施工环境下水泥混凝土路面养生方式选择研究

生 宸

(山东省公路设计咨询有限公司 济南市 250102)

0 引言

水泥混凝土路面早期强度的形成与水化反应有关,新铺水泥混凝土路面内部水化反应的速率、激烈程度则受其内部温度、湿度影响而较为复杂[1]。新铺混凝土路面常见的病害主要包括:塑性收缩、干缩开裂等,一般均与养生不当有关[2-3]。为尽量减少上述病害,需对新铺路面进行养生处理。混凝土路面养生的主要作用是为其在强度增长期内保持一定的水汽含量,使之不流失或尽量少流失。相关研究指出,混凝土内部水分含量的变化会影响其质量的改变及体积的变形即混凝土的徐变。Neville等[4]在其研究中表明:干燥中的混凝土发生的徐变比处于恒定干燥或者湿润状态下的混凝土的徐变量要大,这就表明湿度对混凝土产生了一定的影响。水泥混凝土内部的湿度梯度越大,其早期变形越明显,其出现开裂等病害的可能性大大增加[5]。

目前我国采用的各种养生手段不同,主要包括喷洒养护剂覆膜养生、传统覆膜补水养生等[6-7]。但是喷洒养护剂养生的技术现尚未被大范围使用,我国当前乡村道路以及大量的低等级公路限于经济条件及技术手段限制,仍大量采用传统的覆膜补水养生方式。目前针对混凝土内部温湿度的变化研究局限于实验室标准养生室中对标准试块进行实验或实验室中模拟各种不同自然条件下混凝土内部的湿度变化,然而针对现场真实环境下的不同养生方式间的湿度差异的探究还很少。自然条件下的晴雨、温度状况十分复杂,对新铺混凝土路面内部水化反应的影响较大。不同养生材料间的保水性和透水性不同,其养生效果也不同。

1 实验方法及指标介绍

1.1 实验方法

本研究拟在某公路新铺水泥混凝土面层顶面2cm、4cm处插入细管测定该段路面养生7天内的湿度变化情况,为保证细管内水汽不与空气进行湿度交换,需堵住管口,如图1所示。

图1 埋管位置及管口塑封示意

1.2 实验仪器选用及养生方式选择

实验采用芬兰VAISALA公司生产的HMP42型温湿度传感器进行温湿度测定,探头直径约4mm[8]。使用温湿度传感器测试时,应采用塑料膜将传感器包裹,并将管口塞满以保证测试时不受空气中的水汽干扰。传感器伸入位置示意见图1。

实验路段水泥混凝土配合比如表1所示。

表1 实验路段水泥混凝土材料配合比 单位:kg/m3

养生方式主要包括:

(1)国内某材料公司生产的混凝土节水保湿养生膜3组(实验组A)。混凝土节水保湿养生膜是根据混凝土的水化原理,以可控高分子吸收材料为核心原料,与塑料薄膜复合而成的高新材料[9]。与普通塑料薄膜相比,其吸水率高,保水效果好。

(2)普通塑料薄膜3组(实验组B)。

(3)传统土工布+塑料薄膜3组(实验组C)。

(4)在摊铺当天采用相同原材料、配合比形成试件3组,此组不做任何养生措施,作为对比组(实验组D)。

养生前均在混凝土表面洒水(实验组C采用先铺土工布再洒水浸湿后铺塑料膜的方法),并于初凝后每日下午14:00开始测定路面内部及养护膜与面层间的温湿度值,测定顺序为无养生(实验组D)→保湿养生膜(实验组A)→塑料薄膜(实验组B)→土工布+塑料薄膜(实验组C)。

1.3 控制指标的转换

由上文所述,国内相关学者研究方向主要集中于针对标准恒温恒湿养生条件下新拌混凝土试件内部湿度变化及养生保水作用来进行探究[10-11],相关研究大部分以相对湿度(%)作为评价各种养生方式优劣的控制指标。但是,相对湿度是实际所含水蒸汽密度和同温度下饱和水蒸汽密度的百分比值,而水泥混凝土实际养生时暴露在自然环境下,一天之中内部温度受气温影响大,且阴晴云雨对混凝土面层相对湿度影响也较大,并不能完全准确地表征混凝土内部水汽成分含量。本研究采用混凝土内部绝对水汽密度这一指标对不同养生方式下混凝土内部湿度变化进行简要分析并对其保水性能进行选优,消除了温度对路面内部相对湿度的影响。

2 不同养护膜保水率及反向透水率分析

新摊铺混凝土路面成型后,内部水化反应迅速发生,温度升高,内部水分子以气体形式向上移动。此时混凝土表面水汽含量增加,为与外部环境达到平衡,需进行水汽的交换,此时若不做好混凝土的养生工作,易导致其产生塑性开裂等病害。表面覆膜养生可以在混凝土面层上产生一个隔离层,一定程度上阻挡水分子的溢出,并将未能溢出的水分子聚集成水膜反补于面层。但该种养生方式在混凝土面层养生过程中仍可能有部分水汽溢出,造成水汽损失[9]。具体发生过程如图2所示。

图2 覆盖养生保水原理

在实际工程实施中,自然降雨时部分雨水会通过养生隔离层渗透进路面表层,对面层进行补水,这种现象可称为覆膜养生的反向透水现象。对水泥混凝土路面养生来讲,拥有好的保水性、反向透水性的养生方式对养生期内混凝土自身强度、耐久性的发展至关重要。

3 实验结果分析

3.1 混凝土内部湿度变化规律

其他相关专家学者研究显示,新摊铺水泥混凝土路面湿度变化主要集中于表面几公分处。由上文所述实验方法,对不同养生方式下的新摊铺水泥混凝土路面湿度变化进行了实测,结果如图3和图4所示。

图3 混凝土面层下2cm处水汽密度

图4 混凝土面层下4cm处水汽密度

对比图3及图4,混凝土面层下2cm深度处与4cm深度处水汽密度变化趋势相近。混凝土面层下2cm深度处各不同养生方式的水汽密度变化较4cm深度处明显,可认为距水泥混凝土面层顶4cm左右处混凝土内部湿度基本不随养生方式的不同而变化,故本研究着重讨论2cm深度处的水汽变化。

由图3所示,龄期70h内,实验组A与实验组C绝对水汽密度最大,实验组B次之,实验组D最小。发生该现象的主要原因在于实验组D置于自然环境中,混凝土面层与空气在表面处广泛的进行水汽交换,且一般空气中的水汽含量远小于混凝土内部,故实验组D水汽流失最为严重。其他组别均有养生措施,故其水分流失相对较少。

养生70～120h时,A、B、C、D四组水汽密度下降速率变快,速率变化为实验组D>实验组A>实验组B>实验组C。此阶段,混凝土内部水化反应速率加快,内部温度较高导致水汽量相对减少,且表层部分与空气进行湿度交换,故会产生水汽量急剧减少的情况。

养生120～170h时,施工现场降下大雨。从理论上讲,如现场不发生降雨,混凝土内部湿度变化理应较为缓慢且趋向于稳定。但由于降雨突发,混凝土内部在距表面2cm及4cm处水汽密度均升高,对比实验组D变化剧烈。

养生170～190h时,天气晴朗。但由于混凝土面层表面尚有积水,膜间存在透水,故曲线仍呈上升状态。

养生190h后,实验组A、B、C、D均开始下降,重复之前的状态。

3.2 自然降雨状态加密观测分析

本实验在养生120h时开始自然降雨。为探究现场自然降雨对各养生方式养生下混凝土内部湿度变化的影响,此处每10h再次进行一次观测,实验结果如图5和图6所示。

图5 自然降雨时混凝土面层下2cm处水汽密度

图6 下雨时混凝土面层下4cm处水汽密度

由图5所示,自然降雨时混凝土面层下2cm深度处水汽密度差异明显,均呈增大趋势。除实验组D外,其他三组呈现先慢后快的趋势。分析该现象产生的原因是A、B、C三组面层均有薄膜覆盖,下雨时面层不与雨水直接接触,而是雨水水汽逐步向下渗透,故有上述趋势。实验组D作为对比组,面层直接与雨水接触,水汽下渗快。当养生170h时,天气放晴但气温不高,面层所存积水未能马上蒸发,水汽仍有下渗。

图6所示,混凝土面层下4cm深度处A、B、C三组变化趋势大体相同,水汽密度值相差不大,但呈先减小后增大的趋势。开始数小时内面层积水,2cm深度处水汽密度开始增大,但水汽传到4cm深度处时仍需要一定的时间,故呈现图6现象。作为对比组的实验组D例外,呈上升趋势,但上升速率小于2cm深度处。下雨时各养生方式保水性(即水汽密度增长率由小到大排列)排序为:实验组C>实验组A=实验组B>实验组D。

4 养生方式不同对混凝土强度的影响

评价并选择最适宜的养生方式时,混凝土强度同样对最终的养生效果产生重要影响,故强度也应作为需要关注的控制指标。如果某种养生方式仅能保持混凝土内部高湿度却降低了混凝土自身强度的话,同样是不可取的。根据前人研究成果[12]可知,水泥混凝土强度在路面铺筑7d内增长很快,可达到28d强度的80%,且养生阶段的24～72h的温度对混凝土耐久性影响相对较大。

为探究不同养生方式对养生后混凝土抗折强度的影响,并且通过分析24～72h的温度变化探究温度与7d抗折强度的关系,本研究在实验路段混凝土面层铺筑成型后同步做出12个同养试块。同养试块以3块为一组,分别采用前文所述四种养生方式进行养生,并置于相同自然环境下(即放置在施工现场),7d后运回实验室进行抗折强度检测。抗折强度检测结果如表2所示(每组抗折强度取3块试块的平均值),温度与抗折强度关系如图7所示。

表2 同养试块养生7d抗折强度

图7 不同养生方式下不同深度处温度与抗折强度关系

由图7可知,在不同养生方式下混凝土面层2cm深度处24～72h时的平均温度不同(无养生对比组D除外),其强度随温度呈线性增长趋势,其相关性系数达到了96.87%。数据结果显示,采用实验组A的养生方式,温度较高时混凝土强度也相对较高,但就抗折强度本身而言相差并不悬殊,在此基础上可认为实验组A>实验组B>实验组C>实验组D。产生该现象的原因在于采用各养生方式时,24～72h内平均温度越高,混凝土内部水化反应越剧烈,早期7d强度相对较高,24～72h内平均温度越低则强度相对较低。

5 结论

综合上述实验结果可得出以下结论:

(1)混凝土路面表层4cm深度处水汽密度随养生龄期的增长与养生方式的选取无关。

(2)混凝土路面表层2cm深度处水汽密度在现场自然条件下受自然环境影响很大,养生前70h水汽密度值为实验组A=实验组C>实验组B>实验组D;70～120h开始连续阴雨,水汽密度值为实验组C>实验组A>实验组B>实验组D,变化速率为实验组D>实验组A>实验组B>实验组C。综合考虑,若以水汽密度值最大为指标来评价养生方式的优劣,则实验组C所采用养生方式(传统土工布+塑料薄膜)为佳;实验组A所采用养生方式(保水养生膜)在一定程度上可代替传统土工布+塑料薄膜,施工过程中可根据经济性要求进行选用;实验组B(塑料薄膜)、实验组D(无养生)所采用养生方式成本上虽然经济但养生效果较差,不推荐采用。

(3)从7d抗折强度指标来看,上述4种养生方式抗折强度基本均能达到要求,但24～72h内平均温度则有所不同,排序为实验组A>实验组B>实验组C>实验组D;参考前人研究[6-7]可知24～72h内的温度对耐久性影响较大。