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        滑模攤鋪路面水泥混凝土施工性評價及氣泡結構變化對流變性能影響研究

        2018-01-30 09:45:16胡師杰凌海宇蔡正森
        河北工業(yè)大學學報 2017年6期
        關鍵詞:減水劑氣量滑模

        胡師杰,凌海宇,蔡正森

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

        0 引言

        我國現(xiàn)階段水泥路面占有很大比例,是我國道路的主要結構形式之一,滑模攤鋪水泥混凝土路面具有攤鋪速度快,全過程自動化控制等優(yōu)點,現(xiàn)已被廣泛采用[1].自20世紀80年代開始引進滑模攤鋪機[2]后對混凝土材料施工性能的研究絡繹不絕[3].施工過程中混凝土材料的施工性能十分關鍵;施工性能主要為其在工程施工現(xiàn)場攤鋪時的具體表現(xiàn),目前對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輸、鋪筑、振實、抹平過程中達到密實和穩(wěn)定的性能.

        我國目前在滑模攤鋪施工中主要采用現(xiàn)場實測坍落度為主要控制指標[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.柯國矩等在2016年提出了針對混凝土液化效果的評價方法以及表征混凝土工作性的指標—出漿量;通過對不同坍落度下混凝土的立模性能試驗得出最合適的坍落度[5].經振動后的水泥混凝土材料可塑性加強,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,滑模施工時拉裂、麻面等現(xiàn)象的出現(xiàn),與其振動密實后的出漿量息息相關,混凝土振動液化現(xiàn)象與混凝土內部受力息息相關;由于引氣混凝土內部的氣泡可以起到軸承和潤滑作用,因此集料顆粒之間的嵌擠力與內摩阻力與混凝土氣孔分布、氣孔孔徑有很大關系,引氣劑引入氣泡可以改變混凝土內部受力狀態(tài),進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不同,討論引氣劑摻量對工作性和內部孔隙結構的影響意義不大,而混凝土內部含氣量的變化對其氣泡結構變化產生影響進而影響其施工性能.本文在前人研究基礎上對含氣量變化對混凝土施工性能以及由內部氣泡結構變化導致的流變性的影響進行了研究.

        1 實驗材料及實驗方法

        1.1 實驗原材料的選用

        本試驗選用的水泥為北京金隅P·O42.5普通硅酸鹽水泥;細集料為北京西田陽砂場中砂,細度模數2.67,級配范圍符合GB/T 14684-2001《建筑用砂》中II區(qū)級配的要求;粗集料選用4.75~26.5 mm連續(xù)級配碎石,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,其摻量按水泥的質量來計算.各實驗用配合比可見后文敘述.

        1.2 實驗方法

        1.2.1 立模特性測試方法

        滑模施工水泥混凝土路面對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)有的混凝土對工作性的測試方法有一定的局限性,本文采用立模特性檢測箱進行相關實驗.立模試驗箱的主要功能是模擬滑模攤鋪施工成型后的路面板,通過抽取兩側擋板并測試兩側的坍邊高度來反映混凝土的立模性能.該試驗裝置為底面積30 cm×50 cm,高30 cm,側壁可向上抽出的槽形容器.如圖1所示.

        1.2.2 混凝土振動出漿量實驗

        如圖2所示,本文采用柯國炬等[1]在研究混凝土振動液化性能時采用的相關實驗儀器進行振動出漿量實驗,此處不再贅述.

        圖1 立模特性實驗Fig.1 Modeling characteristics test

        圖2 出漿量實驗Fig.2 Test of the quantity of mortar

        2 水泥混凝土材料施工性能評價

        2.1 水泥混凝土最佳坍落度的確定

        通過調整減水劑摻量可以調整混凝土坍落度[6],為研究其施工性能,對其立模特性與坍落度的影響關系進行實驗.實驗用混凝土配合比見表1.

        由于本實驗在實驗室中進行,為充分模擬施工現(xiàn)場的各項條件混凝土坍落度值測定采用經時坍落度,即混凝土出機后置于容器內用濕布覆蓋,30 min后對其進行坍落度測定,同時進行立模性能試驗.實驗結果如圖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水泥混凝土坍落度的要求較為嚴格.

        2.2 不同坍落度水泥混凝土液化效果實驗

        水泥混凝土的振動液化效果決定了攤鋪施工過程中混合料的工作性,為驗證其液化效果,本文仍采用上述配合比進行實驗,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方法》標準進行坍落度測試,同時進行液化效果評價試驗.

        由表2、表3可知,1、4號在保持減水劑摻量相同時,摻入引氣劑后其坍落度增加,其出漿量則增長,說明引氣劑的摻入對坍落度的影響較大;對比2、3、4號可知當引氣劑摻量一定時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,可認為減水劑的增加對出漿量產生了抑制作用.

        由上文所述可知引氣劑摻入后的混凝土含氣量對坍落度的影響較大,為驗證含氣量對坍落度、出漿量的影響,再次進行實驗,控制混合料減水劑摻量為0.6%,實驗結果如表4、表5.

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

        由圖4所示實驗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趨勢,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,在振搗前含氣量大于4.8%時出漿量的增長明顯加快,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鍵參數之一,宜控制在4.8%左右.綜合對比圖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%左右時可大幅提高其出漿量.

        表1 實驗配合比設計Tab.1 Proportions mix of concrete

        圖3 坍落度與坍邊高度關系Fig.3 Relationship between concrete slump and collapse height

        表2 實驗配合比設計Tab.2 Proportions mix of concrete

        表3 水泥混凝土液化實驗結果Tab.3 Cement concrete liquefaction experiment results

        表4 實驗配合比設計Tab.4 Proportions mix of concrete

        表5 水泥混凝土液化實驗結果Tab.5 Cement concrete liquefaction experiment results

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

        3 含氣量對水泥混凝土內部孔結構變化及其對流變性影響

        新拌混凝土是一種多相混合物,隨水化反應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,在此基礎上水泥混凝土即發(fā)生了硬化,強度隨之逐步穩(wěn)定.控制混凝土流變性的主要指標包括:坍落度、振動出漿量、屈服強度、塑性黏度等,由上文所述,摻入引氣劑后含氣量的變化對水泥混凝土的振動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道路用低坍落度水泥混凝土含氣量的影響及其孔結構對水泥砂漿流變性能的影響,本研究做出以下實驗.

        采用上文相同級配進行實驗,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,本文測量混合料振搗前、后的含氣量,振搗時間為30 s,振搗頻率為100 Hz.并測量振搗后的氣泡參數,材料級配及實驗結果如圖6~圖8所示.

        經實驗,其轉速與扭矩關系如圖9所示.

        圖6 振搗前、后含氣量對比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Fig.8 Bubble spacing factor after vibrating

        圖9 扭矩與轉速關系圖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,主要因為摻入引氣劑后在拌合過程中水泥水化熱、水化反應速率更為明顯,氣泡生成量增加導致其振搗前水泥混凝土含氣量的增長[7];振搗后水泥混凝土內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%時隨摻量的增加下降速率較快,而摻量大于0.5%時含氣量下降緩慢.

        由圖7、圖8所示,振搗后的氣泡平均直徑、氣孔間距系數隨含氣量的增大而增大,經振搗后的混凝土含氣量大于3.2%時,其變化速率均發(fā)生突變,曲線上升斜率變小,即在此區(qū)間上混凝土內部氣泡變化對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于混凝土坍落度產生影響,綜合上文,可認為振搗后混凝土含氣量應控制在3%~3.2%.

        由圖9所示,隨含氣量的不同的增加,其塑性黏度、屈服應力隨之減小,且當振搗后含氣量在3%~3.2%內兩指標變化相對緩慢,含氣量達到3.6%時,其屈服應力增長速率變快.隨著引氣劑的摻入,砂漿流動度得到大幅提高,

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

        4 結論

        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)滑模施工前應對混凝土材料的含氣量進行檢驗,保證混合料含氣量的穩(wěn)定.

        3)控制實驗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%時為佳.

        4)實驗表明,振搗后的水泥混凝土的內部含氣量升高,導致其氣泡平均直徑、氣孔間距系數,導致其屈服強度、塑性黏度均增大,含氣量在3%~3.2%時其孔隙結構適中,坍落度、出漿量均適宜滑模攤鋪.高頻振搗對含氣量具有一定的抑制作用,對其流變性產生影響.

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