水泥混凝土路面性能的變異性研究

董 旭

（黃岡師范學(xué)院建筑學(xué)院，湖北黃岡 438000）

水泥混凝土路面性能的變異性研究

董 旭

（黃岡師范學(xué)院建筑學(xué)院，湖北黃岡 438000）

由于路用材料的不均勻性及施工管理水平的差異,混凝土路面的各項(xiàng)材料性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)幾何尺寸等都不是某一確定的單值變量。對于各種不確定因素,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是通過安全系數(shù)來加以考慮的。但安全系數(shù)并不能真正反映出結(jié)構(gòu)實(shí)際的安全儲備,且其取值主要基于以往的經(jīng)驗(yàn)。以可靠性理論為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法,承認(rèn)和揭示了結(jié)構(gòu)屬性中存在的不確定性,并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時充分考慮到施工管理水平的影響,使得設(shè)計(jì)結(jié)果更趨科學(xué)和合理。但在實(shí)際施工中,由于環(huán)境或人為的因素,使得施工工藝控制不嚴(yán)格,物理離析和時間離析比較嚴(yán)重,最終導(dǎo)致混凝土的組成設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生變化,而產(chǎn)生了混凝土組成變異性。

水泥混凝土 路面性能 變異性

水泥是混凝土的主要原料,混凝土的許多性能是與水泥性能相關(guān)的,水泥性能也同樣決定了混凝土性能,水泥強(qiáng)度偏差大就會造成混凝土強(qiáng)度偏差大。因此,在原材料的運(yùn)輸、儲存過程中,應(yīng)嚴(yán)格控制水泥的質(zhì)量。

1. 貯存時間與溫度對水泥的影響研究

路面混凝土要求彎拉強(qiáng)度高,收縮小,耐磨性、抗滑性和耐久性好。水泥種類和性能對混凝土施工性能、使用性能和耐久性有重要影響。水泥隨著存放時間的延長(在3個月之內(nèi)),物理性能發(fā)生變化:存放初期標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量變化不大。當(dāng)存放時間過一長,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量開始增大。凝結(jié)時間延長,而且對終凝時間的影響越來越大。強(qiáng)度逐步下降,早期強(qiáng)度下降快而且下降幅度大。后期強(qiáng)度比早期強(qiáng)度下降稍滯后,下降幅度比早期強(qiáng)度小。在水泥存放時間為30d時,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量減小了0.3%；而水泥存放時間為90d時,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增大了4.6%。因此,一般要求水泥存放時間不宜大于30d。

研究表明:溫度升高時,水泥與水的反應(yīng)速率加快,凝結(jié)時間會因此而縮短。養(yǎng)護(hù)溫度在25-30℃范圍內(nèi)時,水泥水化放熱速率迅速提高,混凝土中消耗水分的速率會增大,使得混凝土澆搗、抹面變得困難,并且增加了冷接縫的數(shù)量。水泥溫度越高,水泥水化反應(yīng)速度越快,水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量會增加。現(xiàn)場施工中,為了補(bǔ)償工作性的損失,通常在混凝土中摻入過量的水,從而增大了水灰比,降低了混凝土的長期使用性能。高溫下水泥的水化速率會明顯加快,造成混凝土的坍落度損失急劇增加,甚至無法施工。水泥溫度過高,如果高于35℃將導(dǎo)致混凝土入模溫度過高。混凝土入模溫度過高會加速混凝土的放熱,提高混凝土內(nèi)部溫度峰值,加大熱應(yīng)力,增加開裂風(fēng)險。水泥溫度過低,水泥水化速度慢,凝結(jié)時間延長,影響混凝土的施工。因此,原材料運(yùn)輸、貯存過程中要保證水泥溫度控制在一定范圍內(nèi),一般要求水泥溫度不得高于35。

2. 集料級配的影響研究

集料的級配對混凝土的和易性、力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性能都有著很大的影響,直接影響混凝土的強(qiáng)度及耐久性能。在配合比不變的條件下,級配良好的粗集料能獲得更好的流動性,在保持混凝土拌合物流動性不變的前提下,能節(jié)約水泥用量。級配良好的粗集料空隙率小,在相同的水泥漿量下,使混凝土拌合物獲得更大的密實(shí)度,并能通過砂漿的粘結(jié)作用,相互之間保持較好的機(jī)械咬合狀態(tài),有利于提高混凝土的抗折強(qiáng)度。當(dāng)集料級配不好時,混凝土含有過多而且不易密實(shí)的砂漿,造成混凝土內(nèi)部均勻性差,強(qiáng)度變異性大。

粗集料的級配及砂率變化對路面混凝土抗折強(qiáng)度有顯著影響,并且在粗集料級配為5-30時,抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值。而粗集料的級配及砂率變化對路面混凝土抗壓強(qiáng)度的影響很小。處于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的集料與硬化漿體間的界面對混凝土的抗壓強(qiáng)度有顯著影響。大量資料表明,集料平均粒徑越大,其比表面積就越小,則配置的混凝土強(qiáng)度就越低。而集料的平均粒徑越小,比表面積越大,裂縫在外界荷載作用下于界面的擴(kuò)展耗能將越大。因此,混凝土中集料平均粒徑的減小,將有助于提高抗折強(qiáng)度及混凝土抵抗開裂的能力。集料級配是影響混凝土質(zhì)量的重要因素之一,應(yīng)予以重視。良好的集料級配可用較少的水泥漿制得流動性好、泌水少、不離析的混凝土拌合物,硬化后得到均勻密實(shí)的混凝土。

3. 集料吸水率和含水率的影響研究

在公路機(jī)械化施工中,人們越來越認(rèn)識到新拌混凝土的含水率對工程質(zhì)量和工程造價的影響相當(dāng)大。由于集料的來源、材料的保水性和貯藏管理手段的不同,伴隨著混凝土的拌制,集料中的水分在不斷地變化。

集料含水率的變化,會使配制的水灰比發(fā)生變異,對混凝土的質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。水泥水化時需要結(jié)合水,理論上結(jié)合水占水泥質(zhì)量的10%一25%。但是為了提高混凝土的流動性,在拌制混凝土?xí)r加水約至水泥質(zhì)量的40%一70%,這樣使得混凝土硬化后,多余水分形成水泡,蒸發(fā)后又形成氣孔,使混凝土的密度和強(qiáng)度大大降低。研究表明:潮濕狀態(tài)下的集料或砂,含泥量越大,吸水率也越大。碎石場加工用片石中的泥土液塑限一般在50%一80%之間?；炷粱旌狭现械哪嗤料纫_(dá)到液限需要一定的水,砂的含泥量越大,混凝土的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量就要相應(yīng)的增加。在混凝土進(jìn)行拌和時,若未能及時準(zhǔn)確地調(diào)整用水量,水灰比自然就會變大,進(jìn)而影響硬化混凝土的使用性能及耐久性。由于集料含水率的變動,一般會導(dǎo)致混凝土中含水率變動2%-3%。此時,若不及時調(diào)整水泥和水的供給量,每噸混凝土將增減50kg左右的水泥,這將嚴(yán)重影響工程造價和混凝土質(zhì)量。集料的吸水率越大,有效用水量就越大,增加了混凝土的需水性,從而影響混凝土的性能。集料的吸水率同步影響著集料的含水率,≦

一般規(guī)定集料的吸水率3%。

4. 集料含粉量及含泥量的影響研究

含泥量是反映集料生產(chǎn)技術(shù)水平的重要指標(biāo),對新拌混凝土的工作性亦即硬化后混凝土的力學(xué)性能和耐久性都有影響。大量試驗(yàn)證明,混凝土強(qiáng)度隨著砂、石含泥量的增大而降低。骨料中含有泥塊或石粉能夠引起需水量的增加,降低混凝土的性能或使混凝土更容易被風(fēng)化,妨礙了水泥的正常水化,阻礙了水泥與骨料膠結(jié)的充分發(fā)展,因而對混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。另外,由于泥的表觀相對密度較小,約為1.6,混凝土混合料經(jīng)振動提漿后,泥由于密度較小會在水泥混凝土路面表面富集,混凝土早期塑性收縮開裂的機(jī)率相應(yīng)增大。

粗集料在生產(chǎn)、運(yùn)輸、存放過程中表面所產(chǎn)生和吸附的石粉會降低混凝土抗壓強(qiáng)度。界面理論認(rèn)為界面是混凝土強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié),粗集料與砂漿的界面對混凝土的性能有著重要影響。

隨著石粉含量從O增大到2%,兩種強(qiáng)度等級混凝土的抗壓強(qiáng)度均略有升高,但碎石中石粉含量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響并不明顯。這是因?yàn)槭鄣馁|(zhì)地堅(jiān)硬,發(fā)揮了微集料和礦物外加劑的作用,填充了混凝土孔隙,提高了混凝土強(qiáng)度,改善了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?？梢?混凝土的強(qiáng)度因碎石和砂中勃土的存在而顯著降低,對于強(qiáng)度等級高的混凝土影響更為明顯。當(dāng)碎石中的勃土含量＞1.0%,砂子中豁土含量＞3.5%時,含泥量對C60混凝土抗壓強(qiáng)度的影響增大,而碎石中含粉量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不大。而且研究表明:集料中的土、泥和石粉含量對抗折強(qiáng)度的負(fù)面影響遠(yuǎn)大于對抗壓強(qiáng)度的影響,并且使路面塑性收縮開裂的機(jī)率和干縮變形量大大增加。某些發(fā)達(dá)國家從保證質(zhì)量的角度對水泥混凝土路面的原材料清潔度進(jìn)行了要求。不僅要求礫石全部清洗干凈,砂料與水泥一樣,不允許露天堆放,在施工現(xiàn)場必須罐裝,不允許有任何污染。

此外，隨著建筑技術(shù)的不斷進(jìn)步,對水泥混凝土的要求也越來越高,而混凝土外加劑在其中起著重要的作用,且已成為混凝土中必不可少的組份。外加劑是在混凝土拌和前或拌和時摻入,摻量不大于水泥質(zhì)量的5%(特殊情況除外),并能按要求改善混凝土性能的物質(zhì)。工程中常用的外加劑主要有:減水劑、緩凝劑、引氣劑等。

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