快硬早強(qiáng)混凝土材料試驗(yàn)研究

袁野真

(廣西邕洲高速公路有限公司，廣西壯族自治區(qū) 南寧 530028)

高等級(jí)水泥混凝土路面在換板維修過程中，為保證混凝土材料能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，一般需要養(yǎng)護(hù)3～7 d方可開放交通，目前所使用的快硬修補(bǔ)材料，施工工藝復(fù)雜，且經(jīng)濟(jì)性較差，使用摻加早強(qiáng)劑的水泥基早強(qiáng)混凝土材料，易引起收縮性裂縫[1]。本文通過摻加吸水性樹脂，同時(shí)調(diào)節(jié)混凝土中緩凝成分和早強(qiáng)成分的用量來解決這一問題[2]。該研究方法不僅改善了快硬早強(qiáng)水泥混凝土修補(bǔ)材料在施工過程中的工作性，同時(shí)兼顧了經(jīng)濟(jì)性及施工便易性，目前該水泥混凝土材料可保證在加入早強(qiáng)劑之前2 h內(nèi)坍落度保持在18 cm以上，加入早強(qiáng)劑后45 min內(nèi)可以保持坍落度在15 cm 以上，具有較為良好的施工和易性，工后無收縮裂縫，且經(jīng)濟(jì)性較高。

1 材料與方法

1.1 原材料

(1)膠凝材料：采用華潤(rùn)P·O42.5硅酸鹽水泥。(2)砂子：細(xì)度模數(shù)為3.7的河沙。(3)石子：粒徑4.75～26.5 mm廣西當(dāng)?shù)厥規(guī)r。(4)緩凝劑：南寧保塌型緩凝劑。(5)早強(qiáng)劑：自主研發(fā)。(6)內(nèi)養(yǎng)生材料：吸水性樹脂[3-4]。

1.2 基本配合比

為平衡快硬混凝土材料早期強(qiáng)度上升快和塑性收縮之間的關(guān)系，采用了較高的水泥用量420 kg和較低的水灰比0.37，砂率為42%，同時(shí)加入了吸水性樹脂，用于改善超早強(qiáng)水泥混凝土材料的早期收縮裂縫，基本配合比見表1。

表1 基本混凝土配合比

2 施工配合比驗(yàn)證

2.1 混凝土早強(qiáng)效果

對(duì)于水泥混凝土路面而言，強(qiáng)度指標(biāo)是控制路面施工質(zhì)量的基礎(chǔ)，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，明確該早強(qiáng)成分對(duì)水泥混凝土材料早期強(qiáng)度規(guī)律變化的影響。通過測(cè)試水泥混凝土材料12 h、24 h、36 h、48 h、3 d、7 d、28 d抗壓及抗彎拉強(qiáng)度的變化規(guī)律。

如表2所示，PT組為不摻加早強(qiáng)材料的普通混凝土材料；ZQ為摻加早強(qiáng)劑的混凝土材料，NZQ為摻加內(nèi)養(yǎng)生吸水性樹脂早強(qiáng)混凝土材料。摻加該早強(qiáng)劑的水泥混凝土材料36 h強(qiáng)度能達(dá)到40 MPa，滿足36 h通車抗壓強(qiáng)度要求，而且36 h過后混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示各組早強(qiáng)混凝土材料36 h抗壓強(qiáng)度能達(dá)到其28 d抗壓強(qiáng)度的73%以上，養(yǎng)護(hù)36 h后對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響逐漸減弱。從試驗(yàn)結(jié)果來看，內(nèi)養(yǎng)生材料的加入，雖然在一定程度上增大了路面混凝土的孔隙率，但能夠減小平均孔徑、臨界孔徑尺寸，并使各層位之間的孔結(jié)構(gòu)更加均勻，內(nèi)養(yǎng)生材料顆粒的加入改變了混凝土內(nèi)部集料之間的摩擦機(jī)制[5-6]，改善了混凝土材料的流變特性。摻入內(nèi)養(yǎng)生材料雖然使混凝土的抗壓強(qiáng)度有所降低，但是對(duì)于水泥混凝土路面的控制性指標(biāo)抗彎拉強(qiáng)度并未產(chǎn)生明顯的影響。

表2 早強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律 MPa

表3 早強(qiáng)混凝土抗彎拉強(qiáng)度變化規(guī)律 MPa

2.2 緩凝成分對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

早強(qiáng)混凝土材料強(qiáng)度上升速度較快，加速混凝土材料工作性的流失，從而增加了快硬混凝土材料的施工難度。為保障施工時(shí)間，減小早強(qiáng)混凝土的施工難度，本文通過試驗(yàn)添加緩凝組分對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果如表4、表5所示。

表4 早強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度隨緩凝劑摻量變化規(guī)律 MPa

表5 早強(qiáng)混凝土抗彎拉強(qiáng)度隨緩凝劑摻量變化規(guī)律 MPa

通過檢測(cè)早強(qiáng)混凝土材料48 h、3 d、7 d、28 d 抗壓及抗彎拉及強(qiáng)度的變化規(guī)律，來選擇緩凝成分的摻量。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，36 h以內(nèi)的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度，隨緩凝成分摻量的增加而逐漸減小。而當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)48 h后緩凝成分對(duì)該混凝土材料抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度的影響不再明顯。相比抗壓強(qiáng)度來說，早強(qiáng)混凝土材料的抗彎拉強(qiáng)度受混凝土中緩凝成分的影響要大一些。如圖1中顯示，當(dāng)早強(qiáng)混凝土材料中緩凝成分摻量大于2.3%時(shí)，早強(qiáng)混凝土材料的36 h抗彎拉強(qiáng)度不再滿足要求的大于等于4.5 MPa的要求。一般認(rèn)為，快硬早強(qiáng)水泥混凝土材料達(dá)到通車要求的控制性指標(biāo)為12 h抗壓強(qiáng)度不小于12 MPa，24 h抗壓強(qiáng)度不小于20 MPa，當(dāng)滿足抗彎拉強(qiáng)度大于等于4.5 MPa時(shí)可以通車。

圖1 早強(qiáng)混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律

圖2 混凝土工作性的變化規(guī)律

2.3 工作性指標(biāo)

由于高速公路水泥緩凝土路面養(yǎng)護(hù)維修過程中，均采用封閉式水泥混凝土攪拌罐車運(yùn)輸混凝土材料。對(duì)于水泥混凝土路面快速修補(bǔ)施工工藝而言，運(yùn)輸及施工過程中混凝土的工作性至關(guān)重要，這就對(duì)加入早強(qiáng)成分后混凝土工作性的變化提出了嚴(yán)格要求。

本文通過采用混凝土運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)后，二次摻加早強(qiáng)材料同時(shí)采用二次攪拌工藝[7]，來克服早強(qiáng)混凝土材料在運(yùn)輸過程中工作性損失的問題。試驗(yàn)采用的緩凝材料可以保證混凝土材料在運(yùn)輸過程中的工作性不收損失。

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試混凝土材料在加入早強(qiáng)劑之前1.5 h內(nèi)工作性的變化規(guī)律和加入早強(qiáng)劑后70 min內(nèi)混凝土工作性的變化規(guī)律。通過改變混凝土材料中緩凝成分的摻量，來控制混凝土材料在運(yùn)輸及施工過程中的工作性，減小施工難度。

根據(jù)最遠(yuǎn)施工距離計(jì)算，從原材料開始攪拌的時(shí)刻算起，到混凝土運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)需要73 min的時(shí)間，從現(xiàn)場(chǎng)澆筑到施工完成，施工一塊完整的路面板平均時(shí)間需要45 min，其中包含早強(qiáng)劑的加入及二次攪拌時(shí)間。因此混凝土材料在加入早強(qiáng)劑之前1.5 h(90 min)內(nèi)，坍落度應(yīng)保持在18 cm 以上，且加入早強(qiáng)劑之后45 min以內(nèi)坍落度保持在12 cm以上，從而爭(zhēng)取到足夠的運(yùn)輸及施工時(shí)間。

室內(nèi)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)減水劑摻量小于等于2.0%時(shí)，加入早強(qiáng)劑后坍落度迅速損失，不能滿足對(duì)混凝土材料施工和易性的要求，因此本次配合比驗(yàn)證的過程中僅研究緩凝成分產(chǎn)量大于2.0%時(shí)早強(qiáng)混凝土材料工作性的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)緩凝成分摻量大于等于2.0%時(shí)滿足運(yùn)輸時(shí)間1.5 h和施工時(shí)間1.0 h的規(guī)定。

2.4 應(yīng)用效果

通過在G7201南寧繞城高速公路進(jìn)行試驗(yàn)澆筑，施工過程中的混凝土運(yùn)輸時(shí)間62 min，現(xiàn)場(chǎng)澆筑使用時(shí)間35 min，施工過程中混凝土均保持良好的工作性。灑水養(yǎng)護(hù)24 h后未發(fā)現(xiàn)大面積的塑性裂縫，內(nèi)養(yǎng)生劑的摻入有效的減少了快硬混凝土材料塑性裂縫的產(chǎn)生。現(xiàn)場(chǎng)取出的芯樣顯示，混凝土材料飽滿密實(shí)，混合料分部均勻，無漏振現(xiàn)象，混凝土密實(shí)效果較好，且無離析現(xiàn)象。

3 結(jié) 語

(1)使用二次攪拌摻加早強(qiáng)成分，施工工藝簡(jiǎn)單、早強(qiáng)效果明顯，同時(shí)減少了快硬混凝土材料施工過程中速凝的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)材料的經(jīng)濟(jì)性較好，相對(duì)于普通水泥混凝土而言，每立方米混凝土原材料成本僅增加人民幣30 元。

(2)早強(qiáng)混凝土材料二次攪拌摻加早強(qiáng)劑施工工藝，是解決早強(qiáng)混凝土運(yùn)輸過程中，工作性損失過快，與提高混凝土早強(qiáng)強(qiáng)度之間矛盾的關(guān)鍵技術(shù)，能夠提高混凝土攪拌質(zhì)量且增加早強(qiáng)混凝土材料的施工時(shí)間。

(3)吸水性樹脂的加入可以有效改善混凝土材料的工作性，對(duì)于高水泥用量低水膠比的高性能混凝土材料效果最為明顯。在不影響混凝土抗彎強(qiáng)度的前提下，摻入吸水性樹脂可以有效預(yù)防因混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)過快引起網(wǎng)裂現(xiàn)象。

(4)緩凝組分的加入，在不影響早強(qiáng)混凝土材料早期強(qiáng)度的同時(shí)，在摻加早強(qiáng)材料之后，依然能使混凝土材料保持良好的工作性，有效提高早強(qiáng)混凝土材料的施工時(shí)間。

(5)使用水泥基快硬水泥混凝土材料，施工后路面顏色與原路面顏色一致，有效改善路面修補(bǔ)之后的美觀。