李传平,陈新轩(长安大学工程机械学院,陕西西安　710064)

掺加高吸水树脂滑模混凝土流变特性研究

李传平,陈新轩
(长安大学工程机械学院,陕西西安710064)

摘要:基于流变学原理,测量一系列不同高吸水树脂掺量下的滑模施工混凝土在搅拌过程中的转速和扭矩,得出相对应的相对屈服应力和相对塑性粘度,再测量混凝土在振捣拆模后的塌边高度,从而得出高吸水树脂掺量对混凝土施工阻力和立模特性的影响。结果表明:掺加适量的高吸水树脂后,混凝土的屈服应力增加,塑性粘度有所降低,能同时改善混凝土的施工阻力和立模特性;最合理的掺量为占水泥质量的0.3%。

关键词:高吸水树脂;滑模混凝土;施工阻力;立模特性;屈服应力;塑性粘度

良好的流变性是滑模铺筑高质量水泥混凝土路面的基础,要求混凝土同时具有相对较低的施工阻力和良好的立模特性这两个相对矛盾的工作特性［1－2]。传统的以单一的静态屈服应力为指标的坍落度检测方法难以反映这两种特性［3－5]。利用水泥混凝土双卧轴流变仪在线检测输出扭矩和功率能够实现混凝土的动态流变性的实时观测［6－7]。SAP通常作为一种内养护剂被添加到混凝土中,前期吸水保水,后期释放出水分,为混凝土后期水化提供水分,能有效降低自收缩率,减少干缩裂纹的产生［8]。但是,关于SAP对路面滑模施工混凝土流变性能影响的研究还不多见。本文通过不同SAP掺量(指SAP与水泥的质量比)下的混凝土的流变性试验、立模试验研究滑模施工中高吸水树脂对施工阻力及立模特性的影响,并得到最佳的SAP的掺量。

1　试验材料、设备及原理

1.1试验材料

1)水泥。选用内蒙古翼东普通硅酸盐水泥,P.O42.5级; 2)砂。内蒙古太平村砂场生产的河砂,细度模数2.98,表观密度2.66 g/cm3,泥的质量分数为0.8%; 3)粗集料为小、中、大三挡石灰岩碎石,级配合格,粗集料的压碎值是12.7%,泥的质量分数是0.44%; 4)试验用水为普通自来水; 5)减水剂为聚羧酸类液体减水剂,实测固体的质量分数为19.9%; 6)SAP为聚乙烯醇系树脂,实测吸水倍率为140。

1.2试验设备

1)水泥混凝土双卧轴流变仪。搅拌集料最大粒径为50 mm,转速范围为0～100 r/min,扭矩测量范围为0.1～300 N·m,采样频率为1 Hz。2)立模试验槽。为方形钢槽,两侧板可以横向抽出,模拟滑模摊铺机的两侧滑模板。长、宽、高分别为80、25、25 cm。

1.3试验原理

20世纪70年代,英国的Tattersall G H通过研究指出新拌混凝土可以看作宾汉姆体［9－13],其流变方程为:

式中:τ为剪切应力,Pa;τ0为屈服应力,Pa;η为塑性粘度,Pa·s; dγ/dt为剪应变速率,s－1。

由式(1)可以看出混凝土的流变性可以解释为以屈服应力和塑性粘度为指标的剪应变速率与剪切应力之间的一次线性关系。

扭矩T与τ之间有

式中: K为设备系数; N为搅拌叶片个数; a为搅拌叶片的宽度，m; ra、rb分别为叶片两端到搅拌轴中心的距离，统称为搅拌半径，m。

又有

式中: v为叶片转速; w为角速度。

式(2)两边分别对r求导

等式右边分别为水泥混凝土双卧轴流变仪中混凝土的圆周运动和剪切运动，即

将式(2)、(3)代入式(1)，得

积分

得到

式(4)为搅拌混凝土的扭矩－转速方程。可以看出混凝土在搅拌的过程中扭矩与转速是一次线性关系，方程的截距与斜率分别表示混凝土的相对屈服应力和相对塑性粘度。

依据上述原理，利用水泥混凝土双卧轴流变仪，立模试验槽设计一系列不同SAP掺量下的混凝土的流变性试验和立模试验。根据测定的扭矩和转速求出每种掺量下的混凝土的相对屈服应力和相对塑性粘度，并结合测得的塌边高度得出SAP掺量对混凝土流变性的影响及其最佳的掺量。

2　混凝土施工阻力与立模特性检测

混凝土配合比设计为m(水)∶m(水泥)∶m(砂)∶m(小石)∶m(中石)∶m(大石)=150∶390∶700∶120∶800∶275。减水剂的掺量为0．75%，设计坍落度为50 mm，SAP掺量依次是使用水泥质量的0、0．1%、0．3%和0. 5%。为提高SAP在混凝土中的分散效果，采用预干拌法，将称量好的SAP投入双卧轴流变仪内，干拌20 s，再加水搅拌，每锅搅拌时间保持一致。SPA最初吸收的水不会参加水化反映，而是在混凝土干缩的时候才开始释放水分。所以，为了使水化过程中的水灰比不变，掺加SPA的混凝土的水灰比分别增加0. 01、0. 04、和0. 07［14－15］。

2．1混凝土的流变性试验

利用水泥混凝土双卧轴流变仪依次拌和4种掺量下的混凝土，每种混凝土搅拌时转速和扭矩记录见表1。

表1　不同SAP掺量的混凝土转速与扭矩的关系

2.2混凝土立模试验

利用交通部公路科学研究院设计的立模试验槽,在每次测完转速和扭矩后,将搅拌好的混凝土倒入试验槽内,斜插入振捣棒对混凝土进行滑行振捣,然后匀速抽出试验槽的两侧板,充分模拟滑模摊铺移动成型的特点［16－18]。待混凝土坍塌变形稳定后,测量塌边高度,每次在两边相同位置各取3点,共测量6处并求平均值。试验结果见表2。

2.3混凝土施工阻力及立模特性分析

将不同SAP掺量的混凝土搅拌时测得的转速和扭矩进行线性拟合,得到相应的线性方程,如图1所示。由图1进一步得出每种掺量的混凝土的相对屈服应力和相对塑性粘度,见表2。

表2　不同SAP掺量的混凝土的相对屈服应力、相对塑性粘度及塌边高度

立模特性是指,在滑模摊铺过程中,失去两侧边模板支撑的混凝土材料保持完整的边角特征,不显著发生坍塌流动变形的特性。良好的立模特性不仅有助于减少后期修边工作量,而且对保持路面板几何形状及原有平整度有至关重要的影响。

屈服应力是混凝土材料发生流动变形(例如路面的塌边)所需要克服的最小的剪切应力。混凝土的屈服应力越大,混凝土越不容易流动变形,在路面混凝土材料自重作用下,越不容易发生塌边,即相对较高的屈服应力有助于增强混泥土路面的立模特性。

塑性粘度能够反映混凝土受到的作用应力与其流动变形速度之间关系,塑性粘度越大,混凝土保持一定流动速度时所需要的外力越大,所以在摊铺机行走速度不变时,塑性粘度越大,摊铺机所需要克服的施工阻力就越大,即塑性粘度能够表征施工阻力的大小［19]。

由表2可以看出,掺加了一定量的SAP后,相对于没有掺加高吸水树脂,混凝土的屈服应力相对增加;塑性粘度有所降低;塌边高度明显改善。随着SAP掺量的增加,相对屈服应力先增大后减小;相对塑性粘度无明显变化规律,但都有所降低;塌边高度变化趋势同屈服应力成负相关性,即立模性能随着屈服应力的增加而变得越好。当SAP掺量为0.3%时,混凝土具有最高的屈服应力和相对较低的塑性粘度,换言之,施工阻力和立模特性这两个相对矛盾的工作特性同时得到改善,所以相对而言,0.3%是最合理的SAP掺量。

3　结论

1)混凝土滑模施工中,坍落度难以完全反映混凝土的动态工作性能,等坍落度的混凝土的施工阻力和立模特性可能不同,以屈服应力和塑性粘度为指标的流变性能较好的反映滑模施工中混凝土的动态工作性能。2)滑模混凝土掺加适量的SPA后,相对于没有掺加高吸水树脂,混凝土的屈服应力增加;塑性粘度有所降低;塌边高度明显改善,并且塌边高度同屈服应力成负相关性。3)滑模混凝土掺加适量SPA后,施工阻力和立模特性这两个相对矛盾的工作特性同时得到改善,最合理的SAP掺量为0.3%。

参考文献:

［1]杨志达,罗纲,萧红光,等.滑模摊铺混凝土的配合比［J].混凝土,1995(1):19－24.

［2]傅智.新拌混凝土振动结构粘度研究［J].公路交通科技,1996,13(3):1－9.

［3]交通部公路科学研究所.JTJ/T037.1—2000公路水泥混凝土路面滑模施工技术规程［S].北京:人民交通出版社,2000.

［4]黄大能,沈威.新拌混凝土的结构和流变特征［M].北京:中国建材工业出版社,1983.

［5]TATTERSALL G H.The principles of measurements of the work ability of fresh concrete and a proposed simple two point test in fresh concrete: important properties and their measurements［C]/ /Proceedings of a RILEM Seminar.Leeds: Leeds University,1973:1－33.

［6]郑少鹏,田波,侯子义.新拌水泥混凝土流变性评价方法综述［J].公路交通科技(应用技术版),2013(1):63－69.

［7]孟祥龙.道路水泥混凝土施工流变性能研究［D].西安:长安大学,2009.

［8]逄鲁峰.掺高吸水树脂内养护高性能混凝土的性能和作用机理研究［D].北京:中国矿业大学,2012.

［9]杨静,覃维祖,吕剑峰.关于高性能混凝土工作性评价方法的研究［J].工业建筑,1998,28(4):5－9.

［10]AMZIANE S,FERRARIS C F,KOEHLER E P.Measurement of workability of fresh concrete using a mixing truck［J].Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology,2005,110(1):55－66.

［11]JENSEN Ole Mejlhede,HANSEN Per Freiesleben.Water-entrained cement-based materials: I.Principles and theoretical background［J].Cement and Concrete Research,2001,31(4):647－654.

［12]HU C,LANARD F.Rheology of fresh high-performance concrete［J].Cement and Concrete Research,1996,26(2):238－294.

［13]冯乃谦.高性能混凝土［M].北京:中国建筑工业出版社,1996.

［14]CUSSON Daniel,HOOGEVEEN Ted.Internal curing of high-performance concrete with pre-soaked fine lightweight aggregate for prevention of autogenous shrinkage cracking［J].Cement and Concrete Research,2008,38(6): 757－765.

［15]CRAEYE Bart,GEIMAERT Matthew,SCHUTTER Geert De.Super absorbing polymers as an international curing agent for mitigation of earlyage cracking of high-performance concrete bridge decks［J].Constructions and Buliding Materials,2011,25(1): 1－13.

［16]徐定华,徐敏.混凝土材料学概论［M].北京:中国标准出版社,2002.

［17]BAKER C,SOBCZYNSHI P.British trial of exposed aggregate concrete pavements［J].Highways and Transportation,1997,44(11):18－20.

［18]高久好.水泥砼水平滑模成型力学机理的试验研究［D].西安:长安大学,2000.

(责任编辑:郭守真)

Study on Rheological Properties of Slip-Form Concrete with Super Absorbent Polymer

LI Chuanping,CHEN Xinxuan
(School of Construction Machinery,Chang'an University,Xi'an 710064,China)

Abstract:Based on the principle of rheology,the speed and torque are measured when the concrete is mixed to get the relative yield stress and relative plastic viscosity of slip-form concrete with different content of super absorbent polymer and the height of edge collapse is also measured after the concrete is vibrated and the templates are dismantled so as to reflect the effect of super absorbent polymer and its content on the construction

resistance of concrete and the standing mold performance.The results show that the yield stress of concrete is increased and the plastic viscosity of concrete is decreased after adding suitable super absorbent polymer.It can improve the characteristics of construction resistance and standing mold performance when the concrete is mixed with super absorbent polymer.In addition,0.3% of cement dosage is the most rational content of super absorbent polymer.

Key words:super absorbent polymer; slip-form concrete; construction resistance; standing mold performance; yield stress; plastic viscosity

作者简介:李传平(1989—),男,河南信阳人,硕士研究生,主要研究方向为路面机械化施工及质量控制.

收稿日期:2015－07－29

DOI:10.3969/j.issn.1672－0032.2015.03.009

文章编号:1672－0032(2015)03－0038－05

文献标志码:A

中图分类号:TU528.41