施工環(huán)境下水泥混凝土路面養(yǎng)生方式選擇研究

生 宸

(山東省公路設(shè)計(jì)咨詢有限公司 濟(jì)南市 250102)

0 引言

水泥混凝土路面早期強(qiáng)度的形成與水化反應(yīng)有關(guān),新鋪水泥混凝土路面內(nèi)部水化反應(yīng)的速率、激烈程度則受其內(nèi)部溫度、濕度影響而較為復(fù)雜[1]。新鋪混凝土路面常見的病害主要包括:塑性收縮、干縮開裂等,一般均與養(yǎng)生不當(dāng)有關(guān)[2-3]。為盡量減少上述病害,需對(duì)新鋪路面進(jìn)行養(yǎng)生處理?；炷谅访骛B(yǎng)生的主要作用是為其在強(qiáng)度增長(zhǎng)期內(nèi)保持一定的水汽含量,使之不流失或盡量少流失。相關(guān)研究指出,混凝土內(nèi)部水分含量的變化會(huì)影響其質(zhì)量的改變及體積的變形即混凝土的徐變。Neville等[4]在其研究中表明:干燥中的混凝土發(fā)生的徐變比處于恒定干燥或者濕潤(rùn)狀態(tài)下的混凝土的徐變量要大,這就表明濕度對(duì)混凝土產(chǎn)生了一定的影響。水泥混凝土內(nèi)部的濕度梯度越大,其早期變形越明顯,其出現(xiàn)開裂等病害的可能性大大增加[5]。

目前我國(guó)采用的各種養(yǎng)生手段不同,主要包括噴灑養(yǎng)護(hù)劑覆膜養(yǎng)生、傳統(tǒng)覆膜補(bǔ)水養(yǎng)生等[6-7]。但是噴灑養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)生的技術(shù)現(xiàn)尚未被大范圍使用,我國(guó)當(dāng)前鄉(xiāng)村道路以及大量的低等級(jí)公路限于經(jīng)濟(jì)條件及技術(shù)手段限制,仍大量采用傳統(tǒng)的覆膜補(bǔ)水養(yǎng)生方式。目前針對(duì)混凝土內(nèi)部溫濕度的變化研究局限于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)室中模擬各種不同自然條件下混凝土內(nèi)部的濕度變化,然而針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境下的不同養(yǎng)生方式間的濕度差異的探究還很少。自然條件下的晴雨、溫度狀況十分復(fù)雜,對(duì)新鋪混凝土路面內(nèi)部水化反應(yīng)的影響較大。不同養(yǎng)生材料間的保水性和透水性不同,其養(yǎng)生效果也不同。

1 實(shí)驗(yàn)方法及指標(biāo)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

本研究擬在某公路新鋪水泥混凝土面層頂面2cm、4cm處插入細(xì)管測(cè)定該段路面養(yǎng)生7天內(nèi)的濕度變化情況,為保證細(xì)管內(nèi)水汽不與空氣進(jìn)行濕度交換,需堵住管口,如圖1所示。

圖1 埋管位置及管口塑封示意

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器選用及養(yǎng)生方式選擇

實(shí)驗(yàn)采用芬蘭VAISALA公司生產(chǎn)的HMP42型溫濕度傳感器進(jìn)行溫濕度測(cè)定,探頭直徑約4mm[8]。使用溫濕度傳感器測(cè)試時(shí),應(yīng)采用塑料膜將傳感器包裹,并將管口塞滿以保證測(cè)試時(shí)不受空氣中的水汽干擾。傳感器伸入位置示意見圖1。

實(shí)驗(yàn)路段水泥混凝土配合比如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)路段水泥混凝土材料配合比 單位:kg/m3

養(yǎng)生方式主要包括:

(1)國(guó)內(nèi)某材料公司生產(chǎn)的混凝土節(jié)水保濕養(yǎng)生膜3組(實(shí)驗(yàn)組A)?；炷凉?jié)水保濕養(yǎng)生膜是根據(jù)混凝土的水化原理,以可控高分子吸收材料為核心原料,與塑料薄膜復(fù)合而成的高新材料[9]。與普通塑料薄膜相比,其吸水率高,保水效果好。

(2)普通塑料薄膜3組(實(shí)驗(yàn)組B)。

(3)傳統(tǒng)土工布+塑料薄膜3組(實(shí)驗(yàn)組C)。

(4)在攤鋪當(dāng)天采用相同原材料、配合比形成試件3組,此組不做任何養(yǎng)生措施,作為對(duì)比組(實(shí)驗(yàn)組D)。

養(yǎng)生前均在混凝土表面灑水(實(shí)驗(yàn)組C采用先鋪土工布再灑水浸濕后鋪塑料膜的方法),并于初凝后每日下午14:00開始測(cè)定路面內(nèi)部及養(yǎng)護(hù)膜與面層間的溫濕度值,測(cè)定順序?yàn)闊o(wú)養(yǎng)生(實(shí)驗(yàn)組D)→保濕養(yǎng)生膜(實(shí)驗(yàn)組A)→塑料薄膜(實(shí)驗(yàn)組B)→土工布+塑料薄膜(實(shí)驗(yàn)組C)。

1.3 控制指標(biāo)的轉(zhuǎn)換

由上文所述,國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者研究方向主要集中于針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)生條件下新拌混凝土試件內(nèi)部濕度變化及養(yǎng)生保水作用來(lái)進(jìn)行探究[10-11],相關(guān)研究大部分以相對(duì)濕度(%)作為評(píng)價(jià)各種養(yǎng)生方式優(yōu)劣的控制指標(biāo)。但是,相對(duì)濕度是實(shí)際所含水蒸汽密度和同溫度下飽和水蒸汽密度的百分比值,而水泥混凝土實(shí)際養(yǎng)生時(shí)暴露在自然環(huán)境下,一天之中內(nèi)部溫度受氣溫影響大,且陰晴云雨對(duì)混凝土面層相對(duì)濕度影響也較大,并不能完全準(zhǔn)確地表征混凝土內(nèi)部水汽成分含量。本研究采用混凝土內(nèi)部絕對(duì)水汽密度這一指標(biāo)對(duì)不同養(yǎng)生方式下混凝土內(nèi)部濕度變化進(jìn)行簡(jiǎn)要分析并對(duì)其保水性能進(jìn)行選優(yōu),消除了溫度對(duì)路面內(nèi)部相對(duì)濕度的影響。

2 不同養(yǎng)護(hù)膜保水率及反向透水率分析

新攤鋪混凝土路面成型后,內(nèi)部水化反應(yīng)迅速發(fā)生,溫度升高,內(nèi)部水分子以氣體形式向上移動(dòng)。此時(shí)混凝土表面水汽含量增加,為與外部環(huán)境達(dá)到平衡,需進(jìn)行水汽的交換,此時(shí)若不做好混凝土的養(yǎng)生工作,易導(dǎo)致其產(chǎn)生塑性開裂等病害。表面覆膜養(yǎng)生可以在混凝土面層上產(chǎn)生一個(gè)隔離層,一定程度上阻擋水分子的溢出,并將未能溢出的水分子聚集成水膜反補(bǔ)于面層。但該種養(yǎng)生方式在混凝土面層養(yǎng)生過程中仍可能有部分水汽溢出,造成水汽損失[9]。具體發(fā)生過程如圖2所示。

圖2 覆蓋養(yǎng)生保水原理

在實(shí)際工程實(shí)施中,自然降雨時(shí)部分雨水會(huì)通過養(yǎng)生隔離層滲透進(jìn)路面表層,對(duì)面層進(jìn)行補(bǔ)水,這種現(xiàn)象可稱為覆膜養(yǎng)生的反向透水現(xiàn)象。對(duì)水泥混凝土路面養(yǎng)生來(lái)講,擁有好的保水性、反向透水性的養(yǎng)生方式對(duì)養(yǎng)生期內(nèi)混凝土自身強(qiáng)度、耐久性的發(fā)展至關(guān)重要。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 混凝土內(nèi)部濕度變化規(guī)律

其他相關(guān)專家學(xué)者研究顯示,新攤鋪水泥混凝土路面濕度變化主要集中于表面幾公分處。由上文所述實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)不同養(yǎng)生方式下的新攤鋪水泥混凝土路面濕度變化進(jìn)行了實(shí)測(cè),結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 混凝土面層下2cm處水汽密度

圖4 混凝土面層下4cm處水汽密度

對(duì)比圖3及圖4,混凝土面層下2cm深度處與4cm深度處水汽密度變化趨勢(shì)相近。混凝土面層下2cm深度處各不同養(yǎng)生方式的水汽密度變化較4cm深度處明顯,可認(rèn)為距水泥混凝土面層頂4cm左右處混凝土內(nèi)部濕度基本不隨養(yǎng)生方式的不同而變化,故本研究著重討論2cm深度處的水汽變化。

由圖3所示,齡期70h內(nèi),實(shí)驗(yàn)組A與實(shí)驗(yàn)組C絕對(duì)水汽密度最大,實(shí)驗(yàn)組B次之,實(shí)驗(yàn)組D最小。發(fā)生該現(xiàn)象的主要原因在于實(shí)驗(yàn)組D置于自然環(huán)境中,混凝土面層與空氣在表面處廣泛的進(jìn)行水汽交換,且一般空氣中的水汽含量遠(yuǎn)小于混凝土內(nèi)部,故實(shí)驗(yàn)組D水汽流失最為嚴(yán)重。其他組別均有養(yǎng)生措施,故其水分流失相對(duì)較少。

養(yǎng)生70～120h時(shí),A、B、C、D四組水汽密度下降速率變快,速率變化為實(shí)驗(yàn)組D>實(shí)驗(yàn)組A>實(shí)驗(yàn)組B>實(shí)驗(yàn)組C。此階段,混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)速率加快,內(nèi)部溫度較高導(dǎo)致水汽量相對(duì)減少,且表層部分與空氣進(jìn)行濕度交換,故會(huì)產(chǎn)生水汽量急劇減少的情況。

養(yǎng)生120～170h時(shí),施工現(xiàn)場(chǎng)降下大雨。從理論上講,如現(xiàn)場(chǎng)不發(fā)生降雨,混凝土內(nèi)部濕度變化理應(yīng)較為緩慢且趨向于穩(wěn)定。但由于降雨突發(fā),混凝土內(nèi)部在距表面2cm及4cm處水汽密度均升高,對(duì)比實(shí)驗(yàn)組D變化劇烈。

養(yǎng)生170～190h時(shí),天氣晴朗。但由于混凝土面層表面尚有積水,膜間存在透水,故曲線仍呈上升狀態(tài)。

養(yǎng)生190h后,實(shí)驗(yàn)組A、B、C、D均開始下降,重復(fù)之前的狀態(tài)。

3.2 自然降雨?duì)顟B(tài)加密觀測(cè)分析

本實(shí)驗(yàn)在養(yǎng)生120h時(shí)開始自然降雨。為探究現(xiàn)場(chǎng)自然降雨對(duì)各養(yǎng)生方式養(yǎng)生下混凝土內(nèi)部濕度變化的影響,此處每10h再次進(jìn)行一次觀測(cè),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 自然降雨時(shí)混凝土面層下2cm處水汽密度

圖6 下雨時(shí)混凝土面層下4cm處水汽密度

由圖5所示,自然降雨時(shí)混凝土面層下2cm深度處水汽密度差異明顯,均呈增大趨勢(shì)。除實(shí)驗(yàn)組D外,其他三組呈現(xiàn)先慢后快的趨勢(shì)。分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是A、B、C三組面層均有薄膜覆蓋,下雨時(shí)面層不與雨水直接接觸,而是雨水水汽逐步向下滲透,故有上述趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)組D作為對(duì)比組,面層直接與雨水接觸,水汽下滲快。當(dāng)養(yǎng)生170h時(shí),天氣放晴但氣溫不高,面層所存積水未能馬上蒸發(fā),水汽仍有下滲。

圖6所示,混凝土面層下4cm深度處A、B、C三組變化趨勢(shì)大體相同,水汽密度值相差不大,但呈先減小后增大的趨勢(shì)。開始數(shù)小時(shí)內(nèi)面層積水,2cm深度處水汽密度開始增大,但水汽傳到4cm深度處時(shí)仍需要一定的時(shí)間,故呈現(xiàn)圖6現(xiàn)象。作為對(duì)比組的實(shí)驗(yàn)組D例外,呈上升趨勢(shì),但上升速率小于2cm深度處。下雨時(shí)各養(yǎng)生方式保水性(即水汽密度增長(zhǎng)率由小到大排列)排序?yàn)?實(shí)驗(yàn)組C>實(shí)驗(yàn)組A=實(shí)驗(yàn)組B>實(shí)驗(yàn)組D。

4 養(yǎng)生方式不同對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

評(píng)價(jià)并選擇最適宜的養(yǎng)生方式時(shí),混凝土強(qiáng)度同樣對(duì)最終的養(yǎng)生效果產(chǎn)生重要影響,故強(qiáng)度也應(yīng)作為需要關(guān)注的控制指標(biāo)。如果某種養(yǎng)生方式僅能保持混凝土內(nèi)部高濕度卻降低了混凝土自身強(qiáng)度的話,同樣是不可取的。根據(jù)前人研究成果[12]可知,水泥混凝土強(qiáng)度在路面鋪筑7d內(nèi)增長(zhǎng)很快,可達(dá)到28d強(qiáng)度的80%,且養(yǎng)生階段的24～72h的溫度對(duì)混凝土耐久性影響相對(duì)較大。

為探究不同養(yǎng)生方式對(duì)養(yǎng)生后混凝土抗折強(qiáng)度的影響,并且通過分析24～72h的溫度變化探究溫度與7d抗折強(qiáng)度的關(guān)系,本研究在實(shí)驗(yàn)路段混凝土面層鋪筑成型后同步做出12個(gè)同養(yǎng)試塊。同養(yǎng)試塊以3塊為一組,分別采用前文所述四種養(yǎng)生方式進(jìn)行養(yǎng)生,并置于相同自然環(huán)境下(即放置在施工現(xiàn)場(chǎng)),7d后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行抗折強(qiáng)度檢測(cè)?？拐蹚?qiáng)度檢測(cè)結(jié)果如表2所示(每組抗折強(qiáng)度取3塊試塊的平均值),溫度與抗折強(qiáng)度關(guān)系如圖7所示。

表2 同養(yǎng)試塊養(yǎng)生7d抗折強(qiáng)度

圖7 不同養(yǎng)生方式下不同深度處溫度與抗折強(qiáng)度關(guān)系

由圖7可知,在不同養(yǎng)生方式下混凝土面層2cm深度處24～72h時(shí)的平均溫度不同(無(wú)養(yǎng)生對(duì)比組D除外),其強(qiáng)度隨溫度呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì),其相關(guān)性系數(shù)達(dá)到了96.87%。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示,采用實(shí)驗(yàn)組A的養(yǎng)生方式,溫度較高時(shí)混凝土強(qiáng)度也相對(duì)較高,但就抗折強(qiáng)度本身而言相差并不懸殊,在此基礎(chǔ)上可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)組A>實(shí)驗(yàn)組B>實(shí)驗(yàn)組C>實(shí)驗(yàn)組D。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因在于采用各養(yǎng)生方式時(shí),24～72h內(nèi)平均溫度越高,混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)越劇烈,早期7d強(qiáng)度相對(duì)較高,24～72h內(nèi)平均溫度越低則強(qiáng)度相對(duì)較低。

5 結(jié)論

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出以下結(jié)論:

(1)混凝土路面表層4cm深度處水汽密度隨養(yǎng)生齡期的增長(zhǎng)與養(yǎng)生方式的選取無(wú)關(guān)。

(2)混凝土路面表層2cm深度處水汽密度在現(xiàn)場(chǎng)自然條件下受自然環(huán)境影響很大,養(yǎng)生前70h水汽密度值為實(shí)驗(yàn)組A=實(shí)驗(yàn)組C>實(shí)驗(yàn)組B>實(shí)驗(yàn)組D;70～120h開始連續(xù)陰雨,水汽密度值為實(shí)驗(yàn)組C>實(shí)驗(yàn)組A>實(shí)驗(yàn)組B>實(shí)驗(yàn)組D,變化速率為實(shí)驗(yàn)組D>實(shí)驗(yàn)組A>實(shí)驗(yàn)組B>實(shí)驗(yàn)組C。綜合考慮,若以水汽密度值最大為指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)養(yǎng)生方式的優(yōu)劣,則實(shí)驗(yàn)組C所采用養(yǎng)生方式(傳統(tǒng)土工布+塑料薄膜)為佳;實(shí)驗(yàn)組A所采用養(yǎng)生方式(保水養(yǎng)生膜)在一定程度上可代替?zhèn)鹘y(tǒng)土工布+塑料薄膜,施工過程中可根據(jù)經(jīng)濟(jì)性要求進(jìn)行選用;實(shí)驗(yàn)組B(塑料薄膜)、實(shí)驗(yàn)組D(無(wú)養(yǎng)生)所采用養(yǎng)生方式成本上雖然經(jīng)濟(jì)但養(yǎng)生效果較差,不推薦采用。

(3)從7d抗折強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)看,上述4種養(yǎng)生方式抗折強(qiáng)度基本均能達(dá)到要求,但24～72h內(nèi)平均溫度則有所不同,排序?yàn)閷?shí)驗(yàn)組A>實(shí)驗(yàn)組B>實(shí)驗(yàn)組C>實(shí)驗(yàn)組D;參考前人研究[6-7]可知24～72h內(nèi)的溫度對(duì)耐久性影響較大。