生 宸

(山東省公路設(shè)計咨詢有限公司 濟南市 250102)

0 引言

水泥混凝土路面早期強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,需對新鋪路面進行養(yǎng)生處理。混凝土路面養(yǎng)生的主要作用是為其在強度增長期內(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狀態(tài)下的混凝土的徐變量要大,這就表明濕度對混凝土產(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]。

目前我國采用的各種養(yǎng)生手段不同,主要包括噴灑養(yǎng)護劑覆膜養(yǎng)生、傳統(tǒng)覆膜補水養(yǎng)生等[6-7]。但是噴灑養(yǎng)護劑養(yǎng)生的技術(shù)現(xiàn)尚未被大范圍使用,我國當(dāng)前鄉(xiāng)村道路以及大量的低等級公路限于經(jīng)濟條件及技術(shù)手段限制,仍大量采用傳統(tǒng)的覆膜補水養(yǎng)生方式。目前針對混凝土內(nèi)部溫濕度的變化研究局限于實驗室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室中對標(biāo)準(zhǔn)試塊進行實驗或?qū)嶒炇抑心M各種不同自然條件下混凝土內(nèi)部的濕度變化,然而針對現(xiàn)場真實環(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 實驗方法及指標(biāo)介紹

1.1 實驗方法

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 實驗儀器選用及養(yǎng)生方式選擇

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

實驗路段水泥混凝土配合比如表1所示。

表1 實驗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(實驗組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(實驗組B)。

(3)傳統(tǒng)土工布+塑料薄膜3組(實驗組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,作為對比組(實驗組D)。

養(yǎng)生前均在混凝土表面灑水(實驗組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開始測定路面內(nèi)部及養(yǎng)護膜與面層間的溫濕度值,測定順序為無養(yǎng)生(實驗組D)→保濕養(yǎng)生膜(實驗組A)→塑料薄膜(實驗組B)→土工布+塑料薄膜(實驗組C)。

1.3 控制指標(biāo)的轉(zhuǎn)換

由上文所述,國內(nèi)相關(guān)學(xué)者研究方向主要集中于針對標(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)生保水作用來進行探究[10-11],相關(guān)研究大部分以相對濕度(%)作為評價各種養(yǎng)生方式優(yōu)劣的控制指標(biāo)。但是,相對濕度是實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,而水泥混凝土實際養(yǎng)生時暴露在自然環(huán)境下,一天之中內(nèi)部溫度受氣溫影響大,且陰晴云雨對混凝土面層相對濕度影響也較大,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)部絕對水汽密度這一指標(biāo)對不同養(yǎng)生方式下混凝土內(nèi)部濕度變化進行簡要分析并對其保水性能進行選優(yōu),消除了溫度對路面內(nèi)部相對濕度的影響。

2 不同養(yǎng)護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。此時混凝土表面水汽含量增加,為與外部環(huán)境達(dá)到平衡,需進行水汽的交換,此時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

在實際工程實施中,自然降雨時部分雨水會通過養(yǎng)生隔離層滲透進路面表層,對面層進行補水,這種現(xiàn)象可稱為覆膜養(yǎng)生的反向透水現(xiàn)象。對水泥混凝土路面養(yǎng)生來講,擁有好的保水性、反向透水性的養(yǎng)生方式對養(yǎng)生期內(nèi)混凝土自身強度、耐久性的發(fā)展至關(guān)重要。

3 實驗結(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。由上文所述實驗方法,對不同養(yǎng)生方式下的新攤鋪水泥混凝土路面濕度變化進行了實測,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),實驗組A與實驗組C絕對水汽密度最大,實驗組B次之,實驗組D最小。發(fā)生該現(xiàn)象的主要原因在于實驗組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,故實驗組D水汽流失最為嚴(yán)重。其他組別均有養(yǎng)生措施,故其水分流失相對較少。

養(yǎng)生70～120h時,A、B、C、D四組水汽密度下降速率變快,速率變化為實驗組D>實驗組A>實驗組B>實驗組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)致水汽量相對減少,且表層部分與空氣進行濕度交換,故會產(chǎn)生水汽量急劇減少的情況。

養(yǎng)生120～170h時,施工現(xiàn)場降下大雨。從理論上講,如現(xiàn)場不發(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,對比實驗組D變化劇烈。

養(yǎng)生170～190h時,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,實驗組A、B、C、D均開始下降,重復(fù)之前的狀態(tài)。

3.2 自然降雨狀態(tài)加密觀測分析

本實驗在養(yǎng)生120h時開始自然降雨。為探究現(xiàn)場自然降雨對各養(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再次進行一次觀測,實驗結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 自然降雨時混凝土面層下2cm處水汽密度

圖6 下雨時混凝土面層下4cm處水汽密度

由圖5所示,自然降雨時混凝土面層下2cm深度處水汽密度差異明顯,均呈增大趨勢。除實驗組D外,其他三組呈現(xiàn)先慢后快的趨勢。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。實驗組D作為對比組,面層直接與雨水接觸,水汽下滲快。當(dāng)養(yǎng)生170h時,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三組變化趨勢大體相同,水汽密度值相差不大,但呈先減小后增大的趨勢。開始數(shù)小時內(nèi)面層積水,2cm深度處水汽密度開始增大,但水汽傳到4cm深度處時仍需要一定的時間,故呈現(xiàn)圖6現(xiàn)象。作為對比組的實驗組D例外,呈上升趨勢,但上升速率小于2cm深度處。下雨時各養(yǎng)生方式保水性(即水汽密度增長率由小到大排列)排序為:實驗組C>實驗組A=實驗組B>實驗組D。

4 養(yǎng)生方式不同對混凝土強度的影響

評價并選擇最適宜的養(yǎng)生方式時,混凝土強度同樣對最終的養(yǎng)生效果產(chǎn)生重要影響,故強度也應(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,水泥混凝土強度在路面鋪筑7d內(nèi)增長很快,可達(dá)到28d強度的80%,且養(yǎng)生階段的24～72h的溫度對混凝土耐久性影響相對較大。

為探究不同養(yǎng)生方式對養(yǎng)生后混凝土抗折強度的影響,并且通過分析24～72h的溫度變化探究溫度與7d抗折強度的關(guān)系,本研究在實驗路段混凝土面層鋪筑成型后同步做出12個同養(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)生方式進行養(yǎng)生,并置于相同自然環(huán)境下(即放置在施工現(xiàn)場),7d后運回實驗室進行抗折強度檢測?？拐蹚姸葯z測結(jié)果如表2所示(每組抗折強度取3塊試塊的平均值),溫度與抗折強度關(guān)系如圖7所示。

表2 同養(yǎng)試塊養(yǎng)生7d抗折強度

圖7 不同養(yǎng)生方式下不同深度處溫度與抗折強度關(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時的平均溫度不同(無養(yǎng)生對比組D除外),其強度隨溫度呈線性增長趨勢,其相關(guān)性系數(shù)達(dá)到了96.87%。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示,采用實驗組A的養(yǎng)生方式,溫度較高時混凝土強度也相對較高,但就抗折強度本身而言相差并不懸殊,在此基礎(chǔ)上可認(rèn)為實驗組A>實驗組B>實驗組C>實驗組D。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因在于采用各養(yǎng)生方式時,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強度相對較高,24～72h內(nèi)平均溫度越低則強度相對較低。

5 結(jié)論

綜合上述實驗結(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)生齡期的增長與養(yǎng)生方式的選取無關(guān)。

(2)混凝土路面表層2cm深度處水汽密度在現(xiàn)場自然條件下受自然環(huán)境影響很大,養(yǎng)生前70h水汽密度值為實驗組A=實驗組C>實驗組B>實驗組D;70～120h開始連續(xù)陰雨,水汽密度值為實驗組C>實驗組A>實驗組B>實驗組D,變化速率為實驗組D>實驗組A>實驗組B>實驗組C。綜合考慮,若以水汽密度值最大為指標(biāo)來評價養(yǎng)生方式的優(yōu)劣,則實驗組C所采用養(yǎng)生方式(傳統(tǒng)土工布+塑料薄膜)為佳;實驗組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)濟性要求進行選用;實驗組B(塑料薄膜)、實驗組D(無養(yǎng)生)所采用養(yǎng)生方式成本上雖然經(jīng)濟但養(yǎng)生效果較差,不推薦采用。

(3)從7d抗折強度指標(biāo)來看,上述4種養(yǎng)生方式抗折強度基本均能達(dá)到要求,但24～72h內(nèi)平均溫度則有所不同,排序為實驗組A>實驗組B>實驗組C>實驗組D;參考前人研究[6-7]可知24～72h內(nèi)的溫度對耐久性影響較大。