双掺技术在滑模摊铺水泥混凝土路面中的工程实践
摘要:利用双掺技术(掺加粉煤灰与外加剂),文章通过不同掺量配合比对比试验,对高取代情况下粉煤灰混凝土的抗折及耐磨等力学性能进行研究,保证混凝土早期强度达到设计要求,有效地降低混凝土的水化热,减少水泥路面的早期温度裂缝,并具有改善混凝土的施工和易性,后期强度高,低收缩性和低徐变等结构性能。
随着混凝土外加剂技术的研究与发展,粉煤灰在混凝土中的应用越来越广泛,甚至认为粉煤灰将作为水泥混凝土中继外加剂之后的又一必不可少的组成成份。由此理论指导而发展起来的水泥混凝土“双掺技术”(既掺粉煤灰,又掺外加剂)也在不断探索之中。
1 双掺技术应用于水泥混凝土路面
进入上世纪90年代,随着国内水泥路面大型摊铺机施工工艺的普及,《滑模摊铺水泥混凝土路面施工规范》课题的研究成功,滑模摊铺逐渐代替了人工及小型机具摊铺,粉煤灰混凝土在路面工程中的应用也逐渐推广。
在水泥混凝土路面施工中,大型滑模摊铺工艺的推广,使施工进度越来越快。但其中在路面施工初期产生的横贯全幅的断板,极易给工程造成较大的损失。水泥混凝土路面施工初期(浇注至切割缩缝前),由于混凝土的收缩和翘曲产生的拉应力大于混凝土初期的极限抗拉强度,致使出现横向裂缝造成断板。因此,如何减少早期断板,成为混凝土路面滑模摊铺施工中的重点技术课题。
实践证明,减少水泥混凝土路面早期裂缝的最有效措施—降低水泥水化热。水泥水化热是水泥与水起水化效应产生的,主要取决于水泥的矿物组成、用量和放热速率。选择低中热水泥,减少混凝土中水泥用量,延缓放热速度是降低水泥水化热的主要因素。
水泥水化热主要来自水泥矿物组分中的CS和CA,因此,要降低水泥水化热,应首先采用CS和CA含量低的矿渣水泥等。
在选定水泥品种后,要降低水化热,主要是减少混凝土配合比中水泥的用量。在确定混凝土强度(设计给定)及坍落度(施工工艺要求)的条件下,宜采用大粒径骨料,合理的集料级配并采用“双掺技术”,同时利用粉煤灰混凝土后期强度仍有增长的特点,延长设计龄期,减少水泥用量。
另外,使用掺加活性混合料的外加剂,由于减水剂所起的吸附--分散、湿润和润滑作用,使混凝土水灰比降低,改变水化条件,延缓水泥的放热速度,也是降低混凝土内部温度峰值和推迟峰值出现时间的有效措施。
粉煤灰的物理化学性质,主要是随煤种、煤粉细度、燃烧条件及排除方法不同而有所差异。原煤中不可燃沉积物的种类和含量决定粉煤灰的化学特性。粉煤灰的质量控制指标主要是:SiO2、AI2O3含量及粉煤灰的烧失量等。
为进一步研究粉煤灰在高取代量状态下,对滑模摊铺水泥混凝土的力学性能的影响和施工工艺可行性,以及在减少滑模摊铺水泥路面早期温度裂逢上的作用,在诸多专家教授的技术指导下,我们对水泥混凝土路面展开“双掺技术在滑模摊铺混凝土路面中的试验研究”。
2 原材料及粉煤灰混凝土配合比试验
2.1 原材料性能分析
(1)水泥:采用烟三菱牌GB175--92.P.I.525#(袋装)硅酸盐水泥,技术指标见表1。
水泥试验数据表明,该水泥具有早期强度高、初凝时间短、水化热大等特点。
(2)粉煤灰:采用青岛电厂Ⅱ级干排粉煤灰,其化学成份与品质指标见表2。
从化学成分看,粉煤灰中SiO2+AI2O3+Fe2O3的含量高达89.9%,表明其具有较高的潜在活山活性。CaO为2.47%,属低钙粉煤灰。从品质指标分析,符合国标Ⅱ级粉煤灰标准。
(3)外加剂:采用徐州市强力建筑材料有限公司生产的QNF型高效减水剂,结果见表4。
(4)集料:砂为中粗河砂,碎石采取粒径10～30mm、10～20mm、5～10mm的三级配碎石。
2.2 室内试验
2.2.1 粉煤灰水泥胶砂试验
在试验室内做不同代掺量的水泥胶砂试验,结果见表5。
结果表明:用粉煤灰代替部分水泥时,其早期强度低,但后期强度较高。同时水泥在掺粉煤灰后,能明显延缓水泥的初、终凝时间。
2.2.2 双掺水泥混凝土配合比设计
本次路面工程双掺技术应用的前提条件是:配制的粉煤灰混凝土标号,抗折强度及耐磨强度符合规范要求,其中抗折强度不低于5.0 MPa。
基准混凝土配合比参数:抗折强度(28天)大于5.0 MPa。
525#硅酸盐水泥,水泥用量350kg/m。
外加剂:徐州NF高效减水剂。
水灰比:0.44。坍落度:40～50mm。
根据上述要求及《粉煤灰混凝土应用技术规范》(GBI 146-90)中的有关设计规定,作不同代掺量配合比,经试拌调整后的配合比见表6。
2.2.3 双掺混凝土的力学性能及耐磨性能
为验收粉煤灰混凝土与普通混凝土在抗磨蚀性能方面的不同,在交通科研所对两种配合比做抗磨对比试验。通过试验,水泥混凝土路面的抗磨性与强度成线性正比关系。随着路面抗折强度的提高,抗磨性也随之提高。通过对28天龄期的试件进行抗磨性试验,粉煤灰掺量为水泥用量15%粉煤灰混凝土比普通水泥混凝土的抗磨性提高23%(见表7)。
2.2.4 试验数据分析
从以上数据分析,试件抗折强度均满足设计要求。双掺混凝土早期强度略低,但后期强度较高。关于耐磨性问题,由于双掺混凝土的后期强度高,特别是28天以后的强度有显著增长,其增长幅度大于普通混凝土,混凝土的耐磨值是随强度的增长而增长的。
综上所述,第Ⅳ组双掺混凝土配合比符合设计要求,决定采用此配合比进行施工。
3 现场施工及取样检测
3.1 滑模摊铺施工工艺
本次施工的路面主车道利用美国产CMI SF-350型水泥混凝土滑模摊铺机进行施工,幅宽8.50m,路面厚度24cm,路基结构为两层水泥稳定碎石。拌和机采用德国产LIEBHERR拌和站,拌和方式为强制式行星拌和,拌和时间30s,产量90m3/s,减水剂由电脑自动计量加入。养护液采用青岛产高分子聚合物养护剂,保水率80%。
从施工现场看,拌和站新拌混凝土坍落度为40～50mm,摊铺前混凝土坍落度为20～30mm,混凝土的和易性、粘聚性及保水性都较好。由于掺加粉煤灰,滑模摊铺后的立边效果良好,拉毛清晰均匀,棱角圆润无毛刺。24h时后用连续平整仪测量,σ值在0.71～0.94mm之间。施工前期温度裂缝没有出现,试验取得预期效果。
3.2 路面钻芯取样
路面铺筑28天后,钻取了3组芯样,做圆柱体劈裂强度试验,通过换算得出混凝土的抗折强度。现场取样结果显示:混凝土芯样密实,无大气泡,骨料分布均匀,砂浆层在1～2mm左右,抗折强度大于设计值,说明双掺混凝土的配合比设计与施工达到了试验目的。
4 技术经济效益
在本工程中,粉煤灰的掺代量为15%,按简单计算,每平方米料款节约1.78元,试验段29.8万平方米共计节约资金52.98万元。
在施工中大量使用粉煤灰不仅能决约工程材料成本,而且减少高能耗、高污染的水泥用量,更多的利用工业废渣,在环境效益与社会效益上的意义更为重要。
5 结语
(1)双掺混凝土尽管坍落度较小,但其粘聚性和工作性好,振动液化范围大,振动能耗小,推进速度快,有利于滑模摊铺达到不坍边,不麻面,外观优良,平整度好的要求。
(2)粉煤灰超量取代水泥,可以保证混凝土早期强度达到设计要求,并能有效地减少路面的早期温度裂缝。
(3)针对双掺混凝土凝结时间长,早期强度较低的问题,应在气温较高季节施工并加强养护。
(4)双掺技术应用于滑模摊铺水泥混凝土路面工程,不仅有巨大的经济效益,同时具有显著的环境保护效益。
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