件均未出現(xiàn)含鹽陶粒在混凝土內(nèi)部堆積的問題.根據(jù)各試驗(yàn)組的集中分布深度，替代率為30%的試驗(yàn)組分布深度為35 mm約占試件長度的23.3%，替代率為100%的試驗(yàn)組分布深度為135 mm約占試件長度的90%，其分布比例分別為20.37%和87.62%，可以發(fā)現(xiàn)陶粒的分布與集料替代比例基本趨于一致.綜合上述試驗(yàn)結(jié)論，證明在施工過程中通過優(yōu)化混凝土材料組成和嚴(yán)格控制振搗時(shí)長，可以保證含鹽陶?；炷敛牧暇哂辛己玫膭蛸|(zhì)性.

表3 陶粒分布情況

4 結(jié)論

1)當(dāng)含鹽陶?；炷林猩奥市∮?6%時(shí)，適當(dāng)增大砂率能有效提高混凝土拌合物中水泥砂漿的黏度，增強(qiáng)漿體材料對含鹽陶粒的覆裹，減弱含鹽陶粒的上浮，但砂率的持續(xù)提高會(huì)使含鹽陶粒與水泥砂漿的密度差異過大，導(dǎo)致含鹽陶?；炷涟韬衔锏膭蛸|(zhì)性變差.

2)粉煤灰對水泥的替代能改善含鹽陶?；炷涟韬衔锏墓ぷ餍阅?，降低水泥砂漿與含鹽陶粒的密度差異，減弱含鹽陶粒的上浮.當(dāng)替代率增大到30%時(shí)，會(huì)使混凝土拌合物的流動(dòng)性過大，混凝土振搗后出現(xiàn)流漿.為保證含鹽陶粒混凝土具有良好的勻質(zhì)性，應(yīng)控制粉煤灰的摻量，其最佳替代率為20%.

3)在振動(dòng)能量作用下，一定時(shí)長的振搗可以使混凝土拌合物內(nèi)的水泥膠凝材料與水充分接觸，混凝土黏度系數(shù)明顯提高.當(dāng)振搗時(shí)長為90 s時(shí)，含鹽陶粒混凝土拌合物的勻質(zhì)性較好；振搗時(shí)間過長會(huì)使混凝土內(nèi)出現(xiàn)多余的自由漿體，導(dǎo)致黏度系數(shù)大幅降低.

4)優(yōu)化含鹽陶?；炷恋牟牧辖M成，嚴(yán)格控制振搗時(shí)長，可以保證含鹽陶粒的分布情況與集料替代比例關(guān)系趨于一致，含鹽陶粒的替代率越高，則混凝土內(nèi)含鹽陶粒的集中分布深度越深.