摻加高吸水樹(shù)脂滑模混凝土流變特性研究

李傳平,陳新軒(長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院,陜西西安　710064)

摻加高吸水樹(shù)脂滑模混凝土流變特性研究

李傳平,陳新軒
(長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院,陜西西安710064)

摘要:基于流變學(xué)原理,測(cè)量一系列不同高吸水樹(shù)脂摻量下的滑模施工混凝土在攪拌過(guò)程中的轉(zhuǎn)速和扭矩,得出相對(duì)應(yīng)的相對(duì)屈服應(yīng)力和相對(duì)塑性粘度,再測(cè)量混凝土在振搗拆模后的塌邊高度,從而得出高吸水樹(shù)脂摻量對(duì)混凝土施工阻力和立模特性的影響。結(jié)果表明:摻加適量的高吸水樹(shù)脂后,混凝土的屈服應(yīng)力增加,塑性粘度有所降低,能同時(shí)改善混凝土的施工阻力和立模特性;最合理的摻量為占水泥質(zhì)量的0.3%。

關(guān)鍵詞:高吸水樹(shù)脂;滑模混凝土;施工阻力;立模特性;屈服應(yīng)力;塑性粘度

良好的流變性是滑模鋪筑高質(zhì)量水泥混凝土路面的基礎(chǔ),要求混凝土同時(shí)具有相對(duì)較低的施工阻力和良好的立模特性這兩個(gè)相對(duì)矛盾的工作特性［1－2]。傳統(tǒng)的以單一的靜態(tài)屈服應(yīng)力為指標(biāo)的坍落度檢測(cè)方法難以反映這兩種特性［3－5]。利用水泥混凝土雙臥軸流變儀在線檢測(cè)輸出扭矩和功率能夠?qū)崿F(xiàn)混凝土的動(dòng)態(tài)流變性的實(shí)時(shí)觀測(cè)［6－7]。SAP通常作為一種內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑被添加到混凝土中,前期吸水保水,后期釋放出水分,為混凝土后期水化提供水分,能有效降低自收縮率,減少干縮裂紋的產(chǎn)生［8]。但是,關(guān)于SAP對(duì)路面滑模施工混凝土流變性能影響的研究還不多見(jiàn)。本文通過(guò)不同SAP摻量(指SAP與水泥的質(zhì)量比)下的混凝土的流變性試驗(yàn)、立模試驗(yàn)研究滑模施工中高吸水樹(shù)脂對(duì)施工阻力及立模特性的影響,并得到最佳的SAP的摻量。

1　試驗(yàn)材料、設(shè)備及原理

1.1試驗(yàn)材料

1)水泥。選用內(nèi)蒙古翼東普通硅酸鹽水泥,P.O42.5級(jí); 2)砂。內(nèi)蒙古太平村砂場(chǎng)生產(chǎn)的河砂,細(xì)度模數(shù)2.98,表觀密度2.66 g/cm3,泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%; 3)粗集料為小、中、大三擋石灰?guī)r碎石,級(jí)配合格,粗集料的壓碎值是12.7%,泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是0.44%; 4)試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水; 5)減水劑為聚羧酸類液體減水劑,實(shí)測(cè)固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.9%; 6)SAP為聚乙烯醇系樹(shù)脂,實(shí)測(cè)吸水倍率為140。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

1)水泥混凝土雙臥軸流變儀。攪拌集料最大粒徑為50 mm,轉(zhuǎn)速范圍為0～100 r/min,扭矩測(cè)量范圍為0.1～300 N·m,采樣頻率為1 Hz。2)立模試驗(yàn)槽。為方形鋼槽,兩側(cè)板可以橫向抽出,模擬滑模攤鋪機(jī)的兩側(cè)滑模板。長(zhǎng)、寬、高分別為80、25、25 cm。

1.3試驗(yàn)原理

20世紀(jì)70年代,英國(guó)的Tattersall G H通過(guò)研究指出新拌混凝土可以看作賓漢姆體［9－13],其流變方程為:

式中:τ為剪切應(yīng)力,Pa;τ0為屈服應(yīng)力,Pa;η為塑性粘度,Pa·s; dγ/dt為剪應(yīng)變速率,s－1。

由式(1)可以看出混凝土的流變性可以解釋為以屈服應(yīng)力和塑性粘度為指標(biāo)的剪應(yīng)變速率與剪切應(yīng)力之間的一次線性關(guān)系。

扭矩T與τ之間有

式中: K為設(shè)備系數(shù); N為攪拌葉片個(gè)數(shù); a為攪拌葉片的寬度，m; ra、rb分別為葉片兩端到攪拌軸中心的距離，統(tǒng)稱為攪拌半徑，m。

又有

式中: v為葉片轉(zhuǎn)速; w為角速度。

式(2)兩邊分別對(duì)r求導(dǎo)

等式右邊分別為水泥混凝土雙臥軸流變儀中混凝土的圓周運(yùn)動(dòng)和剪切運(yùn)動(dòng)，即

將式(2)、(3)代入式(1)，得

積分

得到

式(4)為攪拌混凝土的扭矩－轉(zhuǎn)速方程。可以看出混凝土在攪拌的過(guò)程中扭矩與轉(zhuǎn)速是一次線性關(guān)系，方程的截距與斜率分別表示混凝土的相對(duì)屈服應(yīng)力和相對(duì)塑性粘度。

依據(jù)上述原理，利用水泥混凝土雙臥軸流變儀，立模試驗(yàn)槽設(shè)計(jì)一系列不同SAP摻量下的混凝土的流變性試驗(yàn)和立模試驗(yàn)。根據(jù)測(cè)定的扭矩和轉(zhuǎn)速求出每種摻量下的混凝土的相對(duì)屈服應(yīng)力和相對(duì)塑性粘度，并結(jié)合測(cè)得的塌邊高度得出SAP摻量對(duì)混凝土流變性的影響及其最佳的摻量。

2　混凝土施工阻力與立模特性檢測(cè)

混凝土配合比設(shè)計(jì)為m(水)∶m(水泥)∶m(砂)∶m(小石)∶m(中石)∶m(大石)=150∶390∶700∶120∶800∶275。減水劑的摻量為0．75%，設(shè)計(jì)坍落度為50 mm，SAP摻量依次是使用水泥質(zhì)量的0、0．1%、0．3%和0. 5%。為提高SAP在混凝土中的分散效果，采用預(yù)干拌法，將稱量好的SAP投入雙臥軸流變儀內(nèi)，干拌20 s，再加水?dāng)嚢瑁垮仈嚢钑r(shí)間保持一致。SPA最初吸收的水不會(huì)參加水化反映，而是在混凝土干縮的時(shí)候才開(kāi)始釋放水分。所以，為了使水化過(guò)程中的水灰比不變，摻加SPA的混凝土的水灰比分別增加0. 01、0. 04、和0. 07［14－15］。

2．1混凝土的流變性試驗(yàn)

利用水泥混凝土雙臥軸流變儀依次拌和4種摻量下的混凝土，每種混凝土攪拌時(shí)轉(zhuǎn)速和扭矩記錄見(jiàn)表1。

表1　不同SAP摻量的混凝土轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系

2.2混凝土立模試驗(yàn)

利用交通部公路科學(xué)研究院設(shè)計(jì)的立模試驗(yàn)槽,在每次測(cè)完轉(zhuǎn)速和扭矩后,將攪拌好的混凝土倒入試驗(yàn)槽內(nèi),斜插入振搗棒對(duì)混凝土進(jìn)行滑行振搗,然后勻速抽出試驗(yàn)槽的兩側(cè)板,充分模擬滑模攤鋪移動(dòng)成型的特點(diǎn)［16－18]。待混凝土坍塌變形穩(wěn)定后,測(cè)量塌邊高度,每次在兩邊相同位置各取3點(diǎn),共測(cè)量6處并求平均值。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

2.3混凝土施工阻力及立模特性分析

將不同SAP摻量的混凝土攪拌時(shí)測(cè)得的轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行線性擬合,得到相應(yīng)的線性方程,如圖1所示。由圖1進(jìn)一步得出每種摻量的混凝土的相對(duì)屈服應(yīng)力和相對(duì)塑性粘度,見(jiàn)表2。

表2　不同SAP摻量的混凝土的相對(duì)屈服應(yīng)力、相對(duì)塑性粘度及塌邊高度

立模特性是指,在滑模攤鋪過(guò)程中,失去兩側(cè)邊模板支撐的混凝土材料保持完整的邊角特征,不顯著發(fā)生坍塌流動(dòng)變形的特性。良好的立模特性不僅有助于減少后期修邊工作量,而且對(duì)保持路面板幾何形狀及原有平整度有至關(guān)重要的影響。

屈服應(yīng)力是混凝土材料發(fā)生流動(dòng)變形(例如路面的塌邊)所需要克服的最小的剪切應(yīng)力。混凝土的屈服應(yīng)力越大,混凝土越不容易流動(dòng)變形,在路面混凝土材料自重作用下,越不容易發(fā)生塌邊,即相對(duì)較高的屈服應(yīng)力有助于增強(qiáng)混泥土路面的立模特性。

塑性粘度能夠反映混凝土受到的作用應(yīng)力與其流動(dòng)變形速度之間關(guān)系,塑性粘度越大,混凝土保持一定流動(dòng)速度時(shí)所需要的外力越大,所以在攤鋪機(jī)行走速度不變時(shí),塑性粘度越大,攤鋪機(jī)所需要克服的施工阻力就越大,即塑性粘度能夠表征施工阻力的大小［19]。

由表2可以看出,摻加了一定量的SAP后,相對(duì)于沒(méi)有摻加高吸水樹(shù)脂,混凝土的屈服應(yīng)力相對(duì)增加;塑性粘度有所降低;塌邊高度明顯改善。隨著SAP摻量的增加,相對(duì)屈服應(yīng)力先增大后減小;相對(duì)塑性粘度無(wú)明顯變化規(guī)律,但都有所降低;塌邊高度變化趨勢(shì)同屈服應(yīng)力成負(fù)相關(guān)性,即立模性能隨著屈服應(yīng)力的增加而變得越好。當(dāng)SAP摻量為0.3%時(shí),混凝土具有最高的屈服應(yīng)力和相對(duì)較低的塑性粘度,換言之,施工阻力和立模特性這兩個(gè)相對(duì)矛盾的工作特性同時(shí)得到改善,所以相對(duì)而言,0.3%是最合理的SAP摻量。

3　結(jié)論

1)混凝土滑模施工中,坍落度難以完全反映混凝土的動(dòng)態(tài)工作性能,等坍落度的混凝土的施工阻力和立模特性可能不同,以屈服應(yīng)力和塑性粘度為指標(biāo)的流變性能較好的反映滑模施工中混凝土的動(dòng)態(tài)工作性能。2)滑模混凝土摻加適量的SPA后,相對(duì)于沒(méi)有摻加高吸水樹(shù)脂,混凝土的屈服應(yīng)力增加;塑性粘度有所降低;塌邊高度明顯改善,并且塌邊高度同屈服應(yīng)力成負(fù)相關(guān)性。3)滑模混凝土摻加適量SPA后,施工阻力和立模特性這兩個(gè)相對(duì)矛盾的工作特性同時(shí)得到改善,最合理的SAP摻量為0.3%。

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(責(zé)任編輯:郭守真)

Study on Rheological Properties of Slip-Form Concrete with Super Absorbent Polymer

LI Chuanping,CHEN Xinxuan
(School of Construction Machinery,Chang'an University,Xi'an 710064,China)

Abstract:Based on the principle of rheology,the speed and torque are measured when the concrete is mixed to get the relative yield stress and relative plastic viscosity of slip-form concrete with different content of super absorbent polymer and the height of edge collapse is also measured after the concrete is vibrated and the templates are dismantled so as to reflect the effect of super absorbent polymer and its content on the construction

resistance of concrete and the standing mold performance.The results show that the yield stress of concrete is increased and the plastic viscosity of concrete is decreased after adding suitable super absorbent polymer.It can improve the characteristics of construction resistance and standing mold performance when the concrete is mixed with super absorbent polymer.In addition,0.3% of cement dosage is the most rational content of super absorbent polymer.

Key words:super absorbent polymer; slip-form concrete; construction resistance; standing mold performance; yield stress; plastic viscosity

作者簡(jiǎn)介:李傳平(1989—),男,河南信陽(yáng)人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槁访鏅C(jī)械化施工及質(zhì)量控制.

收稿日期:2015－07－29

DOI:10.3969/j.issn.1672－0032.2015.03.009

文章編號(hào):1672－0032(2015)03－0038－05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):TU528.41