浅谈真空处理技术在混凝土路面施工中的应用

　　摘 要：本文首先对混凝土真空处理技术的原理和特点进行分析，并结合工程实例，就道路施工中混凝土真空处理技术的应用，做出了简单的阐述，以供同行参考。

　　关键词：道路施工;混凝土;真空处理技术

　　20世纪30年代，混凝土路面开始进入我国的道路建设工程中，它是一种以水泥混凝土为主要材料做面层的路面，亦称刚性路面，俗称白色路面。经过几十年的不断发展和进步，新的技术和材料更多的应用其中，使其有了更长远的发展。混凝土真空处理技术是在浇灌成型后的混凝土表面上放置真空吸水装置,通过真空泵抽吸产生的压力差,对混凝土施加挤压抽吸作用,抽掉多余水分和气泡, 使混凝土进一步密实。这种经过处理的混凝土称为真空混凝土。真空混凝土应用与道路建设，更是可以取得良好的效果，本文就对此技术做出分析。

　　一、混凝土真空处理技术的原理及其特点分析

　　1.密实机理

　　(1)压差作用力。压差作用是真空脱水前的主要动力。真空处理时, 真空腔内形成一定的真空度。在此压力差的作用下, 游离水在连续充水的毛细管系统中不断被排出, 气泡也向真空腔转移,使混凝土中的固相颗粒相互接近、挤紧,集料表面的水膜层减薄, 孔缝直径减小, 使混凝土的密实度相应得到提高。

　　(2)气泡挤压力。由于真空所形成的负压逐渐向混凝土内部传播,使其内部气泡的压力降低,因而形成动态膨胀, 由膨胀所产生的挤压力也能增加混凝土的密实度。由于上部的真空度大,下部小,所以混凝土混合物上部气泡的膨胀挤压力大于下部。

　　(3)微管收缩压力。在真空脱水过程中,特别是脱水的中、后期,毛蛔现象所引起的微管压力,对水分的向外迁移和混凝土的局部压缩、密实起了很重要的作用。在真空处理过程中,毛细孔的弯液面不仅和固体颗粒相连结, 也和由水泥浆与固体颗粒相联系而形成了的微骨架连结起来, 而真空脱水所产生挤压作用又使孔隙尺寸有所减小, 真空脱水还减少了微孔中的水量。因此, 毛细孔的弯液曲率半径变小,从而产生了微管压力,使骨架进一步密实。

　　2.密实过程

　　第一阶段是从真空处理开始至混凝土中固相颗粒开始接触时为止。在此阶段, 由于混凝土的流动性大,结构粘度ƒ˙与剪应力τ都较小,整体的可压缩性较大, 因此在挤压作用下, 混凝土固相骨架被迅速压缩, 集料间距迅速减小, 游离水被连续挤压排出。在固相颗粒接触之间ƒ˙与τ值的变化均不大, 因此脱水速度近似为一常数,脱水量与时间呈近似直线关系。此阶段的真空脱水持续时间虽短, 但脱水量大, 可达总脱水量的60% ～70% ,体积压缩量可达总压缩量的95% ,混凝土的密实度显著增加。此阶段的真空处理有效系数K( 混凝土体积压缩量/脱水量) 接近于1。

　　第二阶段是从混凝土中固相颗粒开始接触至全部紧密排列为止。在此阶段, 由于大部分游离水已脱出,水泥浆浓缩,颗粒间水层厚度减小,液相的连续性被不断破坏,因此,ƒ˙与τ值均明显增大, 固相对液相流动的阻力不断提高, 脱水曲线呈弧形, 并趋近于极限值, 混凝土的可压缩性也显著降低。在这一阶段中,毛细管数量增加,直径减少, 微管压力对混凝土的密实起主要作用。此时的真空处理有效系数也下降。

　　第三阶段, 真空工艺的三大密实作用力基本上被混凝土的极限剪切力所抵消, 因此混凝土体积不再被压缩,ƒ˙值进一步增大,吸滤脱水作用停止。此时的真空处理的效果已接近于零。如继续进行真空处理, 不但不能再改善混凝土的性能,反而可能有害于混凝土的物理力学性能。

　　3.真空处理的混凝土的性能特征

　　(1)塑性结构强度：由于混凝土体积压缩及毛细管微管收缩压力的作用, 使刚刚被处理完毕的真空混凝土具有类似固体性质的粘结力, 即塑性结构强度, 其值大小为0.1～0.3M Pa。这一特性是真空混凝土所特有的, 掺任何外加剂的普通混凝土都无此特性。真空混凝土的塑性结构强度对加快施工速度、缩短施工周期、加快模板周转极为有利。

　　(2)抗压强度：真空混凝土之所以具有早强、高强的特性,过去认为主要是由于真空脱水工艺的脱水、排气和挤压作用而加速了水化, 但是经过试验测定,1d龄期的真空水泥砂浆的水化程度仅比普通水泥砂浆提高了1.04% 。因此,真空混凝土早强、高强特性的直接原因还是由其内部结构的形成过程与特征所决定的。混凝土在真空脱水工艺的三大密实作用力下, 处于塑性状态的新拌混凝土固相粒子间的空间被紧密压缩, 因此, 在真空混凝土的充填固相粒子之间, 把固相粒子粘结起来的、形成初始结晶结构的水泥水化产物的需求量, 比替代混凝土所需的显著减少。因此, 即使在同样水泥水化程度的情况下, 真空混凝土的强度也比普通混凝土高得多。

　　(3)耐磨性：混凝土路面的磨耗主要是由于车轮荷载的撞击、磨擦、反复弯曲作用以及高速旋转车轮在后方产生的气流吸附作用引起的, 因此, 耐磨性取决干表面硬度、强度及水泥石与骨料粘结程度,而这些性能都由混凝土的表面层结构特性所决定, 真空混凝土具有特别致密的表层结构, 所以其耐磨性大大高于普通混凝土。瑞典查默工艺大学的研究结果是, 真空混凝土的耐磨性是普通混凝土的2～2.5 倍。各种试验表明,真空混凝土的耐磨性至少比普通混凝土提高50% 以上。

　　(4)抗渗性：根据Koniny-Carman 公式,渗透系数

　　K1=kP0r2/η

　　式中K1 为渗透系数;P0 为孔隙率;r为毛细初水半径;η为流体粘度;k 为常数。

　　可见,渗透系数与孔隙率和孔径平方成正比,孔径的影响比孔隙率更大, 孔径<1000A 的孔对抗渗性影响甚小。

　　实际上, 真空混凝土的孔隙率及孔径平均尺寸参数都有很大程度的减少, 特别是混凝土大于1000A 的孔隙数量减少得更多, 所以真空混凝土的抗渗性优于普通混凝土。

　　(5)抗冻性：真空脱水使混凝土孔隙减少、孔径变细、密实度增加、毛细管水和游离水大量减少, 同时也基本消除了粗集料下面的聚集水囊井, 加强了界面粘结, 因而减轻了混凝土受冻时结浆膨胀所造成的危害, 增加了抵抗破坏的能力。所以真空混凝土的抗冻性优于普通混凝土。

　　(6)抗裂性：真空脱水后的混凝土内部自由水大大减少,所以, 因水分蒸发而引起的开裂的可能性大大降低。同时, 由于真空混凝土具有0.1～0.3M Pa 的塑性结构强度,所以,抵抗开裂的能力大大增强。因此, 真空混凝土具有良好的抗裂性, 但是在施工中也要掌握好施工方法,控制好工艺参数。

　　二、道路工程施工应用真空混凝土技术实例

　　现就许昌市两项道路施工工程作为对比。A工程与B工程均为水泥混凝土路面。两段道路的路面均在气温较低的12 月份施工。前一段道路采用普通技术浇捣混凝土面层, 后一段道路采用真空处理技术浇捣混凝土面层。对于这两段具有相同的气候、地质条件,运用不同施工工艺修筑的道路, 我们通过统计方法,用实验数据来进行特征的对比。

　　1.塑性结构强度：实际施工中,采用真空处理技术的混凝土,马上具有一定的塑性结构强度, 用脚踩在上面基本无晃动,而且脚印很浅,不需等待便可立即进行抹面操作;未采用真空处理的普通混凝土则处于流塑状态,在进行下一步的工作前需等待混凝土凝结。

　　2.抗压强度：按照设计要求, 道路水泥混凝土路面的设计强度等级为C30,即设计抗压强度为30.0M Pa。采用混凝土配合比为: 水泥∶ 砂∶ 碎石∶ 水= 1：1.617：3.600：0.45;42.5 普通硅酸盐水泥用量为360kg/m 3。施工时气温为2～10℃ ,送到实验室的试块为15cm ×15cm ×15cm 的标准立方体, 实验室测试出来的混凝土抗压强度值见表1。由表1 可见, 真空混凝土较普通混凝土具有明显的早强、高强优势。

　　3.耐磨性：真空混凝土与普通混凝土在施工完毕时表面无明显差异,但从侧面观察,可以看出,经过真空处理的混凝土在脱水密实过程中形成了一层厚2～3cm 、结构特别致密、对混凝土耐久性十分有利的表面层; 而普通混凝土如振捣不充分, 则粗细骨料呈不均匀分布状态。开放交通1 年后,A工程道路发现6 块板表面明显露出骨料,而B工程大道则未发生骨料外露现象。

　　4.抗渗性、抗冻性：抗渗性和抗冻性是通过板块侧面孔隙的多少来判断的。真空混凝土的孔隙较规则, 表面因有一层致密层故孔隙较少, 同时随着深度的增加孔隙增大; 普通混凝土的孔隙比较杂乱, 比真空混凝土多且大。由此可见,真空混凝土的孔隙率比普通混凝土明显减少,故抗渗性优于普通混凝土。

　　5.抗裂性：采用不同施工工艺的两段道路在竣工验收时和一年保修期满后作了裂缝的统计( 见表1) 。

　　混凝土类别抗压强度(MPa)裂缝数量(条)

　　3d8d28d1年后

　　真空混凝土25.0537.437

　　普通混凝土18.631.8815

　　强度增加34.7%17.6%

　　表1 不同混凝土抗压强度及裂缝统计

　　显而易见, 采用真空处理技术使得混凝土迅速具有抵抗开裂的塑性强度, 使之更有效地预防裂缝的产生。

　　三、结束语

　　综上所述, 混凝土真空处理技术决定了真空混凝土具有结构良好、表层结构特别致密的特征, 这一结构特征决定了真空混凝土具有早期强度高、抗裂性、抗冻性、耐磨性、抗渗性良好的性能特征, 所以混凝土真空处理技术是一项很有发展前途的技术, 它特别适合在有耐磨、抗渗、抗冻、抗裂要求的混凝土路面工程中推广应用。