滑模摊铺路面水泥混凝土施工性评价及气泡结构变化对流变性能影响研究

胡师杰，凌海宇，蔡正森

（河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401）

0 引言

我国现阶段水泥路面占有很大比例，是我国道路的主要结构形式之一，滑模摊铺水泥混凝土路面具有摊铺速度快，全过程自动化控制等优点，现已被广泛采用[1].自20世纪80年代开始引进滑模摊铺机[2]后对混凝土材料施工性能的研究络绎不绝[3].施工过程中混凝土材料的施工性能十分关键；施工性能主要为其在工程施工现场摊铺时的具体表现，目前对施工性能的定义尚不完全统一，但主要表现为水泥混凝土在拌合后运输、铺筑、振实、抹平过程中达到密实和稳定的性能.

我国目前在滑模摊铺施工中主要采用现场实测坍落度为主要控制指标[4]，为满足滑模施工工艺要求，一般要求混凝土拌合物的坍落度不能过大，需控制在0～50 mm.柯国矩等在2016年提出了针对混凝土液化效果的评价方法以及表征混凝土工作性的指标—出浆量；通过对不同坍落度下混凝土的立模性能试验得出最合适的坍落度[5].经振动后的水泥混凝土材料可塑性加强，利于路面的摊铺施工.

在不改变混凝土集料配合比的情况下，外加剂的掺入（引气剂等）对混凝土工作性起到了改善作用，掺入引气剂后的混凝土一般含气量均有所提高，振动液化后的混凝土和易性有所提高.混凝土材料属于一种“固-液-气”三相混合材料，滑模施工时拉裂、麻面等现象的出现，与其振动密实后的出浆量息息相关，混凝土振动液化现象与混凝土内部受力息息相关；由于引气混凝土内部的气泡可以起到轴承和润滑作用，因此集料颗粒之间的嵌挤力与内摩阻力与混凝土气孔分布、气孔孔径有很大关系，引气剂引入气泡可以改变混凝土内部受力状态，进而改变混凝土液化难易程度及速度[5].

但是不同混凝土引气剂的浓度等指标不同，讨论引气剂掺量对工作性和内部孔隙结构的影响意义不大，而混凝土内部含气量的变化对其气泡结构变化产生影响进而影响其施工性能.本文在前人研究基础上对含气量变化对混凝土施工性能以及由内部气泡结构变化导致的流变性的影响进行了研究.

1 实验材料及实验方法

1.1 实验原材料的选用

本试验选用的水泥为北京金隅P·O42.5普通硅酸盐水泥；细集料为北京西田阳砂场中砂，细度模数2.67，级配范围符合GB/T 14684-2001《建筑用砂》中II区级配的要求；粗集料选用4.75～26.5 mm连续级配碎石，粗集料的压碎值为12.6%，针片状颗粒含量为4%，吸水率0.6%，含泥量0.7%；减水剂采用天津SiKa萘系高效减水剂，减水率为25%，性能优良，其掺量按水泥的质量来计算.各实验用配合比可见后文叙述.

1.2 实验方法

1.2.1 立模特性测试方法

滑模施工水泥混凝土路面对混凝土材料的工作性要求较高，以避免成型的路面出现坍边等病害，现有的混凝土对工作性的测试方法有一定的局限性，本文采用立模特性检测箱进行相关实验.立模试验箱的主要功能是模拟滑模摊铺施工成型后的路面板，通过抽取两侧挡板并测试两侧的坍边高度来反映混凝土的立模性能.该试验装置为底面积30 cm×50 cm，高30 cm，侧壁可向上抽出的槽形容器.如图1所示.

1.2.2 混凝土振动出浆量实验

如图2所示，本文采用柯国炬等[1]在研究混凝土振动液化性能时采用的相关实验仪器进行振动出浆量实验，此处不再赘述.

图1 立模特性实验Fig.1 Modeling characteristics test

图2 出浆量实验Fig.2 Test of the quantity of mortar

2 水泥混凝土材料施工性能评价

2.1 水泥混凝土最佳坍落度的确定

通过调整减水剂掺量可以调整混凝土坍落度[6]，为研究其施工性能，对其立模特性与坍落度的影响关系进行实验.实验用混凝土配合比见表1.

由于本实验在实验室中进行，为充分模拟施工现场的各项条件混凝土坍落度值测定采用经时坍落度，即混凝土出机后置于容器内用湿布覆盖，30 min后对其进行坍落度测定，同时进行立模性能试验.实验结果如图3.

从图3可知，新拌水泥混凝土坍落度与其塌边高度具有一定的线性关系（R2=0.080 33） 随着坍落度的增大其立模特性中的塌边高度随之升高，若维持其塌边高度小于3 mm（即拥有较好的立模特性）需控制混凝土坍落度在20 mm以下.故在滑模施工过程中对水泥混凝土坍落度的要求较为严格.

2.2 不同坍落度水泥混凝土液化效果实验

水泥混凝土的振动液化效果决定了摊铺施工过程中混合料的工作性，为验证其液化效果，本文仍采用上述配合比进行实验，掺加引气剂并保持其掺量一定，混凝土搅拌完成后静置30 min，按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》标准进行坍落度测试，同时进行液化效果评价试验.

由表2、表3可知，1、4号在保持减水剂掺量相同时，掺入引气剂后其坍落度增加，其出浆量则增长，说明引气剂的掺入对坍落度的影响较大；对比2、3、4号可知当引气剂掺量一定时其坍落度随减水剂的增加差异并不大，而出浆量则随之降低，可认为减水剂的增加对出浆量产生了抑制作用.

由上文所述可知引气剂掺入后的混凝土含气量对坍落度的影响较大，为验证含气量对坍落度、出浆量的影响，再次进行实验，控制混合料减水剂掺量为0.6%，实验结果如表4、表5.

当减水剂掺量保持一定时，混合料坍落度、出浆量均随含气量的增加而增长，如图4、图5所示.

由图4所示实验用水泥混凝土混合料坍落度随混凝土含气量的增加呈增长趋势，而图5则表明随混凝土振捣前含气量的增加出浆量的变化呈先快后慢的趋势，在振捣前含气量大于4.8%时出浆量的增长明显加快，这表明若要增加混凝土出浆量以提高其施工性能，混凝土含气量的控制是关键参数之一，宜控制在4.8%左右.综合对比图4、图5确定引气剂的掺加可大幅提高混合料坍落度且振捣前含气量控制在4.8%左右时可大幅提高其出浆量.

表1 实验配合比设计Tab.1 Proportions mix of concrete

图3 坍落度与坍边高度关系Fig.3 Relationship between concrete slump and collapse height

表2 实验配合比设计Tab.2 Proportions mix of concrete

表3 水泥混凝土液化实验结果Tab.3 Cement concrete liquefaction experiment results

表4 实验配合比设计Tab.4 Proportions mix of concrete

表5 水泥混凝土液化实验结果Tab.5 Cement concrete liquefaction experiment results

图4 含气量对坍落度影响Fig.4 Influence of air-content on the concrete slump

3 含气量对水泥混凝土内部孔结构变化及其对流变性影响

新拌混凝土是一种多相混合物，随水化反应其颗粒间距之间的距离被缩小，三相之间所占比例也发生了变化，在此基础上水泥混凝土即发生了硬化，强度随之逐步稳定.控制混凝土流变性的主要指标包括：坍落度、振动出浆量、屈服强度、塑性黏度等，由上文所述，掺入引气剂后含气量的变化对水泥混凝土的振动出浆量及坍落度均有不同程度的影响[7]；为探究引气剂掺量对道路用低坍落度水泥混凝土含气量的影响及其孔结构对水泥砂浆流变性能的影响，本研究做出以下实验.

采用上文相同级配进行实验，一般水泥混凝土路面滑模施工均采用高频振捣方式，有利于其迅速、充分密实，本文测量混合料振捣前、后的含气量，振捣时间为30 s，振捣频率为100 Hz.并测量振捣后的气泡参数，材料级配及实验结果如图6～图8所示.

经实验，其转速与扭矩关系如图9所示.

图6 振捣前、后含气量对比Fig.6 Contrast with the air content

图7 振捣后气泡平均直径Fig.7 Average bubble diameter after vibrating

图8 振捣后气孔间距系数Fig.8 Bubble spacing factor after vibrating

图9 扭矩与转速关系图Fig.9 Relationship between torque and rotational speed

由图6所示，随该类型引气剂掺量的增加，振捣前含气量不断增长，主要因为掺入引气剂后在拌合过程中水泥水化热、水化反应速率更为明显，气泡生成量增加导致其振捣前水泥混凝土含气量的增长[7]；振捣后水泥混凝土内部含气量反而随着引气剂掺量的增加而下降，且在掺量小于0.5%时随掺量的增加下降速率较快，而掺量大于0.5%时含气量下降缓慢.

由图7、图8所示，振捣后的气泡平均直径、气孔间距系数随含气量的增大而增大，经振捣后的混凝土含气量大于3.2%时，其变化速率均发生突变，曲线上升斜率变小，即在此区间上混凝土内部气泡变化对含气量的敏感程度有所降低，但过大、过于稀疏的孔隙分布对于混凝土坍落度产生影响，综合上文，可认为振捣后混凝土含气量应控制在3%～3.2%.

由图9所示，随含气量的不同的增加，其塑性黏度、屈服应力随之减小，且当振捣后含气量在3%～3.2%内两指标变化相对缓慢，含气量达到3.6%时，其屈服应力增长速率变快.随着引气剂的掺入，砂浆流动度得到大幅提高，

总的来说，水泥混凝土高频振捣后的含气量降低[8-10]，其屈服应力、塑性黏度随之增大，导致混凝土的塑性加强，流动性增加，充分说明当引气剂掺入后含气量发生变化时对其流变性影响较大.滑模施工中要求水泥混凝土材料的坍落度不能过高，故在设计、施工中需对混凝土含气量做出严格控制，综合全文研究成果建议引气剂的掺量应在3%～3.2%区间内.

4 结论

1）通过控制减水剂掺量得出新拌水泥混凝土坍落度与其坍边高度具有一定的线性关系，即坍落度的增加其立模特性中的坍边高度随之升高.

2）滑模施工前应对混凝土材料的含气量进行检验，保证混合料含气量的稳定.

3）控制实验混合料的减水剂掺量，混凝土坍落度与出浆量均随振捣前含气量的增加而增加，且含气量控制在4.8%时为佳.

4）实验表明，振捣后的水泥混凝土的内部含气量升高，导致其气泡平均直径、气孔间距系数，导致其屈服强度、塑性黏度均增大，含气量在3%～3.2%时其孔隙结构适中，坍落度、出浆量均适宜滑模摊铺.高频振捣对含气量具有一定的抑制作用，对其流变性产生影响.

[1] 袁野真.水泥混凝土路面滑模施工平整度控制技术研究[D].天津：河北工业大学，2012.

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[3] 付智.新拌混凝土振动结构粘度研究[J].公路交通科技，1996（3）：1-9.

[4] 吴方政.引气剂对混凝土流变性能及气泡特征参数的研究[D].邯郸：河北工程大学，2013.

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[6]钟一鸣.不同类型减水剂配制混凝土的流动性与其砂浆流变参数的关系[D].广州：华南理工大学，2012.

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