低溫條件下橋梁樁基混凝土性能研究

李建鑫

(鄭州市公路工程公司,河南 鄭州 450000)

相較于常規(guī)地基土體,冬季低溫地區(qū)土體的各方面特性都較為特別,其對(duì)周邊溫度有著很高的敏感性。若將常規(guī)橋梁樁基混凝土配合比直接應(yīng)用于冬季低溫地區(qū)施工,往往會(huì)導(dǎo)致許多不良后果。最常見的是引起橋梁各部位過(guò)大變形,使其不再滿足規(guī)范要求。當(dāng)這一變形量超過(guò)了結(jié)構(gòu)承受極限時(shí),更會(huì)間接產(chǎn)生各類嚴(yán)重危害。因此,設(shè)計(jì)一種具有針對(duì)性的橋梁樁基混凝土配合比,具有非常深遠(yuǎn)的意義。

針對(duì)低溫地區(qū)冬季橋梁樁基設(shè)計(jì)和施工,國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)有了一定的研究成果。侯立斌[1]針對(duì)冬季橋梁施工過(guò)程中遇到的低溫環(huán)境下混凝土澆筑問(wèn)題,從原材料選擇及配合比設(shè)計(jì)、混凝土澆筑過(guò)程質(zhì)量控制、混凝土澆筑后的養(yǎng)護(hù)技術(shù)等方面進(jìn)行了研究,提出了有效的保溫及防凍害技術(shù),利于施工順利進(jìn)行、防止凍害發(fā)生,保證了混凝土施工效果,實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的有效預(yù)防。蘇家仲[2]在橋梁的冬季施工混凝土前期準(zhǔn)備工作基礎(chǔ)上,對(duì)冬季道路橋梁混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行了論述。劉國(guó)玉[3]對(duì)低溫地區(qū)冬季橋梁工程中所采用的樁基混凝土施工過(guò)程進(jìn)行了論述,提出了一系列具有建設(shè)性的方案。向敏等[4]在水化熱領(lǐng)域進(jìn)行了混凝土放熱試驗(yàn)研究,通過(guò)有限元軟件測(cè)算出混凝土的水化熱推薦值。此外,近期學(xué)者專家對(duì)于冬季混凝土施工或者配合比方面也有一些研究成果[5-7]。

許多學(xué)者對(duì)冬季低溫地區(qū)施工橋梁樁基混凝土設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行了大量的探索工作,尤其是針對(duì)其強(qiáng)度和凝結(jié)硬化過(guò)程的水化熱問(wèn)題進(jìn)行了著重討論。但在外界溫度、外加劑摻量、水膠比大小以及礦物摻合料摻配對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響方面,仍存在著一定空白。因此,研究針對(duì)攪拌成型及凝結(jié)硬化時(shí)溫度、混凝土外加劑、水膠比大小以及礦物摻合料的摻配情況進(jìn)行分析,分析其對(duì)橋梁樁基混凝土凝結(jié)硬化的影響,結(jié)果將對(duì)低溫地區(qū)冬季橋梁樁基的施工有重要指導(dǎo)意義。

1 橋梁樁基原材料

1.1 水泥

試驗(yàn)采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥,對(duì)該水泥中的化學(xué)成分進(jìn)行了分析,結(jié)果見表1。隨后實(shí)測(cè)了該水泥各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo),結(jié)果見表2。此外,試驗(yàn)采用粒度分析儀,對(duì)水泥粒度分布情況進(jìn)行了測(cè)定,測(cè)試結(jié)果見圖1。

表1 水泥化學(xué)成分分析

表2 力學(xué)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

圖1 水泥的粒徑分布測(cè)試結(jié)果Fig.1 Test results of the particle size distribution of cement

1.2 粉煤灰

粉煤灰是煤粉在生產(chǎn)過(guò)程中,燃燒后得到的粉末或者顆粒狀產(chǎn)物。試驗(yàn)優(yōu)選是I級(jí)F類高性能粉煤灰,其密度是2 160 kg/m3,細(xì)度是6.9%,燒失量是0.75%,需水量比是94.1%,其主要性能指標(biāo)如表3所列。

1.3 磨細(xì)礦渣

礦渣選用磨細(xì)的微粉礦渣,密度為2 693 kg/m3,比表面積為395 m2/kg,經(jīng)測(cè)試其7 d的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到79.4%。

1.4 外加劑

試驗(yàn)設(shè)計(jì)混凝土配合比的過(guò)程中選用了減水劑和早強(qiáng)劑2類外加劑。

為防止混凝土凝結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生各類不良反應(yīng),選用了具有較強(qiáng)穩(wěn)定性的聚羧酸減水劑,其減水效率高,并且不含氯離子,不會(huì)對(duì)鋼筋造成腐蝕,可顯著提升混凝土的密實(shí)型和耐久性。

早強(qiáng)劑的主要目的是快速形成混凝土早期強(qiáng)度,其組分主要是由甲酸(CH2O2)、氟化鈉(NaF)、硫酸鋁(Al2(SO4)3)以及三乙醇胺((HOCH2CH2)3N)組成,在配制使用的過(guò)程中加入熟石灰粉。

表3 粉煤灰化學(xué)成分

2 試驗(yàn)方法

測(cè)試使用低溫測(cè)試室來(lái)模擬低溫地區(qū)冬季的自然條件。首先取用5 mm標(biāo)準(zhǔn)篩,從新拌混凝土中篩分砂漿,采用紅外測(cè)溫儀得到其初始溫度,在此過(guò)程中要盡量控制時(shí)間在較短范圍內(nèi)。接著將砂漿和水泥維卡儀一起放入低溫試驗(yàn)室中,并手動(dòng)設(shè)置好低溫試驗(yàn)室的溫度,具體為0 ℃、-5 ℃以及-10 ℃3個(gè)檔次。試驗(yàn)過(guò)程中不斷檢測(cè)砂漿溫度變化情況。

0.5 h后取出砂漿和水泥維卡儀,當(dāng)滿足試針停止下降,或者當(dāng)試針0.5 min內(nèi)下沉到距離下底面4 mm的時(shí)候,認(rèn)為砂漿達(dá)到初凝狀態(tài)。水泥初凝時(shí)間即為加入拌合水至初凝狀態(tài)之間所耗費(fèi)的時(shí)間。為得出有效結(jié)論,試驗(yàn)每隔15 min測(cè)量一次溫度數(shù)據(jù)并加以記錄。

完成砂漿初凝時(shí)間測(cè)定工作后,將測(cè)試薄膜和砂漿以平移的方式從玻璃板翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái),并將直徑較大的一端朝上,置于玻璃板上。接著將砂漿和水泥維卡儀一起放入低溫試驗(yàn)室中。當(dāng)試針沉入砂漿的距離達(dá)到0.5 mm時(shí),認(rèn)為砂漿達(dá)到了要求的終凝狀態(tài),并且要求圓模不得在終凝砂漿上留下痕跡。

試驗(yàn)除了模擬環(huán)境溫度對(duì)低溫地區(qū)冬季橋梁樁基混凝土的凝結(jié)時(shí)間產(chǎn)生影響外,還綜合考慮了有關(guān)配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到的各類原材料占比所帶來(lái)的影響。試驗(yàn)考慮控制的配合比參數(shù)包括礦物摻合料占比、減水劑摻量、早強(qiáng)劑摻量以及水膠比。通過(guò)控制變量,得出各影響因素對(duì)試驗(yàn)砂漿初凝時(shí)間和終凝時(shí)間的影響。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的控制條件如表4所列。

表4 試驗(yàn)擬定的控制條件

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)在室內(nèi)搭建起低溫環(huán)境用于模擬低溫地區(qū)冬季的環(huán)境,使用水泥維卡儀對(duì)混凝土的初凝、終凝時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試,從而得出了不同的低溫環(huán)境對(duì)樁基混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響。控制混凝土的配合比各參數(shù),在低溫環(huán)境下,對(duì)混凝土初凝、終凝時(shí)間進(jìn)行測(cè)定,同時(shí)記錄混凝土外部環(huán)境溫度和內(nèi)部溫度的變化情況,探尋其中的變化規(guī)律。

3.1 混凝土的內(nèi)外溫度

在低溫地區(qū)冬季的實(shí)際施工條件下,橋梁樁基混凝土初凝和終凝時(shí)間會(huì)受到明顯影響,研究3種模擬溫度環(huán)境下的混凝土凝結(jié)時(shí)間影響規(guī)律,同時(shí)記錄混凝土外部環(huán)境溫度和內(nèi)部溫度的對(duì)比變化情況,試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由圖2可知,實(shí)驗(yàn)室模擬的溫度與混凝土內(nèi)部溫度并不重合,一是由于溫度設(shè)置后的溫度遞減過(guò)程,故不能做到實(shí)時(shí)性;二是因?yàn)樗嗨^(guò)程中會(huì)放出熱量,從而導(dǎo)致溫度下降的速率減緩。不同外部模擬溫度下,隨著預(yù)設(shè)溫度越來(lái)越低,其降低曲線的斜率逐漸增大,混凝土內(nèi)部的溫度降低速率也呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律。最終二者在時(shí)間達(dá)到2 h處趨于一致。

圖2 混凝土外部和內(nèi)部溫度對(duì)應(yīng)變化Fig.2 External and internal temperature of concrete

3.2 溫度對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,每組混凝土在不同低溫環(huán)境下,隨著環(huán)境溫度的降低,混凝土初凝、終凝時(shí)間都是逐漸延長(zhǎng)的,如圖3所示。

如編號(hào)為1的混凝土組,在常溫(20 ℃)環(huán)境下的水化速度很快,初凝、終凝時(shí)間分別為58 min和88 min。當(dāng)混凝土外部的模擬溫度逐漸隨著時(shí)間降低后,其凝結(jié)時(shí)間顯著變長(zhǎng),在0 ℃時(shí),其平均增長(zhǎng)率約為46%。當(dāng)溫度持續(xù)降低至-5 ℃甚至-10 ℃時(shí),該增長(zhǎng)率更是達(dá)到了64%和73%。這歸結(jié)于溫度下降,抑制了水泥水化的速度,其根本原因是水泥中各化學(xué)組分的化學(xué)活性降低,從宏觀上表現(xiàn)為凝結(jié)時(shí)間的增長(zhǎng)。

3.3 配合比對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

(1) 外加劑的影響 圖4總結(jié)了外加劑(包括減水劑和早強(qiáng)劑)樁基混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響。減水劑不會(huì)改變混凝土凝結(jié)時(shí)間隨外部溫度改變的大致規(guī)律:隨溫度下降,樁基混凝土初凝時(shí)間、終凝時(shí)間持續(xù)上升。從圖4中可以發(fā)現(xiàn),隨著減水劑摻量的提高,混凝土總體凝結(jié)時(shí)間逐漸提高。在外部溫度達(dá)到0 ℃的條件下,其摻量對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響主要體現(xiàn)在終凝上。當(dāng)其摻量從1%提高至2%時(shí),隨著外部溫度的下降,混凝土初凝時(shí)間增幅分別是15%、13%以及8%,對(duì)應(yīng)的終凝時(shí)間增幅為26%、17%以及13%。

圖3 溫度對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響Fig.3 Effect of temperature on setting time

圖4 外加劑對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響Fig.4 Effect of admixture on setting time

早強(qiáng)劑對(duì)樁基混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響主要體現(xiàn)在初凝時(shí)間上。因?yàn)樵鐝?qiáng)劑的原理是加快混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展,即加快水泥水化的速度。隨著時(shí)間的推移,混凝土的內(nèi)外溫度逐漸接近,其效能逐漸降低。因此在樁基混凝土的施工過(guò)程中應(yīng)保證其溫度條件。

(2) 礦物摻合料的影響 研究表明[8],粉煤灰的摻加可以改善混凝土使用性能,延長(zhǎng)其凝結(jié)時(shí)間。礦物摻合料的摻加將整體提升樁基混凝土的凝結(jié)時(shí)間,且提升比率隨著外部溫度的提高越來(lái)越大。而隨著溫度的下降,其對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響也會(huì)相應(yīng)縮小。

(3) 水膠比的影響 研究水膠比對(duì)樁基混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響情況,可以發(fā)現(xiàn):隨著水膠比提升,混凝土的凝結(jié)時(shí)間總體上稍有一定的延長(zhǎng),而且僅限于較低溫度條件下。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是:當(dāng)樁基混凝土配合比中的水膠比較低的時(shí)候,決定了其中含水量較低,從而受到溫度的影響不明顯[9]。當(dāng)水膠比提升后,其含水量上升,并且在低溫的雙重作用下,其凝結(jié)速度才會(huì)產(chǎn)生較為明顯的降低,體現(xiàn)為初凝和終凝時(shí)間的延長(zhǎng)。

4 結(jié)論

通過(guò)模擬各種配合比條件下樁基混凝土凝結(jié)狀況,并對(duì)其進(jìn)行凝結(jié)時(shí)間的測(cè)定,探究了冬季低溫地區(qū)土體中橋梁樁基混凝土的施工影響因素,得到了以下結(jié)論:

(1) 外界溫度與混凝土內(nèi)部溫度并不重合;

(2) 溫度的下降,抑制了水泥水化的速度,其根本原因是水泥中各化學(xué)組分的化學(xué)活性降低,從宏觀上表現(xiàn)為凝結(jié)時(shí)間的增長(zhǎng);

(3) 減水劑不會(huì)改變混凝土凝結(jié)時(shí)間隨外部溫度改變的大致規(guī)律,早強(qiáng)劑對(duì)樁基混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響主要體現(xiàn)在初凝時(shí)間上;

(4) 隨著溫度的下降,其礦物摻合料對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響也會(huì)相應(yīng)縮小,水膠比的提升總體上會(huì)延長(zhǎng)混凝土的凝結(jié)時(shí)間。

除了對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響外,低溫環(huán)境下的凍土對(duì)樁基混凝土的其他各方面性能也有著一定的影響,有待進(jìn)一步進(jìn)行探究。