低坍落度路面混凝土工作性评价指标研究

权 磊, 田 波, 何 哲, 屈允永, 程 谞

(1.交通运输部公路科学研究院，北京 100088； 2.重庆交通大学 土木工程学院, 重庆 400074)

0 引言

长期以来，为了提高水泥混凝土路面的摊铺效果和平整度，研究人员从施工工艺和材料性能等方面开展了大量的研究。Forssblad等研究了振捣频率、振幅、振动时间和混凝土配合比等参数对作用半径的影响规律[1]。Distlehorst[2]针对滑模施工采用的低坍落度混凝土研究了振动棒作用半径、振幅、频率对水泥混凝土振动液化的影响。Bache等[3]首次将混凝土的振动密实过程与其流变性能建立了关系。胡永彪等[4]根据振动加速度在混凝土中的传递规律提出了滑模摊铺机振动参数的优化方法。张剑宁等[5]研究了施工各环节对平整度的影响规律。但从实践来看，上述通过优化施工机械和振捣工艺的尝试并没有使水泥混凝土路面平整度产生质的提升。我国采用滑模施工的多条高速公路水泥混凝土路面平整度仍然难以满足规范给出的2.2 m/km的标准，但内蒙古的一些工程探索表明，改善混凝土的工作性能可较大幅度提升水泥混凝土路面的最终平整度。前期研究也表明，坍落度作为静态指标难以准确控制低坍落度路面混凝土的工作性[6-7]，为适应滑模施工工艺，傅智[8]提出了新拌混凝土振动黏度系数这一动态指标，但仍不能完全解决麻面和塌边的问题。文献[9]基于长期工程经验提出滑模施工用混凝土应同时满足快出浆、不塌边、易抹面等工作性要求。相应地，路面混凝土工作性控制也应该向多指标方向发展。孟祥龙[10]选取坍落度、维勃稠度、振动黏度系数等指标基于室内试验评价了道路混凝土的立模性能、密实性能和抹面性能，但未能与材料的流变学参数建立关系，也未能提供现场验证数据。郑少鹏[11]通过旋转剪切试验评价了不同因素对新拌混凝土流变学参数的影响规律，但没有将其与工作性指标建立联系。

鉴于目前尚无成熟的试验方法和评价标准能够有效控制滑模施工用低坍落度混凝土的工作性，本研究以快出浆、不塌边、易抹面为技术目标，基于自主开发的混凝土流变参数测定仪、出浆速度测定仪、立模特性测定装置等设备，在保证坍落度恒定的前提下，通过砂率和含气量对混凝土工作性进行调节，研究流变学参数(屈服应力和塑性黏度)和工作性经验指标(出浆速度、抹面特性、立模特性、振动黏度系数等)对混凝土工作性的敏感性，进一步分析流变学参数与工作性经验指标的相关性，给出基于多指标的路面混凝土工作性调节机制，并在广西某高速水泥混凝土路面工程中基于现场摊铺效果(平整度、塌边、抹面)检验了上述技术思路的可行性。

1 试验仪器与试验方法

1.1 新拌混凝土流变特性测试方法

本研究自行设计开发了水泥混凝土流变特性测定仪。测定仪主要包括3部分：混凝土搅拌机、扭矩转速功率控制器、电脑软件。混凝土搅拌机上附有变速电机和扭矩功率转速传感器。流变仪额定电压380 V，频率50 Hz，搅拌功率3.0 kW，转速在0～135 r/min之间可调，扭矩测量范围为0.1～300 N·m，测量精度0.1%。搅拌叶片共6片，分上下两层，呈45°夹角布设。叶片与竖直方向平行，宽度10 cm，高度5 cm。

一般情况下，新拌混凝土可近似看作宾汉姆体，则剪应力和剪切速率可通过扭矩和转速按照式(1)、式(2)计算得到：

(1)

(2)

式中，τ为剪应力；T为扭矩；r，r0分别为搅拌叶片外端和内端到搅拌轴中心的距离；K为设备系数，通过标准黏度材料标定得到，本研究中K=1.2；n为搅拌叶片个数；a为搅拌叶片宽度；β为搅拌叶片方向与数值方向夹角；ω为剪切速率；N为搅拌叶片转速。

1.2 新拌混凝土出浆速度测试方法

基于传统维勃稠度仪，对其圆盘进行改进。在圆盘最外缘内10 mm处，沿圆盘厚度方向设4个独立贯通孔，内径5 mm，圆心角间隔90°，设孔柱且高出圆盘上表面15 mm。

测试过程中其他操作方法均与维勃稠度试验流程[12]相同，当4个目标孔均有砂浆冒出时，记录时间即为出浆用时。

1.3 新拌混凝土立模特性测试方法

为模拟和观测路面滑模施工中摊铺机侧模板离开后混凝土的塌边行为，课题组自行设计和制作了混凝土立模特性试验槽。采用5块钢板拼接成长400 mm、宽300 mm、高280 mm的长方体，上部开放，两侧钢板可侧向打开，以模拟滑模施工侧模板离开后混凝土的塌边行为。

试验时，将搅拌好的混凝土倒入立模特性试验槽，振捣棒竖直插入混凝土进行充分振捣，抹面后立即抽出试验槽两侧钢板，待塌边高度稳定后测量混凝土边缘下陷距离，两边各测4处，以平均值作为最终结果，精确至0.5 mm。

1.4 新拌混凝土振动黏度系数测试方法

新拌混凝土的振动黏度系数理论由付智研究员提出，现行《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30—2014)(以下简称《细则》)[13]采用标准振动台(频率50 Hz)测试新拌混凝土的振动黏度系数。考虑滑模施工和3辊轴施工工艺常用的高频振捣棒组和低频振捣棒组，本研究基于立模特性测试装置，将3个乒乓球分别置于振捣棒外侧15 cm处，记录乒乓球浮出用时，按照《细则》所述公式计算振动黏度系数，这里不再赘述。

1.5 新拌混凝土抹面特性评价方法

表面粗糙度是表征材料表面微观几何形状差异性的重要指标。从感官角度讲，混凝土成型后若易于抹面则收面后表面粗糙度较低，不易抹面则收面后表面粗糙度较大。虽然路表有抗滑构造深度的要求，仍可通过粗糙度对不同工作性的混凝土抹面性能进行相对评估。

采用英国易高ELCOMETER 123表面粗糙度仪，测量范围0～1 000 μm。将仪器基座稳定于混凝土表面上，基座的底面即为基准面，针尖在弹力作用下与混凝土表面凹凸点接触，仪器读数即为测量点和基准面的相对高差。测量时，将标定好的表面粗糙度仪放置在终凝后的水泥混凝土面板上，记录读数，取多次测量结果的平均值作为混凝土表面粗糙度。

2 试验材料与配合比设计

2.1 原材料基本参数

水泥选用金隅牌普通硅酸盐水泥，P.O42.5级，相关技术指标符合规范要求。试验用河砂的相关技术指标详见表1。

表1 试验用河砂技术指标Tab.1 Technical indicators of river sand for experiment

粗集料为石灰岩碎石，级配合格，压碎值为17.1%。

减水剂和引气剂采用交通运输部公路科学研究院自主研发的液化剂(无色液体，减水率11.2%，固含量20%，pH值8.6)，通过调整减水与引气成分比例实现目标减水率和含气量。

2.2 新拌路面混凝土工作性影响因素的选取

Neville等[14-16]总结了影响新拌水泥混凝土工作性的相关因素主要有：拌和时间、外界环境、粗细集料级配及表面结构、水泥种类及用量、外加剂种类及掺量、火山灰品质及数量等。

在路面混凝土配合比设计中，考虑到经济性等因素，水泥用量受限，难以有较大变化。为保证强度和耐久性，水灰比也难以放宽；相反，砂率[10]、含气量[17]不仅对低坍落度混凝土工作性影响显著，而且具有经济上的可操作性。当前，我国路面混凝土的工作性控制主要以坍落度和振动黏度系数为主，《细则》规定碎石混凝土滑模摊铺时的坍落度宜为10～30 mm，振动黏度系数宜为200～500 N·s/m2。因此，为了考察坍落度能否有效控制路面混凝土的工作性，将所有试验用混凝土出机坍落度控制在(30±2) mm，研究砂率变化和含气量变化对工作性指标的影响规律。

2.3 等坍落度混凝土配合比设计

依据《细则》进行路面混凝土配合比设计。保持水灰比和水泥用量不变，砂率分别设定为30%，35%，40%，45%，50%，通过调节液化剂组分和掺量使5组混凝土坍落度保持在(30±2) mm，含气量保持在3%±0.3%。

保持水灰比和水泥用量不变，砂率固定为40%，通过调节液化剂组分和掺量,使5组混凝土含气量分别达到1%±0.1%，2%±0.2%，3%±0.3%，4%±0.3%，5%±0.3%。试验所用配合比详见表2。

表2 工作性评价所用混凝土配合比Tab.2 Mix proportion of concrete for workability evaluation

由于含气量测定涉及标准振动台振实过程，与滑模摊铺振捣棒密实作用原理存在差异。为尽可能降低因素复杂性，本研究所指含气量均为标准振动台振动30 s后所测含气量。

3 试验结果分析

3.1 砂率和含气量变化对新拌混凝土流变行为的影响

根据式(1)、式(2)，从实测扭矩-转速数据得到不同砂率情况下剪应力随剪切速率的变化趋势(图1(a))和不同含气量情况下剪应力随剪切速率的变化趋势(图1(b))。可以看到，随着剪切速率的增大，剪应力基本均呈线性增加。对各组剪应力-剪切速率数据进行线性拟合，得到对应的相关系数并汇总于表3。相关系数R2值均在0.96以上，可见新拌路面混凝土可认为服从宾汉姆体流变特性。

图1 剪应力随剪切速率的变化趋势Fig.1 Trends of shear stress vs. shear rate

表3 不同工况剪应力-剪切速率数据线性拟合相关系数Tab.3 Correlation coefficients for data linear regression of shear stress vs. shear rate under different conditions

取拟合直线的截距和斜率，即为屈服应力和塑性黏度。因此，分别得到屈服应力与塑性黏度随砂率和含气量的变化趋势，如图2 (a)～(b) 所示。忽略材料组间变异性，从总体趋势看，屈服应力随砂率增大而增大，当砂率从35%增长到45%时，屈服应力增大效应最为明显，增长幅度达到112%。砂率从35%增长到45%时和从45%增长到50%时，屈服应力均出现小幅降低。结合3.5节砂率对立模特性试验结果可以推测其原因：砂率达到35%时能够形成最佳级配曲线，使得混凝土的阻力最小，抵抗变形能力最小；继续增加砂率，混凝土级配变差，阻力增大；当砂率达到45%以上时，混凝土骨架变为悬浮结构，阻力重新变小，塑性黏度随砂率增大而减小；当砂率在30%～40%范围时，塑性黏度基本稳定；砂率增大到45%以上时，塑性黏度重新趋于稳定。同理，从总体趋势看，屈服应力随含气量仅出现微弱波动，波动范围在12%以内；塑性黏度随含气量增长出现明显降低，含气量从1%增大到2%时，塑性黏度降低幅度最大，达到19%。

图2 屈服应力和塑性黏度的变化趋势Fig.2 Trends of yield stress and plastic viscosity

对比图2(a)和图2(b)可以看出，砂率能够显著改变新拌混凝土的屈服应力水平，含气量的影响则非常有限。砂率和含气量均能有效调节新拌混凝土的塑性黏度。从施工角度来看，屈服应力是阻碍拌和物产生塑性变形的极限应力，屈服应力越大，立模特性越好。塑性黏度反映的是拌和物的内部结构对流动产生阻碍的大小，塑性黏度越小，气体排出阻力越小，混凝土施工阻力也越小，混凝土密实性能和抹面性也就越好。因此，实践中宜将砂率控制在40%～50%，含气量控制在3%～5%，以获得最佳工作性能。

3.2 砂率和含气量变化对低频振动出浆速度的影响

采用1.2节的测试仪器和操作方法，测定不同砂率和含气量情况下新拌混凝土的出浆用时，绘于图3。可以看出，出浆时间随砂率和含气量的变化均呈下凹趋势，即存在最佳砂率(40%～45%)和最佳含气量(4%)使得出浆速度最快。与图2对比可知，这一区间内混凝土的塑性黏度较小，即颗粒间阻力较小，易于骨料重排和气泡与砂浆排出。由于本研究试验中水泥用量和水灰比为固定值，当砂率大于45%后，水泥净浆含量不足以包裹和润滑砂颗粒表面，工作性变差导致出浆时间增大。

图3 出浆用时随砂率和含气量变化趋势Fig.3 Trends of time for mortar overflowing vs. sand ratio and air content

3.3 砂率和含气量变化对抹面特性的影响

将不同砂率和含气量情况下的新拌混凝土装入长、宽、高为300 mm×300 mm×50 mm的木模中，经标准振动台振动30 s后，由同一试验人员使用同一抹平工具抹平混凝土面板。待混凝土终凝后，即进行混凝土面板表面粗糙度的测量。根据上文所述测量方法，在每块混凝土面板表面随机测量10处，并求平均值。不同砂率和含气量情况下混凝土表面粗糙度如图4所示。可见，随着砂率增大，表面粗糙度迅速降低。当砂率达到45%以上时，表面粗糙度不再降低；随着含气量增加，表面粗糙度逐渐升高，但增幅逐渐变缓。这一规律表明在砂浆总体不足的状况下，增加砂浆体积能够迅速提高表面的易抹性，而当砂浆饱和时易抹性也达到极限值。含气量对抹面性能的不利作用较难理解，原因可能在于30 s的振动无法使气泡完全排出而积聚于混凝土表面，含气量越大则表面气泡含量越多，不利于形成光滑的表面。在测量粗糙度时亦发现，含气量大的混凝土表面形成较多气孔，虽然增加了粗糙度，但对耐久性不利。

图4 不同砂率和含气量时混凝土表面粗糙度变化趋势Fig.4 Trends of concrete surface roughness with different sand ratios and air contents

3.4 砂率和含气量变化对振动黏度系数的影响

将新拌混凝土装入1.4节所述立模特性试验槽中，试验槽底部放置3个标准乒乓球，距离振捣棒插入位置水平距离为15 cm，分别采用高频振捣棒和低频振捣棒(参数见表4)对不同砂率和含气量混凝土进行振捣。记录各乒乓球浮出表面用时，计算得到不同工况下混凝土的振动黏度系数，如图5所示。

表4 插入式高低频振捣棒技术参数Tab.4 Technical indicators of high-frequency and low-frequency internal vibrators

图5 不同振捣方式下黏度系数随砂率和含气量变化趋势Fig.5 Trends of viscosity coefficient vs. sand ratio and air content with different vibration modes

从图5可以观察到，提高振捣频率能够明显降低振动黏度系数。与《细则》提出的振动黏度系数宜为200～500 N·s/m2相比，本研究低频振捣作用下的结构黏度系数值均偏高。此外，振动黏度系数随砂率增加逐渐减小。当砂率达到45%以上时，降低幅度已经非常小。振动黏度系数随含气量增加大幅度下降，当含气量达到4%以上时，降低幅度便非常有限。表面增加砂率和增加含气量均能够在一定程度上降低颗粒间阻力，易于大气泡的排出。

3.5 砂率和含气量变化对立模特性的影响

在振动黏度系数测定试验结束后，进行抹面处理，随即将两侧钢板移除，以模拟滑模摊铺工艺中侧模离开后混凝土的塌边行为。待混凝土塌边高度稳定后，测量混凝土试块边部塌陷高度，两侧各随机测量4个点，共8个点求平均值。

高频振捣和低频振捣作用下混凝土试块塌边高度随砂率和含气量变化情况见图6。可见，在低频振捣作用下，随着砂率的不断增大，混凝土塌边高度先增大后减小再增大，当砂率为0.45时塌边高度达到最小值2 mm，此时混凝土立模特性最优。在高频振捣作用下，随着砂率的增大，混凝土塌边高度逐渐减小，未出现波动形态。含气量增加对立模特性产生微弱不利影响，无论高频与低频振捣作用，塌边高度均随含气量增加而增大，但变化范围相对较小，最大差值也在1 mm以内。高频振捣能够使混凝土更加密实而塌边高度更小。上述规律表明，含气量变化对屈服应力影响较小进而也对立模特性影响较小，而砂率能够显著影响屈服应力水平也进而能对塌边高度产生显著影响。

图6 不同振捣方式下塌边高度随砂率和含气量变化趋势Fig.6 Trends of edge slumping vs. sand ratio and air content with different vibration modes

3.6 工作性经验指标与流变学参数的相关性分析

3.1节研究了存在工作性差异的新拌混凝土在流变行为上的差异性。3.2节～3.5节分别研究了不同工作性的新拌混凝土在出浆速度、抹面性能、立模特性以及振动黏度系数等经验指标上的差异性。将不同砂率不同含气量情况下混凝土的流变学指标(屈服应力与塑性黏度)与各工作性经验指标数据进行相关性分析，可以得到对应的相关系数，见表5。

表5 工作性经验指标与流变学参数相关系数Tab.5 Correlation coefficients between workability experience indicators and rheological parameters

注：表中黑体加粗数字表示对应的工作性经验指标(列项目名称)与流变学参数(行项目名称)高度相关，其中正值表示正相关，负值表示负相关。

从表5中可见，屈服应力水平能够显著影响混凝土的表面粗糙度、塌边高度和振动黏度系数，而塑性黏度对4项经验指标均有显著影响。分项来看，出浆速度与塑性黏度呈显著正相关，并且通过增加含气量能最为有效地提高出浆速度。表面粗糙度与塑性黏度相关性最高且为负相关，通过降低含气量减小塑性黏度和通过调低砂率减小屈服应力均可增加混凝土的表面粗糙度。塌边高度与屈服应力呈高度负相关，即可通过调高砂率增大屈服应力提高立模特性。振动黏度系数与塑性黏度强烈正相关，即可通过增大含气量降低塑性黏度而大幅度降低振动黏度系数。此外，对比出浆速度和振动黏度系数数据的正负号和数值大小，可以推测出浆速度与振动黏度系数具有本质上的相似性，即共同反映的是混凝土在振捣作用下的液化密实速度。

通过上述分析，结合有关文献研究成果[18-20]，可以给出道路低坍落度混凝土流变性-工作性-现场摊铺效果的网络关联图(图7)，明确其因果作用机制,即通过改变水泥用量、胶凝材料种类和用量、砂率、外加剂种类和掺量、级配等参数，从本质上改变材料本身的流变行为，使其屈服应力和塑性黏度发生变化，进而影响到混凝土工作性，对现场摊铺效果产生衍生作用。现场摊铺效果亦可通过相关工作性指标反馈至材料调控或振捣工艺调控。但应注意材料流变性能与工作性指标并非单一对应关系，工作性指标相互之间也存在矛盾之处，如出浆速度要求塑性黏度较低，而黏聚特性要求塑性黏度较高，应用中应注意协调优化。

图7 低坍落度混凝土工作性调节机制Fig.7 Workability adjustment mechanism for low-slump concrete

4 滑模施工现场摊铺效果

在建的广西某高速公路为水泥混凝土路面，面层板厚度为30 cm，采用滑模摊铺工艺。选择K117+140～K125+900作为观测路段，混凝土配合比见表6。为降低水化热，胶凝材料总量为340 kg。经过拌和站出料的工作性复核，确定最佳砂率为37%，液化剂掺量为2.0%。

观测路段施工期间混凝土各项工作性指标现场测试值与滑模施工效果列于表7。可以看出，混凝土各项工作性指标较为稳定，滑模摊铺机(行进速度约 1 m/min)施工后无塌边现象，未出现大面积麻面现象，工人收面推拉力也较小，实现了“快出浆、不塌边、易抹面”的技术目标。

表6 观测路段所用混凝土配合比Tab.6 Mix proportion of concrete for observation section

混凝土硬化后对双向四车道分别进行车载激光平整度检测，检测结果列于表8。按照《细则》规定的国际平整度指数(International Roughness Index，IRI)不大于2.2 m/km，单幅总长18 km的平均合格率达到90%，局部路段IRI合格率达到100%；IRI平均值1.57 m/km，也突破了我国水泥混凝土路面平整度的最高水平。

表7 观测路段所用混凝土工作性指标与现场摊铺效果Tab.7 Workability indicators and field paving effect of concrete for observation section

表8 观测路段平整度检测结果Tab.8 Measured IRI values of observation sections

5 结论

(1)为了更全面地评价路面用低坍落度混凝土的工作性，自主开发了混凝土流变特性测定仪、混凝土出浆速度测定仪、混凝土立模特性测定仪等装置，能够实现对新拌混凝土屈服应力、塑性黏度、出浆用时、塌边高度和不同振捣频率下结构黏度系数等参数的测量。

(2)流变特性试验结果和工作性评价试验结果均表明，坍落度不能有效控制刚性路面所用干硬性混凝土的真实性能状态。

(3)调整砂率能够显著改变新拌混凝土的屈服应力水平。调整含气量对屈服应力的影响则非常有限。砂率和含气量均能有效调节新拌混凝土的塑性黏度。

(4)存在最佳砂率范围(35%～45%)和最佳含气量(4%左右)使得出浆速度最快。增大砂率能降低混凝土表面粗糙度，而增加含气量能提高表面粗糙度。振动黏度系数随砂率增加逐渐减小，随含气量增加大幅度下降，提高振捣频率能够明显降低振动黏度系数。高频振捣下，提高砂率能够明显改善混凝土立模特性，含气量变化对塌边高度影响可以忽略。因此，宜将砂率控制在35%～45%，含气量控制在3%～5%，以获得最佳工作性能。

(5)屈服应力水平能够显著影响混凝土的表面粗糙度、塌边高度和振动黏度系数，而塑性黏度对4项经验指标均有显著影响。出浆速度与塑性黏度呈显著正相关，表面粗糙度与塑性黏度相关性最高且为负相关，塌边高度与屈服应力呈高度负相关，振动黏度系数与塑性黏度呈强烈正相关，出浆速度与振动黏度系数具有本质上的相似性，即共同反映的是混凝土在振捣作用下的液化密实速度。

(6)在广西某高速混凝土路面工程中，应用道路低坍落度混凝土工作性调节机制，配制了适合滑模施工工艺和高频振捣工艺的路面混凝土。铺筑的路面平整度IRI平均值达到1.57 m/km，合格率达到90%。

(7)本研究给出的低坍落度路面混凝土工作性控制建议值还需更多试验数据的验证，也需要建立样本量更为充足的混凝土流变参数、工作性指标值与野外摊铺效果数据库，以便建立3者之间的统计学规律。