路用水泥混凝土坍落度经时损失试验研究.pdf

第 3 6卷 ， 第 5 期 2 0 1 1年 1 0月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 6，No 5 Oc t ， 2 0 1 1 路用水泥混凝土坍 落度经 时损失试 验研究 黄云涌 ，肖少华，韩春来 ( 长沙理 工大学 交通运输学院 ， 湖南 长沙4 1 0 0 0 4 ) 摘 要路用水泥引气混凝土使用非常广泛， 但其坍落度损失却一直是有关建设施工单位 比较棘手的问题。 针对引气水泥混凝土路面， 分析了混凝土坍落度损失的机理并通过大量室内试验数据详细阐述了水灰 比、 减水剂、 引气剂以及混凝土所处状态对引气混凝土坍落度损失的影响。此外， 还对如何控制混凝土坍落度的损失提出了自 己的一些见解 。 关键 词 】引气混凝土 ； 坍 落度经时损失 ；含气量 ；静态和动态 中图分类号】U 4 1 6 0 3 文献标识码 】A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 6 1 0 4 Re s e a r c h o n t h e Gr a d u a l Lo s s i n S l u mp o f t h e Ro a d Ce me n t Co n c r e t e HUANG Yu n y o n g，XI AO S h a o h u a，HAN Ch u n l a i ( S c h o o l o f T r a n s p o r t a t i o n a n d C o m mu n i c a t i o n ， C h a n g s h a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l g y ，C h a n g - s h a ， Hu n a n 4 1 0 0 0 4 ， C h i n a ) A b s t r a c t T h e C e me n t C o n c r e t e i s w i d e l y u s e d i n Hi g h w a y P a v e me n t s ， a n d i t s s l u mp l o s s e s i s s t i l l a t h o r n y q u e s t i o n t o t he r e l a t e d c o ns t r u c t i o n c o mp a n y s W r i t e r ma i n l y f o c u s e d o n t he Ai r - e n t r a i n e d Ce me n t Co n c r e t e P a v e me n t ， h a s a n a l y z e d t h e me c h a n i s m o f t h e s l u mp l o s s a n d d e t a i l e d i l l us t r a t e d t h e e f f e c t o f t h e wa t e r - c e me n t r a t i o， wa t e r r e d u c i ng a g e n t ， a i r e n t r a i ni ng a g e nt a nd t h e s t a t e o f mo t i o n o f t h e c o nc r e t e t o t h e s l ump l o s s b y t h e ma s s i v e l a b o r a t o r y t e s t d a t a I n a d di t i o n， p ut f o r wa r d my s e l f v i e ws o n h o w t o c o n - t r o l t he c o n c r e t e s l u mp l o s s Ke y w o r d s a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e ； t h e s l u mp g r a d u a l l o s s ； g a s c o n t e n t ； s t a t i c a n d d y n a mi c 引气剂是在搅拌混凝土过程 中能引人大量均匀 分布、 稳定而封闭的微小气泡的外加剂。引气混凝 土技术是指在混凝土拌和物拌和过程中掺加适量 的 引气型外加剂来达到改善混凝土抗渗、 抗冻性能的 目的， 从而提高混凝土耐久性的一项技术。而引气 混凝土就是指采用 引气混凝土技术 ， 在混凝土 中掺 加引气剂引入大量微气泡 ， 最终使得混凝 土工作性、 耐久性等性能得到改善的混凝土。引气混凝土是一 种性能较优 良的水泥混凝土 ， 目前广泛应用于建筑 节能保温 、 水工结构机场道面、 道路工程等混凝土材 料所涉及的各个方面， 具有很好的发展前景。 混凝土坍落度损失一直是混凝土搅拌站和施工 单位普遍遇到的一个技术 问题 。混凝土从搅拌 、 运 输到浇灌施工总需要一定的时间。尤其有的混凝土 搅拌站距离施工现场 比较远 ， 混凝土运送时间可能 要 1 h甚至更长。这会造成预拌混凝土坍落度 的损 失 ， 尤其是 HP C低水灰比坍落度损失更为严重 。在 实践中， 往往由于坍落度损失， 造成 现场浇筑 时， 泵 送或密实成 型困难 ， 从而影响施工效率和混凝土质 量 。引气混凝土是在混凝土的搅拌过程中引人大量 均匀分布、 稳定而封闭的微小气泡( 2 0 2 0 0 a m) 的 一 种性能优 良的水泥混凝土。随着引气混凝土越来 越广泛的使用 ， 而鉴于路用引气混凝土坍落度损失 的有关文献较少 ， 故很有必要对路用引气混凝土坍 落度经时损失进行相关 的试验研究 ， 以期对有关建 设单位提供参考。 1 混凝土坍落度经 时损失机 理 研究表明， 混凝土拌合物坍落度的增大和损失 ， 本质上是组成混凝 土材料 的水泥浆流动性的变化 ， 也就是水泥粒子的分散和凝聚过程。一般来说 ， 混 凝土坍落度损失的机理可以概括为以下几个方面 ： 混凝土拌合物的水化反应 ， 以及蒸发和吸附 于水化产物表面等原 因消耗 了较多的拌合用水 ， 使 【 收稿 日期 】2 0 1 i - 0 1 0 8 作者简介 黄云 涌( 1 9 6 6 一) ， 男 ， 湖南 湘阴人 ， 副教授 ， 主要从 事路面材料 研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 2 公路工程 3 6卷 得混凝土坍落度减小 。 水泥水化过程中， 由于物理 、 化学分散 ， 液相 中的粒子增多， 分散的粒子 由于布朗运动、 重力等作 用 ， 使微粒之间的吸附或靠近超越图 1 ( a ) 所示的势 垒 。 ， 水泥粒子就产生凝 聚， 如图 1 ( b )所示。从 而引起混凝土坍落度损失。图 1中： 为静 电斥力 位能 ； V 6 为范德华引力位能 ； V t 为水泥粒子间相互作 用的电位能曲线 ， 为 和 的代数和； V m 为阻碍 水泥粒子相互吸附的势垒。 水泥水化产生 的 C a ( O H) 、 C S H等水化 产 物 ， 使新拌混凝土的黏度增大 ， 造成混凝土坍落度随 时间延长而降低。 、 静电斥力 、 ， ， _ = = = 2 泐 = + 静 电 斥 力 2 图 1 水泥粒子问相互作用的电动 电位 曲线 Fi g ur e 1 The c u r v e o f t h e e l e c t r i c dr i v e n a n d e l e c t r i c po t e n t i a l o f t he c e me n t g r a n u l e i n t e r a c t i o n 2试验研 究 2 1原 材料 及其 主要 指标 水 泥 选 用 湖 南 坪 塘 南 方 水 泥 有 限 公 司 的 P 0 4 2 5级水 泥， 细度为 3 2 ( 8 0 u n l 方 孔筛 筛 余) ； 粉煤灰为益 阳电厂 级 粉煤灰 ， 细度为 1 7 ( 4 5 u m方孔筛筛余 ) ， 需水 量比为 9 5 ； 细骨料 为 长沙湘江中砂 ， 细度模数为 2 7 ； 粗集料为株洲市霞 山石料厂生产的石灰岩碎石， 采用三档料进行粗集 料的掺配使其符合 公路水泥混凝土路面施工技术 规范 ( 2 0 0 3 ) 推荐的级 配要求 ， 粗集料配 比为 1 ( 4 1 0 m m) ： 2 撑 ( 61 5 m m) ： 3 # ( 1 5 2 2 mm)=1 5： 3 0： 5 5 。引气剂采用杭州中野天然植物科技有限公 司生产的 Z Y一 9 9天然野生植物皂类引气剂。减水 剂为长沙黄腾砼外加剂科技有 限公司生产的 U N F 一 1 型萘系高效减水剂 ， 推荐掺量为胶凝材料的 0 5 一 1 O ， 减水 率为 1 5 一 2 5 。 水 为 自来 水 。 2 2不 同水胶 比对 引气 混凝 土坍 落 度损 失 的影 响 ( 见表 1 ) 特重或重交通等级的水泥混凝土路面滑模施工 中遇到的坍落度损失 问题是本 文寄希望解决 的对 象 ， 所 以所有的试验混凝土配合 比都是按照重或特 重交通等级来设计的 ， 试验 中混凝土 的含气量控制 也是一个难点 ， 笔者将另撰文探讨。在 公路水泥 混凝土路面施工技术规范 ( J T G F 3 0 2 0 0 3 ) 中碎石 混凝土最佳坍 落度范 围为 2 55 0 m m， 而 公路水 泥混凝土路面滑模施工规程 ( J T G一 2 0 0 0 ) 中碎石混 凝土最佳坍落度范 围为 3 0 6 0 mm， 本论文选取的 坍落度范围为 2 5 6 0 mm， 试验温度为 3 3 c I = 。 表 1 不 同水胶 B 对初始坍落度的影响 Ta b l e 1 Th e i n flu e nc e o f di f f e r e nt wa t e r b i n d e r r a t i o t o i n i t i a l s l u mp 从 图 2可以看到随着时间的延长不 同水胶比的 混凝土坍落度都明显呈减小的趋势 ， 时间越长损失 越大 ， 但是他们的经时损失率却是不同的， 从 图3可 知水胶 比 0 3 6的坍 落度 经时 损失 率最 大达 到 了 8 0 ( 2 h ) ， 水胶比 0 3 8次之为 5 2 ( 2 h ) ， 水胶 比 0 4 0的损失率最小 只有 4 l ( 2 h ) ， 这与 日本学者 服部键一研究指出的水胶 比越小， 坍落度损失越大 的观 点相 一致 。 2 3 减 水 剂掺 量 不 同对 引 气 混凝 土 坍 落 度损 失 的 影 响 从表 2 ， 图 4， 图 5可知 ：随着时间的增加 ， 相 目 鲁 、 埏 蜜 一 水 胶 比 O _ 3 6 一 水胶比O 3 8 盎一 水 胶 比 0 4 0 经过时 间 ra i n 图 2不同水胶 比的坍落度经时损失 曲线 Fi g ur e 2 Th e s l ump g r a du a l l o s s c u n， e o f d i f f e r e nt wa t e r b i n d e r r a t i o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 黄云涌 ， 等 ： 路用水泥 混凝 土坍落度经时损失试验研 究 6 3 经过 时间 ， rai n 一 水 胶 比 0 3 6 一 水胶 比 0 3 8 盘一 水胶比0 4 0 图 3 不 同水胶 比的坍落度经时损 失率曲线 Fi g u r e 3 Th e s l ump g r a d u a l l os s r a t e c u r v e o f d i ffe r en t wa t e r bi nd e r r a t i o 同配合 比但减水剂掺量不同的混凝土损失率是不 同 的， 表现 出减水剂掺量越大而坍落度经时损失率越 小的规律。这说明， 增大减水剂用量也可抑制混凝 土坍落度损失。其机理为 ： 减水剂用量增大 ， 水泥浆 中减水剂富余量增加 ， 在一定时间 内能保持水 泥粒 子的分散状态。可以说采用低聚合度分散剂并适当 增加掺用量对减少坍落度损失是十分有利的。但过 量加入减水剂后混凝土极易泌水 ， 甚至会产生分层 离析 ， 这会影响混凝土质量。 2 4 不 同含 气量对 引气混凝 土坍 落度 损 失的 影 响 从表 3 ， 图 6， 图 7可知 ： 相 同配合 比而含气量 表 2 减水剂掺量 不同对混凝土初始坍落度 的影响 Ta bl e 2 Th e i n flu en c e o f di ffe r e n t c o n t e n t of wa t e r r e d uc i ng a g e nt t o i ni tia l s l ump 目 g 、 魁 楔 蜜 经过 时间 m i n 一 掺量 0 6 一 掺量 0 8 盘一 掺量 1 0 图 4 不 同减水剂掺量 的坍 落度经时损失 曲线 F i gu r e 4 The s l u mp g r a d ua l l o s s c ur v e o f di ffe r e n t c o nt e nt of wa t e r r e du c i n g a g e n t 不 同的引气混凝土的坍落度经时损失也呈现出良好 的规律 ， 表现为相同配合 比中含气量越 大其坍 落度 经时损失率越小 ， 即加大含气量可以阻碍坍 落度 的 损失。其机理为： 优质细小的气泡能有效地将水泥 粒子隔离。防止二次吸附 ， 这对防止混凝 土坍 落度 70 6 0 5 O 蓁 o 鬈3 0 糨 蜜 2 0 l 0 0 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 经过时间 ra i n 一 掺量 0 6 一 掺量0 8 1 一 掺量 1 0 图 5 不同减水剂掺量的坍落度经 时损 失率 曲线 F i g u r e 5 Th e s l u mp g r a d ua l l o s s r a t e c u r v e o f di ffe r e n c o n t en t o f wa t e r r e du c i ng a g e n t 损失十分有利。此外， 含气量损失 ( 气泡 的消失 ) 也 是混凝 土坍 落度损 失 的一 个 因素 ， 因此 选择 优质 ( 气泡细小 、 均匀 、 稳定好 ) 引气剂 ， 也是减小坍落度 损失的一个重要因素。但含气 量不宜过大 ， 重要路 面不应超过 6 ， 否则对混凝土强度有较大影响。 表 3含气 量不同对混凝土初始坍落度的影响 Ta b l e 3 Th e i n flue n c e o f d i ffe r e n t g a s c o nt e n t t o i n i t i a l s l u mp 2 5静 态和 动 态引 气混凝 土坍 落度损 失对 比 静态混凝土的坍落度损失试验 ， 在试验室中执 行 G B T 5 0 0 8 0 -2 0 0 2 ( 普通混凝土拌合物性能试验 方法标准 。动态混凝土 的坍 落度 损失 试验 ， 是将 已经拌好的混凝土在混凝土搅拌机 中继续搅拌 ， 使 之处于动态 。经过相同的时间后 ， 同时测量静态和 加 如 加 加 0 术、 瓣水辑毯 蜜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路工程 3 6卷 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 经过 时 间 ra i n 一 含气量2 5 卜 一含气 量 4 5 一 含气量6 5 图 6 不 同含气量 的坍落度经时损失曲线 Fi g u r e 6 The s l u mp g r a d ua l l o s s c u r v e o f di f f e r e n t g a s c o nt e n t 动态混凝土的坍落度损失。动态的试验也执行 G B T 5 0 0 8 0 2 0 0 2标 准 。试 验 配 比及 结果 见表 4 。 从 图 8 ， 图 9可知 ： 在相 同配合比相同初始坍落 度的情况下 ， 动态中的混凝土要 比静止不 同的混凝 土 的坍落度经时损失小 ， 同时动态混凝土的坍落度 8 0 7 0 6 0 料 5 0 娄 4 o 3 0 密 2 O 1 O O 0 3 0 6 O 9 0 l 2 O 经过时 间 ra i n +含气量 2 5 一含 气量 4 5 盎一含气量 6 5 图 7 不 同含气量的坍落度经 时损 失率 曲线 Fi g u r e 7 Th e s l u mp gra d u a l l o s s r a t e c u r v e o f d i ffe r e n t g a s c o nt e n t 经时损失率也比静态的小。这是因为混凝土不断的 被搅拌 ， 使水泥和外加剂以及集料之 间不能充分反 应 ， 阻碍了水泥的水化进程 ， 从而使坍落度的损失比 较小 ， 而静态混凝土由于处于静止状态， 外加剂与水 泥接触充分 ， 加速了水泥水化进程 ， 所以静态混凝土 表 4 静态 与动态 混凝 土坍 落度试验 配合比 Ta b l e 4 Th e mi x p r o p o r t i o n o f s t a t i c a nd dy n a mi c co nc r e t e s l u mp t e s t 图 8 静态与动态坍落 度经 时损 失曲线 Fi gu r e 8 Th e s l ump g r a du a l l o s s c u r v e o f s t a t i c a n d d y na mi c c on c r e t e 一静 态 一动态 经 过时 间 ， m i n 图 9 静态与 动态 坍落度经时损失率曲线 Fi g u r e 9 Th e s l ump g r a du a l l o s s r a t e c u r v e o f s t a t i c a n d d y n a mi c c o n c r e t e 坍落度比较大。 3 结语 在满足混凝土强度和耐久性 的前提下 ， 尽量 选择水灰比较大的的配比， 这样不但可 以节省水泥 等材料， 更重要的可 以增 加水泥混凝土 的初始坍落 度 ， 减少混凝土坍落度在运输过程中的经时损失。 从图 4一图 7可知 ： 稍过量的减水剂和引气 剂都有利于减少混凝土坍 落度 的损失。此外 ， 我们 还可以掺入各种复合外加剂 ， 例如 ： 引气型高效减水 剂 ； 缓凝型减水剂 ； 粒状化高效减水剂及徐放剂 ； 分 散剂与减水剂的复合等 。外加剂的复合使用不但对 混凝土某种性能有补充或扬长补短 的作用 ， 而且不 同分子间的相互作用， 在不增加掺量条件下 ， 它们的 减水 、 缓凝等作用皆有提高 ， 这对减少坍落度的损失 十分有利 。 从图 8图 9可知 ， 动态 的混凝土在 2 h时 的坍落度损失要 比静态 的混凝 土的损失小 1 5 左 右 ， 因此在长距离运输 的过程 中保持 混凝 土一直处 于动态的运动中， 这不但可 以减少混凝 土运输过程 中的离析 ， 而且对减少混凝土的坍落度损失也十分 ( 下 转第 8 9页) 加 如 加 m o 、 挺蜜 如 加 m o 、 斜 鞲 链蜜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 曾国 良， 等 ： B型斜 连续箱 梁桥结构动力试验分析研究 8 9 器测点， 共布置 9个测点进行模态测试 ； 在桥梁边跨 和次边跨的 0 5 L截面处各布置一个动位移测点 ， 共 布置 2个动位移测 点进行跑 车、 跳 车和刹 车测试。 测点布置见如图 9 。 0 # 台0 5 L 截面 l # 墩 0 5 L 截面 2 啪女 。梗 悉测 点 V跑 军 、跳车及 刹车 动位移 测点 图 9 桥梁模态测点及动位移测 点布置 Fi g u r e 9 Br i d g e mo de a n d t he d y na mi c di s p l a c e me nt me a s ur i ng p o i n t a r r a ng e me n t 本次试验分别 采用 脉动试验方法和受迫振动 方法来测量桥梁结构的振动参数。脉动方法是通过 大地脉动作用下桥梁结构 的振动加速度信号分析， 用脉动响应波形的 自功率谱来确定桥梁 自振频率。 受 迫振 动方 法 是采 用 人 工 激 振 的办 法 ， 激 起 桥 梁 震 动 ， 通过分析采集的桥梁结构的振动加速度信号 ， 得 到桥梁受迫振动的参数 。经过测试 ， 测得本桥第一 阶竖弯振型频率为 5 0 2 ， 阻尼比为 3 0 2 ， 实测值 实 体模型理论值为 0 9 6 ， 实测值 梁单元模 型理论 值 为 0 8 5 。通过外观检测 ， 箱梁在 经过 2 0多年 的运 营后 ， 梁底和腹板 出现了在规范允许范围内的裂缝 ， 桥面出现了网状裂纹， 但是无严重影响桥梁健康 的 病害存在 。根据桥梁现状 和实体模 型的优越性 ， 采 用实体模型的分析结果作为理论值更为可靠。 7 结论 由于斜度的影响 ， 箱梁桥的质量分布并非 与 轴线正交分布， 对桥梁的振型和 自振频率计算有较 大的影响； 通过实体单元模型 和空间梁单元模型计算 频率对比可以得到， 前 5阶频率 内斜度对频率的影 响主要在第 2阶和第 4阶 ， 第 2阶频率逐渐降低 而 第 4阶逐渐增加 ， 对其他阶频率影响不大 ； 通过空间梁单元模型和空间实体模 型分析 结果对 比分析 ， 实体模型计算 出来 自振 频率 比空 间 梁单元模型低 ， 振型上实体单元模 型受扭振 型更 明 显 ： 通过荷载试验结果与理论分析结果 比较 ， 实 体模型结果较空间梁单元模型更为可靠 ， 因此斜箱 梁桥结构动力分析必须使用空 间板壳或实体模 型， 而尽量避免采用空间梁单元模型； 由于斜梁桥 的受力 特性 ， 因此 ， 在做荷 载试 验时 ， 建议在桥梁两侧腹板上布置拾振器 ， 从而更多 的检测到桥梁的模态信息。 参考文献 1 黄平明 混凝土斜梁桥 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 1 9 9 9 2 夏淦 ， 邵容光 斜梁结 构分析 M 江苏科 学技 术出版 社 ， 1 9 9 4 3 邵旭东 ， 程翔云 ， 李 立峰 桥梁设计 与计算 M 人民交通 出版 社 ， 2 0 0 6 4 项贻强 斜 交变截面预应 力混凝 土单悬臂 T梁 桥 的分 析理 论 J 中国公路学报 ， 1 9 9 9， 1 2 ( 1 ) ： 5 6 6 1 5 何旭 辉 ， 盛兴 旺，陈 政清 高 速铁路 P c斜 交箱 梁桥振 动特性 模 型试 验研究 J 铁道学报 ， 2 0 0 2 ( 1 0) ， 9 0 9 2 6 夏樟 华 ， 宗周 红 三 跨斜交 梁动力 特性 分析 J 振 动与 冲 击 ， 2 0 0 7， 1 4 71 5 0 7 夏樟华 ， 张秀永 ， 宗 周红 钢 筋混凝 土简支 斜交宽 梁桥 动力特 性分析 J 福州大学学报 ， 2 0 0 8 ( 4) ： 2 7 8 2 8 3 8 夏桂云 ， 俞茂宏 ， 李传习 ， 张建仁 斜桥动力特性 J 交通运输 工程学报 ， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 1 5 2 1 ( 上接 第6 4页) 有利。但这里必须要注意的一点是使混凝土处于动 态的旋转频率不能太高 ， 否则 ， 可能 出现混凝土与盛 装 的容器发生摩擦而使混凝土 的温度升高 ， 从而加 速混凝土坍落度的损失 ， 取得相反的效果 。 参考文献 1 程绢 ， 郭 向阳 预拌 混凝土坍落度经 时损失与控 制的试验研 究 J 混凝土 ， 2 0 0 5， ( 1 ) ： 6 46 8 2 张登祥 ， 杨伟 军 预拌混凝土 坍落度损失机 理及控制技术 研究 J 中外公路 ， 2 0 0 9， 2 9 ( 1 ) ： 1 8 11 9 1 3 刘霞 ， 詹美洲 ， 等 静态与动 态混凝 土的坍 落度 损失研 究与 应用 J 混凝土 ， 2 0 0 8 ， ( 2 ) ： 1 1 1 1 1 2 4 张承志 商品混凝土 M 北京 ： 化学工业出版社 ， 2 0 0 5 5 J T G E 3 02 0 0 5， 公路 工程水 泥及水泥 混凝 土试验规 程 S 6 J T G F 3 0 2 0 0 3 ， 公路水泥混凝土路面施工技术规范 S 7 J T G D 4 0 2 0 0 2 ， 公路水泥混凝土路面设计规 S 8 P C A i t e i n ， T h e U s e o f S u p e r p l a s t i e i z e r s i n H i s h P e rf o r ma n c e C o n c r e t e ， Hi g h P e rf o r ma n c e C o n c r e t e M E F N S P ON， 1 9 9 2 9 陈建奎 混凝土外 加剂原理 与应用 M 北 京 ： 中 国计划 出版 社 ， 2 0 0 4 1 O 吴雄 飞 ， 姚佳 良， 池林海 坍落 度对路面混凝 土工作性 的影响 分 析 J 湖南交通科技 ， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 3) ： 5 86 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m