低坍落度路面混凝土工作性評價指標研究

權 磊, 田 波, 何 哲, 屈允永, 程 谞

(1.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088； 2.重慶交通大學 土木工程學院, 重慶 400074)

0 引言

長期以來，為了提高水泥混凝土路面的攤鋪效果和平整度，研究人員從施工工藝和材料性能等方面開展了大量的研究。Forssblad等研究了振搗頻率、振幅、振動時間和混凝土配合比等參數對作用半徑的影響規律[1]。Distlehorst[2]針對滑模施工采用的低坍落度混凝土研究了振動棒作用半徑、振幅、頻率對水泥混凝土振動液化的影響。Bache等[3]首次將混凝土的振動密實過程與其流變性能建立了關系。胡永彪等[4]根據振動加速度在混凝土中的傳遞規律提出了滑模攤鋪機振動參數的優化方法。張劍寧等[5]研究了施工各環節對平整度的影響規律。但從實踐來看，上述通過優化施工機械和振搗工藝的嘗試并沒有使水泥混凝土路面平整度產生質的提升。我國采用滑模施工的多條高速公路水泥混凝土路面平整度仍然難以滿足規范給出的2.2 m/km的標準，但內蒙古的一些工程探索表明，改善混凝土的工作性能可較大幅度提升水泥混凝土路面的最終平整度。前期研究也表明，坍落度作為靜態指標難以準確控制低坍落度路面混凝土的工作性[6-7]，為適應滑模施工工藝，傅智[8]提出了新拌混凝土振動黏度系數這一動態指標，但仍不能完全解決麻面和塌邊的問題。文獻[9]基于長期工程經驗提出滑模施工用混凝土應同時滿足快出漿、不塌邊、易抹面等工作性要求。相應地，路面混凝土工作性控制也應該向多指標方向發展。孟祥龍[10]選取坍落度、維勃稠度、振動黏度系數等指標基于室內試驗評價了道路混凝土的立模性能、密實性能和抹面性能，但未能與材料的流變學參數建立關系，也未能提供現場驗證數據。鄭少鵬[11]通過旋轉剪切試驗評價了不同因素對新拌混凝土流變學參數的影響規律，但沒有將其與工作性指標建立聯系。

鑒于目前尚無成熟的試驗方法和評價標準能夠有效控制滑模施工用低坍落度混凝土的工作性，本研究以快出漿、不塌邊、易抹面為技術目標，基于自主開發的混凝土流變參數測定儀、出漿速度測定儀、立模特性測定裝置等設備，在保證坍落度恒定的前提下，通過砂率和含氣量對混凝土工作性進行調節，研究流變學參數(屈服應力和塑性黏度)和工作性經驗指標(出漿速度、抹面特性、立模特性、振動黏度系數等)對混凝土工作性的敏感性，進一步分析流變學參數與工作性經驗指標的相關性，給出基于多指標的路面混凝土工作性調節機制，并在廣西某高速水泥混凝土路面工程中基于現場攤鋪效果(平整度、塌邊、抹面)檢驗了上述技術思路的可行性。

1 試驗儀器與試驗方法

1.1 新拌混凝土流變特性測試方法

本研究自行設計開發了水泥混凝土流變特性測定儀。測定儀主要包括3部分：混凝土攪拌機、扭矩轉速功率控制器、電腦軟件。混凝土攪拌機上附有變速電機和扭矩功率轉速傳感器。流變儀額定電壓380 V，頻率50 Hz，攪拌功率3.0 kW，轉速在0～135 r/min之間可調，扭矩測量范圍為0.1～300 N·m，測量精度0.1%。攪拌葉片共6片，分上下兩層，呈45°夾角布設。葉片與豎直方向平行，寬度10 cm，高度5 cm。

一般情況下，新拌混凝土可近似看作賓漢姆體，則剪應力和剪切速率可通過扭矩和轉速按照式(1)、式(2)計算得到：

(1)

(2)

式中，τ為剪應力；T為扭矩；r，r0分別為攪拌葉片外端和內端到攪拌軸中心的距離；K為設備系數，通過標準黏度材料標定得到，本研究中K=1.2；n為攪拌葉片個數；a為攪拌葉片寬度；β為攪拌葉片方向與數值方向夾角；ω為剪切速率；N為攪拌葉片轉速。

1.2 新拌混凝土出漿速度測試方法

基于傳統維勃稠度儀，對其圓盤進行改進。在圓盤最外緣內10 mm處，沿圓盤厚度方向設4個獨立貫通孔，內徑5 mm，圓心角間隔90°，設孔柱且高出圓盤上表面15 mm。

測試過程中其他操作方法均與維勃稠度試驗流程[12]相同，當4個目標孔均有砂漿冒出時，記錄時間即為出漿用時。

1.3 新拌混凝土立模特性測試方法

為模擬和觀測路面滑模施工中攤鋪機側模板離開后混凝土的塌邊行為，課題組自行設計和制作了混凝土立模特性試驗槽。采用5塊鋼板拼接成長400 mm、寬300 mm、高280 mm的長方體，上部開放，兩側鋼板可側向打開，以模擬滑模施工側模板離開后混凝土的塌邊行為。

試驗時，將攪拌好的混凝土倒入立模特性試驗槽，振搗棒豎直插入混凝土進行充分振搗，抹面后立即抽出試驗槽兩側鋼板，待塌邊高度穩定后測量混凝土邊緣下陷距離，兩邊各測4處，以平均值作為最終結果，精確至0.5 mm。

1.4 新拌混凝土振動黏度系數測試方法

新拌混凝土的振動黏度系數理論由付智研究員提出，現行《公路水泥混凝土路面施工技術細則》(JTG/T F30—2014)(以下簡稱《細則》)[13]采用標準振動臺(頻率50 Hz)測試新拌混凝土的振動黏度系數。考慮滑模施工和3輥軸施工工藝常用的高頻振搗棒組和低頻振搗棒組，本研究基于立模特性測試裝置，將3個乒乓球分別置于振搗棒外側15 cm處，記錄乒乓球浮出用時，按照《細則》所述公式計算振動黏度系數，這里不再贅述。

1.5 新拌混凝土抹面特性評價方法

表面粗糙度是表征材料表面微觀幾何形狀差異性的重要指標。從感官角度講，混凝土成型后若易于抹面則收面后表面粗糙度較低，不易抹面則收面后表面粗糙度較大。雖然路表有抗滑構造深度的要求，仍可通過粗糙度對不同工作性的混凝土抹面性能進行相對評估。

采用英國易高ELCOMETER 123表面粗糙度儀，測量范圍0～1 000 μm。將儀器基座穩定于混凝土表面上，基座的底面即為基準面，針尖在彈力作用下與混凝土表面凹凸點接觸，儀器讀數即為測量點和基準面的相對高差。測量時，將標定好的表面粗糙度儀放置在終凝后的水泥混凝土面板上，記錄讀數，取多次測量結果的平均值作為混凝土表面粗糙度。

2 試驗材料與配合比設計

2.1 原材料基本參數

水泥選用金隅牌普通硅酸鹽水泥，P.O42.5級，相關技術指標符合規范要求。試驗用河砂的相關技術指標詳見表1。

表1 試驗用河砂技術指標Tab.1 Technical indicators of river sand for experiment

粗集料為石灰巖碎石，級配合格，壓碎值為17.1%。

減水劑和引氣劑采用交通運輸部公路科學研究院自主研發的液化劑(無色液體，減水率11.2%，固含量20%，pH值8.6)，通過調整減水與引氣成分比例實現目標減水率和含氣量。

2.2 新拌路面混凝土工作性影響因素的選取

Neville等[14-16]總結了影響新拌水泥混凝土工作性的相關因素主要有：拌和時間、外界環境、粗細集料級配及表面結構、水泥種類及用量、外加劑種類及摻量、火山灰品質及數量等。

在路面混凝土配合比設計中，考慮到經濟性等因素，水泥用量受限，難以有較大變化。為保證強度和耐久性，水灰比也難以放寬；相反，砂率[10]、含氣量[17]不僅對低坍落度混凝土工作性影響顯著，而且具有經濟上的可操作性。當前，我國路面混凝土的工作性控制主要以坍落度和振動黏度系數為主，《細則》規定碎石混凝土滑模攤鋪時的坍落度宜為10～30 mm，振動黏度系數宜為200～500 N·s/m2。因此，為了考察坍落度能否有效控制路面混凝土的工作性，將所有試驗用混凝土出機坍落度控制在(30±2) mm，研究砂率變化和含氣量變化對工作性指標的影響規律。

2.3 等坍落度混凝土配合比設計

依據《細則》進行路面混凝土配合比設計。保持水灰比和水泥用量不變，砂率分別設定為30%，35%，40%，45%，50%，通過調節液化劑組分和摻量使5組混凝土坍落度保持在(30±2) mm，含氣量保持在3%±0.3%。

保持水灰比和水泥用量不變，砂率固定為40%，通過調節液化劑組分和摻量,使5組混凝土含氣量分別達到1%±0.1%，2%±0.2%，3%±0.3%，4%±0.3%，5%±0.3%。試驗所用配合比詳見表2。

表2 工作性評價所用混凝土配合比Tab.2 Mix proportion of concrete for workability evaluation

由于含氣量測定涉及標準振動臺振實過程，與滑模攤鋪振搗棒密實作用原理存在差異。為盡可能降低因素復雜性，本研究所指含氣量均為標準振動臺振動30 s后所測含氣量。

3 試驗結果分析

3.1 砂率和含氣量變化對新拌混凝土流變行為的影響

根據式(1)、式(2)，從實測扭矩-轉速數據得到不同砂率情況下剪應力隨剪切速率的變化趨勢(圖1(a))和不同含氣量情況下剪應力隨剪切速率的變化趨勢(圖1(b))。可以看到，隨著剪切速率的增大，剪應力基本均呈線性增加。對各組剪應力-剪切速率數據進行線性擬合，得到對應的相關系數并匯總于表3。相關系數R2值均在0.96以上，可見新拌路面混凝土可認為服從賓漢姆體流變特性。

圖1 剪應力隨剪切速率的變化趨勢Fig.1 Trends of shear stress vs. shear rate

表3 不同工況剪應力-剪切速率數據線性擬合相關系數Tab.3 Correlation coefficients for data linear regression of shear stress vs. shear rate under different conditions

取擬合直線的截距和斜率，即為屈服應力和塑性黏度。因此，分別得到屈服應力與塑性黏度隨砂率和含氣量的變化趨勢，如圖2 (a)～(b) 所示。忽略材料組間變異性，從總體趨勢看，屈服應力隨砂率增大而增大，當砂率從35%增長到45%時，屈服應力增大效應最為明顯，增長幅度達到112%。砂率從35%增長到45%時和從45%增長到50%時，屈服應力均出現小幅降低。結合3.5節砂率對立模特性試驗結果可以推測其原因：砂率達到35%時能夠形成最佳級配曲線，使得混凝土的阻力最小，抵抗變形能力最小；繼續增加砂率，混凝土級配變差，阻力增大；當砂率達到45%以上時，混凝土骨架變為懸浮結構，阻力重新變小，塑性黏度隨砂率增大而減小；當砂率在30%～40%范圍時，塑性黏度基本穩定；砂率增大到45%以上時，塑性黏度重新趨于穩定。同理，從總體趨勢看，屈服應力隨含氣量僅出現微弱波動，波動范圍在12%以內；塑性黏度隨含氣量增長出現明顯降低，含氣量從1%增大到2%時，塑性黏度降低幅度最大，達到19%。

圖2 屈服應力和塑性黏度的變化趨勢Fig.2 Trends of yield stress and plastic viscosity

對比圖2(a)和圖2(b)可以看出，砂率能夠顯著改變新拌混凝土的屈服應力水平，含氣量的影響則非常有限。砂率和含氣量均能有效調節新拌混凝土的塑性黏度。從施工角度來看，屈服應力是阻礙拌和物產生塑性變形的極限應力，屈服應力越大，立模特性越好。塑性黏度反映的是拌和物的內部結構對流動產生阻礙的大小，塑性黏度越小，氣體排出阻力越小，混凝土施工阻力也越小，混凝土密實性能和抹面性也就越好。因此，實踐中宜將砂率控制在40%～50%，含氣量控制在3%～5%，以獲得最佳工作性能。

3.2 砂率和含氣量變化對低頻振動出漿速度的影響

采用1.2節的測試儀器和操作方法，測定不同砂率和含氣量情況下新拌混凝土的出漿用時，繪于圖3。可以看出，出漿時間隨砂率和含氣量的變化均呈下凹趨勢，即存在最佳砂率(40%～45%)和最佳含氣量(4%)使得出漿速度最快。與圖2對比可知，這一區間內混凝土的塑性黏度較小，即顆粒間阻力較小，易于骨料重排和氣泡與砂漿排出。由于本研究試驗中水泥用量和水灰比為固定值，當砂率大于45%后，水泥凈漿含量不足以包裹和潤滑砂顆粒表面，工作性變差導致出漿時間增大。

圖3 出漿用時隨砂率和含氣量變化趨勢Fig.3 Trends of time for mortar overflowing vs. sand ratio and air content

3.3 砂率和含氣量變化對抹面特性的影響

將不同砂率和含氣量情況下的新拌混凝土裝入長、寬、高為300 mm×300 mm×50 mm的木模中，經標準振動臺振動30 s后，由同一試驗人員使用同一抹平工具抹平混凝土面板。待混凝土終凝后，即進行混凝土面板表面粗糙度的測量。根據上文所述測量方法，在每塊混凝土面板表面隨機測量10處，并求平均值。不同砂率和含氣量情況下混凝土表面粗糙度如圖4所示。可見，隨著砂率增大，表面粗糙度迅速降低。當砂率達到45%以上時，表面粗糙度不再降低；隨著含氣量增加，表面粗糙度逐漸升高，但增幅逐漸變緩。這一規律表明在砂漿總體不足的狀況下，增加砂漿體積能夠迅速提高表面的易抹性，而當砂漿飽和時易抹性也達到極限值。含氣量對抹面性能的不利作用較難理解，原因可能在于30 s的振動無法使氣泡完全排出而積聚于混凝土表面，含氣量越大則表面氣泡含量越多，不利于形成光滑的表面。在測量粗糙度時亦發現，含氣量大的混凝土表面形成較多氣孔，雖然增加了粗糙度，但對耐久性不利。

圖4 不同砂率和含氣量時混凝土表面粗糙度變化趨勢Fig.4 Trends of concrete surface roughness with different sand ratios and air contents

3.4 砂率和含氣量變化對振動黏度系數的影響

將新拌混凝土裝入1.4節所述立模特性試驗槽中，試驗槽底部放置3個標準乒乓球，距離振搗棒插入位置水平距離為15 cm，分別采用高頻振搗棒和低頻振搗棒(參數見表4)對不同砂率和含氣量混凝土進行振搗。記錄各乒乓球浮出表面用時，計算得到不同工況下混凝土的振動黏度系數，如圖5所示。

表4 插入式高低頻振搗棒技術參數Tab.4 Technical indicators of high-frequency and low-frequency internal vibrators

圖5 不同振搗方式下黏度系數隨砂率和含氣量變化趨勢Fig.5 Trends of viscosity coefficient vs. sand ratio and air content with different vibration modes

從圖5可以觀察到，提高振搗頻率能夠明顯降低振動黏度系數。與《細則》提出的振動黏度系數宜為200～500 N·s/m2相比，本研究低頻振搗作用下的結構黏度系數值均偏高。此外，振動黏度系數隨砂率增加逐漸減小。當砂率達到45%以上時，降低幅度已經非常小。振動黏度系數隨含氣量增加大幅度下降，當含氣量達到4%以上時，降低幅度便非常有限。表面增加砂率和增加含氣量均能夠在一定程度上降低顆粒間阻力，易于大氣泡的排出。

3.5 砂率和含氣量變化對立模特性的影響

在振動黏度系數測定試驗結束后，進行抹面處理，隨即將兩側鋼板移除，以模擬滑模攤鋪工藝中側模離開后混凝土的塌邊行為。待混凝土塌邊高度穩定后，測量混凝土試塊邊部塌陷高度，兩側各隨機測量4個點，共8個點求平均值。

高頻振搗和低頻振搗作用下混凝土試塊塌邊高度隨砂率和含氣量變化情況見圖6。可見，在低頻振搗作用下，隨著砂率的不斷增大，混凝土塌邊高度先增大后減小再增大，當砂率為0.45時塌邊高度達到最小值2 mm，此時混凝土立模特性最優。在高頻振搗作用下，隨著砂率的增大，混凝土塌邊高度逐漸減小，未出現波動形態。含氣量增加對立模特性產生微弱不利影響，無論高頻與低頻振搗作用，塌邊高度均隨含氣量增加而增大，但變化范圍相對較小，最大差值也在1 mm以內。高頻振搗能夠使混凝土更加密實而塌邊高度更小。上述規律表明，含氣量變化對屈服應力影響較小進而也對立模特性影響較小，而砂率能夠顯著影響屈服應力水平也進而能對塌邊高度產生顯著影響。

圖6 不同振搗方式下塌邊高度隨砂率和含氣量變化趨勢Fig.6 Trends of edge slumping vs. sand ratio and air content with different vibration modes

3.6 工作性經驗指標與流變學參數的相關性分析

3.1節研究了存在工作性差異的新拌混凝土在流變行為上的差異性。3.2節～3.5節分別研究了不同工作性的新拌混凝土在出漿速度、抹面性能、立模特性以及振動黏度系數等經驗指標上的差異性。將不同砂率不同含氣量情況下混凝土的流變學指標(屈服應力與塑性黏度)與各工作性經驗指標數據進行相關性分析，可以得到對應的相關系數，見表5。

表5 工作性經驗指標與流變學參數相關系數Tab.5 Correlation coefficients between workability experience indicators and rheological parameters

注：表中黑體加粗數字表示對應的工作性經驗指標(列項目名稱)與流變學參數(行項目名稱)高度相關，其中正值表示正相關，負值表示負相關。

從表5中可見，屈服應力水平能夠顯著影響混凝土的表面粗糙度、塌邊高度和振動黏度系數，而塑性黏度對4項經驗指標均有顯著影響。分項來看，出漿速度與塑性黏度呈顯著正相關，并且通過增加含氣量能最為有效地提高出漿速度。表面粗糙度與塑性黏度相關性最高且為負相關，通過降低含氣量減小塑性黏度和通過調低砂率減小屈服應力均可增加混凝土的表面粗糙度。塌邊高度與屈服應力呈高度負相關，即可通過調高砂率增大屈服應力提高立模特性。振動黏度系數與塑性黏度強烈正相關，即可通過增大含氣量降低塑性黏度而大幅度降低振動黏度系數。此外，對比出漿速度和振動黏度系數數據的正負號和數值大小，可以推測出漿速度與振動黏度系數具有本質上的相似性，即共同反映的是混凝土在振搗作用下的液化密實速度。

通過上述分析，結合有關文獻研究成果[18-20]，可以給出道路低坍落度混凝土流變性-工作性-現場攤鋪效果的網絡關聯圖(圖7)，明確其因果作用機制,即通過改變水泥用量、膠凝材料種類和用量、砂率、外加劑種類和摻量、級配等參數，從本質上改變材料本身的流變行為，使其屈服應力和塑性黏度發生變化，進而影響到混凝土工作性，對現場攤鋪效果產生衍生作用。現場攤鋪效果亦可通過相關工作性指標反饋至材料調控或振搗工藝調控。但應注意材料流變性能與工作性指標并非單一對應關系，工作性指標相互之間也存在矛盾之處，如出漿速度要求塑性黏度較低，而黏聚特性要求塑性黏度較高，應用中應注意協調優化。

圖7 低坍落度混凝土工作性調節機制Fig.7 Workability adjustment mechanism for low-slump concrete

4 滑模施工現場攤鋪效果

在建的廣西某高速公路為水泥混凝土路面，面層板厚度為30 cm，采用滑模攤鋪工藝。選擇K117+140～K125+900作為觀測路段，混凝土配合比見表6。為降低水化熱，膠凝材料總量為340 kg。經過拌和站出料的工作性復核，確定最佳砂率為37%，液化劑摻量為2.0%。

觀測路段施工期間混凝土各項工作性指標現場測試值與滑模施工效果列于表7。可以看出，混凝土各項工作性指標較為穩定，滑模攤鋪機(行進速度約 1 m/min)施工后無塌邊現象，未出現大面積麻面現象，工人收面推拉力也較小，實現了“快出漿、不塌邊、易抹面”的技術目標。

表6 觀測路段所用混凝土配合比Tab.6 Mix proportion of concrete for observation section

混凝土硬化后對雙向四車道分別進行車載激光平整度檢測，檢測結果列于表8。按照《細則》規定的國際平整度指數(International Roughness Index，IRI)不大于2.2 m/km，單幅總長18 km的平均合格率達到90%，局部路段IRI合格率達到100%；IRI平均值1.57 m/km，也突破了我國水泥混凝土路面平整度的最高水平。

表7 觀測路段所用混凝土工作性指標與現場攤鋪效果Tab.7 Workability indicators and field paving effect of concrete for observation section

表8 觀測路段平整度檢測結果Tab.8 Measured IRI values of observation sections

5 結論

(1)為了更全面地評價路面用低坍落度混凝土的工作性，自主開發了混凝土流變特性測定儀、混凝土出漿速度測定儀、混凝土立模特性測定儀等裝置，能夠實現對新拌混凝土屈服應力、塑性黏度、出漿用時、塌邊高度和不同振搗頻率下結構黏度系數等參數的測量。

(2)流變特性試驗結果和工作性評價試驗結果均表明，坍落度不能有效控制剛性路面所用干硬性混凝土的真實性能狀態。

(3)調整砂率能夠顯著改變新拌混凝土的屈服應力水平。調整含氣量對屈服應力的影響則非常有限。砂率和含氣量均能有效調節新拌混凝土的塑性黏度。

(4)存在最佳砂率范圍(35%～45%)和最佳含氣量(4%左右)使得出漿速度最快。增大砂率能降低混凝土表面粗糙度，而增加含氣量能提高表面粗糙度。振動黏度系數隨砂率增加逐漸減小，隨含氣量增加大幅度下降，提高振搗頻率能夠明顯降低振動黏度系數。高頻振搗下，提高砂率能夠明顯改善混凝土立模特性，含氣量變化對塌邊高度影響可以忽略。因此，宜將砂率控制在35%～45%，含氣量控制在3%～5%，以獲得最佳工作性能。

(5)屈服應力水平能夠顯著影響混凝土的表面粗糙度、塌邊高度和振動黏度系數，而塑性黏度對4項經驗指標均有顯著影響。出漿速度與塑性黏度呈顯著正相關，表面粗糙度與塑性黏度相關性最高且為負相關，塌邊高度與屈服應力呈高度負相關，振動黏度系數與塑性黏度呈強烈正相關，出漿速度與振動黏度系數具有本質上的相似性，即共同反映的是混凝土在振搗作用下的液化密實速度。

(6)在廣西某高速混凝土路面工程中，應用道路低坍落度混凝土工作性調節機制，配制了適合滑模施工工藝和高頻振搗工藝的路面混凝土。鋪筑的路面平整度IRI平均值達到1.57 m/km，合格率達到90%。

(7)本研究給出的低坍落度路面混凝土工作性控制建議值還需更多試驗數據的驗證，也需要建立樣本量更為充足的混凝土流變參數、工作性指標值與野外攤鋪效果數據庫，以便建立3者之間的統計學規律。