真空预压水泥混凝土浇筑连续路面研究.pdf
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1、第 3 7卷 , 第 1 期 2 0 1 2年 2月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 7,No 1 F e b, 2 0 1 2 真 空预压水 泥混凝土浇筑 连续 路面研 究 周漱 溟 ( 湖南省交通科 学研 究院 , 湖南 长 沙4 1 0 0 1 5 ) 摘要】真空预压混凝土技术是一种新技术, 其工艺就是对未凝固的混凝土施以真空预压, 使其脱水和压 密 , 达到增 加强度 , 减少体积 收缩变 形 , 消灭早期裂缝 , 提高 耐久性 之 目的。文 中分析 了其可 行性 和一系列 物理水 力化学机理 。应用 于高速公路 路面 ,
2、 可浇筑 出长达 2 0 0 m的无筋水泥混凝土的连续路面 。 关键词 真空预压 ;水泥混凝土 ; 浇 筑 ; 工艺 中图分 类号U 4 1 6 2 1 6 文献标识 码】A 文章编号1 6 7 4 - 0 6 1 0 ( 2 0 1 2 ) O l - 0 0 6 5 - 0 6 R e s e a r c h o n C o n ti n u o u s l y C o n c r e t e c a s t P a v e me n t v i a Va c u u m Pr e l o a d i n g Te c h n i q u e ZHOU S h u mi n g ( Hu
3、n a n C o mm u n i c a t i o n s R e s e a r c h I n s t i t u t e ,C h a n g s h a , H u n a n , 4 1 0 0 1 5 , C h i n a ) A b s t r a c t A s a n i n n o v a t i v e a p p r o a c h ,t h e v a c u u m p r e c o mp r e s s i o n t e c h n i q u e i n c o n c r e t e p r o c e s s - i n g a i ms t o
4、 s t r e n g t h e n t h e c o nc r e t es i nt e n s i t y,r e d u c e s h r i n k a g e a n d d e f o r ma t i o n,a v o i d e a r l y c r a c k s a nd i n c r e a s e i t s d u r a bi l i t y b y d e hy d r a t i n g a nd i n t e n s i f y i n g u nh a r d e ne d c o nc r e t e t h r o u g h v a
5、c u u mi z a t i o n a nd pr e c o mpr e s s i o n Thi s p a p e r a na l y z e s i t s f e a s i b i l i t y a s we l l a s a s e r i a l o f p h y s i c a l ,h y d r a u l i c a n d c h e mi c a l me c h a n i s mApp l y i n g t h i s t e c h n i q u e i n e x p r e s s wa y p a v e me n t , we c
6、a n c o n s t r u c t c o n t i n uo us no n r e i n f o r c e d c o n c r e t e r o a d a s l o n g a s 2 0 0 me t e r s Ke y wo r d s v a c u u m p r e l o a d i n g ; c o n c r e t e ;c o n c r e t e c a s t i n g ;t e c h n i q u e O 前言 土在某些领域的特定环境下也有应用的空间。 我 国高速公路路面的发展经历 了水泥混凝土路 面和沥青混凝土路面两个阶段 :
7、 早期路 面多为水泥 路面 , 近期路面几乎都是沥青路 面。水泥路面呈全 面退出高速公路之势, 只在二 、 三级公路和乡村公路 还大量采用。这种情况与欧美发达国家正好 相反。 水泥路面有多缝 ( 锯缝 、 断裂 ) 、 缝隙渗水破坏 、 维修 养护时间长等与生俱来的缺点 , 加上结构层设计欠 合理 , 施工质量不太可靠等原 因, 使其缺点更得以充 分暴露展示 , 寿命很难达到设计的 3 0 a 。 真空预压水泥混凝土 ( 以下简称真空预压混凝 土) 具有降低水灰 比、 提高强度 、 减少收缩的重要作 用。用于路面时 , 可消灭早期裂缝、 减少断板 , 不必 锯缝不必分 块 , 而将素 混凝 土
8、水 泥路 面做 成 长达 2 0 0 m的连续路面。对充 分发 挥水泥路面 的优点、 达到和延长设计寿命具有重要意义。真空预压混凝 1 真 空预压 混凝土的概 念 真空预压和真空一堆载预压原本是土木工程中 处理软土地基 的一种方法。通过真空排水和加压 , 能使软土快速排水 固结 , 达到快速增加土体强度、 提 高承载力 , 减少工后沉 降之 目的。让未硬化新浇筑 的混凝 土, 在真 空预压状态下 排水凝结、 固化和养 生 , 便是真空预压混凝土。在真空预压的同时 , 利用 特殊设备方法 , 在预定的方 向施加压力的方法 , 称之 为真空超压混凝土。一般工程采用真空预压即可满 足需要 , 没有使
9、用真空超压的必要, 所 以首先开展真 空 预压 混凝 土研 究 。 目前在世界混凝土界 尚未发现真空预压混凝土 研究的报导 , 更无开发应用 的工程实例。与之有点 类似的有混凝土 高压蒸养 技术和 日本 A Q模板 技 术。所谓“ 高压蒸养技术” 是将水泥( 或生石灰 ) 同 收稿 日期 】2 0 1 l O 9 2 O 作者简介】周漱溟( 1 9 6 4 一), 男 , 湖南湘潭人 , 工程师 , 主要从事高速公 路施 工监理 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路工程 3 7 卷 其它含硅质原料混合 、 成型 , 置于密闭高压容器( 蒸 压釜内) , 在高
10、温和对应饱 和气压下, 进行水热反应 的一种高压蒸汽养护方式 , 它与常压蒸汽养护方式 在本质上是不相同的; 所谓 “ A Q” 模板技术, 它以有 机纤维 、 水泥按一定 比例混合 , 加入一定用水量及高 效减少剂共 同拌和, 再通过真空脱水及加压成型而 成为 A Q模板 。用这种板材作为海水环境的钢筋混 凝土桥墩模板 , 同时该模板作为结构 中的一部分不 再拆除。据说这 种模板 能抵抗 各种劣化 因子的侵 蚀 , 使混凝土具有超高的耐久性 。可以看出, 上述两 种技术与真空预压混凝土是不同的。 2真空预 压混凝土 的机理 2 1物理 水力 学机 理 新拌 制的普通塑性混凝土混合物 由固体颗
11、粒 ( 粗集料、 细集料 、 水泥颗粒 ) 、 水和空气组成。振捣 成型后 的混凝 土由固体颗粒和水组成( 空气约 占总 体积的 1 , 通常不受关注 ) , 此时的水均匀存在于 混合物中, 大部分呈 自由形态 , 能流动和传递静水压 力。水 的质量 占单位混合物( 表现密度按 2 4 0 0 k g m 计 ) 的 6 3 一7 9 ( 每 m 用 水量 按 1 5 0 1 9 0 k g计算 , 它与坍落度要求 , 集料的品种与大小有 关 , 未计 掺入减水 剂的情况 ) , 但体积却 占 1 5 一 1 9 。这些水一部 分 因孔隙水压力差而往外渗 透 ( 即肉眼看到 的表 面泌水 )
12、; 一 部分参与水化反 应 ( 据有关文献, 水化的水量较小, 最多只有水泥质量 的 0 2倍) ; 剩余 的水蒸发干燥 , 形成孔 隙。渗透及 干燥耗水是混凝土体积收缩 ( 早期开裂 、 后期体缩 ) 的重要原因。真空预压的 目的就是想办法让这部分 水在终凝前排除掉。 在一次水化尚未开始或水化反应还很微弱时, 简单理解为初凝前 , 混凝土 内部某点 的垂直应力可 用式( 1 ) 表达 : o r = o r + z ( 1 ) 式( 1 ) 中: o r 为某点的垂直应力 , 等于预加应力 和混 合物 自重应力; 为颗粒之 间的有效应力 ; 为孔 隙水 压力 。 随着空气的排除 , 振捣使混
13、凝土趋于密实孔隙 变小。当变小的孑 L 隙全部为水充填时 , 孔 隙水压力 骤然上升, 颗 粒间的有效应力为 0 。固结颗 粒重 量 和附加应力全部 由孔隙水压力承担, 固体颗粒呈悬 浮状态, 混凝 土出现液化 , 具 有流动性。振捣结束 后 , 有压孔隙水往外渗透形成泌水逐渐减压至正常 静水压力 , 颗粒间有效应力逐渐增加而混凝土进一 步密实。这就是新浇混凝土表面沉降的原因。 如果使式( 1 ) 的右侧孔隙水压力 减小至 = 0 , 即抽真空 ( 称之为真空脱水) , 相应左侧 o r 则增加 了 1个大气压力 ( 预压力 1 0 3 3 7 k P a ) , 则颗粒间有 效应力 也增加
14、1个大气压力 ; 同理 , 若借助外部 力量继续增大 ( 即超压) , 则 O r 等量增加。预压导 致有效应力 o r 增大, 将产生两个有利结果 : 使颗粒 接触更加紧密 , 水占据体积的孔隙更加减小 ; 抽真空 能将混凝土中的气体 ( 约 占 1 ) 排除干净, 二能快 速排除水分 , 使孑 L 隙水无压。因此经过真空预压的 混凝土, 其密度要 比同种普通混凝土的密度大 7 1 1 , 孔隙率减小, 毛隙管直径呈几何级数减小。 真空预压是否可行 , 取决于新拌混凝土的渗透 性 。水 泥颗 粒 的粒 径 通 常 为 l 0 9 0 m, 与 岩 土工 程中土体分类的粉粒粒径( 57 5 m
15、) 相当, 不具备 粘性( 粒径 5x m下属粘粒 , 2 m的颗粒才具有 粘活性 ) 。具 有一定颗粒体系级配 ( 混凝 土中所有 固体颗粒级配) 的新拌混凝土, 按 土的分类标准 ( G B 1 4 5 - 9 0 ) 划分 , 大都属于含细粒砾类土, 渗透系 数相当于粉细砂, 量级在 1 O 一 1 0 c m s之间, 属 中等透水材料 , 排水是比较快捷的。水泥颗粒 的大 小和级配情况是渗透系数大小的主要影响因素。需 考虑的不利排水因素是水泥作为胶凝物质会发生水 化反应, 随着水化 的进行 , 渗透 系数将逐渐 衰减变 小。它是影响真空预压效果的重要条件。 在施加真空之初, 混凝土
16、中表 面和 内部存在水 力梯度, 迫使水分向外转移。随着水压力消散, 压力 梯度维持时间较短 , 且无稳定 的“ 水源” , 因此不会 象地下水那样产生稳定的渗流 , 不会发生水泥颗粒 流失的渗透变形。当然, 缓慢而均匀地制成真空对 防止表面的水泥颗粒流失是完全必要的。 真空预压还有一个力学机理就是“ 体积补偿” 。 “ 体积补偿” 可以通俗理解为 :由于混凝土外表面存 在均匀压力和内部孔隙水压力接近于 0 , 能使 水分 减小产生 的“ 空位 ” 、 温度变化 引起 的体 积变化 的 “ 空位” , 及时得到立体补偿而不会 留下永久 的孔隙 或裂缝 。 2 2水化 学机理 除上述真空预压混凝
17、土的物理水力学机理外 , 还有 一系列 的水化 学机 理 。 首先是真空预压引起的水泥水化反应的变化。 真空脱水最大限度地排走多余 的 自由水分 , 引起水 灰比( w c ) 降低, 直接影响强度。同时因为“ 缺水” 而使水化程度 ( ) 降低 , 水化程度 ( ) 降低对强度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 周漱溟 : 真空预压水泥 混凝土 浇筑连续路面研究 、 6 7 增长是不利的, 但能减缓早期的水化反应 , 使水化热 降低 , 对因水化热引起的体积变化则是有利的, 可减 少混凝土早期开裂 。要使水化充分( =1 ) , 就必须 加强养护 ,
18、 现浇真空预压混凝 土至少 3 d内要保持 真空预压的密封状态 , 且湿养 7 d 。 其次是经真空预 压后 , 水泥颗粒之间的间距减 小到一定程度 , 使水化物 C s H纤维形成 网状结 构 , 更为致密 , 更能 阻塞毛隙管连通性 ; 还使水泥颗 粒与粗集料、 钢筋的接触界面无泌水过渡层 , 接触更 为紧密。对于表面粗糙的集料如碎石 , C S H纤维 能伸人到表面的凹槽 中, 更加增强水泥对集 料的粘 结力。另外 , 无压孔隙水环境 , C s H纤维的生长、 排列 , 与有压孔隙水环境可能有所不 同。有资料表 明若混凝土浇筑过快、 浇筑厚度过大和采用 了快速 凝结的水泥 , 都将使孔
19、隙水压力增大 , 水泥在大于静 水压力的状 况下凝结 , 对混 凝 土的强度是 不利 的。 铁路规范就有对一次浇筑过厚的混凝土进行强度折 减的规定。 2 3共 同作 用 混凝土是一个复杂整体 , 各种作用机理复杂, 不 是单独存在的。混凝土混合物实际上是水泥浆裹着 砂颗粒、 砂浆又裹着粗颗粒的一种相互包裹悬浮结 构 , 包裹层厚度一 般按 3倍粒径计算。把最密实 的 混凝土看成是砂颗粒完全充填粗颗粒空隙、 水泥颗 粒完全充填砂颗粒空 隙的骨架 密实结构 不符合实 际, 因为这样 配 比的混凝 土丧失 了工作性能 ( 这种 混凝土只有一种工艺能实现 : 先将单粒级的粗集料、 细集料紧装入模后 ,
20、 采用真空抽气再 高压注入水泥 浆。该混凝 土理论上 讲只有很小 的收缩和徐变 ) 。 在同一配比条件下 , 真空预压可直接减小粗集料包 裹层的厚 度 , 间接增 加细 颗粒水 泥 浆包 裹厚 度和 “ 水 化质 量 ” 。这 种 作 用 同 时包 函 了物 理 力 学 和 水 化 作用 。 由于缺乏试验和应用资料 , 研究深度不够, 可能 还有未发现的作用和机理 , 需要进一步探索、 验证 。 3 真 空预压 混凝土的性 能 上面简单分析了真空预压混凝土的物化作用和 机理 , 反映在性能上具有 如下几个优点 : 强度增加 , 体积变化减少, 耐久性提高。 增加强度。 根据 P o w e r
21、 s 理论 , 水泥浆的强度与孔隙率成 3 次 函数反比, 孔隙率与水灰 比( w c ) 成正比、 水化程 度 ( a ) 成 反 比 , 如 下列 式 : = 去 ) v v l O 0 wc一3 6 1 5 a g=6 7 90a = 后 ( ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 上式 中: 为孔隙体积; 为水化物体积 ; 为水化 程度 ; K为常数 , 2 5 0 MP a 为抗压强度。 从上式可以看 出: 真空脱水使水灰 比降低 , 强度 增加 ; 密封水养可使水化程度充分 , 强度增加 。 另一种对抗压强度提高是物理力学方面的 : 混 凝土经过真空脱水和预压, 固体颗
22、粒 紧密接触, 即便 不发生水泥水化反应 , 压密体本身也具有一定 的强 度( 称之为体积强度) 。这种强度对混凝 土终凝时 的强度有较大影响, 可使混凝土终凝时间提前。体 积强度影响混凝土终凝后 的体积收缩率 , 但与后期 固化( 水泥石) 强度相 比是微不足道的。 混凝土的抗折强度( ) 和抗拉强度 ( ) , 不但 取决于水灰比和水化程度 , 还取决于骨料类 型。根 据 M a r io c o ll e p a r d i 与抗压强度厂 c 存在如下算 式关系: 厂 c = ( 6 ) 厂 c = k 厂 c ( 7 ) 上式中厂 c 为抗折强度( 弯拉强度) ; 厂 c 为抗压强度
23、( 立方体) 为抗拉 ( 直拉) 强度 ; j r 为常数 , 砾石取 0 7 , 碎石取 0 8 ; 为常数 2 0 MP a时 , 取 0 6 。 可以看 出: 真空预压引起混凝 土抗压强度增长, 抗折抗拉强度也相应增长。但这种关系式并不能完 全说明真空预压引起混凝 土的抗折抗拉强度增长 , 因为未包括水泥基质与集料界面的粘结度增加对抗 折、 抗拉强度产生的影响( 从试验断 口看 , 很少见有 骨料被拉 断的, 都是沿界面破坏 ) 。真空预 压排水 消除了界面泌水层 , 因而对抗折抗拉强度增长 的影 响要 比对抗压强度增长显著。 应对体积变化 , 控制裂缝。 真空预压混凝土的“ 体积补偿”
24、 机理 , 能有效地 应对混凝土早期体积变化 ( 沉降收缩 、 早期干燥( 塑 性) 收缩) , 消除由此引发的裂缝。可以比较有把握 地推断出对于大面积条带状混凝土板在不分块浇筑 不早期锯缝时, 不会发生此类早期收缩裂缝。 对于硬化过程 中的体积变化 ( 干燥收缩 、 自收 缩) 、 硬化后的体 积变化 ( 碳化 收缩 、 干湿 循环体积 变化 、 温度变化引起体积变化) , 真空预压混凝土对 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路工程 3 7卷 其有利有效的作用, 可以从固体颗粒相对更紧密, 水 灰 比降低, 自由水减少 , 毛隙管( 孔隙率 ) 降低 , 真空
25、 水化影响等机理找到正面解释。毋庸讳言, 可能有 些作用是负面的、 无效的。 对耐久性的影响。 真空预压对钢筋混凝土的耐久性提高是不用怀 疑的。可以从水灰比的降低 , 毛隙管更少更小 , 混合 物更密实等方面去理解 。主导因素是因致密阻隔环 境外来侵蚀劣化因子的侵蚀作用。对抵抗诸如中性 化( 碳化) 、 c l 一 盐害、 S O : 一盐害、 抗渗等均有显著作 用 , 可用于三 b 、 四类环境 。值得说 明的是对抗冻的 影响, 毛隙管孑 L 径越小 , 再加上水不纯净 , 毛隙管 中 的水的冰点低于 0 c c( 据 S e t z e r 的研究 , 纳米级毛隙 管( 2 5 0 n m
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