快硬早強(qiáng)混凝土材料試驗研究

袁野真

(廣西邕洲高速公路有限公司，廣西壯族自治區(qū) 南寧 530028)

高等級水泥混凝土路面在換板維修過程中，為保證混凝土材料能達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度，一般需要養(yǎng)護(hù)3～7 d方可開放交通，目前所使用的快硬修補(bǔ)材料，施工工藝復(fù)雜，且經(jīng)濟(jì)性較差，使用摻加早強(qiáng)劑的水泥基早強(qiáng)混凝土材料，易引起收縮性裂縫[1]。本文通過摻加吸水性樹脂，同時調(diào)節(jié)混凝土中緩凝成分和早強(qiáng)成分的用量來解決這一問題[2]。該研究方法不僅改善了快硬早強(qiáng)水泥混凝土修補(bǔ)材料在施工過程中的工作性，同時兼顧了經(jīng)濟(jì)性及施工便易性，目前該水泥混凝土材料可保證在加入早強(qiáng)劑之前2 h內(nèi)坍落度保持在18 cm以上，加入早強(qiáng)劑后45 min內(nèi)可以保持坍落度在15 cm 以上，具有較為良好的施工和易性，工后無收縮裂縫，且經(jīng)濟(jì)性較高。

1 材料與方法

1.1 原材料

(1)膠凝材料：采用華潤P·O42.5硅酸鹽水泥。(2)砂子：細(xì)度模數(shù)為3.7的河沙。(3)石子：粒徑4.75～26.5 mm廣西當(dāng)?shù)厥規(guī)r。(4)緩凝劑：南寧保塌型緩凝劑。(5)早強(qiáng)劑：自主研發(fā)。(6)內(nèi)養(yǎng)生材料：吸水性樹脂[3-4]。

1.2 基本配合比

為平衡快硬混凝土材料早期強(qiáng)度上升快和塑性收縮之間的關(guān)系，采用了較高的水泥用量420 kg和較低的水灰比0.37，砂率為42%，同時加入了吸水性樹脂，用于改善超早強(qiáng)水泥混凝土材料的早期收縮裂縫，基本配合比見表1。

表1 基本混凝土配合比

2 施工配合比驗證

2.1 混凝土早強(qiáng)效果

對于水泥混凝土路面而言，強(qiáng)度指標(biāo)是控制路面施工質(zhì)量的基礎(chǔ)，本文通過室內(nèi)試驗的方式，明確該早強(qiáng)成分對水泥混凝土材料早期強(qiáng)度規(guī)律變化的影響。通過測試水泥混凝土材料12 h、24 h、36 h、48 h、3 d、7 d、28 d抗壓及抗彎拉強(qiáng)度的變化規(guī)律。

如表2所示，PT組為不摻加早強(qiáng)材料的普通混凝土材料；ZQ為摻加早強(qiáng)劑的混凝土材料，NZQ為摻加內(nèi)養(yǎng)生吸水性樹脂早強(qiáng)混凝土材料。摻加該早強(qiáng)劑的水泥混凝土材料36 h強(qiáng)度能達(dá)到40 MPa，滿足36 h通車抗壓強(qiáng)度要求，而且36 h過后混凝土強(qiáng)度增長緩慢，統(tǒng)計結(jié)果顯示各組早強(qiáng)混凝土材料36 h抗壓強(qiáng)度能達(dá)到其28 d抗壓強(qiáng)度的73%以上，養(yǎng)護(hù)36 h后對混凝土強(qiáng)度的影響逐漸減弱。從試驗結(jié)果來看，內(nèi)養(yǎng)生材料的加入，雖然在一定程度上增大了路面混凝土的孔隙率，但能夠減小平均孔徑、臨界孔徑尺寸，并使各層位之間的孔結(jié)構(gòu)更加均勻，內(nèi)養(yǎng)生材料顆粒的加入改變了混凝土內(nèi)部集料之間的摩擦機(jī)制[5-6]，改善了混凝土材料的流變特性。摻入內(nèi)養(yǎng)生材料雖然使混凝土的抗壓強(qiáng)度有所降低，但是對于水泥混凝土路面的控制性指標(biāo)抗彎拉強(qiáng)度并未產(chǎn)生明顯的影響。

表2 早強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律 MPa

表3 早強(qiáng)混凝土抗彎拉強(qiáng)度變化規(guī)律 MPa

2.2 緩凝成分對混凝土強(qiáng)度的影響

早強(qiáng)混凝土材料強(qiáng)度上升速度較快，加速混凝土材料工作性的流失，從而增加了快硬混凝土材料的施工難度。為保障施工時間，減小早強(qiáng)混凝土的施工難度，本文通過試驗添加緩凝組分對混凝土強(qiáng)度的影響進(jìn)行了試驗研究，研究結(jié)果如表4、表5所示。

表4 早強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度隨緩凝劑摻量變化規(guī)律 MPa

表5 早強(qiáng)混凝土抗彎拉強(qiáng)度隨緩凝劑摻量變化規(guī)律 MPa

通過檢測早強(qiáng)混凝土材料48 h、3 d、7 d、28 d 抗壓及抗彎拉及強(qiáng)度的變化規(guī)律，來選擇緩凝成分的摻量。試驗發(fā)現(xiàn)，36 h以內(nèi)的抗壓強(qiáng)度增長速度，隨緩凝成分摻量的增加而逐漸減小。而當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)48 h后緩凝成分對該混凝土材料抗壓強(qiáng)度增長速度的影響不再明顯。相比抗壓強(qiáng)度來說，早強(qiáng)混凝土材料的抗彎拉強(qiáng)度受混凝土中緩凝成分的影響要大一些。如圖1中顯示，當(dāng)早強(qiáng)混凝土材料中緩凝成分摻量大于2.3%時，早強(qiáng)混凝土材料的36 h抗彎拉強(qiáng)度不再滿足要求的大于等于4.5 MPa的要求。一般認(rèn)為，快硬早強(qiáng)水泥混凝土材料達(dá)到通車要求的控制性指標(biāo)為12 h抗壓強(qiáng)度不小于12 MPa，24 h抗壓強(qiáng)度不小于20 MPa，當(dāng)滿足抗彎拉強(qiáng)度大于等于4.5 MPa時可以通車。

圖1 早強(qiáng)混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律

圖2 混凝土工作性的變化規(guī)律

2.3 工作性指標(biāo)

由于高速公路水泥緩凝土路面養(yǎng)護(hù)維修過程中，均采用封閉式水泥混凝土攪拌罐車運輸混凝土材料。對于水泥混凝土路面快速修補(bǔ)施工工藝而言，運輸及施工過程中混凝土的工作性至關(guān)重要，這就對加入早強(qiáng)成分后混凝土工作性的變化提出了嚴(yán)格要求。

本文通過采用混凝土運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場后，二次摻加早強(qiáng)材料同時采用二次攪拌工藝[7]，來克服早強(qiáng)混凝土材料在運輸過程中工作性損失的問題。試驗采用的緩凝材料可以保證混凝土材料在運輸過程中的工作性不收損失。

本文通過室內(nèi)試驗測試混凝土材料在加入早強(qiáng)劑之前1.5 h內(nèi)工作性的變化規(guī)律和加入早強(qiáng)劑后70 min內(nèi)混凝土工作性的變化規(guī)律。通過改變混凝土材料中緩凝成分的摻量，來控制混凝土材料在運輸及施工過程中的工作性，減小施工難度。

根據(jù)最遠(yuǎn)施工距離計算，從原材料開始攪拌的時刻算起，到混凝土運送到施工現(xiàn)場需要73 min的時間，從現(xiàn)場澆筑到施工完成，施工一塊完整的路面板平均時間需要45 min，其中包含早強(qiáng)劑的加入及二次攪拌時間。因此混凝土材料在加入早強(qiáng)劑之前1.5 h(90 min)內(nèi)，坍落度應(yīng)保持在18 cm 以上，且加入早強(qiáng)劑之后45 min以內(nèi)坍落度保持在12 cm以上，從而爭取到足夠的運輸及施工時間。

室內(nèi)試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)減水劑摻量小于等于2.0%時，加入早強(qiáng)劑后坍落度迅速損失，不能滿足對混凝土材料施工和易性的要求，因此本次配合比驗證的過程中僅研究緩凝成分產(chǎn)量大于2.0%時早強(qiáng)混凝土材料工作性的變化規(guī)律。試驗結(jié)果顯示，當(dāng)緩凝成分摻量大于等于2.0%時滿足運輸時間1.5 h和施工時間1.0 h的規(guī)定。

2.4 應(yīng)用效果

通過在G7201南寧繞城高速公路進(jìn)行試驗澆筑，施工過程中的混凝土運輸時間62 min，現(xiàn)場澆筑使用時間35 min，施工過程中混凝土均保持良好的工作性。灑水養(yǎng)護(hù)24 h后未發(fā)現(xiàn)大面積的塑性裂縫，內(nèi)養(yǎng)生劑的摻入有效的減少了快硬混凝土材料塑性裂縫的產(chǎn)生。現(xiàn)場取出的芯樣顯示，混凝土材料飽滿密實，混合料分部均勻，無漏振現(xiàn)象，混凝土密實效果較好，且無離析現(xiàn)象。

3 結(jié) 語

(1)使用二次攪拌摻加早強(qiáng)成分，施工工藝簡單、早強(qiáng)效果明顯，同時減少了快硬混凝土材料施工過程中速凝的風(fēng)險。同時材料的經(jīng)濟(jì)性較好，相對于普通水泥混凝土而言，每立方米混凝土原材料成本僅增加人民幣30 元。

(2)早強(qiáng)混凝土材料二次攪拌摻加早強(qiáng)劑施工工藝，是解決早強(qiáng)混凝土運輸過程中，工作性損失過快，與提高混凝土早強(qiáng)強(qiáng)度之間矛盾的關(guān)鍵技術(shù)，能夠提高混凝土攪拌質(zhì)量且增加早強(qiáng)混凝土材料的施工時間。

(3)吸水性樹脂的加入可以有效改善混凝土材料的工作性，對于高水泥用量低水膠比的高性能混凝土材料效果最為明顯。在不影響混凝土抗彎強(qiáng)度的前提下，摻入吸水性樹脂可以有效預(yù)防因混凝土強(qiáng)度增長過快引起網(wǎng)裂現(xiàn)象。

(4)緩凝組分的加入，在不影響早強(qiáng)混凝土材料早期強(qiáng)度的同時，在摻加早強(qiáng)材料之后，依然能使混凝土材料保持良好的工作性，有效提高早強(qiáng)混凝土材料的施工時間。

(5)使用水泥基快硬水泥混凝土材料，施工后路面顏色與原路面顏色一致，有效改善路面修補(bǔ)之后的美觀。