盛燕萍， 孫仕偉， 趙澍林， 周輝麗， 陳拴發(fā)

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2.青海省交通科學(xué)研究院，青海 西寧 810008)

路面免碾壓貧混凝土基層工作性研究

盛燕萍1， 孫仕偉1， 趙澍林1， 周輝麗2， 陳拴發(fā)1

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2.青海省交通科學(xué)研究院，青海 西寧 810008)

設(shè)計(jì)了一種免碾壓貧混凝土基層，它可有效保證貧混凝土基層的穩(wěn)定性和平整度，同時(shí)可減少施工機(jī)械、減化施工工序、縮短周期、改善施工環(huán)境.通過(guò)研究免碾壓貧混凝土基層材料，分析了影響貧混凝土工作性的因素，并提出采用維勃稠度試驗(yàn)作為其工作性評(píng)價(jià)方法，以及維勃稠度作為其工作性評(píng)價(jià)指標(biāo)，最后，采用多因素正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，并根據(jù)極差分析和方差分析，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)維勃稠度的回歸公式.結(jié)果表明，維勃稠度值能夠較好地評(píng)價(jià)免碾壓貧混凝土的工作性.

道路工程；貧混凝土；免碾壓；維勃稠度值；工作性

0 引言

目前,半剛性基層已是我國(guó)高等級(jí)公路的主要結(jié)構(gòu)類型，其強(qiáng)弱和好壞顯著影響整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的使用質(zhì)量和使用壽命[1].貧混凝土(Lean Concrete)是水泥用量較少的混凝土，相比水泥穩(wěn)定碎石和二灰碎石等半剛性基層，其承載力更高、抗沖刷性能和耐久性更好，是一種優(yōu)質(zhì)的基層材料[2-3].

現(xiàn)階段重載交通路面結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示，損壞很大程度上是由于承載力造成，部分因?yàn)榛鶎邮┕ぴ驅(qū)е碌臏乜s和干縮裂縫進(jìn)而形成路面結(jié)構(gòu)反射裂縫.若調(diào)整基層施工方式和工藝，提高基層的承載力，能夠改善路面的使用性能，延長(zhǎng)使用壽命[4].目前，具備優(yōu)良性能的貧混凝土基層已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但現(xiàn)場(chǎng)施工大部分依然采用傳統(tǒng)的振動(dòng)成型或插搗成型工藝，針對(duì)貧混凝土水泥含量少的特殊性，筆者提出了不同于普通碾壓方式的免碾壓成型方法，成型過(guò)程中無(wú)振動(dòng)和插搗步驟，依靠材料自身的嵌擠和粘附讓混合料達(dá)到密實(shí)性.免碾壓與傳統(tǒng)振搗施工相比，可以顯著提高貧混凝土基層的質(zhì)量，減少和優(yōu)化施工機(jī)械和工序，減少施工時(shí)間，降低施工噪音對(duì)環(huán)境的污染.筆者對(duì)免碾壓多孔混凝土進(jìn)行了較為深入的研究[5-10]，但多孔混凝土不同于貧混凝土，筆者結(jié)合免碾壓貧混凝土的特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)其工作性進(jìn)行分析，提出了針對(duì)免碾壓貧混凝土基層的工作性評(píng)價(jià)方法和指標(biāo).

1 免碾壓貧混凝土工作性影響因素

工作性至少包含流動(dòng)性和黏聚性兩個(gè)部分，但這兩個(gè)方面又相互矛盾.混凝土增加流動(dòng)性的過(guò)程是混合料中自由水增加的過(guò)程，必將導(dǎo)致混合料的黏聚性減?。欢鵀楸ＷC混合料的黏聚性和整體性，不管降低用水量還是增加增稠介質(zhì)，都會(huì)限制混合料的自由水量，降低其流動(dòng)性.因此，混凝土在施工時(shí)要根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和現(xiàn)場(chǎng)條件，選擇流動(dòng)性和黏聚性最佳的混合料組合[11-13].

1.1集漿比

保持貧混凝土材料的水灰比不變，加入的水泥漿量越多，則集料顆粒表面的包裹漿層將越厚，潤(rùn)滑效果更好，混凝土具有更好的流動(dòng)性，反之則小.若混合料中漿量過(guò)多，流漿和泌水現(xiàn)象將不可避免，降低了貧混凝土的粘聚性和保水性，影響其強(qiáng)度與耐久性.若混合料中水泥漿量太少，集料表面得不到充分裹覆，會(huì)減小貧混凝土的黏聚性，甚至產(chǎn)生崩塌，因此，貧混凝土的集漿比應(yīng)以滿足拌合物流動(dòng)性要求為準(zhǔn).

1.2水灰比

確定集漿比后，水灰比將決定混合料中的水泥漿稠度.水灰比小說(shuō)明水泥漿稠，混合料的流動(dòng)性將較??；反之，水灰比較大，雖然混合料具有較大的流動(dòng)性，但其整體性和保水性將變差.因此，在實(shí)際工程中若通過(guò)增加用水量提高混合料流動(dòng)性時(shí)，水泥用量必需同時(shí)加大，確保水灰比保持恒定.

1.3砂率

集料總表面積和空隙率受到砂率變化的影響，且水泥砂漿不僅會(huì)潤(rùn)滑粗骨料，還將粗集料之間從點(diǎn)接觸變成面接觸，顯著提高集料間的粘結(jié)效果，改善貧混凝土基層的工作性，提高其強(qiáng)度和穩(wěn)定性.

2 工作性評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)

貧混凝土的水泥膠結(jié)料含量較少，強(qiáng)度主要靠粗集料彼此之間的內(nèi)摩阻力形成，細(xì)集料填充空隙，對(duì)免碾壓貧混凝土而言，既要保證混合料有足夠的流動(dòng)性，又要滿足混合料之間的粘聚性而確保強(qiáng)度.免碾壓貧混凝土工作性研究分析的目的是尋找保證良好工作性的水泥砂漿量，以此評(píng)價(jià)其工作性.

坍落度試驗(yàn)和維勃稠度試驗(yàn)是目前普遍采用的檢測(cè)混凝土稠度的方法.對(duì)于免碾壓貧混凝土，坍落度試驗(yàn)并不能準(zhǔn)確測(cè)出不同拌合物稠度的差異性；對(duì)于高流動(dòng)性混合料，坍落度數(shù)值更不能反映其成型后穩(wěn)定性的優(yōu)劣，且稠度差異的混合料也依然可能具有相同的坍落度值，即坍落度大小與混合料稠度的高低并不存在對(duì)應(yīng)關(guān)系.

維勃稠度試驗(yàn)[14]的操作過(guò)程很短，可以評(píng)價(jià)干硬性混合料填充模型的能力，彌補(bǔ)坍落度試驗(yàn)對(duì)測(cè)試低流動(dòng)性混合料靈敏度的不足，雖然維勃稠度試驗(yàn)對(duì)于流動(dòng)性高，坍落度大的新拌混凝土靈敏度差，但由于免碾壓貧混凝土相對(duì)普通成型的混合料的漿集比更高，在現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)施工時(shí)的可操作性更強(qiáng)，因此，可以采用維勃稠度評(píng)價(jià)免碾壓貧混凝土的工作性.

3 免碾壓貧混凝土工作性評(píng)價(jià)

3.1試驗(yàn)用原材料

筆者所用水泥為秦嶺42.5強(qiáng)度等級(jí)的普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.所用粗細(xì)集料均為西安本地石灰?guī)r碎石，技術(shù)指標(biāo)分別列于表2和表3.采用規(guī)范推薦的級(jí)配，具體級(jí)配要求見(jiàn)表4.

維勃稠度值受多方面因素的影響，筆者采用正交試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)安排.采取含水量(水占水泥、砂和集料總質(zhì)量的百分比)、水泥劑量及砂率3個(gè)因素，各因素根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)取如表5所示的4個(gè)水平.試驗(yàn)選擇正交表L16(45)的前3列安排試驗(yàn)，其中4、5列為空列.根據(jù)該試驗(yàn)安排，具體的配合比和測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6.在此基礎(chǔ)上，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行極差分析和方差分析.

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical index of cement

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical index of thick aggregate

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)Tab.3 Technical index of thin aggregate

表4 粗集料級(jí)配范圍要求Tab.4 Thick aggregate gradations

表5 貧混凝土配合比試驗(yàn)正交設(shè)計(jì)因素水平表Tab.5 Table of factors and levels of orthogonaldesign for lean concrete mix ratio test

3.2極差分析

對(duì)表6所示試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，其結(jié)果如表7所示.表7中Ⅰj是指第j列?、袼较碌闹笜?biāo)和，Rj是指第j列中Ⅰj,Ⅱj,Ⅲj和Ⅳj之間最大值與最小值之差，稱為極差.極差的大小代表該因素變化對(duì)指標(biāo)值的影響程度.通過(guò)極差的大小排序可以得到各個(gè)影響因素對(duì)VB值的影響大小，其相應(yīng)順序如表8所示.

在此基礎(chǔ)上，得到各個(gè)影響因素的不同水平值與相應(yīng)指標(biāo)的變化趨勢(shì)關(guān)系，如圖1所示.

表6 正交設(shè)計(jì)和配合比安排與試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Orthogonality design，mixture ratio arrangement and test results

表7 極差計(jì)算結(jié)果Tab.7 Results of range analysis

對(duì)正交表的極差分析僅能得到對(duì)VB影響的

一般規(guī)律，無(wú)法得出對(duì)VB有顯著影響的因素.因此，對(duì)其進(jìn)一步采取方差分析，并通過(guò)分析結(jié)果歸納回歸相應(yīng)的關(guān)系式，為評(píng)價(jià)免碾壓貧混凝土基層的工作性提供定量化依據(jù)，根據(jù)表6的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表9.

從表9可以看出，當(dāng)置信率為95%時(shí)，含水量對(duì)貧混凝土的維勃稠度有顯著影響；含水量和水泥用量均會(huì)顯著影響貧混凝土的維勃稠度，該影響因素的排序和表7中的極差分析結(jié)論一致.

表8 各因素對(duì)指標(biāo)的影晌及最佳因素水平組合Tab.8 The factors influence on the index and the best factors combination

圖1 各個(gè)因素的水平變化影響Fig.1 The influence of various factors on the level of change表9 正交表的方差分析Tab.9 Variance analysis of orthogonal arrays

方差來(lái)源離差平方和SS自由度DF方差MSF值臨界值顯著性A(含水量)3800.4831266.8325.32B(水泥用量)537.363179.123.58C(砂率)245.06381.691.63F0.95(3,6)=4.76顯著D(空列)205.12650.04—E(空列)95.12650.04—

3.3提出回歸方程

對(duì)表6中數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到維勃稠度VB與含水量、水泥劑量及砂率的關(guān)系：

VB=268.514-5 084.3w+452.975c+110.492βS，R=0.889.

(1)

式中：VB為維勃稠度，s；w為含水量，%；c為水泥劑量，%，水泥劑量c=水泥質(zhì)量/(砂質(zhì)量+石子質(zhì)量)；βS為砂率，%.

另外，施工工藝也會(huì)明顯影響免碾壓貧混凝土的工作性，不同施工方式應(yīng)滿足表10要求的不同維勃稠度值[13].

表10 不同施工方式下貧混凝土的維勃稠度推薦值Tab.10 Vebe consistometer recommended valueof lean concrete in different construction ways s

對(duì)于提出的回歸方程(1)，其參數(shù)和對(duì)應(yīng)結(jié)果是在較為理想的室內(nèi)條件下得出，而貧混凝土在實(shí)際施工過(guò)程中，受氣候、溫度、降水等諸多環(huán)境因素影響，會(huì)導(dǎo)致維勃稠度值產(chǎn)生不規(guī)律波動(dòng)，為進(jìn)一步平滑該波動(dòng)，筆者在提出的維勃稠度值基礎(chǔ)上，增加允許波動(dòng)時(shí)間5 s，以此平滑VB的變動(dòng)和切合現(xiàn)場(chǎng)情況，即免碾壓貧混凝土工作性的允許波動(dòng)范圍為VB±5 s，若實(shí)測(cè)值在此范圍內(nèi)，則認(rèn)為貧混凝土滿足工作性要求.

4 結(jié)論

(1)貧混凝土免碾壓成型方式充分利用材料的自密實(shí)性，利于提高混凝土強(qiáng)度和降低混合料滲透性，能夠減少施工機(jī)械和施工工序及周期，對(duì)提高生產(chǎn)率，減少噪音和環(huán)境保護(hù)有積極的效果.

(2)貧混凝土是干硬性混凝土，其組成材料、水灰比、集漿比和砂率是影響貧混凝土工作性的主要因素，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)得出各因素對(duì)工作性影響的順序:含水量gt; 水泥用量 gt;砂率.

(3)維勃稠度(VB)是能夠簡(jiǎn)單、易行、快速評(píng)價(jià)免碾壓貧混凝土工作性的適宜指標(biāo)，通過(guò)試驗(yàn)研究得出免碾壓貧混凝土滿足工作性要求的允許波動(dòng)范圍為VB±5 s.

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ResearchonWorkabilityofCompaction-freeLeanConcreteBase

SHENG Yanping1， SUN Shiwei1， ZHAO Shulin1， ZHOU Huili2， CHEN Shuanfa1

(1.School of Materials Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China;2.Qinghai Research Institute Transportation,Xining 810008, China)

A kind of compaction-free lean concrete (CFLC) base was put forward in this paper. The smoothness and stability of the base could be ensured by using compaction-free lean concrete base. Meanwhile, the construction machinery and construction cycle could be reduced. Also, construction environment could be improved. Factors influence workability of CFLC were analyzed, the method and index of evaluating workability of CFLC were advanced. Orthogonality test design was adopted in tests, regression formula of evaluating index-Vebe consistency value was educed. The results showed that the workability of CFLC could be evaluated by Vebe consistency value.

road engineering; lean concrete; compaction-free；Vebe consistency value; workability

2016-07-28；

2017-01-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51208047;51208046),中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013M532005;2015T81000),青海省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2017-22J-763；2017-25ZJ-764)

盛燕萍(1981— )，女，浙江臨安人，長(zhǎng)安大學(xué)副教授，主要從事道路材料與結(jié)構(gòu)方面的研究，E-mail:shengyanping2003@163.com.

1671-6833(2017)06-0079-04

U416 217

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.06.014