淺析原材料及配合比對水泥砼路面強(qiáng)度的影響

■林華英（龍巖市新龍工程監(jiān)理有限公司，龍巖364000）

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淺析原材料及配合比對水泥砼路面強(qiáng)度的影響

■林華英
（龍巖市新龍工程監(jiān)理有限公司，龍巖364000）

本文以國道319線重交通二級公路路面重鋪工程為實(shí)例，著重介紹水泥砼路面在原材料的選擇及配合比確定時注意的要點(diǎn)，并淺析原材料及配合比對水泥砼路面強(qiáng)度的影響，為水泥砼拌制提供科學(xué)合理的理論依據(jù)，在實(shí)際施工中起到指導(dǎo)作用。

原材料配合比水泥砼路面強(qiáng)度

1概述

水泥砼路面工程的質(zhì)量要求，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、耐久性，表面抗滑、耐磨、平整。確保水泥砼路面質(zhì)量的重要因素包括混凝土原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)及混凝土現(xiàn)場施工過程等環(huán)節(jié)。在我市管養(yǎng)的干線公路水泥砼路面“改善工程”中，水泥砼路面的設(shè)計(jì)強(qiáng)度均采用5MPa；對于交通量較少、基本上無超載車輛通行的縣鄉(xiāng)道，水泥砼路面的設(shè)計(jì)強(qiáng)度可采用4.5MPa。由于水泥砼在原材料的選擇上不夠科學(xué)，同時，在配合比設(shè)計(jì)上也不盡合理，將直接引發(fā)水泥砼路面施工過程中存在質(zhì)量隱患，個別路段出現(xiàn)水泥砼路面早期收縮裂縫、路面面層取芯芯樣強(qiáng)度不合格、以及其它外觀質(zhì)量缺陷等現(xiàn)象，造成水泥砼路面在建設(shè)或養(yǎng)護(hù)管理過程中投資成本增加。下面筆者結(jié)合多年的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，以國道319線（K162+000～K165+580、K191+154～K195+000）重交通二級公路路面重鋪工程為實(shí)例，對水泥砼路面原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)及其注意事項(xiàng)作如下分析。

2原材料

2.1集料

集料是在混凝土中起骨架和填充作用的粒料，包括粗集料（碎石）和細(xì)集料（砂）等。集料體積大約占混凝土體積的3/4，由于所占的體積相當(dāng)大，所以集料質(zhì)量對混凝土的技術(shù)性能和生產(chǎn)成本均產(chǎn)生一定的影響。在配制水泥砼路面面層混凝土?xí)r，集料的強(qiáng)度、級配、表面特征、顆粒形狀、雜質(zhì)的含量、吸水率等，必須認(rèn)真檢驗(yàn)，嚴(yán)格選材，才能配制出滿足技術(shù)性能要求的混凝土，同時降低生產(chǎn)成本。

2.1.1細(xì)集料

（1）細(xì)集料（砂）質(zhì)量的好壞，對水泥砼混合物和易性的影響比粗集料（碎石）更大，因此細(xì)集料應(yīng)選用質(zhì)地堅(jiān)硬、耐磨、潔凈，含泥量少，泥塊含量少的天然砂，不宜使用質(zhì)量差或再生的細(xì)集料。

（2）極重、特重、重交通荷載等級的路面面層水泥砼用細(xì)集料不應(yīng)低于Ⅱ級，砂的細(xì)度模數(shù)應(yīng)控制在2.0～3.7之間為最好，因?yàn)榧?xì)度模數(shù)＜2.0時，拌制的水泥砼混合物顯得太粘稠，施工中難于振搗，并且由于砂細(xì)，在滿足相同和易性要求時，增大了水泥用量。這樣不但增加了水泥砼的投資成本，而且影響了水泥砼的技術(shù)性能，如混凝土的耐久性、收縮裂縫等；砂也不宜太粗，細(xì)度模數(shù)＞3.7時，容易引起新拌制的水泥混凝土，在運(yùn)輸澆筑過程中出現(xiàn)離析以及保水性能差等現(xiàn)象，從而影響了水泥砼的內(nèi)在質(zhì)量及外觀質(zhì)量。

（3）對于細(xì)度模數(shù)差值超過0.3的砂應(yīng)分別堆放，并且分別進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

（4）在我市管養(yǎng)的干線公路水泥砼路面重鋪或挖補(bǔ)工程中，一般優(yōu)先選用漳州河砂、廣東茶陽河砂或江西會昌河砂等，此類河砂雜質(zhì)含量少，細(xì)度模數(shù)在2.7～3.3之間，質(zhì)量較好。本工程所用的細(xì)集料為漳州河砂，試驗(yàn)結(jié)果顯示為Ⅱ區(qū)中砂、級配良好，結(jié)果均符合試驗(yàn)要求，如表1。

表1　細(xì)集料指標(biāo)要求與實(shí)測結(jié)果

2.1.2粗集料

粗集料是指粒徑＞4.75mm的碎石，其強(qiáng)度、顆粒形狀、表面特征、級配、雜質(zhì)的含量、吸水率對砼的強(qiáng)度都有重要的影響。

（1）強(qiáng)度：配制面層水泥砼對粗集料強(qiáng)度的選取是十分重要的，高強(qiáng)度的集料才能配制出高強(qiáng)度的水泥砼。應(yīng)選取質(zhì)地堅(jiān)硬、耐磨、干凈、近似球體或立方體的渾圓狀和多棱角的碎石、破碎礫石或卵石。其強(qiáng)度可用巖石立方體強(qiáng)度或碎石的壓碎指標(biāo)值來測定，巖石的抗壓強(qiáng)度應(yīng)比配制的混凝土強(qiáng)度高50%。一般用碎石的壓碎指標(biāo)值來判定巖石的強(qiáng)度是否滿足要求。

（2）級配：粗集料的級配是指各粒徑集料相互搭配所占的比例，級配是集料的一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)，級配是否合理將直接影響混凝土的和易性及其強(qiáng)度。因此，路用水泥砼粗集料在選用時，不宜使用未分級的統(tǒng)料，應(yīng)按最大公稱粒徑的不同采用2～4個粒級的集料進(jìn)行摻配，并符合合成級配的要求。如4.75～31.5mm連續(xù)級配采用4.75～19mm和19～31.5mm二種規(guī)格的碎石進(jìn)行摻配；4.75～26mm連續(xù)級配采用4.75～19mm和9.5～26mm二種規(guī)格進(jìn)行摻配，摻配時合成級配曲線盡量靠中間。

（3）最大粒徑：碎石最大公稱粒徑不宜大于31.5mm，由于大粒徑集料比同重量的小粒徑集料表面積要小，其與砂漿的粘結(jié)面積相應(yīng)要小，其粘結(jié)力就比較低，而且混凝土的均質(zhì)性差，所以大粒徑集料不可能配制出高強(qiáng)度混凝土。

（4）含泥量：集料中的含泥量、石粉含量要嚴(yán)格控制，其含量大，不但影響混凝土拌和物的和易性，而且降低混凝土的強(qiáng)度，影響混凝土的耐久性，引起混凝土的收縮裂縫等。

（5）粗集料為新羅區(qū)莒舟上鄭石場，級配由4.75～19mm和19～31.5mm二種規(guī)格按50%、50%的比例摻配而成，級配良好，其結(jié)果均符合試驗(yàn)要求，如表2。

表2　粗集料指標(biāo)要求與實(shí)測結(jié)果

2.2水泥

面層所用水泥技術(shù)要求應(yīng)滿足現(xiàn)行《通用硅酸鹽水泥》（GB175），優(yōu)先選取旋窯水泥，強(qiáng)度等級42.5R或42.5的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。水泥進(jìn)場時每批次應(yīng)附有化學(xué)成分、物理、力學(xué)指標(biāo)合格的質(zhì)量保證書。每批水泥進(jìn)場后必須檢驗(yàn)其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、安定性和凝結(jié)時間。如水泥的安定性或初凝時間不合格，為廢品，不得進(jìn)入施工場地；如水泥的抗壓強(qiáng)度或抗折強(qiáng)度、終凝時間不合格，為不合格品，可進(jìn)場，但必須降級使用。

本工程所用水泥為福建省永定閩福建材有限公司生產(chǎn)的閩福牌P.O42.5R，水泥批號為VPR085，試驗(yàn)結(jié)果均符合試驗(yàn)要求，如表3、表4。

表3　水泥各齡期強(qiáng)度指標(biāo)要求與實(shí)測結(jié)果

表4　　水泥物理指標(biāo)要求與實(shí)測結(jié)果

2.3水

飲用水可直接作為水泥砼攪拌和養(yǎng)生用水，非飲用水應(yīng)進(jìn)行水質(zhì)檢驗(yàn)，水的PH值≥5；并且不得含有油污、泥和其他有害雜質(zhì)，還應(yīng)與蒸餾水進(jìn)行水泥凝結(jié)時間與水泥膠砂強(qiáng)度的對比試驗(yàn)；對比試驗(yàn)的水泥初凝與終凝時間差均≤30min，水泥膠砂3d和28d強(qiáng)度不應(yīng)低于蒸餾水配制的水泥膠砂3d和28d強(qiáng)度的90%。

2.4外加劑

為了滿足混凝土的施工要求，改善混凝土和易性并提高性能，同時降低水泥用量，減少工程成本，外加劑的選擇尤為重要。選用外加劑著重從以下幾個方面考慮：延緩混凝土的初凝時間，提高混凝土早期強(qiáng)度，增加后期強(qiáng)度，減少混凝土坍落度的損失。通常選用的外加劑有高效減水劑、高效緩凝減水劑，引氣緩凝高效減水劑。

（1）高效減水劑：具有增加混凝土強(qiáng)度和流動性的特點(diǎn)，因此，摻高效減水劑的混凝土坍落度損失一般較快，施工時最好采用后摻法，這樣可使高效減水劑的減水作用增高，增加混凝土的流動性。在溫度低于8～10℃時，高效減水劑雖能增加和易性，但增加強(qiáng)度的作用大大降低。所以高效減水劑宜在春秋季節(jié)使用。

（2）高效緩凝減水劑：有利于控制早期水化，混凝土拌和物坍落度損失小。一般來說，摻量大時凝結(jié)時間相應(yīng)增長，但摻量過大時會降低早期強(qiáng)度，需根據(jù)施工季節(jié)來調(diào)節(jié)摻量。在結(jié)構(gòu)復(fù)雜配筋密集的構(gòu)件中使用，可避免形成冷縫，方便施工安排。

（3）引氣緩凝高效減水劑：能減少用水量，顯著改善混凝土的工作性能，也能增加混凝土的黏聚性和表面砂漿富裕度，提高彎拉強(qiáng)度，減少收縮和接縫變形率，并提升工程經(jīng)濟(jì)效益，降低抗折彈性模量，改善荷載和溫、濕度變形性能。

（4）本工程中所用的外加劑是徐州超力建筑材料有限公司生產(chǎn)的CNF-3引氣緩凝高效減水劑。其性能較好、質(zhì)量較穩(wěn)定，減水率在12%～20%，水泥用量可節(jié)約12%以上，含氣量≥3.0%。早期強(qiáng)度及后期強(qiáng)度也較高、混凝土和易性好、保水性好、收縮率低，摻量也小，占水泥用量1.2%。施工時采用同摻法，混凝土攪拌時間延長30s。

3配合比設(shè)計(jì)

3.1配合比計(jì)算

3.1.1確定試配強(qiáng)度

三輥軸機(jī)組及小型機(jī)具施工的水泥砼面層配制28d彎拉強(qiáng)度均值按公式（1）計(jì)算確定。

fc=（fr/（1-1.04Cv））+ts

（1）

式中：fc——面層水泥混凝土配制28d彎拉強(qiáng)度值MPa；

fr——設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值MPa；

t——保證率系數(shù)，取值0.37；

s——彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)樣本標(biāo)準(zhǔn)差MPa，取值0.5；

Cv——彎拉強(qiáng)度變異系數(shù)，取值0.13。

3.1.2確定水膠比

水膠比是路面混凝土配合比設(shè)計(jì)的一個關(guān)鍵因數(shù)，水膠比越小，混凝土強(qiáng)度越高，但過小的水膠比會導(dǎo)致稠度增大，和易性差，難以控制施工，影響混凝土密實(shí)性，增加單位水泥用量，這不僅不經(jīng)濟(jì)，還會造成混凝土干縮裂縫；水膠比太大，稠度減小，塌落度增大，拌和物的黏聚性及保水性變差，難以保證混凝土的強(qiáng)度及耐久性，二級公路最大水膠比為0.46，水膠比按公式（2）計(jì)算（碎石）。

W/B=1.5684/（fc+1.0097-0.3595fs）

（2）（3）

式中：W/B——水膠比；

fs——水泥實(shí)測28d抗折強(qiáng)度MPa；

fc——面層水泥砼配制28d彎拉強(qiáng)度的均值MPa。

經(jīng)試驗(yàn)室的大量試驗(yàn)，5.0MPa混凝土宜采用以下0.35、0.40、0.45三個水膠比進(jìn)行試拌，0.40作為基準(zhǔn)水膠比，最終確定最佳水膠比。

3.1.3砂率（Sp）

砂率對混凝土拌合物產(chǎn)生顯著影響，砂率過大，骨料總表面積與孔隙率均加大，在水泥漿用量不變的情況下，水泥漿不足以起到充分填充、包裹、潤滑骨料作用，使拌合物流動性減?。簧奥蔬^小，不能保證在粗骨料之間有足夠的砂漿層，也會降低混凝土拌合物的流動性，而且嚴(yán)重影響?zhàn)ぞ坌院捅Ｋ?，造成混凝土離析。因此，砂率宜根據(jù)砂的細(xì)度模數(shù)和粗集料種類選取，砂細(xì)度模數(shù)在2.8～3.1時，宜取34%～38%?；炷谅访嬷劁伖こ讨?，砂率由35%逐一遞增至37%。

3.1.4確定單位用水量

根據(jù)粗集料的種類、坍落度和引氣緩凝高效減水劑的減水率及摻量來確定，單位用水量的大小，直接影響混凝土的工作性，水太多，水泥用量大增，造成不必要的浪費(fèi)，塌落度也隨之增大，強(qiáng)度反而減?。凰?，水泥用量相對減少，難以保證最小水泥用量和抗折強(qiáng)度。三輥軸機(jī)組攤鋪時，拌合物的現(xiàn)場坍落度宜為20～40mm，最大單位用水量（碎石）為153kg/m3，宜控制在143～153kg/m3。水泥砼路面重鋪工程中，CNF-3引氣緩凝高效減水劑摻量為水泥用量的1.2%，用水量為149kg/m3。

3.1.5確定單位水泥用量

C0=（C/W）×W0

式中：C0——單位水泥用量kg/m3。

最大單位水泥用量不宜大于420kg/m3，最小用量不宜少于310kg/m3；使用摻合料時，最大單位膠材總量不宜大于450kg/m3。

3.1.6確定砂、石用量

集料用量可按密度法或體積法計(jì)算，按密度法計(jì)算時，其公式如式（4）和式（5）。

mco+mgo+mso+mwo=mcp

⑷

Sp=mso/（mgo+mso）×100%

⑸

式中：mco——每立方米混凝土的水泥用量（kg）；

mgo——每立方米混凝土的粗骨料用量（kg）；mso——每立方米混凝土的細(xì)骨料用量（kg）；mwo——每立方米混凝土的用水量（kg）；Sp——砂率（%）；

mcp——每立方米混凝土拌和物的假定容重kg，其值可取2400～2450kg。

3.2試拌調(diào)整

使用試拌前，應(yīng)與試配時混凝土配合比相同的水灰比進(jìn)行涮膛，以免正式試拌時水泥砂漿粘附桶壁。試拌量應(yīng)不小于試拌機(jī)額定量的1/4，混凝土的攪拌方式及加料，宜與生產(chǎn)時使用的方法相同，特別是外加劑的摻法，是同時摻還是后摻。

試拌得出的拌和物坍落度不能滿足要求或粘聚性和保水性不好時，應(yīng)保證水膠比不變的條件下，相應(yīng)的調(diào)整用水量和外加劑的摻量或砂率，用水量調(diào)整的幅度不能過大，因?yàn)榛炷恋乃z比較低，增加用水量相應(yīng)水泥用量的增大幅度較大。如通過以上調(diào)整，混凝土拌和物仍不能滿足混凝土運(yùn)輸?shù)仁┕すに嚨囊蠡蚧炷恋男阅芤?，則要考慮重新選擇水泥或外加劑，或聯(lián)系減水劑生產(chǎn)廠家調(diào)整好減水劑與水泥的適應(yīng)性。

3.3配合比的確定

當(dāng)拌和物實(shí)測密度與計(jì)算值之差的絕對值不超過計(jì)算值2%時，可不調(diào)整。大于2%時按《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ55—2011規(guī)定進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。施工期間的配合比按工地砂、碎石的含水率進(jìn)行調(diào)整，以保持基準(zhǔn)配合比不變。配合比制作fc=5.97MPa、室溫20.1℃、濕度68%，拌和物假定容重為2420kg/m3，碎石按粒徑兩級摻配4.75～19、19～31.5（mm）各摻50%，CNF-3摻量為1.2%，各材料用量見表5，試拌結(jié)果見表6。

配合比調(diào)整：Sp=36%容重為2420kg/m3，C∶S∶G1∶G2∶W∶CNF-3=376∶682∶607∶606∶149∶4.51。在配合比的指導(dǎo)施工下，該段砼路面試塊制作標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d抗折強(qiáng)度均符合要求，取芯驗(yàn)收結(jié)果見表7。

表5　混凝土配合比試拌材料用量表

表6　混凝土配合比試拌實(shí)測情況

表7　取芯實(shí)測情況

將不合格芯樣打碎分析，造成水泥砼強(qiáng)度不合格的原因主要有如下幾點(diǎn)：（1）混凝土攪拌時間不夠，芯樣中殘留未水化的水泥結(jié)塊；（2）振搗不夠，芯樣內(nèi)有蜂窩；（3）施工配合比未根據(jù)碎石、砂的含水量及時調(diào)整，造成水灰比偏大，芯樣表面和內(nèi)在的氣孔比較多。

4結(jié)束語

配制5MPa水泥砼路面面層混凝土應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)原材料，水泥要求42.5級以上的旋窯水泥；粗集料要求最大粒徑31.5mm、級配好、壓碎值小、堆積密度大、含泥量少、泥塊含量少、針片狀少；細(xì)集料要求細(xì)度模數(shù)2.7以上、含泥量低；外加劑應(yīng)根據(jù)季節(jié)要求以滿足施工需要和強(qiáng)度要求。因此，施工前，必須對原材料進(jìn)行試驗(yàn)與檢驗(yàn)，符合規(guī)范要求的原材料方可使用。在配合比設(shè)計(jì)時，嚴(yán)格按照規(guī)范的要求及程序進(jìn)行，嚴(yán)格控制各種材料的用量，配制至少3個水膠比的混凝土配合比，選擇最佳的符合要求的混凝土配合比。

［1］JTGE42-2005，公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程.

［2］JTGE30-2005，公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程.

［3］JTG/TF30-2014，公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則.

［4］JGJ55-2011，普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程.

［5］徐州市超力建筑材料有限公司編制.CNF混凝土外加劑系列資料匯編.