新拌混凝土振动粘度研究及在滑模摊铺技术中的应用
傅 智 王彦莹 杭伯安
[交通部公路科学研究所,北京,100088]
摘 要:将静态斯托克斯粘度定律拓宽应用到新拌混凝土振动状态结构粘度系数的测试上,建立了气泡上浮法的振动粘度系数的测试理论和方法。该方法的实验结果与理论计算相吻合。同时,将其应用在滑模摊铺混凝土路面防止塌边与麻面;滑模摊铺机工作机构的工艺设计;滑模摊铺机的施工操作以及滑模摊铺混凝土路面混合料的配合比和施工工艺参数的控制上。
关键词:新拌混凝土,振动粘度理论,滑模摊铺,水泥混凝土路面
中图分类号:U414;U415.6
滑模摊铺机施工高等级公路水泥混凝土路面是当代最先进的机械化、智能化快速施工方式,它采用高频振捣棒组振动密实,挤压成型路面工艺,是将布料器、松方控制板、振捣棒组、夯实杆、挤压底板及侧模板等机件通过传感器装配成一个可机动行走的整体,其最主要的工作部件是振捣棒组,工作对象是新拌滑模混凝土,要使滑模摊铺机施工出优质的水泥混凝土路面,新拌混凝土在振动条件下的流变学性能研究就显得特别重要。
研究新拌混凝土振动粘度理论的目的是为了确定滑模摊铺机施工水泥混凝土路面的合理施工工艺流程,工作部件正确的设定参数及滑模摊铺机的设计和操作,防止滑模摊铺水泥混凝土路面的主要病害:塌边和麻面[1],保证滑模摊铺水泥混凝土路面的工程质量。
国内外使用最多和最广泛的滑模摊铺新拌混凝土工作性控制方法是塌落度,但实践证明,这个指标对于控制大粘聚性、低塌落度的滑模混凝土效果不理想。存在下述问题:
(1)塌落度是静态工作性参数,无法说明振动中新拌混凝土表现的性能。静态测试方法和振实施工之间本身不一致。这一点,许多专家认为存在着不适应问题[2]。并非不想改变,是苦于没有找到更好的新拌混凝土振动结构粘度测试理论与方法。
(2)塌落度作为路面这种半干硬性混凝土工作性定量控制指标的有效性较差,国外有些滑模摊铺机给出的工作性指标是0~5cm,0塌落度包含了VB值5~30s的半干硬和干硬性混凝土范围。另外,塌落度试验的误差较大,达±1cm。
(3)施工过程中塌落度的损失问题,未能解决好,特别在夏季施工并使用减水剂时,经过新拌混凝土运输、卸料和等待,塌落度损失后的机前混凝土能否振实,用塌落度无法判断。鉴于塌落度对新拌滑模混凝土流变学性能控制的上述不足,我们在国家“八五”重点科技攻关项目《滑模摊铺水泥混凝土路面材料和施工工艺研究》专题中[1,3,4],开展了对新拌混凝土流变学特性的工艺理论研究工作,得到了新拌混凝土在振动状态气泡上浮法的结构粘度测试方法,作为滑模摊铺水泥混凝土路面的施工工艺理论基础。它是滑模混凝土施工工艺理论的核心内容,也是滑模摊铺机与新拌滑模混凝土相互作用机理的重要组成部分。
1 新拌混凝土振动粘度系数测试理论及实验
1.1 新拌混凝土振动状态下的现象观察
在振实之前,新拌混凝土是松散的由砂浆包裹着的粗集料的堆聚体,较大颗粒的架空起拱作用使之稳固。架空所产生的空隙最大可达30%左右。当这个堆聚体受到适当的振动,振动脉冲液化了砂浆,降低了粗集料之间的内摩擦力,使其借助重力下沉至更稳定的位置。外观表现为混凝土的垂直塌落。继续振动新拌混凝土进入排气的第二阶段,这时混凝土已经液化,由散粒堆聚体转化为浓稠厚重类似液体的固、液、气三相共存的混合物系,随着振动时间的延长,较大空气泡和气囊不断地在混凝土中上升、合并,最后从上表面排出。
新拌混凝土的振实是一个连续的过程,这个过程结束,绝大部分较大的气泡排放完毕。实验表明,此时,新拌混凝土的含气量,若不专门加引气剂引气,仅有0.2~0.4%。经过对新拌混凝土排气过程的分析,想到利用新拌混凝土在振动过程中的排气,人为引入若干气泡,置于新拌混凝土底部,在混凝土受到振动时,引入的气泡也将与混凝土中原有的气泡一样,会自动上浮并从上表面排出。利用排气原理,测量出新拌混凝土的振动状态的结构粘度系数。
1.2 基本假定
(1)采用平板式振动台,新拌混凝土处在简谐振动状态下,振源的振动能量、振动力及振动烈度符合简谐振动的一般规律[5]。振源的最大振动加速度为:
 中间直线为空白砾石混凝土,单位用水量160kg,水灰比0.4638,砂率32%,塌落度1.2~4cm,平均振动粘度系数η=174Ns/m²,平均容重ρc=2.226g/cm³。
理论线H= 0.9628T(4)
统计线H= 0.9321T(5)
相关系数γ= 0.9932,组数:N= 14靠近T坐标的直线是加减水剂木质素磺酸钙M=2.5‰,引气剂ML1=1/万的砾石混凝土,用水量136kg,水灰比0.3942,砂率32%,塌落度1.5~4cm。η=327.6Ns/m²,ρc=2.318g/cm³。
理论线H= 0.5333T(6)
统计线H= 0.5255T γ= 0.9693 N= 13 (7)
靠近H坐标的直线是加粉煤灰40%的砾石混凝土,用水量174.8kg,粉煤灰140kg,水泥210kg,水胶比0.4994,砂率32%,塌落度8.5~17.5cm。η=54.88Ns/m²,ρc=2.1564g/cm³。
理论线H= 3.000T(8)
统计线H= 2.996T γ= 0.9867 N= 10 (9)
上述实验显示出理论线与实验线相吻合。相关系数高达0.96~0.99。更多的实验表明,碎石混凝土及砂浆也具有同样的直线关系。气泡上浮高度和时间关系表明,振动条件下混凝土和砂浆是似液物体,气泡在上浮过程中确实作匀速运动,理论研究中提出假定2与试验结果一致。在特定稠度的新拌混凝土和砂浆中,气泡的上浮速度是常数。
1.4.2 振动粘度系数η与气泡上浮速度V的关系
新拌砾石混凝土振动粘度系数η与气泡的上浮速度V实验关系曲线,见图2。全部砾石混凝土151组试验数据,总平均砾石混凝土容重为2.2373g/cm³时,由斯托克斯粘度公式(2)可得:
理论曲线η= 175.12/V- 6.716 (10)
统计曲线η= 169.67/V+ 1.2 γ= 0.9826 N= 151 (11)
更多的实验表明,碎石混凝土也具有同样的规律。
图2的实验点分别为砾石混凝土50余次拌和测量的结果,包括了在四个地方实验的全部配合比因素的变化情况:含气量0.36%~11%,水泥用量250~400kg,单位用水量110~185kg,水灰比0.36~0.52,砂率28%~40%,粉煤灰0%~40%。上述实验表明了这种方法的可靠性、稳定性、科学性和可信性。
1.4.3工作度VB值与振动粘度系数η的关系
图3为新拌混凝土(砾石和碎石)工作度VB值与振动粘度系数η的实验关系。可见,两者之间有很好线性关系。实验统计关系为
η= 71.395VB+ 152.5 (12)
γ= 0.9827 N= 17
(图3中O砾石混凝土8组,Δ碎石混凝土9组。)这组实验数据是两种新拌混凝土各在同一个振动台上,用同一个测量筒同时测得。所以,它们之间有很高的相关系数不足为奇。差别在于振动粘度理论性较经验VB值强,可测试范围较干硬性混凝土工作度大。
试验结果表明:碎石混凝土和砾石混凝土工作度与振动粘度系数共线。在完全相同的试验和振动液化条件下,两种混凝土的两个振动工作性参数无差别。
图4 砾石混凝土塌落度与振动态粘度的关系曲线
1.4.4 塌落度SL与振动粘度系数η的关系
图4为砾石混凝土塌落度SL与振动粘度系数η关系曲线。得到实验统计曲线为:
SL= 760.74/η- 0.1204 (13)
γ= 0.8049 N= 119
碎石混凝土塌落度SL与振动粘度系数η的实验统计曲线为:
SL= 991.57 + 0.601 (14)
γ= 0.9154 N= 71
大量的试验说明:
(1)混凝土塌落度SL与振动粘度系数η呈反比例关系。相关系数为0.80~0.91表明,关系并不很好,主要是塌落度误差较大。塌落度作为滑模混凝土施工质量控制简便方式,在塌落度敏感可测范围(2.5~15cm)并非不可使用。
(2)振动粘度系数的测试范围很宽,它从塌落度0~20.5cm,工作度3~60s,粘度系数16~8000Ns/m²均可测量。采用经验性指标,在施工控制中必须谨慎地选用适宜特定新拌混凝土稠度的实验方法。但采用振动粘度系数无需挑选和改变测试方式,从理论上讲,只要混凝土在振动过程能够液化,它都可测。
(3)从(13)与(14)式对比可见,在同样塌落度时,碎石混凝土的振动粘度系数值比砾石混凝土的大,振实效果有明显差异。这是由于静态塌落度方法不反映振动性能,较多地反映了碎石的棱角所致。显然用振动粘度系数比用塌落度更科学可靠。
1.4.5 塌落度SL与振动粘度系数η的经时变化
图5为大塌落度(出机塌落度20.5cm),新拌砾石混凝土塌落度SL和振动粘度系数η随时间的变化情况。也就是塌落度损失。塌落度随时间呈非线性减少,这种曲线关系与国内外所作的结果相同。振动粘度系数随时间推移呈线性增加。小塌落度、加粉煤灰40%的砾石混凝土及各种碎石混凝土情况下,这个规律基本一致。
上述试验较好地解释了为什么损失后的塌落度相同,有的新拌混凝土可振实,另一些新拌混凝土却振不实。问题的关键在于:塌落度这个静态指标本身以及随时间呈非线性的损失关系不能反映在振动条件下新拌混凝土的振实性能。水泥遇水的最初1h形成了水泥溶液包敷层,这个包敷层在测静态塌落度时,增大了初始剪应力,使塌落度损失增大,并随时间的推移逐渐减小。而同样的包敷层在振动状态下,将被振动能量打开,但是水泥的水化在进行,溶液的浓度在增加,所以,振动粘度系数随时间推移呈线性关系。那么,在塌落度损失到相同值,同样的振动能量下,新拌混凝土能否被振实,显然,主要取决于振动粘度系数值,而不取决于损失后的塌落度值。这是静态测试方法与振动施工不一致所带来不可调和的实际矛盾。
对大掺量粉煤灰混凝土,尽管其塌落度损失更大些,但当塌落度损失到相同数值时,它不仅可以振实,而且其振动液化区的直径大得多。在这里,粉煤灰的微珠效应对掺粉煤灰混凝土的施工性能的改善起关键作用。
2 振动粘度理论在滑模摊铺水泥混凝土路面中的应用
2.1 滑模混凝土路面防止塌边与麻面的质量控制研究
2.1.1 滑模摊铺混凝土路面塌边与麻面现象
对滑模摊铺水泥混凝土路面工程质量危害最大的是塌边和麻面现象。塌边是无固定模板的滑模摊铺的特殊问题,其原因是新拌混凝土的塌落度不稳定,稠度时干时稀造成的,塌边的后果是路面的两侧边界几何线形和外观成形失去控制,不成规矩的板体形状,并造成纵缝连接困难。麻面是滑模摊铺机通过后,表面上仍呈未振实的松散状态,这时新拌混凝土尚未振动液化,提不出浆来,包含大量空隙,混凝土路面无密实性可言,抗折强度严重不足,平整度极差。滑模摊铺机只能施工一遍,不能像其它施工方式那样反复做,所以一旦出现麻面,将严重影响路面摊铺的质量,应严加防范。由此可见,塌边和麻面是滑模摊铺水泥混凝土路面施工技术难点所在,也是要攻克的核心技术难题[4]。
2.1.2 造成滑模摊铺混凝土路面塌边和麻面的原因分析
(1)中国配置的混凝土搅拌楼的配料精度不够,混凝土砂石材料的级配失控,拌和后的混凝土稳定性不佳,不能满足滑模摊铺机对新拌混凝土工作性范围的要求。新拌混凝土时干时稀,特别是某些施工单位用人工施工时采用小型自落式搅拌机施工,问题就更大。
(2)对滑模混凝土在振捣棒组作用下的工作机理研究不够,在理论上不清楚滑模混凝土多大的振动粘度系数范围是合适的,不出现塌边与麻面。通过上述研究知道,用塌落度控制,在其数值≤2cm时,实际上是无效的。
(3)对滑模混凝土适宜的配合比缺乏研究,由于中国使用的原材料与国外大不同,特别是水泥和外加剂差别较大,照搬国外的滑模混凝土配合比,也会带来塌边和麻面的问题。
(4)滑模混凝土路面的施工操作不当,也会造成塌边和麻面问题,例如混凝土过振或卸料离析,或人工打拉杆,会塌边。混凝土卸到路面上等待时间过长,形成麻面,或形成施工冷缝,造成断板。
上述有关滑模混凝土原材料、配合比、配料精度及搅拌站、摊铺设备、机械配套等问题在其它文章中阐述。此处着重研究滑模摊铺混凝土路面施工中防止塌边和麻面的定量界限问题和防治办法。
2.1.3 塌边和麻面定量界限的研究
(1)塌边与麻面程序界定
对新拌滑模混凝土振动粘度理论研究的现实目的是确定不塌边、无麻面和振捣密实的定量界限。在进行此项研究之前,首先要确定什么程序叫作塌边,什么情况称作麻面。在此,将轻微的溜肩型塌边、当侧边沿标高在10m长度内降低值>5mm,并在滑模摊铺100m路面出现2处的情况都称为出现了塌边现象,滑坡型和分离型塌边是严重塌边。将滑模摊铺路面100m出现了0.5m²表面未振实、浆体不连续、需要人工修整的情况称作麻面。
(2)室内摹拟和现场实测塌边、麻面界限
塌边的室内摹拟试验是用标准抗折强度试模经过改进做的。配制不同振动粘度系数的新拌混凝土,测塌落度和振动粘度系数,同时,将新拌混凝土装入标准抗折强度试模内,用小型振捣棒将试模内混凝土振捣密实,然后小心地将长度方向的边模抽掉,测量其塌落的高度不大于5mm。
在试验路现场对塌边的混凝土进行了塌落度和振动粘度系数的测量,得出了振动粘度系数的塌边临界点大致为100~150Ns/m²。碎石混凝土对应100Ns/m²的塌落度为7cm,150Ns/m²对应塌落度为6cm,砾石混凝土对应100Ns/m²的塌落度为5cm,150Ns/m²为4cm,施工中采用一定的保证率,振动粘度系数应取大值,塌落度在施工控制中应取小值。同时,在施工现场对滑模摊铺机行进速度v=0.5~1.0m/min时出现0.5m²麻面部位的混凝土的振动粘度系数、VB值和塌落度进行了实地测量,当v=0.5m/min时,振捣频率调整到10000次/min,对应的振动粘度系数1500Ns/m²左右;相应的VB值约20s,塌落度为0。振捣频率不变,v=1.0m/min,麻面混凝土的振动粘度系数为1000Ns/m²左右,相应的VB值为10s,塌落度仍为0。碎石混凝土与砾石混凝土在麻面指标上无明显差别。
2.1.4 保证滑模混凝土路面振捣密实且不塌边的振动粘度系数理论推算
假定水泥混凝土路面上有一条单位宽度的横向小条带,当滑模摊铺机以速度v施工作业,振捣棒的作用半径为r,这个小条带受到的振捣时间为:t= 2r/v(15)
一个半径为R的气泡,在t时间内板厚h的面板中从底部上升到表面排出,所需要的上浮速度为:
V=h/t=hv/2r(16)
一般,路面厚度h=25cm,实测得振捣棒组的振动频率8000次/min时,有效作用半径r为50cm,在摊铺机正常施工中,振动波在新拌混凝土中的衰减维持基本不变,可不考虑振动衰减。滑模摊铺机施工行进速度v=0.5~2.0m/min。代入(16)式可得气泡上浮速度V(cm/s),见表1。
根据滑模摊铺混凝土路面钻取的岩芯密实情况观察得知,如果板底半径R≥0.5cm的气泡排除,板中孔径细小的和直径1cm以上的气泡都将排除干净,则混凝土路面基本达到了振实状态。合理设定排除的气泡半径R=0.5cm,混凝土中天然气泡的容重ρb,即为空气
从这个计算可以证明,在正常的滑模摊铺机施工速度1~1.5m/min时,混凝土路面振捣密实的振动粘度系数应该为200~300Ns/m²,滑模摊铺机的行进速度小于0.5m/min,振动粘度系数大于627Ns/m²,新拌混凝土中的大气泡排除速度太慢,将影响滑模摊铺机的施工进度和施工效率,此时当滑模摊铺机的行进速度与新拌混凝土振动粘度系数不匹配,超过0.5m/min,则滑模混凝土路面首先是振捣不密实。如果此时用1m/min速度施工就极有可能产生麻面现象,麻面现象不仅仅是混凝土有大孔,它基本上没有被振动液化。在一般滑模混凝土路面产生麻面的情况下,新拌混凝土振动粘度系数将远大于600Ns/m²。另外,用2m/min(振动粘度系数小于150Ns/m²)的施工速度也比较少,一般供料不及,滑模摊铺机过后可能出现塌边现象。这项研究表明,要施工出高质量的混凝土路面,滑模混凝土的振动粘度系数与滑模摊铺机的行驶速度必须达到最优匹配。
综合上述摹拟试验、现场实测和理论计算,将正常施工振捣密实的新拌混凝土振动粘度系数的界限定在150~500Ns/m²之间,最大不超过600Ns/m²,最小不小于100Ns/m²,在这个范围内,既保证了滑模混凝土路面不塌边,又保证了滑模混凝土路面振捣密实。路面产生麻面的振动粘度系数远大于振捣密实的粘度数值,滑模混凝土工作性指标的上限不应该也不能定在麻面的振动粘度系数上,而只能定在振捣密实的界限上,否则,滑模混凝土路面即使不出现麻面,也会有较大的气泡和孔隙,将出现欠密实的情况。
2.1.5 滑模摊铺混凝土路面防止塌边与麻面的施工质量控制
按照滑模混凝土工作性与滑模摊铺机行驶速度达到最优匹配,才能摊铺出高质量滑模混凝土路面的原则,列出了滑模摊铺混凝土最佳工作性和机械行驶速度的施工控制表2。
当施工现场通常无条件测量振动粘度系数时,可通过统计关系(13)、(14)得到对应的两种混凝土的塌落度指标,为便于施工单位可用简便方法进行防止麻面和塌边的滑模混凝土路面质量控制。我们将塌落度的范围和允许误差一并列出。但应注意:防止滑模混凝土路面塌边、麻面的真正的科学指标和理论来源是振动粘度系数,塌落度仅仅是经验参考值。
表2数据表明,当新拌混凝土较干,振动粘度系数≥600Ns/m²,塌落度小于1~2cm,要保证混凝土路面振捣密实并不产生麻面,则摊铺机(振捣频率在8000次/min)的行驶速度不得大于0.5m/min,摊铺机必须缓慢行驶。当新拌混凝土较稀,振动粘度系数小于100Ns/m²,塌落度大于6~7cm,为防止新拌混凝土过振,上部砂浆过厚而溜肩和塌边,滑模摊铺机的行驶速度应大于2m/min。
满足表2的技术要求,可以从新拌混凝土流变学性能上保证滑模摊铺混凝土路面质量。我们所修建的试验路实体工程就按此方法控制,取得了有效防止塌边和麻面,保证滑模摊铺混凝土路面施工质量的效果。
2.2 用振动粘度理论改进滑模摊铺机的工艺设计
根据研究得到的新拌滑模摊铺混凝土的振动粘度理论,要施工出密实高质量的滑模摊铺混凝土路面,除了振捣烈度要足够外,滑模摊铺机本身工作机构的工艺设计应合理,所振捣的混凝土必须达到密实状态,必须将振出的气泡在振动仓内基本排放干净,这一方面要求滑模摊铺机有自动调节松方高度的计量控制板,不至于使振动仓内的料位过高,气泡受到上部混凝土的压制或排放路径过长而排放不掉;另一方面,要求滑模摊铺机的振动仓有足够排放气泡的前后间距,并加大振捣棒(组)端部与挤压底板的距离。某些进口的滑模摊铺机的振捣棒是插在挤压底板的下部的,即使气泡被振动到路面上部,也无法排出,气泡仍被挤压在混凝土路面内,致使路面混凝土严重不密实。有时,压在路面中的气泡,当挤压底板通过后,挤压力释放,会形成大大小小的鼓包,严重影响路面的平整度。这种滑模摊铺机的工作机构的工艺设计显然是不正确的,即便滑模混凝土工作性合适,也同样摊铺不出密实高质量的滑模混凝土路面。
滑模摊铺机的两侧模板应设计成既可整体上下移动,又可前后单独调节的刃口形状,以适应摊铺基层不平整的路面和连续铺装桥面的要求,如果滑模摊铺机的侧向模板是固定的,或只能整体上下移动较宽的平底,当基层不平整时,振动作用就会将混合料大量振挤出来,致使摊铺边缘因料不足,挤压不成直角,同时,侧模板平宽的底部挤进了混凝土,由于石子的顶托,侧模板无法下降,致使摊铺机的挤压力损失在侧模板的底部,而不是作用在挤压底板上,严重时将托起整机,使履带悬空,摊铺机不能工作,强制摊铺将损失路面高程和平整度。
当按表1所给的工作性数据施工振动粘度系数偏小(100~200Ns/m²),或塌落度偏大(3~6cm)的混凝土拌合物时,要求在滑模摊铺机挤压底板两侧设置超铺角,如果没有超铺量,失去模板支撑的路面边沿必然会塌边,必须由超铺进行补偿。同时要求在滑模摊铺机挤压侧模板处设计并配备拉杆插入装置。防止人工在刚铺成的软混凝土侧边打拉杆而造成塌边。
2.3 根据振动粘度理论制订滑模摊铺机的施工操作规程
滑模摊铺机施工水泥混凝土路面时的操作规程和注意事项,是我们编制《滑模摊铺水泥混凝土路面施工指南》的一项重要内容。中国进口的一些工艺设计合理、性能良好的滑模摊铺机使用的并不好,铺出的混凝土路面质量不高,与滑模摊铺机的施工操作不恰当不正确有很大的关系。由于国外没有进行振动粘度理论的研究,由厂家提供的施工操作规定缺乏明确的指导思想,所以往往是不健全和不完备的,有的甚至没有任何操作规定。因此,用振动粘度理论来指导和规范滑模摊铺机的施工操作,制定出中国的操作规程,并培训中国的机手就显得特别重要和急需。
2.3.1 根据振动排气充分的要求启动和控制滑模摊铺机的行进
笔者根据理论推算,提出了滑模摊铺机的行进速度必须与振动粘度系数达到最优匹配的原理,它的推算基础是将影响混凝土密实度的气泡基本排放掉。在具体施工时,首先,机手操纵螺旋布料器,保证边角料充满,操作松方控制板,保证合适的振动仓料位高度。然后,开启振捣棒组振动混凝土,待振动仓内的混凝土排气“沸腾”基本完成,并提出一定的砂浆润滑层,才可以使摊铺机向前推进。在正常摊铺推进的过程中,要操纵螺旋布料器和操作松方控制板始终保证合适的振动仓料位高度。同时严密监视振动仓内的排气状况,控制摊铺行进速度与之相适应。
2.3.2 根据混凝土混合料的振动粘度系数调整振动频率和行进速度
在施工过程中,由于混凝土拌和和运输的各种原因,会造成混凝土稠度和振动粘度系数的变化,机手必须根据来料稠度的变化及混凝土振动排气的情况,随时调整摊铺机行进速度和振动频率。料干时,应增大振捣棒的振动频率,并放慢推进速度,以保证混凝土路面板被振捣密实,不出现局部麻面;料稀时,应减小振动频率,加快推进速度,防止混凝土过振,砂浆分层,形成塌边。振动频率的可调整范围在6000~1200次/min,摊铺推进速度在0.5~2m/min之间进行调整。排气不充分、表面有气泡、局部麻面和塌边,在摊铺后的路面上表现得很明显。要随时监视摊铺出路面的情况,并及时反馈和调整。一般要在明确振动粘度理论的前提下,将可能出现的问题消灭在机器前部的及时控制操作当中。
2.3.3 根据混凝土混合料的塌落度调整超铺角
滑模摊铺混凝土路面时,超铺角的大小设置应根据稳定的静态塌落度的数值,通过试铺来进行调整和确定。超铺边角的目的是为了补偿较大塌落度造成的软混凝土边部的无模板支撑后的自然塌落。超铺角是用2m直尺在已摊铺的路面边部测量横向平整度后,再调整超铺角高低位置。做好超铺角的基本前提是侧模板密闭,不漏料,边角供料充足。所以对侧模板也必须进行监视并随时调整其位置。
2.4 依据振动粘度系数要求调整滑模混凝土原材料和配合比
滑模混凝土路面材料应根据滑模摊铺机对其振动粘度系数、抗折强度、耐久性和经济性的要求进行配合比设计,并可对不适宜摊铺的混合料随时进行必要的调整。为了实现这个目的,必须对原材料和配合比各因素对振动粘度系数的影响进行研究。
2.4.1 单位用水量控制新拌混凝土的振动粘度系数
图6为单位用水量W0对新拌混凝土振动粘度系数η影响曲线。随着单位用水量的增加,砾石和碎石混凝土振动粘度系数大幅度下降,两者之间为指数关系。砾石混凝土统计关系:
图6表明,单位用水量是影响振动粘度系数最强的控制性因素。由于粗集料棱角的作用,在拌和物较干涩情况下,单位用水量W0对碎石混凝土振动粘度系数η的影响比砾石混凝土大得多。但它们都能很方便地通过单位用水量来调整振动粘度系数。
2.4.2 减水剂对振动粘度系数的调整作用
研究表明,减水剂对混凝土拌合物振动粘度系数的调整作用,相当于按实际减水率折减单位用水量的效果。它是在保证混凝土各项性能指标的前提下,调整新拌混凝土振动粘度系数的重要手段之一。
2.4.3 水灰比对振动粘度系数有很强的作用
实验表明,水灰比对碎石混凝土振动粘度系数有很强的作用,它们之间是曲线关系,水灰比对砾石混凝土作用相对弱一些。可以通过降低水灰比来增大振动粘度系数。
2.4.4 水泥用量对振动粘度系数有显著的影响
实验表明,水泥用量对振动粘度系数有显著的影响,它们是线性关系。相同水灰比条件下,当水泥用量小于290kg/m³,振动粘度随水泥用量增大;当水泥用量大于290kg/m³,水泥用量增加,振动粘度系数减小。不同的水泥品种,水泥的细度对振动粘度系数也有明显的影响,水泥越细,振动粘度系数减小得越多。
2.4.5 砂率对振动粘度系数有明显的影响
实验表明,砂率对振动粘度系数有明显的影响,两者之间是凹形曲线关系,最低点对应的是振动粘度系数最小的最优砂率。砂的细度模数变化,最优砂率也不同。由于混凝土路面有抗滑砂浆构造表层的要求,滑模摊铺挤压脱膜工艺也需要较大的砂率,要求在特定细度模数的最优砂率基础上,增加2%左右的砂率。
2.4.6 含气量对振动粘度系数有明显的影响
实验表明,含气量对振动粘度系数有明显的影响,两者是凸形曲线关系。碎石混凝土振动粘度系数最大的含气量2%~3%;砾石混凝土振动粘度系数最大含气量为3%~4%。
2.4.7 粉煤灰对振动粘度系数的影响
粉煤灰超掺量0%~40%,混凝土振动粘度系数下降,同时塌落度也减小,这一点与上述规律均不相同,一般振动粘度系数与塌落度呈反比关系。主要因粉煤灰的“微珠”润滑作用。
在滑模摊铺水泥混凝土路面时,可按上述研究得出的原材料和配合比各因素对振动粘度系数的影响和作用规律,对不适宜摊铺的混凝土混合料随时进行必要的调整。但要特别注意,当采用某个规律来调整振动粘度系数时,必须综合协调,同时考虑所采用技术措施对混凝土路面其它物理力学性能、耐久性等带来的不利影响。
3 结 语
(1)将静态斯托克斯粘度定律拓宽应用到新拌混凝土振动状态结构粘度系数的测试上,建立了气泡上浮法的振动粘度系数的测试方法。实验表明:其测试精度高,测量结果稳定可靠。
(2)新拌混凝土振动粘度系数与工作度VB值是线性关系,与塌落度是反比关系。振动粘度不同于这两种经验方法:一是实现了混凝土混合料工作性指标的科学化和理论定量化;二是它包括了两种经验方法可测试的全部范围。解决了用振动方式密实成形的各种新拌混凝土统一的定量测试问题。
(3)塌落度与时间是曲线下降关系,振动粘度系数与时间是线性增加的关系。塌落度损失后的混凝土混合料能否振捣密实,不取决于损失后的塌落度,而决定于当时的振动粘度系数。
(4)通过对滑模摊铺水泥混凝土路面的主要病害塌边和麻面现象和成因研究,及其界限的摹拟实验和现场测试,应用振动粘度公式对滑模摊铺混凝土路面振捣密实且不塌边的振动粘度系数进行了理论推算,得到了滑模混凝土的振动粘度系数与滑模摊铺机的振动频率及行驶速度应达到最优匹配的施工工艺和操作原理。由此提出了滑模混凝土路面不塌边、不麻面和振捣密实的混凝土拌和物最佳工作性及允许范围,并编进了《滑模摊铺水泥混凝土路面施工指南》,实现了对滑模混凝土路面施工质量的有效控制。
(5)用振动粘度理论的排气密实观点改进滑模摊铺机工作机构的工艺设计,提出了自动调节松方控制板高度、增大振动仓的前后间距、增加振捣棒(组)端部与挤压底板的距离、改进两侧边模板的密封机动性和超铺角等技术措施,来保证和提高滑模摊铺机本身具有优良的施工性能。
(6)用振动粘度理论来指导和规范滑模摊铺机的施工操作,根据振动排气充分的要求启动和控制滑模摊铺机的行进,由混凝土混合料的振动粘度系数和稠度调整振动频率和行进速度,根据混凝土混合料的塌落度调整超铺角。它为制定出中国的滑模摊铺机操作规程,培训机手提高技术水平,使用好滑模摊铺机奠定了理论基础。
(7)通过单位用水量、减水剂、水灰比、水泥用量、砂率、含气量、粉煤灰等配合比参数对振动粘度系数影响规律的研究,指出了在满足各项物理力学性能和耐久性前提下,调整和控制滑模混凝土拌和物满足滑模摊铺对振动粘度系数的方法。
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