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低温条件下桥梁桩基混凝土性能研究

2020-02-24李建鑫

甘肃科学学报 2020年1期
关键词:水胶砂浆桩基

李建鑫

(郑州市公路工程公司,河南 郑州 450000)

相较于常规地基土体,冬季低温地区土体的各方面特性都较为特别,其对周边温度有着很高的敏感性。若将常规桥梁桩基混凝土配合比直接应用于冬季低温地区施工,往往会导致许多不良后果。最常见的是引起桥梁各部位过大变形,使其不再满足规范要求。当这一变形量超过了结构承受极限时,更会间接产生各类严重危害。因此,设计一种具有针对性的桥梁桩基混凝土配合比,具有非常深远的意义。

针对低温地区冬季桥梁桩基设计和施工,国内学者已经有了一定的研究成果。侯立斌[1]针对冬季桥梁施工过程中遇到的低温环境下混凝土浇筑问题,从原材料选择及配合比设计、混凝土浇筑过程质量控制、混凝土浇筑后的养护技术等方面进行了研究,提出了有效的保温及防冻害技术,利于施工顺利进行、防止冻害发生,保证了混凝土施工效果,实现对裂缝的有效预防。苏家仲[2]在桥梁的冬季施工混凝土前期准备工作基础上,对冬季道路桥梁混凝土浇筑、养护技术进行了论述。刘国玉[3]对低温地区冬季桥梁工程中所采用的桩基混凝土施工过程进行了论述,提出了一系列具有建设性的方案。向敏等[4]在水化热领域进行了混凝土放热试验研究,通过有限元软件测算出混凝土的水化热推荐值。此外,近期学者专家对于冬季混凝土施工或者配合比方面也有一些研究成果[5-7]。

许多学者对冬季低温地区施工桥梁桩基混凝土设计和施工进行了大量的探索工作,尤其是针对其强度和凝结硬化过程的水化热问题进行了着重讨论。但在外界温度、外加剂掺量、水胶比大小以及矿物掺合料掺配对混凝土凝结时间的影响方面,仍存在着一定空白。因此,研究针对搅拌成型及凝结硬化时温度、混凝土外加剂、水胶比大小以及矿物掺合料的掺配情况进行分析,分析其对桥梁桩基混凝土凝结硬化的影响,结果将对低温地区冬季桥梁桩基的施工有重要指导意义。

1 桥梁桩基原材料

1.1 水泥

试验采用P·O42.5普通硅酸盐水泥,对该水泥中的化学成分进行了分析,结果见表1。随后实测了该水泥各项力学指标,结果见表2。此外,试验采用粒度分析仪,对水泥粒度分布情况进行了测定,测试结果见图1。

表1 水泥化学成分分析

表2 力学指标测试结果

图1 水泥的粒径分布测试结果Fig.1 Test results of the particle size distribution of cement

1.2 粉煤灰

粉煤灰是煤粉在生产过程中,燃烧后得到的粉末或者颗粒状产物。试验优选是I级F类高性能粉煤灰,其密度是2 160 kg/m3,细度是6.9%,烧失量是0.75%,需水量比是94.1%,其主要性能指标如表3所列。

1.3 磨细矿渣

矿渣选用磨细的微粉矿渣,密度为2 693 kg/m3,比表面积为395 m2/kg,经测试其7 d的抗压强度可达到79.4%。

1.4 外加剂

试验设计混凝土配合比的过程中选用了减水剂和早强剂2类外加剂。

为防止混凝土凝结过程中产生各类不良反应,选用了具有较强稳定性的聚羧酸减水剂,其减水效率高,并且不含氯离子,不会对钢筋造成腐蚀,可显著提升混凝土的密实型和耐久性。

早强剂的主要目的是快速形成混凝土早期强度,其组分主要是由甲酸(CH2O2)、氟化钠(NaF)、硫酸铝(Al2(SO4)3)以及三乙醇胺((HOCH2CH2)3N)组成,在配制使用的过程中加入熟石灰粉。

表3 粉煤灰化学成分

2 试验方法

测试使用低温测试室来模拟低温地区冬季的自然条件。首先取用5 mm标准筛,从新拌混凝土中筛分砂浆,采用红外测温仪得到其初始温度,在此过程中要尽量控制时间在较短范围内。接着将砂浆和水泥维卡仪一起放入低温试验室中,并手动设置好低温试验室的温度,具体为0 ℃、-5 ℃以及-10 ℃3个档次。试验过程中不断检测砂浆温度变化情况。

0.5 h后取出砂浆和水泥维卡仪,当满足试针停止下降,或者当试针0.5 min内下沉到距离下底面4 mm的时候,认为砂浆达到初凝状态。水泥初凝时间即为加入拌合水至初凝状态之间所耗费的时间。为得出有效结论,试验每隔15 min测量一次温度数据并加以记录。

完成砂浆初凝时间测定工作后,将测试薄膜和砂浆以平移的方式从玻璃板翻转过来,并将直径较大的一端朝上,置于玻璃板上。接着将砂浆和水泥维卡仪一起放入低温试验室中。当试针沉入砂浆的距离达到0.5 mm时,认为砂浆达到了要求的终凝状态,并且要求圆模不得在终凝砂浆上留下痕迹。

试验除了模拟环境温度对低温地区冬季桥梁桩基混凝土的凝结时间产生影响外,还综合考虑了有关配合比设计过程中涉及到的各类原材料占比所带来的影响。试验考虑控制的配合比参数包括矿物掺合料占比、减水剂掺量、早强剂掺量以及水胶比。通过控制变量,得出各影响因素对试验砂浆初凝时间和终凝时间的影响。

试验设计的控制条件如表4所列。

表4 试验拟定的控制条件

3 试验结果分析

试验在室内搭建起低温环境用于模拟低温地区冬季的环境,使用水泥维卡仪对混凝土的初凝、终凝时间进行了测试,从而得出了不同的低温环境对桩基混凝土凝结时间的影响。控制混凝土的配合比各参数,在低温环境下,对混凝土初凝、终凝时间进行测定,同时记录混凝土外部环境温度和内部温度的变化情况,探寻其中的变化规律。

3.1 混凝土的内外温度

在低温地区冬季的实际施工条件下,桥梁桩基混凝土初凝和终凝时间会受到明显影响,研究3种模拟温度环境下的混凝土凝结时间影响规律,同时记录混凝土外部环境温度和内部温度的对比变化情况,试验结果见图2。

由图2可知,实验室模拟的温度与混凝土内部温度并不重合,一是由于温度设置后的温度递减过程,故不能做到实时性;二是因为水泥水化过程中会放出热量,从而导致温度下降的速率减缓。不同外部模拟温度下,随着预设温度越来越低,其降低曲线的斜率逐渐增大,混凝土内部的温度降低速率也呈现出同样的规律。最终二者在时间达到2 h处趋于一致。

图2 混凝土外部和内部温度对应变化Fig.2 External and internal temperature of concrete

3.2 温度对凝结时间的影响

从试验结果可以看出,每组混凝土在不同低温环境下,随着环境温度的降低,混凝土初凝、终凝时间都是逐渐延长的,如图3所示。

如编号为1的混凝土组,在常温(20 ℃)环境下的水化速度很快,初凝、终凝时间分别为58 min和88 min。当混凝土外部的模拟温度逐渐随着时间降低后,其凝结时间显著变长,在0 ℃时,其平均增长率约为46%。当温度持续降低至-5 ℃甚至-10 ℃时,该增长率更是达到了64%和73%。这归结于温度下降,抑制了水泥水化的速度,其根本原因是水泥中各化学组分的化学活性降低,从宏观上表现为凝结时间的增长。

3.3 配合比对凝结时间的影响

(1) 外加剂的影响 图4总结了外加剂(包括减水剂和早强剂)桩基混凝土凝结时间的影响。减水剂不会改变混凝土凝结时间随外部温度改变的大致规律:随温度下降,桩基混凝土初凝时间、终凝时间持续上升。从图4中可以发现,随着减水剂掺量的提高,混凝土总体凝结时间逐渐提高。在外部温度达到0 ℃的条件下,其掺量对凝结时间的影响主要体现在终凝上。当其掺量从1%提高至2%时,随着外部温度的下降,混凝土初凝时间增幅分别是15%、13%以及8%,对应的终凝时间增幅为26%、17%以及13%。

图3 温度对凝结时间的影响Fig.3 Effect of temperature on setting time

图4 外加剂对凝结时间的影响Fig.4 Effect of admixture on setting time

早强剂对桩基混凝土凝结时间的影响主要体现在初凝时间上。因为早强剂的原理是加快混凝土的早期强度发展,即加快水泥水化的速度。随着时间的推移,混凝土的内外温度逐渐接近,其效能逐渐降低。因此在桩基混凝土的施工过程中应保证其温度条件。

(2) 矿物掺合料的影响 研究表明[8],粉煤灰的掺加可以改善混凝土使用性能,延长其凝结时间。矿物掺合料的掺加将整体提升桩基混凝土的凝结时间,且提升比率随着外部温度的提高越来越大。而随着温度的下降,其对凝结时间的影响也会相应缩小。

(3) 水胶比的影响 研究水胶比对桩基混凝土凝结时间的影响情况,可以发现:随着水胶比提升,混凝土的凝结时间总体上稍有一定的延长,而且仅限于较低温度条件下。这种现象产生的原因是:当桩基混凝土配合比中的水胶比较低的时候,决定了其中含水量较低,从而受到温度的影响不明显[9]。当水胶比提升后,其含水量上升,并且在低温的双重作用下,其凝结速度才会产生较为明显的降低,体现为初凝和终凝时间的延长。

4 结论

通过模拟各种配合比条件下桩基混凝土凝结状况,并对其进行凝结时间的测定,探究了冬季低温地区土体中桥梁桩基混凝土的施工影响因素,得到了以下结论:

(1) 外界温度与混凝土内部温度并不重合;

(2) 温度的下降,抑制了水泥水化的速度,其根本原因是水泥中各化学组分的化学活性降低,从宏观上表现为凝结时间的增长;

(3) 减水剂不会改变混凝土凝结时间随外部温度改变的大致规律,早强剂对桩基混凝土凝结时间的影响主要体现在初凝时间上;

(4) 随着温度的下降,其矿物掺合料对凝结时间的影响也会相应缩小,水胶比的提升总体上会延长混凝土的凝结时间。

除了对混凝土凝结时间的影响外,低温环境下的冻土对桩基混凝土的其他各方面性能也有着一定的影响,有待进一步进行探究。

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