[硕士]高寒地区贫混凝土基层施工质量控制技术的研究
硕士高寒地区贫混凝土基层施工质量控制技术的研究,硕士,高寒,地区,混凝土,基层,施工,质量,控制,技术,研究
筑龙网 WWW.ZHULONG.COM摘要自音华至霍林郭勒一级公路是内蒙古自治区的重要煤炭运输通道,该地区春季多风易干旱,夏季温热降雨不均,秋季凉爽,冬季稍长而寒冷。地表多为细粒土,部分为含碎石的砂类土,地表植被较发达,为典型的草甸草原,地基较松软。因此,在基层施工中,只能选择刚度大、抗冲刷能力强、耐久性好的贫混凝土,本文就如何保证贫混凝土基层施工质量进行了以下研究。首先,根据该地区的特点,研究了贫混凝土的抗裂、抗冻性能,提出了贫混凝土原材料的选择要求,并根据贫混凝土配合比的设计,得到了其合理级配;其次,根据施工设备匹配理论,对白霍线第三合同标段机械设备进行了实际配置和优化;再次,结合所配置的机械设备,在拌和工艺中,着重研究了拌和站的标定、拌和充盈率、搅拌速度、拌和时间四个因素对拌和质量的影响,提出了拌和质量的衡量指标,探讨了离析现象以及防离析措施。在摊铺工艺中,主要研究了螺旋布料器的布料区、振捣棒的频率与间距、摊铺速度及基准线的张拉力,得到了摊铺引气型贫混凝土的合理工作参数,探讨了滑模摊铺机的起点摊铺、试铺、正常摊铺、抹面和饰面技术,分析了麻面、塌边和横向拉裂现象,并提出了防止这些现象的措施以及平整度保证措施;最后,结合工程实际,简述了贫混凝土基层的养生、切缝和灌缝技术,制定了切缝的时间及要求、灌缝材料及灌缝要求。本文是一项跨学科、理论与实验密切结合的研究,涵盖了材料特性、机械性能、施工技术等方面,涉及了原材料选择、机械设备的匹配及施工过程的质量控制等方面内容。由理论分析及实铺试验段可知,通过合理地匹配施工设备、严格地控制贫混凝土的拌和、摊铺、养生等施工过程,可以有效地保证贫混凝土基层的施工质量。关键词:贫混凝土,引气剂,级配,合理匹配,施工工艺,质量控制筑龙网 WWW.ZHULONG.COMA b s t r a c tB a i y i n h u at oH u o l i n g u o l eh i g h w a yi sam a j o rc o a lt r a n s p o r tc o r r i d o r si nI n n e rM o n g o l i aA u t o n o m o u sR e g i o n,t h i sr e g i o ni sm u c hw i n d yi ns p r i n g,w a r m e ra n dr a i nu n e v e ni ns u m m e r,c o o li na u t u m n,a n dl o n g e rc o l di nw i n t e r M u c hf i n e g r a i n e ds o i lo nt h es u r f a c e,s o m eo ft h es a n dw i t hg r a v e lt y p es o i l,m u c hd e v e l o p e dv e g e t a t i o no nt h es u r f a c e,i ti st h et y p i c a lm e a d o w,i t sb a s ei sv e r ys o f t T h e r e f o r e,a tt h eb a s ec o n s t r u c t i o n,i ti st h eo n l ys e l e c t i o no fl e a nc o n c r e t e,w h i c hi sh i g hs t i f f n e s s,h i g hr e s i s t a n c et oe r o s i o na b i l i t y,g o o dd u r a b i l i t y,a n dt h i sa r t i c l es t u d i e sh o wt oe n s u r et h eq u a l i t yo fl e a nc o n c r e t eb a s ec o n s t r u c t i o n F i r s t,a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er e g i o n,t h es t u d yo fa i r-e n t r a i n e dc o n c r e t ei sa n a l y z e dt h em e c h a n i z a t i o no fl e a nc o n c r e t e Sc r a c kr e s i s t a n c ea n df r e e z i n gr e s i s t a n c ei nc o l dc l i m a t e,t h es e l e c t i o nc r i t e r i ao fl e a nc o n c r e t er a wm a t e r i a li sr a i s e d,a c c o r d i n gt ol e a nc o n c r e t em i x t u r er a t i od e s i g n,ar e a s o n a b l eg r a d i n gi sg o t;S e c o n d l y,B a s e do nt h em a t c h i n gt h e o r yc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t,m e c h a n i c a le q u i p m e n ta b o u ts e c t i o nI I Ii nb a i h u ol i n ei sa l l o c a t e dr e a s o n a b l y;T h i r d l y,c o m b i n e dw i t l lt h ec o n f i g u r a t i o no fe q u i p m e n t,I nt h em i x i n gp r o c e s s,t h i sp a p e rp a r t i c u l a r l ys t u d yt h ee f f e c to nm i xq u a l i t ya b o u tt h ec a l i b r a t i n go fm i x i n gs t a t i o n,t h ef i l l i n gr a t eo fm i x i n gc o n s o l e,t h es p e e do fm i x i n ga n dt i m eo fm i x i n g,e v a l u a t i n gi n d e xo fm i xq u a l i t yi sp r o p o s e d,s e g r e g a t i o na n da g a i n s ti ti sd i s c u s s e d i nt h ep a v i n gt e c h n o l o g y,t h ed i s t r i b u t i v ez o n eo fs p i r a ld i s t r i b u t o r,v i b r a t o rf r e q u e n c ya n ds p a c e,p a v i n gs p e e d,t e n s i o no fr e f e r e n c el i n ei ss t u d i e d,ar e a s o n a b l eo p e r a t i n gp a r a m e t e ro fp a v i n ga i r-e n t r a i n e dc o n c r e t ei sg o t,p a v i n ga tb e g i n n i n g,t e s t i n gp a v i n g,n o r m a lp a v i n g,a n dp l a s t e rt e c h n o l o g yo fs l i p f o r mp a v e ri sd e b a t e d,p i a e ds u r f a c e,e d g ed r o pa n dt r a n s v e r s ec r a c kp h e n o m e n o ni sa n a l y z e d,t h em e a s u r ea g a i n s tt h e ma n de v e n n e s si sp r o p o s e d;F i n a l l y,a c c o r d i n gt oe n g i n e e r i n gp r a c t i c e,t h ec u r i n g,s a wc u t t i n ga n dp o u r i n gt e c h n o l o g yo fl e a nc o n c r e t eb a s ei sd e s c r i p tb r i e f l y,c u t t i n gt i m ea n dr e q u e s t,p o u r i n gm a t e r i a la n dr e q u e s ti ss e td o w n T h i si sa ni n t e r d i s c i p l i n a r y,r e q u i r i n gc l o s ei n t e g r a t i o no ft h e o r ya n dp r a c t i c eo fr e s e a r c h,c o v e r i n gm a t e r i a lp r o p e r t i e s,c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y,e t c;i n v o l v i n gs e l e c t i o no fl a wm a t e r i a l s,m a c h i n e r ya n de q u i p m e n tm a t c h,t h eq u a l i t yc o n t r o lo fc o n s t r u c t i o np r o c e s s,e t c T h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp a v i n ge x p e r i m e n t a ls e c t i o ns h o w s,t h r o u g ht h er a t i o n a lm a t c h i n gc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t,s t r i c tc o n t r o lo fm i x i n g,p a v i n g,a n dp o u r i n go fl e a nc o n c r e t e,e t e,c a l le f f e c t i v e l ye n s u r et h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yo fl e a nc o n c r e t eb a s e K e yw o r d s:l e a nc o n c r e t e,a i re n t r a i n i n ga g e n t,g r a d a t i o n,r e a s o n a b l em a t c h i n g,c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y,q u a l i t yc o n t r o lI I筑龙网 WWW.ZHULONG.COM目录7-第一章绪论j 一:11 1 研究背景11 2 国内外研究现状一l。1 2 1 国外研究现状11 2 2 国内研究现状,一31 3 本文研究目的及主要内容一41 4 依托工程简介一5第二章贫混凝土基层性能的研究72 1 贫混凝土简介72 2 贫混凝土抗裂性能的研究。82 2 1 温度收缩82 2 2 干燥收缩8 罐2 2 3 碳化收缩92 3 贫混凝土抗冻性能的研究:92 3 1 引气剂的物理化学性能1 02 3 2 引气剂机理1 02 3 3 引气剂对抗冻性的影响:1 l 川2 4 本章小结13第三章贫混凝土基层原材料要求及配合比1 43 1 细集料的选择及要求1 53 2 粗集料的选择及要求163 3 集料的级配。1 73 4 水泥的选择及要求2 03 5 水性能要求_ j:2 13 6 外加剂的选择及要求2 13 7 本章小结2 2第四章施工设备的匹配技术j j 2 34 1 施工机械的选型与配置2 34 1 1 摊铺机的选型2 4I I I筑龙网 WWW.ZHULONG.COM4 1 2 搅拌站的选配2 54 1 3 运输车的选配2 74 1 4 装载机的选配。2 84 2 施工机械机群配置模型的建立2 84 2 1 搅拌设备的生产能力关系2 84 2。2 运输车辆的生产能力关系。2 94 2 3 摊铺设备的生产能力关系3 04 2 4 配置模型的优化。3 04 3 施工设备匹配实例314 4 本章小结3 4第五章贫混凝土拌和工艺的研究3 55 1 拌和的意义及目的3 55 2 混凝土的搅拌过程3 55 3 计量设备的标定。3 65 3 1 静态标定3 75 3 2 动态标定3 75 4 拌和过程控制4 05 4 1 搅拌机充盈率4 05 4 2 搅拌速度4 05 4 3 拌和时间4 25 5 拌和质量的控制4 45 6 拌和离析现象及防离析措施4 55 7 本章小结4 8第六章贫混凝土摊铺工艺的研究4 96 1 滑模摊铺简介4 96 2 滑模摊铺机参数的研究4 96 2 1 螺旋布料机构4 96 2 2 振捣压实机构。5 06 2 3 摊铺速度选择。5 26 3 摊铺工艺5 2I V筑龙网 WWW.ZHULONG.COM6 3 1 基准线的设置5 3,6 3 2 贫混凝土的布料5 66 3 3 贫混凝土的振捣和摊铺5 66 3 4 抹面与饰面5 96 4 麻面及塌边现象分析6 06 5 横向拉裂分析及消除对策6 16 6 摊铺平整度保证措施6 l6 7 本章小结6 2第七章贫混凝土养生与切缝、灌缝技术6 37 1 养生技术6 37 1 1 养生目的6 37 1 2 养生剂类型及要求6 37 1 3 养生要求6 3f7 2 切缝技术6 47 2 1 切缝的目的及意义6 47 2 2 切缝时间的选择6 6、7 2 3 切缝要求6 67 3 灌缝技术6 77 3 1 灌缝的目的及意义6 77 3 2 灌缝材料的选择6 77 3 3 灌缝要求6 87 4 本章小结。6 8结论与展望6 9结论6 9展望6 9参考文献。7 0攻读学位期间取得的研究成果。7 5致谢7 7V筑龙网 WWW.ZHULONG.COM长安大学硕士学位论文第一章绪论1 1 研究背景,公路是国民经济建设的重要基础设施,在国民经济和人民生活中占有极其重要的地位,是一个国家经济实力和现代化水平的体现。建国以来,随着我国国民经济的蓬勃发展,国家对基础设施投入力度的增大,特别是改革开放以来,我国的公路建设取得了迅猛的发展。2 0 0 7 年底,经过近1 5 年努力,特别是“十五”和“十一五”的建设,总规模约3 5 万公里的“五纵七横 国道主干线已基本贯通。2 0 0 8 年以来,交通运输部为落实中央应对国际金融危机、扩大内需的一系列决策部署,加大了对公路建设行业的投资,使得我国道路总里程不断刷新纪录。截止2 0 0 9 年底,全国公路总里程达3 8 6 万公里,比2 0 0 8 年末增加1 3 万公里,其中水泥混凝土路面1 2 3 万公里,约占总里程的3 2,比2 0 0 8 年末增加了2 0 7 3 万公里。这些道路的建设为我国高等级公路、农村公路、沿海港口、内河水运等交通基础设施建设积累了宝贵的经验,奠定了扎实的基础。据资料统计,我国已经铺筑的水泥混凝土路面基层类型主要有五种,即水泥稳定土、石灰稳定土、级配碎(砾)石、碾压混凝土和贫混凝土基层,其中贫混凝土基层以其强度大、良好的冲刷性和水稳性应用的较为广泛,但经过多年的观察发现,这些路面早期破坏现象还是比较严重的,许多公路在运营时间不长、使用年限很短的情况下就出现了断板、裂缝等诸多病害,在一些高寒地区,甚至出现了“当年修,当年坏”的现象。就以贫混凝土作为基层的水泥混凝土路面而言,笔者认为其原因主要有三点:1)道路结构设计不合理,往往采用在贫混凝土基层上直接铺筑面层,使得面层与基层之间为刚性接触;2)贫混凝土基层容易出现抗冲刷能力差、抗裂性不足、抗冻性不好以及耐久性差等缺陷;3)基层施工过程中把关不严等。本文从贫混凝土基层的抗裂性和抗冻性着手,探讨了贫混凝土基层材料的性能和级配,重点研究了贫混凝土混合料的搅拌、运输、摊铺以及摊铺完成后的养生、切缝、灌缝,并结合工程实际,提出了自己的见解,以指导和解决贫混凝土施工过程中的质量控制问题。1 2 国内外研究现状1 2 1 国外研究现状在国外,贫混凝土基层的应用比较早。美国1 8 9 3 年在其复合式路面的下层的混凝土中只还有少量的水泥,这被称为贫混凝土的雏形。国外真正将贫混凝土作为水泥混凝土路面基层始于1 9 5 7 年的英国。随后在6 0 年代初和7 0 年代末,英国、法国、意大利筑龙网 WWW.ZHULONG.COM第一章绪论和比利时等国对贫混凝土基层和其它半刚性基层的路用性能进行了研究,并铺筑了试验路段进行分析。英国工程实践表明,贫混凝土基层可以改善板间传荷能力,提高支撑效果,减少和防止裂缝和断板,且有助于防止卿泥。法国的工程实践表明,贫混凝土基层可以有效减少唧浆。7 0 年代中期以来,重交通道路几乎都采用了贫混凝土基层。美国加州规定重交通水泥道路必须采用贫混凝土作基层,在其他州,贫混凝土基层的发展也非常广阔,其中有2 0 个州的5 0 条新干线高速公路和机场跑道基层都使用了贫混凝土,从实践来看,效果非常理想。国外对贫混凝土基层的研究主要集中在结构设计、抗冲刷性及耐久性。它们的复合式路面设计主要以理论法和经验法为主。其中,理论法设计根据弹性地基上的薄板理论,应用有限元程序进行结构计算,提出了超厚设计方法。1 9 6 3 年,法国对不同的基层材料进行了抗冲刷能力试验,根据试验结果,基层材料抗冲刷能力以贫混凝土为最佳,水泥级配砾石次之,水泥稳定土较差,见表1 1。从表中可以看出,材料的耐冲刷能力随水泥含量的增大而提高,且有一临界值,低于此值时,材料的耐冲刷能力迅速降低,此值约为4 0,4 5。表1 1 不同基层的抗冲刷能力材料水泥含量()平均抗冲刷能力(g r a i n)2 15 54 51 8贫混凝土6 878 642 01 3 03 03 2水泥级配砾石3 52 74 O1 36 Ol l水泥稳定土7 03 4 8由于技术、社会历史和人的主观认识等方面的原因,人们对混凝土的应用往往只重视结构的设计、选材、制作和养护等,忽略了对其耐久性的研究。1 9 4 0 年,加拿大魁北克省博赫尔洛伊斯水电站南部坝体因出现裂缝而渗漏,后来在办公室大楼发现开裂和变形;1 9 5 8 年建成的北部坝体升降机附近的瓷砖开裂。本世纪6 0 年代以来,混凝土结构的耐久性己成为国际学术会议或机构讨论的主要课题。近十几年来,人们对混凝土结构耐久性的研究已进入了一个崭新的阶段。日本在1 9 8 7 年提出了混凝土结构耐久性的设2筑龙网 WWW.ZHULONG.COM长安大学硕士学位论文计方法。1 9 8 9 年欧洲混凝土结构委员会发表了耐久性混凝土结构设计指南。1 9 9 2 年,法国M a l i e r X 对重要混凝土结构作了调查统计,发现有3 4 的结构是根据耐久性指标设计混凝土的,即只有1 4 的结构是根据强度来设计混凝土的。1 2 2 国内研究现状随着交通量的增大,重载交通的增多,我国也开始将贫混凝土作为基层进行推广应用。1 9 8 8 年我国在某机场修筑时,由于地下有弱膨胀土,因此,最终采用贫混凝土作为基层,这是我国首次将贫混凝土用于机场跑道。1 9 9 7 年的宣大高速公路河北段2 9 7 公里的混凝土路面,由于承受重载交通,基层采用了贫混凝土。1 9 9 8 年,广西交通科研所立项的水泥混凝土路面贫混凝土基层及排水系统的应用研究课题,对贫混凝土透水基层进行了大量室内和室外试验,较为系统地研究了贫混凝土的物理力学特性及施工工艺。2 0 0 1 年,1 0 9 国道山西省境内某段沥青路面改建工程中,由于交通量大,重载运输普遍,采用1 5 c m 贫混凝土基层对路面进行补强和找平。我国贫混凝土基层性能研究虽起步较晚,但取得了良好的效果。“九五 期间,在国家建材总局所立的攻关项目重点工程混凝土安全性中,中国水利水电科学研究院和上海同济大学共同负责混凝土抗冻性定量化设计的研究,他们根据国内外大量的研究和工程实践指出,影响混凝土抗冻性的主要因素是混凝土的含气量和水灰比,同时也与掺合料(如粉煤灰等)的掺量、质量、总体胶凝材料用量及气泡性质(气泡尺寸、数量、分布等)等因素有关。根据本项研究及以往试验的成果,采用多元回归的方法,初步建立了混凝土能经受的抗冻融循环次数与水灰比、粉煤灰掺量及含气量的多元回归方程【1 1,见式1 1。N=(彳+1)1 5 e 一8 8 (w c)一o 7 9 4】-o 0 1 3 0 7 F(1 1)式中:W 伦水胶比;A 混凝土的含气量();F 一粉煤灰掺量();:。N 一混凝土能经受的最大抗冻融次数(次)。1 9 9 1 年吴中伟教授在他所发表的混凝土耐久性综合症及其防治文章中指出,。近年来混凝土耐久性破坏越来越严重的主要原因有:1)结构设计不合理;2)集料不合格或者质量较差,常采用强度不高的风化砂石和细度模数较低的海砂;3)使用环境恶劣,没有认真对待,过于追求施工进度,质量控制不严格。筑龙网 WWW.ZHULONG.COM第章绪论长安大学郑木莲教授通过大量试验,研究了贫混凝土基层强度与模量的关系,指出当粉煤灰掺量4 0 时,贫混凝土2 8 d 弯拉强度与抗压强度之间符合幂指数关系,见式1 2,为了便于应用,求出常用贫混凝土的抗压弯拉强度的关系,见表1 2。,=O 4 2 1 7 f 叼7 0 3 8(1 2)表1 2 贫混凝土抗压与弯拉强度的关系抗压强度(I P a)3 O4 05 01 0 O1 5 02 0 O弯拉强度(M P a)0 9 81 1 81 3 72 1 62 8 23 4 1_长安大学王秉刚教授也通过大量室内试验,研究了贫混凝土基层材料抗裂性和强度规律。在材料抗裂性研究中,他认为由于贫混凝土基层材料具有不可塑性,当外界环境温度变化时,就会产生明显的体积变化,使得贫混凝土基层产生收缩、膨胀等变形,容易导致基层的开裂。当温度在1 0 5 C 范围时,贫混凝土在饱水状态下的温度收缩系数有较大幅度的降低;在小于I O。C 时,随着温度的降低,温度收缩系数逐渐增大;大于5。C时,随着温度的上升,温度收缩系数也在逐渐增大。结论还指出,贫混凝土的干缩系数小于普通混凝土。在材料的强度规律研究中,通过对不同粉煤灰掺量、不同龄期对贫混凝土基层材料强度的影响规律,并与不掺粉煤灰贫混凝土的强度特性进行了对比研究,结果显示,贫混凝土粉煤灰掺量为2 0 时,早期强度接近甚至超过不掺粉煤灰的;粉煤灰掺量为4 0 和5 0 时,贫混凝土的强度随龄期而增长的幅度最高;当粉煤灰掺量4 0 时,可改善贫混凝土的脆性。据此得出,当贫混凝土中掺入4 0 以下粉煤灰时,其后期的强度与抗裂性能均可得到改善。2 0 0 2 年,长沙理工大学周志刚教授研究了贫混凝土基层温度应力的计算方法。他根据贫混凝土基层为无限大板时的温度应力计算结果进行回归分析,并引入温度应力计算系数的概念,得出了基层为有限尺寸板时温度应力的计算方法。在贫混凝土施工机械设备及设备匹配上,国内的科研工作者进行了深入的研究。重庆交通学院郭小宏等进行了水泥混凝土道路机械化施工系统配置的动态化研究【2 1。利用数理统计的方法和随机服务系统理论,克服了过去仅从静态的观点来描述受随机因素影响的传统施工组织方法的不足。通过对单台施工机械的工作规律的描述,从系统组成机械的主次关系、配套关系及协作与制约关系出发,将单机和机群有机组合,形成合理规模的机群施工生产能力,实现最优资源配置,最优工作效率和降低生产成本的目标。1 3 本文研究目的及主要内容为了适应高寒地区气候条件,提高贫混凝土基层的抗裂性和抗冻性,本文以白霍线4一筑龙网 WWW.ZHULONG.COM长安大学硕士学位论文(白音华至霍林郭勒线)一级公路贫混凝土基层施工为依托,从施工技术的角度出发,主要研究以下内容:1)贫混凝土基层抗裂和抗冻性的研究通过对贫混凝土基层抗裂性的研究,了解了贫混凝土抗裂的三种形式,即温度收缩、干燥收缩和碳化收缩;在抗冻性研究过程中,主要分析了贫混凝土产生冻害的原因,提出了降低贫混凝土冻害的措施,即在贫混凝土的拌和过程中掺入一定量的引气型减水剂,并阐述了引气机理,根据实验结果,得到了这种引气剂对抗冻性的影响。2)原材料性能要求及配合比研究根据工程实际和当地的气候条件,提出了贫混凝土基层材料的性能要求,结合所选材料的特性,通过实验,得到了合理级配,实现了最佳配合比设计。3)施工设备的匹配技术基于贫混凝土基层的施工质量,确定了施工过程中的核心施工设备、主要施工设备和辅助施工设备,并根据单机配置理论和机群配置理论,结合三标工程实际,进行了机械配置和优化,以达到更高效率,节约生产成本。4)贫混凝土混合料的拌和技术为了保证贫混凝土混合料的拌和质量,着重研究了拌和站的标定、搅拌机充盈率、。搅拌速度、拌和时间四个因素对拌和质量的影响,结合工程实际,提出了拌和质量的约束性指标,即坍落度、含气量及强度,并探讨了拌和离析现象、原因及防离析措施。5)贫混凝土基层的摊铺技术通过对滑模摊铺机螺旋布料器布料区、振捣棒频率与间距、摊铺速度及基准线张拉力的研究,得到了摊铺引气型贫混凝土的合理工作参数,分析了摊铺后产生麻面、塌边、横向拉裂的现象及原因,提出了防止麻面、塌边、横向拉裂及保证平整度的措施。6)养生、切缝和灌缝技术结合工程实际,提出了养生剂类型及养生要求、切缝时间及切缝要求、灌缝材料及灌缝要求。1 4 依托工程简介。内蒙古自治区白音华至霍林郭勒一级公路位于内蒙古自治区锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗、通辽市扎鲁特旗和霍林郭勒市,是内蒙古自治区的重要煤炭运输通道。该项目地处大兴安岭余脉的西北麓,海拔高度8 3 5 1 3 5 0 m,地表植被较发达,属于典型的草甸草原地形。地下水位较深,形成下湿地或表层软弱土,地下主要以细粒土为主,部分为5筑龙网 WWW.ZHULONG.COM第一章绪论含碎石的砂类土,下伏基岩多为火山角砾岩、凝灰岩、火山岩或火山碎屑岩等。根据当地的气候资料,沿线地处温带干旱半干旱大陆性气候,总的特点是春季多风易干旱,夏季温热且雨量不均,秋季凉爽,冬季稍长而寒冷。年平均气温一0 5,极端最低气温3 7 2,极端最高气温3 3 6,年平均积雪天数为1 3 3 3 天,最大冻深达3 2 m,年平均风速最低4 6 I I l s,最大风速2 0 7 r I l s,1 1 月1 2 月风吹雪严重,甚至影响视程。6筑龙网 WWW.ZHULONG.COM长安大学硕士学位论文第二章贫混凝土基层性能的研究近些年随着国家经济的发展,国内需求逐步加大,我国公路交通事业也得到了迅猛发展。公路交通量、车辆轴载以及重车比例都有了明显的增长,这样在一些地区,路面的早期破坏就非常严重,尤其在超载和交通量大的路段,这种破坏就非常明显。主要原因是由于水从路面渗入到基层,使得基层材料变软,强度降低。同时在路面结构内部排水不畅情况下,基层内部及面层与基层界面间存在自由水,在车辆荷载作用下形成有压水,对基层产生冲刷。因此,水泥混凝土路面的基层应满足以下技术要求【3】:1)具有足够的强度和刚度;2)有足够的抗冲刷能力;3)有较好的抗裂、抗冻性能;4)有足够的水稳性;5)有较好的平整度。适用于高等级公路水泥混凝土路面基层的材料有:水泥稳定土、石灰稳定土、级配碎(砾)石、碾压混凝土、贫混凝土等。目前,我国常用的主要是前两种,但它们有两个明显的缺点:1)抗冲刷性差。有实验表明,在相同载荷下,这两种材料结构内部的自由水会产生比较大的压力,对材料中的细料产生产生冲刷,形成细料浆,从裂缝被挤出,形成唧浆现象,时间一长,就会造成面板断裂或者下层脱空。2)抗裂性差。基层材料的抗裂性以干缩系数来表征,主要与材料本身的失水量有关。在相同条件下,水泥稳定土的失水量比较大,易形成裂缝,而这些裂缝的存在会反射到面层,形成反射裂缝。实践证明,在高等级尤其是重载交通道路上,基层应采用更好的路用性能材料,并具有强度大、抗冲刷和高稳定性,因此使用贫混凝土作为基层不失为一个最佳的选择。2 1 贫混凝土简介贫混凝土是由粗、细级配集料与一定水泥和水等拌和而成的一种混凝土。其水泥用量比较低,一般每方用量在1 6 0 2 3 0 k g,因此,有时也称经济混凝土。贫混凝土基层主要有以下特点【4】:1 强度大。强度介于水泥稳定碎石和普通水泥混凝土之间,随着水泥用量的改变,强度会产生比较大的变化。贫混凝土基层的基准水泥用量一般为6 1 2,水泥稳定粒料基层水泥用量为5,二者水泥含量相差不大,但其强度却相差1 6,-3 倍以上。有实验表明,贫混凝土(水泥用量为2 3 0 k g)7 d 的抗折强度可达3 2 M P a,抗压强度可达2 3 9 M P a。研究表明,贫混凝土的各种力学性能指标都明显超出其它半刚性基层,由于其较大的刚度,良好的接缝传荷能力,从而为面板提供一个均匀稳定的支撑。2 良好的抗冲刷性。抗冲刷性与混合料中细料的含量,有关与强度没有太大的关系,7筑龙网 WWW.ZHULONG.COM第二章贫混凝土基层性能的研究I卜8筑龙网 WWW.ZHULONG.COM长安大学硕士学位论文图2 1 初凝收缩裂缝图2 2 终凝收缩裂缝2 2 3 碳化收缩混凝土的碳化收缩是指大气中的二氧化碳在存在水分的条件下,与水泥水化产物氢氧化钙发生反应,生成碳酸钙和水【_ 7 1,而且由于氢氧化钙浓度的降低,将侵蚀和分解所产生的水化物,形成硅胶和铝胶,从而产生收缩。碳化过程是二氧化碳由混凝土表面向内部逐渐扩散深入,这可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏,所以说,混凝土的碳化与混凝土的耐久性密切相关。其碳化反映化学式,见式2 1。3 c 口D+2 S i 0 2+3 皿D+c 0 22C a t 0 3+2(C a D 研0 2。H 2 0)+必D(2 1)【C a O+q+H 2 0+C 0 2=C a t 0 3+S i q 2 H 2 0、。根据观察和研究,水泥混凝土的碳化反应往往出现在混凝土的表面,并且是一种不规则的细裂纹,细裂纹的深度与碳化层的深度是一致的。而温度收缩所产生的裂纹比较深,且开缝比较长。碳化反应所产生的细裂纹将导致混凝土的抗拉、抗折强度的降低。在实际工程中,碳化收缩往往与干燥收缩相伴发生。上述收缩变形都集中反映在贫混凝土的表层,几种收缩变形的叠加增加了不可逆收缩变形值,可能引起贫混凝土严重的收缩裂缝。因此,研究贫混凝土抗裂性能对于防止贫混凝土基层产生裂缝具有十分重要的意义。2 3 贫混凝土抗冻性能的研究据调查,在我国北方主要大中城市中的露天环境,或没有采暖房屋内,处于水位交变处或经常受水浸润的钢筋混凝土结构均因反复冻融而造成破坏,严寒地区不少水工建筑物建成后不到1 0 年就需要大修,而且还不能彻底解决问题。尤其在严寒地区修建的混凝土,几乎1 0 0 的工程局部或大面积地遭受不同程度的冻融破坏,有的工程在施工过程中或竣工后不久就遭受到严重的冻掣引。9筑龙网 WWW.ZHULONG.COM第二章贫混凝士基层性能的研究可见,混凝土的抗冻性对与严寒地区是非常重要的,不仅如此,混凝土的抗冻性还直接关系到混凝土的耐久性。混凝土中水泥石内孔隙自由水的存在是混凝土产生冻害的原因,孔隙中的自由水反复冻融,对孔隙壁不断产生胀压力,最终使混凝土胀裂。要提高混凝土的抗冻融能力,须使混凝土内部尽可能密实,这就要求混凝土水灰比尽可能小,一般认为,混凝土要达到较高的抗冻能力,水灰比应小于O 3 0。采用这种方式抗冻,不仅不经济,而且高水泥用量引起的水化温升,使得水泥混凝土更容易开裂,此结果不能令人接受!就目前而言,向混凝土中加入引气剂是公认的能显著提高混凝土抗冻性的一种有效方法,可以大幅度提高混凝土的综合耐久性,并且还能改善新拌混凝土的工作性和匀质性。2 3 1 引气剂的物理化学性能引气剂是在搅拌过程中使混凝土内部中产生大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂。引气剂是一种含有亲水性基团(也称亲水基)和亲油性基团(也称憎水基)的阴离子表面活性剂。在水气界面上,憎水基向空气面定向吸附,在水泥水界面上,水泥或其水化粒子与亲水基相吸附,憎水基背离水泥及其水化粒子,形成憎水吸附层,并力图靠近空气表面,由于这种粒子向空气表面靠近和引气剂分子在空气水界而上的吸附作用,使得水的表面张力显著降低。在混凝土在拌和过程中,产生的这些大量的微气泡有带相同电荷的定向吸附层,所以相互排拆并均匀分布,许多阴离子引气剂在含钙量高的水泥水溶液中有钙盐沉淀,吸附在气泡膜上,能有效地防止气泡破灭,引入的细小均匀的气泡能在一定时间内稳定存在。同时这些气泡像滚珠一般起着润滑作用,使集料间的滑动摩擦为滚动摩擦,减小了摩擦阻力,并且产生了一定的浮力,对细小的集料起托浮和支撑作用,这就使得新拌混凝土具有更好的和易性和流动性。由于气泡的存在,整个体系的表面积大大增大,比不掺引气剂时的粘度大得多,泌水与沉降因而减小,气泡的存在还阻断泌水的毛细通道,这样,较少的泌水就保证了路面表面抗磨性的要求。引气剂主要作用首先是引入气泡,改善混凝土的耐久性,其次是分散和湿润作用【引。2 3 2 引气剂机理引气混凝土是通过混凝上中产生的气泡抵抗冻融破坏。通过引气剂在混凝土中产生许多独立且均匀分布、稳定而封闭的微小气泡,这些微小封闭气泡互不连通、均匀稳定分布在混凝土中,当孔隙内自出水冻结时,气泡被压缩,可大为减轻冰冻给孔隙带来的1 0筑龙网 WWW.ZHULONG.COM长安大学硕士学位论文胀压力;溶解时这些气泡可恢复原状,出此孔隙内自由水反复冻融也不致对孔壁产生很大的压力,这些微小气泡就如同一个压力安全阀,防止冻融破坏混凝土【9 1。见图2 3。混凝土表面、nW。,寰、丘:j)-7乡众i 二:二二二7盆f 一一一一一一,、毒二:夕、二_=介U。,、一abC图2 3 引气剂混凝土抗冻机理示意图a 图是混凝土表面温度在零度以上;,。b 图混凝土表面温度降至零度以下,靠近表面气泡中的一部分非结晶水和浸透水冻结成冰,其余部分的水仍处于液体状态,液态水向内挤压到混凝土的无数气泡中,水的巨大内向压力由于被无数气泡吸收而松弛,从而使表面附近的混凝土避免了破坏;c 图自由水继续冻结向混凝土内部挤压,同b 的现象一样,达到新的平衡。由此可见,当混凝土中的气泡数量和可冻水量达到新的平衡时,水在冻结时所产生的巨大压力就会基本消失,从而大大提高混凝土的抗冻能力。因此,在最佳含气量的情况下,混凝土工程的寿命特别是在冻融作用下的使用寿命会大大延长,因而它对混凝土抗冻性、耐久性的贡献是不言而喻的。2 3 3 引气剂对抗冻性的影响引气剂能减少混凝土早期受冻产生的冻胀力【J o l。与不掺引气剂的混凝土相比,掺入引气剂混凝土早期受冻的强度损失明显减少,临界强度也可减少2-,4 M P a。引气混凝土抵抗早期受冻融循环的能力提高尤为显著。见表2 1 和2 2。筑龙网 WWW.ZHULONG.COM第二章贫混凝士基层性能的研究表2 1 冻融前初始强度水灰比类别初始抗压强度(M P a)初始抗弯拉强度(M P a)P C4 3 55 60 4 2(A)A P C4 1 85 4P C3 8 95 10 4 6(B)A P C3 8 15 OP C3 6 24 90 4 8(C)A P C3 5 64 9P C3 4 54 70 s 0(o)A P C3 3 24 5表2 2 冻融后强度水灰比类别冻后抗压强度(M P a)冻后抗弯拉强度(M P a)P C3 7 04 30 4 2(A)A P C3 7 65 0P C3 2 73 70 4 6(B)A P C3 3 94 5P C3 0 O3 40 4 8(C)A P C3 1 34 3P C2 8 23 10 5 0(D)A P C2 8 93 8注:P C 指普通混凝土;A P C 指引气混凝士冻融前混凝土的强度变化特别是抗弯拉强度的变化对于严寒地区的混凝土结构,特别是主要承受弯曲荷载的结构有非常重要的意义。从试验结果可以看出:混凝土的强度与未受冻之前的强度相比有所下降,其中反映较敏感的是抗弯拉强度。以水灰比0 4 6为例,对于普通混凝土来说,冻融后的抗压强度比冻融前的抗压强度下降了1 6,冻融后的抗弯拉强度比冻融前的抗弯拉强度下降了2 7 5;对于引气混凝土来说,冻融后的抗压强度比冻融前的抗压强度下降了1 1,冻融后的抗弯拉强度比冻融前的抗弯拉强度仅仅下降了1 0。由此可见,虽然非引气混凝土和引气混凝土的冻后强度都比冻前的强度有所下降,但引气混凝土比非引气混凝土强度下降小得多,尤其是抗弯拉强度表现明显。而水泥混凝土道路对抗弯拉强度要求较高,因此在严寒地区,必须掺入引气剂。综上所述,内部封闭的气泡对提高混凝土抗冻性、工作性有重要意义【l l】。其一:缓解、消除内部相变应力。在这里,气泡系统的主要作用是为容纳相变产生的体积膨胀提供储备,因此有人称之为“储备孔”。其二:阻止裂缝生长。根据葛里非斯的材料断裂理论,混凝土的抗断裂能力可表示为:o=(2 E r 兀C)o,其中为O 断裂应力,E 为弹1 2筑龙网 WWW.ZHULONG.COM长安大学硕士学位论文性模量,r 为单位面积的材料表面能,C 为裂缝长度。从公式中可以看出,混凝土内部裂缝越短,则断裂应力越大,抗断裂能力越强。微气泡的存在,使混凝土内部裂缝生长必须绕过气泡进行。从而有效地阻止了裂缝的生长,提高了混凝土的断裂应力,增强了混凝土的抗冻能力。但如果气泡粒径太大会导致气泡周围局部应力集中,反而加速混凝土破坏的进程。因此,在混凝土中引入适量的气泡有利于提高混凝土的抗冻性,但还须重视引气的质量。2 4 本章小结通过对贫混凝土基层性能的研究,指出贫混凝土开裂主要有三种形式,即温度收缩、干燥收缩和碳化收缩;在抗冻性和耐久性的研究中,指出提高抗冻性和耐久性的两种方式,即降低水灰比和掺入引气剂,就经济性和可靠性而言,掺入引气剂不仅经济,而且效果比较理想,并阐述了引气机理及引气剂对抗冻性和耐久性的影响。1 3筑龙网 WWW.ZHULONG.COM第三章贫混凝土基层原材料要求及配合比第三章贫混凝土基层原材料要求及配合比材料的创新和发展促进了现代科学技术的发展,而现代科学技术的发展又使人们更加清楚地认识到材料的重要性。在道路施工与桥梁建筑工程中,特别是在高等级公路的修建过程中,道路不仅要受到车辆载荷的复杂力系作用,而且又受到各种恶劣环境的影响。为了适应不同工程建筑的技术要求,所有原材料既要具备一定的物理和化学性能,又要保证在各种恶劣的自然条件下,其综合性能不会下降,尤其是作为水泥混凝土或沥青混合料的原材料,应严格按照级配理论组成配制所要求的矿质混合料,以满足工程实际需求。对于水泥混凝土道路贫混凝土基层来说,原材料的质量是保证混合料质量及基层、面层整体质量好坏的基础,为此,贫混凝土原材料应具备以下四个方面的性质【1 2】。1 力学性质力学性质是材料抵抗车辆载荷复杂力系综合作用的性能。主要是通过材料的抗拉、抗压、抗弯、抗剪以及冲击、磨耗、磨光等指标来反映。2 物理性质主要通过测定材料的物理常数,如表观密度(也称视密度)、毛体积密度、松散堆积密度、孔隙率、含水率等来了解材料的内部组成结构,并且由于物理常数与力学性质之间有一定的相关性,还可以用来推断材料的力学性质。3 化学性质化学性质是材料抵抗各种环境因素对其化学作用的能力,道路原材料主要受周围介质,即气候条件(如气温的交替变化,雨雪天气,太阳中的紫外线等)和大气因素(如空气中的水、氧、氮等)的综合作用下,会引起材料的老化。影响材料性质的主要因素是温度和湿度。一般材料随温度的升高、湿度的加大而强度降低。因此,温度稳定性、水稳定性是某些材料性能的主要指标之一。4 工艺性质工艺性质是指材料适合于按一定工艺要求加工的性能。例如,水泥混凝土拌合物需要一定的工作性以及和易性,以便施工。水泥混凝土是由水泥石将集料胶结在一起而成的固体复合型材料,其基本组成有粗集料(石)、细集料(砂)、水泥和水。但随着混凝土技术的进步和工程要求的不断提高,混凝土行列中的组成中又添加了矿物掺合料、外加剂和纤维材料等成分,这些组分对改善混凝土的工作性、和易性以及强度,起到了非常重要的作用,他们中的许多已经成为混凝土中不可缺少的组分。下面针对白霍线(白音华至霍林郭勒线)贫混凝土基层原材1 4筑龙网 WWW.ZHULONG.COM长安大学硕士学位论文料及配合比作以概述。+J一,3 1 细集料的选择及要求对于水泥混凝土而言,集料在混合料中发挥骨架作用,是混凝土力学性能的主要来源,因此,在混凝土中的重要性是不言而喻的。集料按颗粒大小可分为粗集料和细集料,当粒径大于4 7 5 m m(方孔筛)的颗粒为粗集料,粒径小于4 7 5 m m 的颗粒为细集料。不同粒径的集料在水泥混合料中所起的作用不同,因此对它们的技术要求也就不刚1 3】。细集料通常也称砂子,主要有自然风化而成的天然砂,还有一部分为天然岩石经过破碎的机制砂,或者是二者混合起来的混合砂。砂是不同粒径颗粒的混合体,粒径越大,则比表面积越小,包裹砂表面积所需要的水和水泥浆用量就越少。因此,采用粗砂配制混凝土,可减少拌和用水量,节约水泥用量,并可降低水化热,减少混凝土的干缩与徐变,但用过粗的砂对石子的粘聚力较低,会引起混凝土拌和物产生离析、分层【1 4 1。因此,考虑到本工程实际情况,建议选用中砂(细度模数在2 3 3 0 之间),表3 1 为白霍线第三合同标段(以下简称三标)砂筛分试验数据,其级配见图3 2。表3 1 砂筛分数据干样总重(曲第1 组(1 4)质量2 0 0 0 9第2 组(2“)质量2 0 0 0 9筛孔尺寸组号筛上平均筛上分计累计筛余通过率规范m m质量(曲质量(g)筛余(呦A i()()要求l 芹1 2 24 7 51 1 55 85 89 4 39 0 1 0 02”1 0 8l 萍1 2 62 3 61 3 2 56 61 2 48 7 67 5 1 0 02 萍1 3 9l 撑1 3 91 1 81 4 l7 11 9 48 0 65 0-9 02 41 4 3l 芹4 6 50 64 6 l2 3 14 2 55 7 53 0 5 92”4 5 7l 捍7 7 20 37 7 53 8 88 1 21 8 88 3 02”7 7 81 43 4 3O 1 53 4 6 51 7 39 8 61 50 l O2 芹3 5 01 拜2 6筛底2 4 51 29 9 80 202”2 3根据表中的数据,可以计算出砂的细度模数:膨,:!垒二刍2!丝二兰1 2!生二垒!鱼二垒2!生二丝1 211 0 0 一4:!垒丝鱼丝生2 二!丛,1 0 0 4(1 2 4+1 9 4+4 2 5+8 1 2+9 8 6、一5 5 81 0 0 5 8=2 3 9筑龙网 WWW.ZHULONG.COM第三章贫混凝土基层原材料要求及配合比图3 1 细集料级配3 2 粗集料的选择及要求粗集料通常意义上也称石子,它是指地壳表层岩石经天然风化而得到的松散粒料以及经过人工开采的岩石或机械轧制的各种尺寸的碎石、石屑等材料。根据来源可将其分为天然的和人造的【1 5】。天然的又可分为三类:一是岩浆岩,比较常用的有花岗岩和玄武岩等;二是沉积岩,比较常见有石灰岩和石膏等;三是变质岩,主要有大理岩和石英岩等。也可根据加工技术规格分为片石、块石、料石、碎石、砾石及石屑等。针对白霍线(白音华至霍林郭勒线)特殊气候条件,我们对贫混凝土基层所用的粗集料提出了更为严格的要求。即要求表面洁净、干燥、无杂质、无风化,有足够的强度。由于现场细集料细度模数偏小(M x=2 3 9),设计文件要求细集料细度模数不小于2 O,为保证贫混凝土基层的施工质量,根据公路水泥混凝土路面滑模旌工技术规范(J T GF 3 0-2 0 0 3)(以-F 简称施工规范)的要求【1 3 1,建议贫混凝土基层使用I 级粗集料,主要技术指标见表3 2 所示。表3 2 粗集料主要技术指标项目技术要求(I 级)试验方法【1 6 1松散堆积密度 1 3 5 0 k g m 3J T G E 4 2 2 0 0 5表观密度 2 5 0 0 k g m 3J T G E 4 2 2 0 0 5空隙率 4 7 J T G E 4 2 2 0 0 5含泥量(按质量计)0 5J T G E 4 2 2 0 0 5碎石压碎指标()l OJ T G E 4 2 2 0 0 5针片状颗粒含量(按质量计)3 0凝结初凝-3 0时间m i n9 0-+1 2 0终凝+8 73 d1 1 5术9 5抗压强度比()7 d1 l O术9 52 8 d1 0 0术9 02 8 d 收缩率比()1 0 6牛1 2 0抗冻标号2 0 02 0 03 7 本章小结原材料的质量直接影响到贫混凝土基层的强度、刚度、抗裂性、抗冻性和耐久性。原材料的选择不当或者使用劣质材料都会直接影响到整个工程的质量,因此,保证施工质量的一个重要因素是要从混凝土的原材料质量控制做起;原材料的级配是造成施工过程中离析现象的一个重要原因,同时,合理的级配可增加混凝土的密实度,提高混凝土强度,改善混凝土的和易性,对施工性能的影响不言而喻,因此,就必须对原材料级配进行严格控制和约束。筑龙网 WWW.ZHULONG.COM长安大学硕士学位论文。第四章施工设备的匹配技术随着现代科学技术的发展,公路施工应以大规模机械化为基础,同时各种施工设备之间必须协调工作,形成与路面材料特性相适应并充分发挥设备作业性能的有机整体。设备合理匹配的基本含义是:在实际施工中,根据材料特性和工程质量要求,确定使各设备发挥最佳作业性能并组成一个有机系统,形成机群作业能力,对机械性能类型、数量进行优化配置,实现最佳施工质量、最优工作效率和较低作业成本的目的。施工机械设备匹配技术的基本原则是:1)核心设备的作业参数应与材料特性相适应,发挥最佳作业性能;2)主要设备的生产能力应大于核心设备生产能力,并保证各设备在最佳工作状态下连续稳定作业;3)在保证施工质量、满足工期要求的前提下降低作业成本。本文以白霍线(白音华至霍林郭勒线)一级公路贫混凝土基层施工为例,就混凝土的搅拌、运输和摊铺设备的主要作业参数来说明机械的配置理论。内蒙古自治区自音华至霍林郭勒一级公路全线总长9 9 8 1 3 公里(不包括终点互通),按照双向四车道一级公路标准建设,路面采用轻、重载方向分别设计,单幅最大宽度为1 1 2 5 m,轻载和重载车道宽度均为3 7 5 m,采用水泥混凝土滑模摊铺机施工,摊铺厚度为3 2 c m。计划从2 0 1 0 年五月份开始施工,八月底结束施工,施工期约1 2 0 天。为了保证贫混凝土基层施工按计划完成,需要对机械进行科学的配置和合理的优化,使各设备之间发挥其最佳作业效能。因此,这就需要有拌和能力大、性能比较稳定的拌和设备和一定数量的运输设备,才能满足贫
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