不同攪拌方式對路面混凝土性能影響試驗研究

游 俊

(廣東華路交通科技有限公司,廣東 廣州 510655)

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

本次試驗主要原材料包括水泥、粉煤灰、減水劑、骨料、水等。水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,平均燒失量為4.35%,初凝時間為130 min,終凝時間為255 min,3 d抗折和抗壓強度分別為6 MPa和29.5 MPa;粉煤灰為Ⅰ級,細度(45 μm方孔篩余)為8%,燒失量為1.5%,需水量比為94%,SO3含量為0.72%,含水量為0.3%;骨料為二級配石子,粒徑配比為:5～10 mm∶10～20 mm=1∶1;減水劑為聚羧酸減水劑,摻量為1%。

1.2 試驗方案

設計碾壓混凝土強度等級為C40,根據《公路水泥混凝土路面施工技術細則》(JTG/T F30—2014)中對公路碾壓混凝土的相關施工技術要求,經多次調整測試最終確定得到碾壓混凝土的水膠比為0.42,砂率為0.32。攪拌過程分兩步:第一步先將骨料和水泥混合料進行干拌0.5 min,第二步,將拌合好的減水劑和水倒入攪拌機,濕拌1.5 min,總攪拌時長為2 min。攪拌設備選用雙臥軸振動攪拌機,攪拌方式為普通攪拌和振動攪拌,普通攪拌的振動加速度為0,振動攪拌的振幅為0.82 mm和1.36 mm,振動加速為1g、2g、4g、8g。碾壓混凝土成型采用“下振上壓”的振動臺成型試驗法,上壓不同重量(5 kg、15 kg、25 kg,分別對應2.18 kPa、6.5 kPa、10.89 kPa)的普通碳素鋼。

1.3 試驗內容及方法

主要對不同攪拌工藝參數下路面碾壓混凝土的改進VC值、攪拌功率、攪拌均勻性以及強度進行測試。改進VC值是反應碾壓混凝土工作度(稠度)的一個重要性能指標(普通混凝土一般通過坍落度來表示稠度,而碾壓混凝土由于其具有干硬性,故而采用維勃稠度儀進行測試,即為改進VC值),采用維勃稠度儀進行測試,改進VC值不宜過大或者過小,控制目標為30±5 s內;攪拌功率采用Fluke 434/435三相電力分析儀進行測試,通過攪拌功率曲線可判斷碾壓混凝土攪拌過程中的變化(如黏度點和流動點),但是由于攪拌機在使用過程中清洗維修保養(yǎng)等問題,導致初始狀態(tài)不盡相同,故采用“實時功率/空載功率=功率比值”來進行說明;攪拌均勻性主要是針對粗細骨料占比進行測試,粗細骨料的理想占比為56%(組骨料)和26.35%(細骨料);強度測試包括28 d齡期下抗壓強度和劈裂強度,均采用DYE-2000型電液式壓力試驗機,抗壓強度的應力加載速率為12～18 kN/s,抗折強度的應力加載速率為1.8～2.8 kN/s。

2 試驗結果分析

2.1 改進VC值

不同振幅下改進VC值隨振動加速度的變化關系見圖1。從圖1中可知:隨著振動加速度的增大,碾壓混凝土的改進VC值呈逐漸減小的變化趨勢;普通攪拌方式下(振動加速度為0時),改進VC值達到35.5 s,略大于控制目標,當采用振動攪拌之后,改進VC值減小,且振幅越大,下降幅度越大,表明振動攪拌可以明顯改善水泥碾壓混凝土的工作度,這是因為碾壓混凝土本身作為一種干硬性混凝土,攪拌時摻水量很少,物料放入攪拌筒之后,部分膠凝材料堆積在一起,水與膠凝材料無法充分水化反應,從而包裹在膠凝材料外面形成許多團聚物,當采用振動攪拌后,由于高頻振動會使團聚物之間的相互摩擦力下降,從而充分破壞團聚物,使得里面未反應的膠凝材料釋放出來繼續(xù)水參與水化反應生成的水化產物物質具有填充和潤滑作用,從而改善了碾壓混凝土的工作度。

圖1 改進VC值隨振動加速度的變化關系

2.2 骨料均勻性

不同振動加速度下的骨料占比情況見圖2。從圖2中可知:隨著振動加速度的增大,粗骨料占比呈先減小后增大的變化特征,而細骨料呈先增大后減小的變化特征;普通攪拌方式下,粗、細骨料占比分別為53.77%和22.68%,而采用振動攪拌方式后,細骨料的占比有所增大,這是因為粗骨料質量大,在混凝土中具備較大的分散速度,而細骨料質量輕,易形成團聚現(xiàn)象,從而阻礙了其在水泥漿液中的運動,通過振動攪拌強行使其分散,降低了黏聚力,細骨料在水泥漿液中的運動能力增強,細骨料的占比增加,從而使骨料均勻性更好;對不同加速度下的骨料占比變異系數進行分析,結果表明:當加速度為4g時,粗、細骨料的變異系數基本均達到最小,分別為4.12%和2.72%,且在4g加速度下,粗、細骨料占比最接近于理想狀態(tài),粗、細骨料的質量占比分別為52.7%和24.2%。

圖2 粗、細骨料質量占比隨振動加速度變化關系

2.3 攪拌功率比值

攪拌功率比值隨振動加速度的變化關系見圖3。攪拌功率隨著振動加速度增大呈動態(tài)降低趨勢,且振幅越大,下降幅度越大,這說明振動攪拌方式可以明顯降低攪拌功率,這是因為振動攪拌過程中,攪拌葉片對混凝土進行高頻拍打,使得拌合物摩擦力和黏聚力降低,從而降低攪拌過程中的能耗,當振動加速度為4g時,功率比值下降幅度最大,表明在此加速度下的攪拌效果最好。

圖3 攪拌功率比值隨振動加速度變化關系

2.4 成型時間

碾壓混凝土成型時間隨振動加速度變化關系見圖4。從圖4中可知:隨著振動加速度的增大,碾壓混凝土成型時間呈先減小后增大的變化特征,當振動加速度為4g時,成型時間最短;相同振幅下,壓重越大,成型時間越短,且振動攪拌對于小壓重的成型時間的改善效果更好,小壓重成型時間較長,大壓重雖然可以顯著縮短成型時間,但也可能造成部分試件并未得到充分的振實;相同振動加速度下,振幅越大,成型時間越短,但是振幅對于成型時間的影響較小,說明振動加速度是影響振動攪拌成型時間的主要因素。

圖4 成型時間隨振動加速度變化關系

2.5 強度特征

不通過攪拌方式下碾壓混凝土抗壓強度隨振動加速度變化特征見圖5。從圖5中可知:隨著振動加速度增大,碾壓混凝土的抗壓強度呈先增大后減小的變化特征,當振動加速度為4g時,抗壓強度最大;當振幅為0.82 mm時,壓重為15 kg時的抗壓強度最大,其次為壓重5 kg,最小的為壓重25 kg,當振幅為1.36 mm時,壓重為15 kg時的抗壓強度依然最大,其次為壓重25 kg,最小的為壓重5 kg;相同振動加速度下,1.36 mm振幅下的抗壓強度略大于0.82 mm振幅下的抗壓強度;綜上分析可知:當采用振幅為1.36 mm,振動加速度為4g,壓重為15 kg時,碾壓混凝土的抗壓強度最大,相比普通攪拌方式,抗壓強度提升幅度達到42.2%。

圖5 抗壓強度隨振動加速度變化關系

不通過攪拌方式下碾壓混凝土劈裂抗拉強度隨振動加速度變化特征。隨著振動加速度增大,碾壓混凝土的劈裂抗拉強度也是呈先增大后減小的變化趨勢,且在4g振動加速度下達到最大值;當振幅為0.82 mm時,壓重為15 kg時的劈裂抗拉強度最大,其次為壓重5 kg,最小的為壓重25 kg,當振幅為1.36 mm時,壓重為15 kg時的劈裂抗拉強度依然最大,其次為壓重25 kg,最小的為壓重5 kg,壓重為15 kg時,碾壓混凝土劈裂抗拉強度最大;相同振動加速度下,1.36 mm振幅下的劈裂抗拉強度大于0.82 mm振幅下的劈裂抗拉強度;綜上分析可知:當采用振幅為1.36 mm,振動加速度為4g,壓重為15 kg時,碾壓混凝土的劈裂抗拉強度最大,相比普通攪拌方式,劈裂強度提升幅度達到51.6%。

3 結 語

(1)振動攪拌方式相比普通攪拌方式,可以顯著改善碾壓混凝土的工作性能和力學性能,提高混凝土骨料均勻性,降低攪拌能耗。

(2)當采用壓重為15 kg、振幅為1.36 mm、振動加速度為4g的振動攪拌參數時,碾壓路面混凝土的骨料均勻性最好,強度最高,抗壓強度和劈裂抗拉強度相比普通攪拌方式分別提升42.2%和51.6%。

(3)本次試驗僅針對兩種小振幅下振動效果進行了對比研究,關于大振幅的下碾壓混凝土的工作性能和力學性能研究將在今后做進一步補充。