李建鑫

(鄭州市公路工程公司,河南 鄭州 450000)

相較于常規(guī)地基土體,冬季低溫地區(qū)土體的各方面特性都較為特別,其對周邊溫度有著很高的敏感性。若將常規(guī)橋梁樁基混凝土配合比直接應用于冬季低溫地區(qū)施工,往往會導致許多不良后果。最常見的是引起橋梁各部位過大變形,使其不再滿足規(guī)范要求。當這一變形量超過了結構承受極限時,更會間接產(chǎn)生各類嚴重危害。因此,設計一種具有針對性的橋梁樁基混凝土配合比,具有非常深遠的意義。

針對低溫地區(qū)冬季橋梁樁基設計和施工,國內(nèi)學者已經(jīng)有了一定的研究成果。侯立斌[1]針對冬季橋梁施工過程中遇到的低溫環(huán)境下混凝土澆筑問題,從原材料選擇及配合比設計、混凝土澆筑過程質(zhì)量控制、混凝土澆筑后的養(yǎng)護技術等方面進行了研究,提出了有效的保溫及防凍害技術,利于施工順利進行、防止凍害發(fā)生,保證了混凝土施工效果,實現(xiàn)對裂縫的有效預防。蘇家仲[2]在橋梁的冬季施工混凝土前期準備工作基礎上,對冬季道路橋梁混凝土澆筑、養(yǎng)護技術進行了論述。劉國玉[3]對低溫地區(qū)冬季橋梁工程中所采用的樁基混凝土施工過程進行了論述,提出了一系列具有建設性的方案。向敏等[4]在水化熱領域進行了混凝土放熱試驗研究,通過有限元軟件測算出混凝土的水化熱推薦值。此外,近期學者專家對于冬季混凝土施工或者配合比方面也有一些研究成果[5-7]。

許多學者對冬季低溫地區(qū)施工橋梁樁基混凝土設計和施工進行了大量的探索工作,尤其是針對其強度和凝結硬化過程的水化熱問題進行了著重討論。但在外界溫度、外加劑摻量、水膠比大小以及礦物摻合料摻配對混凝土凝結時間的影響方面,仍存在著一定空白。因此,研究針對攪拌成型及凝結硬化時溫度、混凝土外加劑、水膠比大小以及礦物摻合料的摻配情況進行分析,分析其對橋梁樁基混凝土凝結硬化的影響,結果將對低溫地區(qū)冬季橋梁樁基的施工有重要指導意義。

1 橋梁樁基原材料

1.1 水泥

試驗采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥,對該水泥中的化學成分進行了分析,結果見表1。隨后實測了該水泥各項力學指標,結果見表2。此外,試驗采用粒度分析儀,對水泥粒度分布情況進行了測定,測試結果見圖1。

表1 水泥化學成分分析

表2 力學指標測試結果

圖1 水泥的粒徑分布測試結果Fig.1 Test results of the particle size distribution of cement

1.2 粉煤灰

粉煤灰是煤粉在生產(chǎn)過程中,燃燒后得到的粉末或者顆粒狀產(chǎn)物。試驗優(yōu)選是I級F類高性能粉煤灰,其密度是2 160 kg/m3,細度是6.9%,燒失量是0.75%,需水量比是94.1%,其主要性能指標如表3所列。

1.3 磨細礦渣

礦渣選用磨細的微粉礦渣,密度為2 693 kg/m3,比表面積為395 m2/kg,經(jīng)測試其7 d的抗壓強度可達到79.4%。

1.4 外加劑

試驗設計混凝土配合比的過程中選用了減水劑和早強劑2類外加劑。

為防止混凝土凝結過程中產(chǎn)生各類不良反應,選用了具有較強穩(wěn)定性的聚羧酸減水劑,其減水效率高,并且不含氯離子,不會對鋼筋造成腐蝕,可顯著提升混凝土的密實型和耐久性。

早強劑的主要目的是快速形成混凝土早期強度,其組分主要是由甲酸(CH2O2)、氟化鈉(NaF)、硫酸鋁(Al2(SO4)3)以及三乙醇胺((HOCH2CH2)3N)組成,在配制使用的過程中加入熟石灰粉。

表3 粉煤灰化學成分

2 試驗方法

測試使用低溫測試室來模擬低溫地區(qū)冬季的自然條件。首先取用5 mm標準篩,從新拌混凝土中篩分砂漿,采用紅外測溫儀得到其初始溫度,在此過程中要盡量控制時間在較短范圍內(nèi)。接著將砂漿和水泥維卡儀一起放入低溫試驗室中,并手動設置好低溫試驗室的溫度,具體為0 ℃、-5 ℃以及-10 ℃3個檔次。試驗過程中不斷檢測砂漿溫度變化情況。

0.5 h后取出砂漿和水泥維卡儀,當滿足試針停止下降,或者當試針0.5 min內(nèi)下沉到距離下底面4 mm的時候,認為砂漿達到初凝狀態(tài)。水泥初凝時間即為加入拌合水至初凝狀態(tài)之間所耗費的時間。為得出有效結論,試驗每隔15 min測量一次溫度數(shù)據(jù)并加以記錄。

完成砂漿初凝時間測定工作后,將測試薄膜和砂漿以平移的方式從玻璃板翻轉(zhuǎn)過來,并將直徑較大的一端朝上,置于玻璃板上。接著將砂漿和水泥維卡儀一起放入低溫試驗室中。當試針沉入砂漿的距離達到0.5 mm時,認為砂漿達到了要求的終凝狀態(tài),并且要求圓模不得在終凝砂漿上留下痕跡。

試驗除了模擬環(huán)境溫度對低溫地區(qū)冬季橋梁樁基混凝土的凝結時間產(chǎn)生影響外,還綜合考慮了有關配合比設計過程中涉及到的各類原材料占比所帶來的影響。試驗考慮控制的配合比參數(shù)包括礦物摻合料占比、減水劑摻量、早強劑摻量以及水膠比。通過控制變量,得出各影響因素對試驗砂漿初凝時間和終凝時間的影響。

試驗設計的控制條件如表4所列。

表4 試驗擬定的控制條件

3 試驗結果分析

試驗在室內(nèi)搭建起低溫環(huán)境用于模擬低溫地區(qū)冬季的環(huán)境,使用水泥維卡儀對混凝土的初凝、終凝時間進行了測試,從而得出了不同的低溫環(huán)境對樁基混凝土凝結時間的影響?？刂苹炷恋呐浜媳雀鲄?shù),在低溫環(huán)境下,對混凝土初凝、終凝時間進行測定,同時記錄混凝土外部環(huán)境溫度和內(nèi)部溫度的變化情況,探尋其中的變化規(guī)律。

3.1 混凝土的內(nèi)外溫度

在低溫地區(qū)冬季的實際施工條件下,橋梁樁基混凝土初凝和終凝時間會受到明顯影響,研究3種模擬溫度環(huán)境下的混凝土凝結時間影響規(guī)律,同時記錄混凝土外部環(huán)境溫度和內(nèi)部溫度的對比變化情況,試驗結果見圖2。

由圖2可知,實驗室模擬的溫度與混凝土內(nèi)部溫度并不重合,一是由于溫度設置后的溫度遞減過程,故不能做到實時性;二是因為水泥水化過程中會放出熱量,從而導致溫度下降的速率減緩。不同外部模擬溫度下,隨著預設溫度越來越低,其降低曲線的斜率逐漸增大,混凝土內(nèi)部的溫度降低速率也呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律。最終二者在時間達到2 h處趨于一致。

圖2 混凝土外部和內(nèi)部溫度對應變化Fig.2 External and internal temperature of concrete

3.2 溫度對凝結時間的影響

從試驗結果可以看出,每組混凝土在不同低溫環(huán)境下,隨著環(huán)境溫度的降低,混凝土初凝、終凝時間都是逐漸延長的,如圖3所示。

如編號為1的混凝土組,在常溫(20 ℃)環(huán)境下的水化速度很快,初凝、終凝時間分別為58 min和88 min。當混凝土外部的模擬溫度逐漸隨著時間降低后,其凝結時間顯著變長,在0 ℃時,其平均增長率約為46%。當溫度持續(xù)降低至-5 ℃甚至-10 ℃時,該增長率更是達到了64%和73%。這歸結于溫度下降,抑制了水泥水化的速度,其根本原因是水泥中各化學組分的化學活性降低,從宏觀上表現(xiàn)為凝結時間的增長。

3.3 配合比對凝結時間的影響

(1) 外加劑的影響 圖4總結了外加劑(包括減水劑和早強劑)樁基混凝土凝結時間的影響。減水劑不會改變混凝土凝結時間隨外部溫度改變的大致規(guī)律:隨溫度下降,樁基混凝土初凝時間、終凝時間持續(xù)上升。從圖4中可以發(fā)現(xiàn),隨著減水劑摻量的提高,混凝土總體凝結時間逐漸提高。在外部溫度達到0 ℃的條件下,其摻量對凝結時間的影響主要體現(xiàn)在終凝上。當其摻量從1%提高至2%時,隨著外部溫度的下降,混凝土初凝時間增幅分別是15%、13%以及8%,對應的終凝時間增幅為26%、17%以及13%。

圖3 溫度對凝結時間的影響Fig.3 Effect of temperature on setting time

圖4 外加劑對凝結時間的影響Fig.4 Effect of admixture on setting time

早強劑對樁基混凝土凝結時間的影響主要體現(xiàn)在初凝時間上。因為早強劑的原理是加快混凝土的早期強度發(fā)展,即加快水泥水化的速度。隨著時間的推移,混凝土的內(nèi)外溫度逐漸接近,其效能逐漸降低。因此在樁基混凝土的施工過程中應保證其溫度條件。

(2) 礦物摻合料的影響 研究表明[8],粉煤灰的摻加可以改善混凝土使用性能,延長其凝結時間。礦物摻合料的摻加將整體提升樁基混凝土的凝結時間,且提升比率隨著外部溫度的提高越來越大。而隨著溫度的下降,其對凝結時間的影響也會相應縮小。

(3) 水膠比的影響 研究水膠比對樁基混凝土凝結時間的影響情況,可以發(fā)現(xiàn):隨著水膠比提升,混凝土的凝結時間總體上稍有一定的延長,而且僅限于較低溫度條件下。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是:當樁基混凝土配合比中的水膠比較低的時候,決定了其中含水量較低,從而受到溫度的影響不明顯[9]。當水膠比提升后,其含水量上升,并且在低溫的雙重作用下,其凝結速度才會產(chǎn)生較為明顯的降低,體現(xiàn)為初凝和終凝時間的延長。

4 結論

通過模擬各種配合比條件下樁基混凝土凝結狀況,并對其進行凝結時間的測定,探究了冬季低溫地區(qū)土體中橋梁樁基混凝土的施工影響因素,得到了以下結論:

(1) 外界溫度與混凝土內(nèi)部溫度并不重合;

(2) 溫度的下降,抑制了水泥水化的速度,其根本原因是水泥中各化學組分的化學活性降低,從宏觀上表現(xiàn)為凝結時間的增長;

(3) 減水劑不會改變混凝土凝結時間隨外部溫度改變的大致規(guī)律,早強劑對樁基混凝土凝結時間的影響主要體現(xiàn)在初凝時間上;

(4) 隨著溫度的下降,其礦物摻合料對凝結時間的影響也會相應縮小,水膠比的提升總體上會延長混凝土的凝結時間。

除了對混凝土凝結時間的影響外,低溫環(huán)境下的凍土對樁基混凝土的其他各方面性能也有著一定的影響,有待進一步進行探究。