碾压混凝土层面结合影响因素的优化方案

由上述分析可知,影响碾压混凝土层面结合强度的基本参量为:水泥砂浆结石与骨料间的凝聚力和基本内摩擦角、水泥砂浆结石本身的强度以及层面上骨料间的咬合程度。因此,影响上述基本参量的因素必将直接或间接影响碾压混凝土层面结合质量。

层面结合强度影响因素试验,所用碾压混凝土胶凝材料总量分别为200kg、180kg和160kg,其中粉煤灰掺量分别为55%、58%和65%。粗骨料级配为:大石∶中石∶小石=30∶40∶30。外加剂选用ZB-1RCC15型缓凝减水剂,掺量为胶凝材料总量的0.4%。

(一)碾压混凝土的配合比

1.水胶比

在高于碾压混凝土的最优用水量区间内,碾压混凝土的抗压强度服从D·阿布拉姆斯(D·Ablams)水灰比定则,即

式中 fc——混凝土强度;

W/(C+F)——水胶比;

k1、k2——常数。

碾压混凝土的抗压强度与水灰比试验关系曲线见图3-2-4。

图3-2-4的试验结果表明:当碾压混凝土的用水量高于最优含水量时,碾压混凝土的抗压强度随水灰比的减小而增大;当碾压混凝土的用水量低于最优含水量时,虽然此时水灰比减小,但在碾压振动压实过程中,混凝土拌和料内的气泡无法有效排出,致使碾压混凝土中存在空隙,从而导致碾压混凝土力学行为特性发生显著差异,其抗压强度仍较低,因此,水灰比定则在低于最优含水量时已不适用。

碾压混凝土轴向抗拉强度与水灰比关系的试验结果见图3-2-5。

图3-2-5的试验结果表明:不同粉煤灰掺量的碾压混凝土,其轴向抗拉强度均随水灰比增大而减小。

图3-2-4　碾压混凝土的抗压强度与水灰比试验关系曲线

图3-2-5　不同粉煤灰掺量的碾压混凝土轴向抗拉强度与水灰比关系曲线(龄期为28天)

Cf—粉煤灰掺量(体积比)

2.粉煤灰掺量

碾压混凝土抗压强度与水灰比以及粉煤灰掺量的试验关系曲线见图3-2-6。

对比图3-2-5和图3-2-6可知:水灰比相同时,随着粉煤灰掺量增加,碾压混凝土的抗压强度和轴向抗拉强度均降低,且水灰比小时降低的比率比水灰比大时低。

3.胶凝材料用量

对比图3-2-4、图3-2-5和图3-2-6可知:碾压混凝土配比设计中的胶凝材料总量对碾压混凝土的抗压强度、抗拉强度及抗剪强度也有重要影响。在用水量高于最优含水量区间内,其基本变化趋势为:随着水胶比的减小、胶凝材料用量的增大(水泥用量不变),碾压混凝土的抗压、抗拉和抗剪等力学指标均得到提高。

胶凝材料用量不同时,水胶比、粉煤灰掺量等因素的改变对上述3种力学指标的影响程度及趋势是不尽相同的。对胶凝材料用量较少的情况,水胶比的变化可能会引起碾压混凝土力学性能指标的巨大波动;而对富胶凝材料情况,水胶比的变化并不会引起碾压混凝土力学性能指标的太大差异。

碾压混凝土的配合比影响其强度特性,也对碾压混凝土层面结合质量产生重要影响,并且两者的影响趋势与规律基本一致。

试验结果表明:200kg胶凝材料用量的碾压混凝土抗剪断峰值强度高于180kg胶凝材料用量的碾压混凝土抗剪断峰值强度,而180kg胶凝材料用量的碾压混凝土抗剪断峰值强度又高于160kg胶凝材料用量的碾压混凝土抗剪断峰值强度。因此,碾压混凝土配比中胶凝材料用量增大可显著提高碾压混凝土的层面结合强度。

Dunstan的碾压混凝土层缝抽拉强度与混凝土灰浆与砂浆体积比关系曲线见图3-2-7,由图3-2-7同样也可得到上述结论。

图3-2-6　碾压混凝土的抗压强度与粉煤灰掺量试验关系曲线

图3-2-7　碾压混凝土层缝抽拉强度同其灰浆与砂浆体积比的关系曲线

塑性缝面—指刚碾压完不久的层面;A1、A2—密尔顿布劳克坝;B1、B2—上静水坝

4.胶凝材料净浆的配合比

胶凝材料净浆的配合比决定了净浆本身的强度等级。因此,层面上所摊铺胶凝材料净浆的配合比是层面结合强度的重要影响因素。

净浆配合比见表3-2-1,碾压混凝土层面抗剪断试验结果见表3-2-2。

表3-2-1　碾压混凝土层面净浆配合比

表3-2-2　碾压混凝土层面抗剪断试验结果

(www.xing528.com)

注 层面间隔时间为24h,外加剂ZB-RCC15。

碾压混凝土层面抗剪断试验结果见表3-2-3。

表3-2-2的试验结果表明:碾压混凝土在层面铺水胶比小的净浆的碾压混凝土抗剪断峰值强度比层面铺水胶比大的净浆的碾压混凝土抗剪断峰值强度高14%。另外,根据碾压混凝土的结合机理可以推断,碾压混凝土的抗剪断峰值强度随胶凝材料净浆中胶凝材料用量的增大、粉煤灰掺量的降低而增大。

(二)层面间隔时间

表3-2-3　碾压混凝土层面抗剪断试验结果

续表

注 试验龄期为180d,外加剂ZB-1RCC15。

表3-2-3的试验结果表明:随着层面间隔时间的延长,即由4h到72h,碾压混凝土抗剪断峰值强度逐渐降低,由式τ=c+f×3.0计算的3种层面处理方法的碾压混凝土抗剪断峰值强度平均值从9.16MPa逐渐降至7.59MPa;残余强度的τ值平均值也随层面间隔时间由4h到72h,逐渐从4.32MPa降低至3.52MPa;而摩擦强度并不成规律性变化,它们的τ值平均值分别在3.34～3.87MPa之间波动。

由于水泥颗粒的水化反应顺序为由表及里,因此若下层混凝土的凝结硬化已具有一段时间,则下层混凝土层面上水泥浆的水泥颗粒的表面水化反应程度已较高,在此时浇筑上层混凝土又不作处理时,其层面上的接触方式有可能为已水化的下层水泥浆表面与上层骨料间的直接接触。此时,出现骨料在此面上的架空现象不可避免。用扫描电镜对内部混凝土和碾压混凝土的水化产物相貌的观察表明,内部碾压混凝土的CSH 多为致密的Ⅱ型颗粒,而在层面上多为疏松多孔的Ⅰ型纤维状、Ⅱ型网状胶凝;层面上的Ca(OH)2 也由不规则的片状变为规则的方板状结晶,且数量较多,这改变了层面上水泥水化产物的生长环境。与致密的生长环境相比,疏松环境中所生成的水化物较为松散,结晶程度较高。这必然会大大降低层面上骨料与水泥石间的凝聚力c1,从而使碾压混凝土层面成为结构弱面。

铺筑上层时,若下层混凝土已具有一定的强度,此时,一方面很难将落在层面上的上层混凝土骨料压入下层混凝土中;另一方面即使能将骨料压入下层,也必然使下层表层已开始硬化的混凝土结石的强度受到破坏。这样就无法保证层面上骨料间的良好结合,如图3-2-8(a)所示。一般认为,若在下层混凝土初凝前即开始浇筑上层混凝土,那么在层面上为塑性咬合状态,即上层骨料能在上层的碾压过程中压入下层混凝土中,如图3-2-8(b)所示。然而必须指出,即使在下层混凝土初凝前浇筑上层混凝土,其层面上的咬合情况也远不能与层内骨料间的咬合情况相比,这主要是由于碾压混凝土为干硬性混凝土,当下层碾压密实后,即使下层混凝土未发生初凝,该碾压密实的碾压混凝土层仍具有一定的初始贯入阻力,如图3-2-9所示。

图3-2-8　层面上骨料间的咬合情况

(a)层面上骨料间没有咬合;(b)层面上骨料间咬合良好

图3-2-9　碾压混凝土贯入阻力与时间关系曲线

(三)VC值

VC值是表示碾压混凝土稠度或可碾性的重要指标,VC值的取值、保值、控制、调整对碾压混凝土的质量有直接影响。高温条件下,碾压混凝土的初凝时间缩短,水分蒸发散失严重,VC值损失很快,短时间即会造成表面干燥发白。拌和物保持稳定品质的时间非常短,砂浆在摊铺后也容易迅速失水,丧失稠度,使质量难以控制,混凝土容易出现层间结合不良、碾压不实的问题。

仓面VC值适合与否,最终反映在混凝土拌和物的可碾性和密度指标上。工程实践证明,在混凝土配合比确定后,若拌和物VC值适合,则可碾性好,层面泛浆好,碾压时混凝土易达到设计密度。说明最佳VC值可以改善混凝土拌和物的孔隙结构,减小骨料间的摩擦力,易于传播激振力,使骨料分离和架空限制在很小的范围内,提高混凝土的密实度。

表3-2-4　碾压混凝土出机口VC值与压实密度的关系　单位:kg/m3

注 理论密度(三级配)为2565kg/m3(扣除2%的含气量)。

表3-2-4表明,VC值小,混凝土拌和物的可碾性好,达到密度峰值的碾压遍数少,其层面粘结强度就越高。如VC值为2s时,碾压4遍基本上就接近密度峰值,且不陷碾,碾压时混凝土有轻微的弹性,层间泛浆丰富;VC值为6s时,碾压5～6遍才能达到相同的密度峰值;VC值为15s时,需碾压8遍,混凝土表面干硬无弹性,泛浆差,碾压后层面甚至内部的骨料会出现开裂,拌和物流变性差,骨料多浮在表面,无泛浆。表3-2-4还表明,混凝土碾压达到一定密度后,再增加碾压遍数,密度不再增加。

混凝土拌和物出机后需经过运输、入仓、平仓后才能碾压,这段时间由于混凝土拌和物水分蒸发、水化反应等,VC值会迅速增大,特别是碾压混凝土平仓后未及时碾压更是如此。VC值增大后,混凝土拌和物的品质会变坏,可碾性变差。

(四)气候条件

碾压混凝土施工过程中的气温、降雨、相对湿度、风速及太阳辐射等环境条件因素对层面的结合强度有重要影响。

高温对碾压混凝土施工的不利影响主要表现为混凝土运输、卸料、摊铺、碾压过程及压实后混凝土的温度回升,导致水泥水化速度加快,促使混凝土早凝,从而使层间允许间隔时间缩短,因此可能导致施工层面处理工作量增大。

若组合高温、有风、天气干燥及太阳辐射等不利环境条件因素,在碾压混凝土施工过程中,其混凝土拌和物会发生严重的水分散失,从而改变混凝土的原有配合比,影响层面结合质量。尤其对于层面处理方式采用层面上摊铺水泥砂浆或细骨料混凝土时,若已摊铺的薄层水泥砂浆或垫层混凝土在高温、有风、干燥、太阳辐射条件下未能及时被碾压混凝土拌和物覆盖,则极易发生水分蒸发而导致水分散失,失水严重时能使该垫层料发白,此时该层水泥砂浆或细骨料混凝土不但起不到改善碾压混凝土层面结合质量的作用,反而成了上下层面的实实在在的软弱夹层。试验结果表明:细骨料垫层混凝土与下一层碾压混凝土间结合面的抗剪强度约比垫层混凝土与上一层碾压混凝土之间的抗剪强度高40%,可能的原因之一就是在铺筑上一层碾压混凝土以前,垫层混凝土的顶面已开始变干。降雨对碾压混凝土施工的影响,主要表现其对原有混凝土设计中水灰比的改变及雨水冲走碾压混凝土顶面处的水泥浆,从而导致碾压混凝土层面结合质量无法满足设计要求;同时,降雨对碾压混凝土的可碾性也有重要影响。

在降雨环境条件下施工的碾压混凝土层面,若先碾压后降雨(第一种工况),只要在层面允许的间隔时间范围内铺筑上层混凝土拌和料,其层面抗剪强度参数指标所受影响不是很显著;当降雨达到8mm/h时,其实测层面抗剪强度参数c′和f′仍能达到设计所要求的规定值。而在摊铺后碾压前降雨(第二种工况),碾压混凝土层面抗剪强度指标参数受降雨作用影响较显著,这主要是因为降雨增加了碾压混凝土拌和物的含水量,特别是随着降雨强度的增大,混凝土碾压过程层面泛浆越严重,致使层面出现较厚的砂浆,从而使其成为结构的薄弱部位。这从被剪断的试件中可以看出,在第二种工况下的抗剪断试件,基本上都是沿层面破坏而被剪断的。

在龙滩大坝施工现场进行了第二种工况的碾压混凝土原位抗剪断测试。无降雨时的碾压混凝土层面原位抗剪断参数为c′=(1.32～2.03)MPa、f′=1.14～1.36; 当降雨强度超过8mm/h时,碾压混凝土层面原位抗剪断参数为c′=(0.86～0.97)MPa、f′=1.07～1.20。

(五)层面初始起伏角

根据上述理论分析可知,试件剪断时的突台角i1 和i2 对碾压混凝土的层面抗剪强度有重要影响。层面越凹凸不平,突台角i1 和i2 越大,碾压混凝土的层面抗剪断强度越高。

通常上述突台角反映的是在层面上下层碾压混凝土骨料间的咬合程度。若能在较大范围内做到上下层混凝土间的齿合,必能提高碾压混凝土体的整体抗剪强度。含初始起伏角的凹凸层面的室内抗剪强度试验结果见表3-2-5。

表3-2-5　含初始起伏角的凹凸层面的室内抗剪强度试验结果(砂浆试件)

表3-2-5的试验结果表明:层面形状分别采用三角形齿或正弦波这两种具有初始起伏角的凹凸层面时,该层面碾压混凝土的抗剪断强度比平直层面的相应值分别高27%和20%。可见含初始起伏角的凹凸层面可有效提高碾压混凝土体的整体抗剪强度。

(六)其他因素

碾压混凝土施工过程的一些其他因素如碾压混凝土仓面养护条件、上层混凝土碾压及汽车轮碾、运输、卸料及摊铺过程中的骨料分离和施工层面上的污染等都会对碾压混凝土的层面结合质量产生影响。另外,随着试验龄期延长,碾压混凝土层面抗剪断峰值强度会逐渐增大。