流动性路面水泥混凝土抗折强度的研究与应用.pdf

2 0 1 1年 第 5 期 (总 第 2 5 9 期 ) Nu mb e r 5 i n 2 0 1 1 ( T o t a l N o 2 5 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 5 0 1 3 流动性路面水泥混凝土抗折强度的研究与应用 李华军 ，刘明耀 z ( 1 深圳市港 龙混凝土有限公司 ，广东 深圳 5 1 8 0 8 3；2 深圳市利建混凝 土有限公司 ，广东 深圳 5 1 8 0 5 5 ) 摘要： 通过采取调整碎石公称最大粒径 、 改善碎石颗粒级配和降低碎石孔隙率、 掺人适量粒化高炉矿渣粉和高效减水剂的技术措施， 研制开发出高抗折强度的流动性路面水泥混凝土 。 关键词： 碎石 ；粒化高炉矿渣粉 ；高效减水剂 ： 中图分类号 ： T U 5 2 8 O l 文献标 志码 ： A 流动性路面水泥混凝土 ；抗折强度 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 3 6 0 4 Re s ea r c h a nd a ppl i c a t i on on f l ex ur e s t r en gt h o f f l owi n g pa vi ng c e men t c on c r e t e L I Hu a -j u n ， L I UMi n g - y a o ( 1 S h e n z h e nGa n g l o n gC o n c r e t e C o ， L t d ， ， S h e n z h e n 5 1 8 0 8 3 ， C h i n a ； 2 S h e n z h e nL ij i a nC o n c r e t e C o ， L t d ， S h e n z h e n 5 1 8 0 5 5 ， C h in a ) Ab s t r a c t ： B y u s i n g t h e t e c h n o lo g y o f a d j u s t i n g n o mi n a l ma x i mu m s i z e o f c r u s h e d s t o n e a n d i mp r o v i n g p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n o f c r u s h e d s t o n e a n d r e d u c i n g p e r c e n t a g e o f v o i d s o f c ras h e d s t o ne a nd mi x i n g g r o u n d gra n u l a t e d b l a s t f u ma c e s l a g a n d S u p e r p l a s t i c i z e r s t e p b y s t e p， we d e - v e l o pe d flo wi ng p a v i n g c e m e n t c o n c r e t e wi t h hig h c r fle x u r e s t r e n g t h Ke ywor ds ： c r u s h e d s t o n e； gro u n dgra n u l a t e db l a s tf u r na c e s l a g ； s u p e r p l a s t i c i z e r ； flo wi n gp a v i n g c e me n t c o n c r e t e； fle x u r e s tre n gth 0 引言 国家标准 G B J 9 7 8 7 水泥混凝土路面施工及验收规范 第4 2 A条规定了路面水泥混凝土拌合物的坍落度宜为 l 2 5 c m； 行业标准 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 第 4 1 2条表 4 1 2 - 4中规定了采用小型机具摊铺时路面水泥混 凝土拌合物的出机坍落度应为 1 0 - - 4 0 mm、 摊铺坍落度应为 0 2 0 I n n 。 以上两个标准所规定的路面水泥混凝土按坍落度大小 分级属于低塑性混凝土 1 。 当然， 在原材料性能相同的条件下 ， 低塑性混凝土由于其 拌合物坍落度小 ， 单位用水量和砂率相对较小 ， 只要振捣密实 ， 硬化混凝土的孔隙率相对小 、 碎石之间的嵌锁作用相对好， 有利 于提高混凝土抗折强度。 但就深圳地区来说 ， 由于深圳地处海边， 日照强度大时间 长 、 风力大， 混凝土中水分蒸发速度快。 就重型或特重型交通等 级 、 抗折强度要求 5 0 MP a以上的市政道路和高速公路而言 ， 如果按照标准要求将摊铺坍落度控制在 O 2 0 mm或 1 2 5 c m 范围内， 容易出现表面造壳现象甚至失去塑性， 不利于用小型 机具施工， 影响施工质量， 也加大了人工摊铺的劳动强度 ， 并给 预拌混凝土运输带来困难。 而目前在施工中多数采用插入式振捣 棒 、 平板振动器等小型机具， 为了保证施工质量、 减轻劳动强度 并方便运输， 施工过程中一般都要求坍落度达到 8 0 1 2 0 1T II T I ， 按坍落度大小分级属于流动性混凝土【 l j 。 但增大坍落度， 就需相 应提高配合比中单位用水量和砂率， 这就增加了硬化混凝土的孔 隙率、 降低了碎石之间的嵌锁作用， 因而会降低混凝土抗折强度。 为了解决这一矛盾， 配制既能满足 8 0 1 2 0 mn l 的施工坍落 度要求 、 又能得 到高抗折强度 的流动性路 面水泥混凝 土 ， 本文 采取的技术路线是： 掺入适量高效减水剂， 发挥高效减水剂的 减水作用以保证在用水量不增加的条件下获得满足施工要求 的坍落度； 将碎石公称最大粒径由 4 0 l L r r l 调整至 2 5 fi l m， 用 5 1 0 m m和 5 2 5 n i l 1 连续粒级的碎石进行掺配， 进一步改善 颗粒级配、 降低孔隙率以实现振实后碎石逐级密实填充的骨架 密实结构， 提高碎石之间的嵌锁作用， 提高混凝土抗折强度 ； 掺 入适量 粒化高炉矿渣 粉( 简 称矿粉 ， 以下同 ) ， 利用矿 粉水 化产 物 的纤维状特性和远 比硅酸盐水泥致密的特征 ， 提高混凝土 中 后期抗折强度 ， 同时利用矿粉 的泌水性有效避免施工过程 中因 失水而出现的表面造壳现象。 1 试验研 究 1 1 试验 用原 材料性 能 ( 1 ) 水泥： 广东英德海螺牌 P 04 2 5 R级水泥， 技术指标见 表 1 。 ( 2 ) 细骨料 ： 广东惠州东江河砂， 技术指标见表 2 。 ( 3 ) 粗骨料： 选用深圳东信石场碎石， 技术指标见表 3 。 表 1 水泥的技术指标 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 2 1 2 36 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 砂的技术指标 ( 4 ) 粉煤灰 ： 福建漳州 F类 I I 级粉煤灰 ， 技术指 标见表 4 。 表 4 粉煤灰 的技术指标 表 5 矿粉的技术指标 ( 6 ) 减水剂 ： 深圳同地高效减水剂 T D A1 0 0 ， 技术指标见 ( 5 ) 矿粉 ： 柳钢 $ 9 5矿粉 ， 技术指标见表 5 。 表 6 。 表 6高效减水剂的技术指标 1 2 粉煤灰 水泥、 矿粉 +水泥体 系的胶砂 强度试验 将粉煤灰等量取代 2 0 o 、 3 0 、 4 0 、 5 0 的水泥、 矿粉等量取代 3 0 、 4 0 、 5 0 、 6 0 的水泥配制复合胶凝材料 ， 按 G B T 1 7 6 7 1 1 9 9 9 规定的水泥胶砂强度检验方法测定其 7 、 2 8 、 6 0 d的强度 。 试验测定的复合胶凝材料胶砂 强度数据如表 7 。 根据表 7中的试验数据绘制胶砂强度随粉煤灰掺量、 矿粉 掺量的变化 如图 1 。 结果分析 ： 由表 7 、 图 1 及 图 2可以得 出 ， 在粉煤灰 +水泥 体系中， 7 、 2 8 d的粉煤灰 +水泥体系胶砂抗折抗压强度均低于 同龄期的水泥胶砂强度， 而且随着粉煤灰掺量的增大而逐步降 低 ， 表 明粉煤灰 不宜用 于配制高抗折强度水泥混凝 土。 由表 7 、 图 3 及图4可以得出， 在矿粉 +水泥体系中， 7 d的矿粉 +水泥 体系胶砂抗折抗压强度低于同龄期的水泥胶砂强度 、 并 随着 矿 粉掺量的增大而逐步降低， 但是， 2 8 d的矿粉 +水泥体系胶砂 抗折抗压 强度 已接 近甚 至高于同龄期 的水 泥胶砂强度 ， 6 0 d的 矿粉 +水泥体系胶砂抗折抗压强度均高于同龄期的水泥胶砂 强度 ， 而且抗折强度 的增长 幅度大于抗压 强度的增长 幅度。 由 于矿粉 的水化 反应是在水 泥水化所生 成的氢氧化 钙和水泥 中 的石膏激发及相互作用下才进行的， 因此矿粉的掺人会降低胶 砂的早期强度 。 从 微观结构来 看 ， 矿粉 +水泥体 系水化 后所形 成的水泥石结构主要由纤维状的水化硅酸钙和钙矾石组成 ， 这 些纤维状矿物在水泥石结构中呈乱向分布， 而且水化硅酸钙凝 胶结构远 比硅酸盐水泥致密 ， 因此矿 粉的掺人 能提高胶砂 的中 后期强度 。通过试验对 比分析 ， 确定 矿粉作 为本文配制高抗折 强度水泥混凝土用掺合 料。 由表 7 、 图 3及 图 4可知 ， 矿粉 的最 佳 掺 量 为 3 0 。 1 3 5 -1 0、 5 - 2 5 r n l n两档连 续 粒级碎 石掺 配试 验 1 9 9 9年笔者在主持深圳 盐坝高速公路盐 田至大梅沙段 隧 表 7 复合胶 凝材 料胶砂 强度 1 奏 4 3 0 20 30 40 50 粉煤 灰掺量 ， 图 1 抗 折强度 随粉煤灰掺量的变化 。 65 皇5 5 云4 5 鼎 3 5 要 2 5 15 o 20 3 0 40 50 粉煤灰掺 量 ， 图 2抗压强度随粉煤灰掺量 的变化 37 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 萋 8 0 3 0 45 5 0 60 矿粉掺 量 ， 图 3 抗折强度随矿粉掺量的变化 矗 65 室 5 5 s 奏 s s 25 0 3 0 4 0 5 0 6 0 矿粉掺 量 ， 图 4 抗压强度随矿粉掺量的变化 道用R C C 5 0级碾压混凝土配合比设计的过程中， 对 比了用 5 2 5 m l r l 单一颗粒级配碎石 、 5 - 2 5 mm与2 0 - -4 0 mi n混合颗粒级 配碎石分别配制 的小梁试件抗折强 度和断面情形 ， 发现 ： 用 5 2 5 m l n碎石配制的试件 ， 折断后从砂浆中剥离 出来的碎石较少 、 被折断 的碎石较多 ， 抗折强度较高 ， 2 8 d抗折强度可达 7 8 MP a ； 相反 ， 用 5 - 2 5 mm与 2 0 ,- 4 0 I n l n 混合颗粒级配碎石配制的试件 ， 折断后从砂浆中剥离 出来的碎石较大且多 、 被折断的碎石较少 ， 抗折强度较低， 2 8 d 抗折强度同比用 5 2 5 mm单一颗粒级配碎 石时小 1 5 - 2 0 MP a 。 试验表明碎石公称最大粒径较大、 大颗粒 含量较多会降低混凝土抗折 强度 ， 而且在试 件制作过程 中容易 离析。 因此， 确定 5 1 0 mi l l 与 5 2 5 ml ll 两档混合颗粒级配碎石 作为本 文配制 高抗折强 度水泥混凝 土用粗骨料 。5 1 0 i n n l 和 5 2 5 ml n两个颗粒级配的碎石按 比例掺配后颗粒级配情况 、 堆 积密度、 孔隙率试验结果如表 8 。 从表 4分析可 知 ， 掺 配合 比例 为 5 1 0 n l r n碎石 ： 5 - 2 5 n l l n 碎石 = 2 0 ： 8 0时混合所得 的碎石大颗粒含量较少 、 孔隙率最小 、 颗粒级配符合 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 中表 3 3 2的要求 ， 因此确定掺配合 比例为 5 1 0 I n n l 碎 石： 5 2 5 l a i n碎石 = 2 0 ： 8 0 。 1 4配合 比试 验 用第 1 1 节选定的原材料、 第 1 2 节确定的矿粉的最佳掺量、 第 1 3节确定的 5 1 0 、 5 - 2 5 m m两档连续粒级碎石掺配合 比 例 ， 针对 5 0 MP a以上的高抗折强度要求进行试验 ， 试验配合 比如表 9所示 ， 试验结果如表 1 0所示 。 表 8 5 1 0 mm 和 5 2 5 mm两个颗粒级配的碎 石按 比例掺配后颗粒 级配情况 、 堆积密度、 孔隙率试验结果 表 1 0配合比试验结果 38 1 5 配合 比试 验 结果分析 由于缺乏手段来定量测定碎石之间的嵌锁作用对于抗折 强度 的贡献 ， 只能定性地予 以阐述。 通 过对 比这些小梁试 件折 断后的断面情形， 发现从砂浆中剥离出来的碎石越少、 碎石被 折断的面积越大， 抗折强度就越高。 除了用第 9号配合比所配 制的试件有少量石子从砂浆中剥离出来之外 ， 其他 8 个配合比 所做试件基本上没有碎石从砂浆中剥离出来 ， 绝大多数碎石被 折 断 ， 断面情形照 片如 图 5 。 由此看来 ， 所选二档颗粒级配碎石 的掺配合比例合理。 如 图 6 、 7 ， 比较分析每组配合 比的 2 8 d抗折强度试验结果 发现， 当矿粉掺量在 3 0 122内时， 2 8 d抗折强度随着矿粉掺量的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 山 皇 憩 辖 皇 、 暇 辖 矿粉掺 量 水 胶 比 图 7 2 8 d抗折强度随水胶比的变化 提高而提高， 当矿粉掺量超过 3 0 时， 2 8 d抗折强度随着矿粉掺 量的提高而降低。 当矿粉掺量一定时， 2 8 d抗折强度不一定随着 水胶比的增大而降低， 这可能与碎石的骨架密实结构有关系。 水泥体系的这种泌水性 ， 让内部的部分水分泌出以补充表面散 失的水分， 从而有效地避免施工过程中出现表面造壳现象。 当然， 如果在恶劣的天气条件下进行施工 ， 这种措施的效果不明显时 应采取薄膜覆盖等措施进行保水。 2 2 矿粉 +水 泥体 系干 缩性 较 大 的 形成 原 因及 应 对 措 施 从微观结构来看 ， 矿粉 +水泥体系与矿渣水泥一样， 水化 后所形成 的水化硅 酸钙凝胶 结构远比硅酸盐水泥致密 ， 内部孔 隙所占的体积比硅酸盐水泥明显小， 因此这种致密结构所占体 积也就 明显 比硅 酸盐水 泥小 ， 从 而表现 出干缩性较硅 酸盐水 泥 大 ， 如养护不 当， 较易产生表面裂缝 。 这需要施 工环 节来 避免因 矿粉 +水泥体 系干缩性较大而引起的一些质量 问题 。 针对矿粉 +水泥体系干缩性较大的特点， 向客户提交技术 交底书， 告知这类路面水泥混凝土的性能特点， 并要求其施工 过程中进行多次抹压， 以提高表面混凝土强度， 防止出现表面 裂缝 ； 现场把握好切缝时机， 防止出现断板现象； 做到养护及 时、 湿度充分， 并保证足够的保湿养护时间。 2 3工程案 例 深圳横 山桥 、 盐灶桥及洋弛桥重建工程所用的 C 4 0级水泥 混凝土路面， 要求弯拉强度达到 5 0 MP a ， 施工坍落度要求 1 0 0 - 1 20 r n l T l 。 根据表 9 、 1 0的试验结果 ， 借鉴矿粉含量大于 6 5 的矿渣 水 泥在惠州 市大亚湾 中海壳牌南 海石化项 目上应用 的成 功经 验 ， 笔者从这九组试验中挑选出第 5号配合 比做为生产配合 比， 为横山桥、 盐灶桥及洋弛桥重建工程生产供应了近 1 0 0 0 IT I 混凝土。 施工过程中没有出现表面造壳现象， 外观质量良好。 2 8 d 抗压和抗折试件各成型了 8组， 测得 2 8 d抗压强度最小值为 4 6 9 MP a ， 达到设计值的 1 1 7 ， 平均值为 5 2 1 MP a ， 达到设计 值的 1 3 0 , 4 ； 2 8 d 抗折强度最小值为 5 6 MP a ， 达到设计值的l 1 2 ， 平均值为 6 1 MP a ， 达到设计值 的 1 2 2 。 折压 比为 1 8 1 1 0 。 2工程应 用 3 结束语 2 1 施 工过程 中混凝土表 面造壳现 象的形成原 因及 应 对措 施 水泥浆的泌水性与保水性理论告诉我们 ， 只有混凝土配合 比的水灰比大于水泥浆泌水临界水灰 比时水泥浆才会产生明 显的泌水 ， 而混凝土配合 比的水 灰 比小 于水泥浆泌水临界水灰 比时水泥浆泌 出的水则很少 ， 表现出较强 的保水性。 在工作 中也 发现 ， 混凝土 的强度 等级越低 、 水灰 比越大 ， 其保水 性就越差 、 泌水就越多； 而混凝土的强度等级越高 、 水灰比越小， 保水性就 越好 、 泌水就越少甚至不泌水。 就抗折强度要求 5 0 MP a以上的 路面水泥混凝土而言 。 用 P O4 2 5级水泥配制 时其水灰 比小于 水泥浆泌水临 界水 灰 比， 因此所 配混凝土具有 良好 的保水 性 。 但是在施工过程中路面水泥混凝土暴露在空气中的面积大、 表 面的水分蒸发快 ， 而 内部混 凝土具有 良好的保 水性 ， 没 有水分 泌出来补充表面散失的水分， 因此容易出现表面造壳现象 ， 在 气温、 日照、 风力等不利的环境因素作用下， 表面造壳现象更为 严重 ， 这对于路面水泥混凝土施工极为不利。 从微观结构来看 ， 矿粉 +水泥体系与矿渣水泥一样 ， 水化 后所形成的水化硅 酸钙凝胶结构远 比硅 酸盐水 泥致 密 ， 这种致 密结构在形成过程中会使内部的水分较多地被挤压至混凝土 表面 ， 表现出比硅酸盐水泥明显 的泌水性 。 本文充分利用矿粉 + ( 1 ) 掺人适量高效减水刺 ， 发挥高效减水剂的减水作用以 保证在用水量不增加的条件下获得满足施工要求的坍落度。 ( 2 ) 碎石的公称最大粒径和颗粒级配对路面水泥混凝土抗 折强度影响很大， 调整碎石公称最大粒径、 合理掺配二档颗粒 级配碎石以进一步改善颗粒级配和降低孔隙率， 实现振实后碎 石逐级密实填充的骨架密实结构， 提高碎石之间的嵌锁作用， 是 流动性水泥混凝土获得高抗折强度的重要措施 。 ( 3 ) 利用矿粉在水泥碱性环境里生成的水化产物的纤维状 特性和远比硅酸盐水泥致密的特征， 掺人适量粒化高炉矿渣粉 ， 是提高流动性水泥混凝土抗折强度的有效途径， 同时利用矿粉 的泌水性有效避免施工 过程 中因失水而 出现的表面造壳现象 。 参考文献 ： 1 】G B 5 0 1 6 4 -9 2 ， 混凝土质量控制标准 s 】 【 2 】GB J 9 7 8 7 ， 水泥混凝土路面施 工及验 收规范【 s 3 J T G F 3 O 一2 o 0 3 ， 公路水泥混凝土路面施工技术规 范f s 1 f 4 】 袁润章 胶凝材料学【 M 武汉 ： 武汉工业大学出版社， 1 9 8 9 ： 9 7 1 5 1 作者 简介 联 系地址 联 系电话 李华军 ( 1 9 7 2 一 )， 男 。 广 东 省 深圳 市 盐 田 区南 方 明 珠花 园 1 l栋 7 0 8号 信 箱 ( 5 1 8 O 8 3 ) 1 3 7 2 8 9l 2 3 8 5 39 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m