引气剂在水泥混凝土路面滑模施工中的应用研究
摘 要 结合水泥混凝土路面滑模施工工程,讨论引气剂在水泥混凝土路面工程中的作用,分析道路混凝土使用引气剂的经济效益,提出道路引气量的施工控制技术。工程实例证明引气混凝土是技术上可行且经济上合理的路面结构体。
关键词 引气剂 水泥混凝土 路面工程 滑模施工
水泥混凝土路面的滑模施工技术是当今世界上施工速度最快,工程质量最高,施工规模巨大的现代化、机械化和智能化先进技术。规范要求滑模摊铺混凝土要保证作业一遍满足所有技术要求,前提是施工性要好,摊铺施工后边缘稳定且不溜角塌边。这是水泥路面滑模施工的主要问题,它要求新拌混凝土有良好的工作和易性且有足够的粘聚力。文中结合实际工程和现有设备,在混凝土中加入引气剂以研究和解决这一矛盾,使水泥混凝土路面滑模施工满足规范要求。
1 引气剂在水泥混凝土路面工程中的作用
从水泥混凝土路面工程实践可知,引气剂不仅引水并且具有普通减水剂的6%~8%减水率;可增大新拌混凝土的粘聚性,改善和易性,防止泌水离析,提高混凝土的匀质性;滑模摊铺的路面光滑密实、平整度高、外观规整;抗弯拉强度提高10%~15%,降低抗弯拉弹性模量和结构刚度,减少了干缩和温缩变形,提高抗冻性和抗渗性,缓解碱集料反应和化学侵蚀膨胀,改善路面混凝土的耐候性,增强耐久性,有利于提高混凝土的路用品质。这也是建议在道路混凝土中大力推行使用引气剂,并规定在所有水泥混凝土路面工程中必须使用外加剂的原因,有助于从混凝土材料性能上保证道路混凝土工程的质量。
1.1 改善道路混凝土工作性和流变性
由于引气剂具有减水作用,在混凝土中产生大量直径在微米量级的微气泡有润滑作用,使引气混凝土塌落度增加。试验证明,随着混凝土含气量的增加,坍落度线性增大。引气剂改善了新拌混凝土的静态流动性和可塑性,具有较好的易密性。混凝土中加入引气剂,随着含气量的增加,新拌混凝土内部表面张力增加,拌和物粘聚性增加,振动粘度系数增加,有利于防止混凝土在运输、卸料、摊铺过程中发生离析和泌水现象。实践证明:
(1)含气量超过3%时,混凝土内部表面张力仍在上升,而气泡的特殊效益的作用更大,导致振动粘度系数下降。
(2)微珠作用有利于新拌混凝土较快地被振捣密实,易密性提高,有利于防止滑模混凝土路面出现麻面现象。引气混凝土的可滑性、稳定性、易
密性和振动流变性能大大改善。
(3)引气剂混凝土的泌水和离析减少,表明其具有较大的内聚性,混合料的稳定性大大增加,施工得到的混凝土匀质性将更好,有助于改善硬化后的混凝土力学性能、路面板的抗破坏能力及耐久性。
从工程实践可知,道路混凝土往往要求在低流动性和小坍落度条件下施工,其密实度受工作性优劣的影响比其他大流动性混凝土要大得多,故道路混凝土广泛使用引气剂是很有必要的。
1.2 降低道路混凝土抗折弹性模量
从实验得知,混凝土加入引气剂,随着含气量的增加,混凝土的抗折弹性模量下降较快。由此可以看出,对道路混凝土的刚性路面来说,在不降低抗折强度的条件下,降低材料的刚性和增加其柔韧性,解决刚性与强度之间的矛盾,只有掺加引气剂才能够实现。
降低混凝土路面抗折弹性模量的好处在于:
(1)当荷载、干湿、温度等引起的翘曲变形一定时,混凝土路面板内产生的弯曲疲劳应力水平低,翘曲循环破坏的几率小,有利于保持各种因素作用的路面完好率。
(2)当荷载应力一定时,抗折弹性模量小,弯拉应变大,路面的柔韧性好,有利于降低材料脆性、混凝土路面刚度,提高道路的行车舒适性。
1.3 减少道路混凝土干缩变形
道路混凝土的干缩变形一般占温度和湿度应变的大部分,因此混凝土的变形性质仅指其干湿变形。在控制混凝土的水泥用量和坍落度的条件下,从实验可知,由于引气剂的减水作用,使单位用水量减少,混凝土28 d的干缩存在一个低谷,大约在含气量2%~4%时,干缩变形现象明显减小,6%的含气量与非引气剂混凝土干缩变形相同,符合国内外的一般实验规律。
(1)含气量在4%以内,混凝土的干缩变形取决于单位用水量和水灰比。在50%的相对湿度条件下,硬化混凝土干缩产生的原因是由于水分从水泥浆中毛细孔散失,毛细孔水分的表面张力对孔壁所产生的拉力所致。单位用水量大,保留在毛细孔中的水分多,可供散失的水分多,则干缩大,反之干缩变形小。
(2)含气量超过6%,毛细孔水分散失的速度不取决于单位用水量,而是逐渐决定于气泡的间隔厚度,即气泡间距大大减小,水分散失速度加快,干缩变形因含气量太大而增加。
(3) 6%含气量范围内,干缩变形均不会比非引气混凝土大。
(4)干缩变形最小的含气量为2%~4%,与抗折强度峰值基本一致,两者均具有一个最佳含气量,有利于控制两者同时达到。
1.4 减少混凝土热扩散系数和热传导系数
混凝土的温度变形比干缩变形小一个数量级。从国外的研究可知,若含气量增加,则混凝土的热扩散系数和热传导系数减小。研究成果表明,对于暴露在日照下的水泥路面结构,采取减少混凝土温升应力和温度翘曲变形是有利的。我国现行水泥混凝土路面设计规范规定,确定路面厚度时必须考虑由于温度翘曲应力疲劳对路面使用性能的影响。因此,在水泥混凝土滑模摊铺过程中,掺入引气剂,势必使路面混凝土的热扩散系数及热传导系数变小。结果,在强烈日照条件下,将高热量阻隔在路面结构以外,无疑将减少温度翘曲变形和计算温度疲劳应力值,改善了路面结构的耐热性,对延长水泥混凝土路面的使用寿命是有益的。
1.5 引气混凝土可满足设计抗折强度和施工抗折强度保证率要求
从工程实验可知:
(1)引气砾石混凝土抗折强度与含气量之间表现为二次方关系。
(2)抗折强度较高时的含气量大约在3%~6%之间。
(3)引气与不引气的砾石混凝土抗折强度相比,抗折强度可提高15%~20%。工程实践证明,上述试验结果在一般的混凝土强度范围内具有普遍性,是引气混凝土材料的基本规律。特别是砾石混凝土提高抗折强度极为困难的条件下,引气混凝土抗折强度可提高15%~20%,使道路混凝土不仅满足设计抗折强度的要求,而且满足一定的施工强度保证率,提供了一种经济合理且简易可行的方法。引气混凝土的抗折强度有较大的提高,其理由是:
(1)混凝土的抗折破坏主要是受弯拉应力控制,而弯拉应力对混凝土界面结构和匀质性更敏感。
(2)含气量在3%~5%时,由于水泥浆总体积增大,工作性改善,离析和泌水减少,引气混凝土均匀性高,抗拉强度和抗折强度都受弱截面的材料控制。很显然,引气混凝土均匀性提高,其抗折强度离散性就小,则抗折强度提高。
(3)适宜的含气量范围,生成气泡占用或夺取本来聚集在界面区的水分,使界面结构改善,增强了界面的抗拉能力,提高了抗折强度。
在混凝土中加入引气剂,除了具有上述作用机理之外,还有对混凝土抗磨性影响并不大,有利于提高混凝土抗渗性,缓解硫酸盐侵蚀和碱集料反映化学膨胀性破坏的作用。
2 引气剂的使用经济效益
在混凝土中加入引气剂的用量很小,一般为(1~50)×10-4以内,费用很低,而引气混凝土具有显著的技术经济效益。例如,将混凝土含气量控制在4%,将使混凝土总量节省4%,引气剂的费用仅占节省混凝土费用的1/4~1/3。因此,道路混凝土采用引气剂,不仅技术上先进,经济上也具有相当显著的效益。
3 道路混凝土含气量的施工控制技术
在道路滑模摊铺及其他方式施工的水泥混凝土路面中,上述使用引气剂会带来许多优异的路用性能,还必须从原材料、混凝土的搅拌和水泥混凝土路面的摊铺等方面,进行卓有成效的含气量控制和监测工作。
3.1 确定含气量与引气剂掺量的关系
根据实验可知,碎石混凝土或砾石混凝土,采用某种引气剂和特定的搅拌工艺,引气剂掺量与含气量之间的关系显示正比线性。因此,控制水泥混凝土含气量,必须根据水泥混凝土路面工程的实际和可能,按使用经验技术要求选择适宜的引气剂种类,通过试验将适宜含气量对应的引气剂剂量范围确定下来。
从工程实践可知,当水泥混凝土路面工程选定了原材料和配合比,并确定了采用某种引气剂后,欲达到的含气量均可以通过引气剂使用剂量的调整加以实现。这是目前国内外所采用的最重要、最便捷的含气量调控手段。
3.2 混凝土配合比设计中考虑引气剂的影响道路引气水泥混凝土配合比设计计算时,如采用体积法,应计入含气量的体积分数。同时,要修正普通混凝土配合比设计所得参数,即根据气候条件和路面性能对含气量的要求,根据粗集料最大粒径,选定和调整适宜于砂的细度模数、坍落度不同和不同含气量的砂率和单位用水量。
3.3 及时监测和调整原材料及配合比变化对含气量的影响从实验可知,坍落度及坍落度损失值与新拌混凝土含气量之间存在线性关系。坍落度变动于±0.5 cm之间,一般属正常测量误差。若其变动超过此正常范围,不仅应寻找波动原因,而且应同时测含气量,看是否已发生了超过允许波动范围(0.5%~1.0%),并随时调整。因此,在水泥混凝土路面施工过程中,由于工地条件的局限性,经常检测含气量往往受到限制时,作为一种辅助手段,可以将坍落度及其损失的变动作为含气量变化的参照信号。
3.4 规定施工环节的操作规程和工艺制度工程实践可知,水泥混凝土路面各施工环节对含气量有一定程度的影响,并具有一定的规律性。因此,为了控制施工过程中各影响因素对混凝土含气量的不利作用,应严格规定混凝土搅拌制度,确定运输、摊铺、振捣、抹面各工艺环节的操作规程和注意事项。尤其应注意到:
(1)施工过程中的含气量损失,通过摊铺现场与搅拌机出口的含气量对比测量,确定含气量损失数量,适当加大引气剂的掺量,使施工过程中的有限含气量损失得以补偿,满足施工后路面混凝土预期含气量数值。
(2)固定施工工艺制度和操作规程,可使含气量的施工变异最小。
4 工程实例
广东省梅州市某公路14.36 km长,单边两车道宽2×4 m摊铺水泥混凝土路面。路面工程设计要求:水泥混凝土采用集中搅拌,自卸汽车运输,滑模摊铺机摊铺的现代施工方法。为了减少混凝土水灰比和增加混凝土工作和易性,在混凝土配合比设计中采用了2.66%的FDN-200高效减水剂,并在试验室取得了较好的效果,同时在公路K11+000~K10+800左幅200 m实施路面混凝土摊铺试验路段。试验路施工发现:
(1)成品混凝土在运输过程中已产生较严重的泌水离析现象。
(2)摊铺机摊铺100 m后,从表观上已显示水泥混凝土路面的不均匀状态。
(3)部分区域出现麻面和塌边现象。
(4)从试验路段混凝土抗折试验和抽芯劈裂试验结果可知,混凝土的抗折强度呈不均匀分布,未能达到规范要求。
根据试验路段出现的情况,分析其原因,认为在混凝土中有必要加入松香系引气剂,重新进行混凝土配合比试验。通过改进的混凝土配合比试验和施工可知:
(1)引气剂质量检验的摇泡试验应推荐在水泥稀浆条件下的摇泡。因为试验发现,不同的引气剂在水泥稀浆和水中气泡的产率、细密度和稳定性差别较大,有时会产生误判,而水泥稀浆比水中更符合混凝土中的情况。
(2)解决了混凝土在运输过程中的泌水离析现象,卸料后呈均匀细密状,有利于摊铺机施工。
(3)从现场各点取样测出成品混凝土摊铺前的含气量为3%~3.8%。
(4) K100+900~K10+800段的混凝土抗折强度和劈裂强度(加引气剂后)明显比K11+000~K10+9009段(未加引气剂)要高,并且均匀分布。
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