施工環境下水泥混凝土路面養生方式選擇研究

生 宸

(山東省公路設計咨詢有限公司 濟南市 250102)

0 引言

水泥混凝土路面早期強度的形成與水化反應有關,新鋪水泥混凝土路面內部水化反應的速率、激烈程度則受其內部溫度、濕度影響而較為復雜[1]。新鋪混凝土路面常見的病害主要包括:塑性收縮、干縮開裂等,一般均與養生不當有關[2-3]。為盡量減少上述病害,需對新鋪路面進行養生處理。混凝土路面養生的主要作用是為其在強度增長期內保持一定的水汽含量,使之不流失或盡量少流失。相關研究指出,混凝土內部水分含量的變化會影響其質量的改變及體積的變形即混凝土的徐變。Neville等[4]在其研究中表明:干燥中的混凝土發生的徐變比處于恒定干燥或者濕潤狀態下的混凝土的徐變量要大,這就表明濕度對混凝土產生了一定的影響。水泥混凝土內部的濕度梯度越大,其早期變形越明顯,其出現開裂等病害的可能性大大增加[5]。

目前我國采用的各種養生手段不同,主要包括噴灑養護劑覆膜養生、傳統覆膜補水養生等[6-7]。但是噴灑養護劑養生的技術現尚未被大范圍使用,我國當前鄉村道路以及大量的低等級公路限于經濟條件及技術手段限制,仍大量采用傳統的覆膜補水養生方式。目前針對混凝土內部溫濕度的變化研究局限于實驗室標準養生室中對標準試塊進行實驗或實驗室中模擬各種不同自然條件下混凝土內部的濕度變化,然而針對現場真實環境下的不同養生方式間的濕度差異的探究還很少。自然條件下的晴雨、溫度狀況十分復雜,對新鋪混凝土路面內部水化反應的影響較大。不同養生材料間的保水性和透水性不同,其養生效果也不同。

1 實驗方法及指標介紹

1.1 實驗方法

本研究擬在某公路新鋪水泥混凝土面層頂面2cm、4cm處插入細管測定該段路面養生7天內的濕度變化情況,為保證細管內水汽不與空氣進行濕度交換,需堵住管口,如圖1所示。

圖1 埋管位置及管口塑封示意

1.2 實驗儀器選用及養生方式選擇

實驗采用芬蘭VAISALA公司生產的HMP42型溫濕度傳感器進行溫濕度測定,探頭直徑約4mm[8]。使用溫濕度傳感器測試時,應采用塑料膜將傳感器包裹,并將管口塞滿以保證測試時不受空氣中的水汽干擾。傳感器伸入位置示意見圖1。

實驗路段水泥混凝土配合比如表1所示。

表1 實驗路段水泥混凝土材料配合比 單位:kg/m3

養生方式主要包括:

(1)國內某材料公司生產的混凝土節水保濕養生膜3組(實驗組A)。混凝土節水保濕養生膜是根據混凝土的水化原理,以可控高分子吸收材料為核心原料,與塑料薄膜復合而成的高新材料[9]。與普通塑料薄膜相比,其吸水率高,保水效果好。

(2)普通塑料薄膜3組(實驗組B)。

(3)傳統土工布+塑料薄膜3組(實驗組C)。

(4)在攤鋪當天采用相同原材料、配合比形成試件3組,此組不做任何養生措施,作為對比組(實驗組D)。

養生前均在混凝土表面灑水(實驗組C采用先鋪土工布再灑水浸濕后鋪塑料膜的方法),并于初凝后每日下午14:00開始測定路面內部及養護膜與面層間的溫濕度值,測定順序為無養生(實驗組D)→保濕養生膜(實驗組A)→塑料薄膜(實驗組B)→土工布+塑料薄膜(實驗組C)。

1.3 控制指標的轉換

由上文所述,國內相關學者研究方向主要集中于針對標準恒溫恒濕養生條件下新拌混凝土試件內部濕度變化及養生保水作用來進行探究[10-11],相關研究大部分以相對濕度(%)作為評價各種養生方式優劣的控制指標。但是,相對濕度是實際所含水蒸汽密度和同溫度下飽和水蒸汽密度的百分比值,而水泥混凝土實際養生時暴露在自然環境下,一天之中內部溫度受氣溫影響大,且陰晴云雨對混凝土面層相對濕度影響也較大,并不能完全準確地表征混凝土內部水汽成分含量。本研究采用混凝土內部絕對水汽密度這一指標對不同養生方式下混凝土內部濕度變化進行簡要分析并對其保水性能進行選優,消除了溫度對路面內部相對濕度的影響。

2 不同養護膜保水率及反向透水率分析

新攤鋪混凝土路面成型后,內部水化反應迅速發生,溫度升高,內部水分子以氣體形式向上移動。此時混凝土表面水汽含量增加,為與外部環境達到平衡,需進行水汽的交換,此時若不做好混凝土的養生工作,易導致其產生塑性開裂等病害。表面覆膜養生可以在混凝土面層上產生一個隔離層,一定程度上阻擋水分子的溢出,并將未能溢出的水分子聚集成水膜反補于面層。但該種養生方式在混凝土面層養生過程中仍可能有部分水汽溢出,造成水汽損失[9]。具體發生過程如圖2所示。

圖2 覆蓋養生保水原理

在實際工程實施中,自然降雨時部分雨水會通過養生隔離層滲透進路面表層,對面層進行補水,這種現象可稱為覆膜養生的反向透水現象。對水泥混凝土路面養生來講,擁有好的保水性、反向透水性的養生方式對養生期內混凝土自身強度、耐久性的發展至關重要。

3 實驗結果分析

3.1 混凝土內部濕度變化規律

其他相關專家學者研究顯示,新攤鋪水泥混凝土路面濕度變化主要集中于表面幾公分處。由上文所述實驗方法,對不同養生方式下的新攤鋪水泥混凝土路面濕度變化進行了實測,結果如圖3和圖4所示。

圖3 混凝土面層下2cm處水汽密度

圖4 混凝土面層下4cm處水汽密度

對比圖3及圖4,混凝土面層下2cm深度處與4cm深度處水汽密度變化趨勢相近。混凝土面層下2cm深度處各不同養生方式的水汽密度變化較4cm深度處明顯,可認為距水泥混凝土面層頂4cm左右處混凝土內部濕度基本不隨養生方式的不同而變化,故本研究著重討論2cm深度處的水汽變化。

由圖3所示,齡期70h內,實驗組A與實驗組C絕對水汽密度最大,實驗組B次之,實驗組D最小。發生該現象的主要原因在于實驗組D置于自然環境中,混凝土面層與空氣在表面處廣泛的進行水汽交換,且一般空氣中的水汽含量遠小于混凝土內部,故實驗組D水汽流失最為嚴重。其他組別均有養生措施,故其水分流失相對較少。

養生70～120h時,A、B、C、D四組水汽密度下降速率變快,速率變化為實驗組D>實驗組A>實驗組B>實驗組C。此階段,混凝土內部水化反應速率加快,內部溫度較高導致水汽量相對減少,且表層部分與空氣進行濕度交換,故會產生水汽量急劇減少的情況。

養生120～170h時,施工現場降下大雨。從理論上講,如現場不發生降雨,混凝土內部濕度變化理應較為緩慢且趨向于穩定。但由于降雨突發,混凝土內部在距表面2cm及4cm處水汽密度均升高,對比實驗組D變化劇烈。

養生170～190h時,天氣晴朗。但由于混凝土面層表面尚有積水,膜間存在透水,故曲線仍呈上升狀態。

養生190h后,實驗組A、B、C、D均開始下降,重復之前的狀態。

3.2 自然降雨狀態加密觀測分析

本實驗在養生120h時開始自然降雨。為探究現場自然降雨對各養生方式養生下混凝土內部濕度變化的影響,此處每10h再次進行一次觀測,實驗結果如圖5和圖6所示。

圖5 自然降雨時混凝土面層下2cm處水汽密度

圖6 下雨時混凝土面層下4cm處水汽密度

由圖5所示,自然降雨時混凝土面層下2cm深度處水汽密度差異明顯,均呈增大趨勢。除實驗組D外,其他三組呈現先慢后快的趨勢。分析該現象產生的原因是A、B、C三組面層均有薄膜覆蓋,下雨時面層不與雨水直接接觸,而是雨水水汽逐步向下滲透,故有上述趨勢。實驗組D作為對比組,面層直接與雨水接觸,水汽下滲快。當養生170h時,天氣放晴但氣溫不高,面層所存積水未能馬上蒸發,水汽仍有下滲。

圖6所示,混凝土面層下4cm深度處A、B、C三組變化趨勢大體相同,水汽密度值相差不大,但呈先減小后增大的趨勢。開始數小時內面層積水,2cm深度處水汽密度開始增大,但水汽傳到4cm深度處時仍需要一定的時間,故呈現圖6現象。作為對比組的實驗組D例外,呈上升趨勢,但上升速率小于2cm深度處。下雨時各養生方式保水性(即水汽密度增長率由小到大排列)排序為:實驗組C>實驗組A=實驗組B>實驗組D。

4 養生方式不同對混凝土強度的影響

評價并選擇最適宜的養生方式時,混凝土強度同樣對最終的養生效果產生重要影響,故強度也應作為需要關注的控制指標。如果某種養生方式僅能保持混凝土內部高濕度卻降低了混凝土自身強度的話,同樣是不可取的。根據前人研究成果[12]可知,水泥混凝土強度在路面鋪筑7d內增長很快,可達到28d強度的80%,且養生階段的24～72h的溫度對混凝土耐久性影響相對較大。

為探究不同養生方式對養生后混凝土抗折強度的影響,并且通過分析24～72h的溫度變化探究溫度與7d抗折強度的關系,本研究在實驗路段混凝土面層鋪筑成型后同步做出12個同養試塊。同養試塊以3塊為一組,分別采用前文所述四種養生方式進行養生,并置于相同自然環境下(即放置在施工現場),7d后運回實驗室進行抗折強度檢測。抗折強度檢測結果如表2所示(每組抗折強度取3塊試塊的平均值),溫度與抗折強度關系如圖7所示。

表2 同養試塊養生7d抗折強度

圖7 不同養生方式下不同深度處溫度與抗折強度關系

由圖7可知,在不同養生方式下混凝土面層2cm深度處24～72h時的平均溫度不同(無養生對比組D除外),其強度隨溫度呈線性增長趨勢,其相關性系數達到了96.87%。數據結果顯示,采用實驗組A的養生方式,溫度較高時混凝土強度也相對較高,但就抗折強度本身而言相差并不懸殊,在此基礎上可認為實驗組A>實驗組B>實驗組C>實驗組D。產生該現象的原因在于采用各養生方式時,24～72h內平均溫度越高,混凝土內部水化反應越劇烈,早期7d強度相對較高,24～72h內平均溫度越低則強度相對較低。

5 結論

綜合上述實驗結果可得出以下結論:

(1)混凝土路面表層4cm深度處水汽密度隨養生齡期的增長與養生方式的選取無關。

(2)混凝土路面表層2cm深度處水汽密度在現場自然條件下受自然環境影響很大,養生前70h水汽密度值為實驗組A=實驗組C>實驗組B>實驗組D;70～120h開始連續陰雨,水汽密度值為實驗組C>實驗組A>實驗組B>實驗組D,變化速率為實驗組D>實驗組A>實驗組B>實驗組C。綜合考慮,若以水汽密度值最大為指標來評價養生方式的優劣,則實驗組C所采用養生方式(傳統土工布+塑料薄膜)為佳;實驗組A所采用養生方式(保水養生膜)在一定程度上可代替傳統土工布+塑料薄膜,施工過程中可根據經濟性要求進行選用;實驗組B(塑料薄膜)、實驗組D(無養生)所采用養生方式成本上雖然經濟但養生效果較差,不推薦采用。

(3)從7d抗折強度指標來看,上述4種養生方式抗折強度基本均能達到要求,但24～72h內平均溫度則有所不同,排序為實驗組A>實驗組B>實驗組C>實驗組D;參考前人研究[6-7]可知24～72h內的溫度對耐久性影響較大。