新型抗彎拉水泥混凝土路面配合比正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)*

黃文富 王進(jìn)思 馬健林 袁宏成

(1.荊州市公路局，湖北 荊州 434000；2.武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430074； 3.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和公路交通運(yùn)輸事業(yè)的高速發(fā)展，公路運(yùn)輸出現(xiàn)了“重載、大流量和渠化交通”的特點(diǎn)，重型貨車(chē)及超載車(chē)輛急劇上升，引起實(shí)際累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次的急劇增加，導(dǎo)致路面過(guò)早破壞，因而對(duì)公路路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用性能提出了更高的要求 。但一直以來(lái)，我國(guó)在水泥混凝土強(qiáng)度方面的研究以抗壓強(qiáng)度為主，現(xiàn)在已能配制C100以上的高強(qiáng)混凝土，但對(duì)抗彎拉強(qiáng)度的研究一直沿用抗壓理論?，F(xiàn)行《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F30—2014)配合比設(shè)計(jì)采用連續(xù)級(jí)配，實(shí)際工程應(yīng)用中，往往膠砂富余過(guò)多，導(dǎo)致抗彎拉強(qiáng)度不高。通常解決的辦法是增加水泥用量和添加減水劑[1]，然而，成本的增加未必使強(qiáng)度得到提高。新型抗彎拉水泥混凝土路面提出了減少“富余膠砂”作為提高抗彎拉強(qiáng)度的主要技術(shù)路徑，設(shè)計(jì)的目標(biāo)即為形成骨架密實(shí)型混凝土，從而提高混凝土路面的抗彎拉強(qiáng)度。即通過(guò)增加粗集料用量，改進(jìn)粗集料級(jí)配，優(yōu)化水泥膠砂用量，形成骨架密實(shí)水泥混凝土，該結(jié)構(gòu)具有骨架增強(qiáng)、粗集料阻裂、抵抗溫度變形、節(jié)省水泥用量等特點(diǎn)，相對(duì)于普通混凝土路面，新型抗彎拉水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高、成本低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)處于推廣應(yīng)用階段。

1 工程概括

207國(guó)道荊州區(qū)段超重、超限車(chē)流量巨大，水泥混凝土路面斷板開(kāi)裂嚴(yán)重。每次大修均采用挖除路面重修的方法，但效果不好，一般3-5年又會(huì)出現(xiàn)同樣的病害，并沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題，周而復(fù)始地耗費(fèi)養(yǎng)護(hù)資金。如不引進(jìn)新的大修理念和技術(shù)，將難以解決公路技術(shù)性能和使用壽命的難題。2012年，安徽公路科技進(jìn)步計(jì)劃項(xiàng)目——改進(jìn)型路用水泥混凝土試驗(yàn)和應(yīng)用研究通過(guò)了驗(yàn)收鑒定[2]，并入選交通運(yùn)輸部2015年交通科技推廣目錄。經(jīng)過(guò)交流學(xué)習(xí)，荊州市公路管理局決定將該科技成果應(yīng)用到荊州市公安縣207國(guó)道南平至鮑關(guān)、章莊鋪至東岳廟兩段大修項(xiàng)目上，驗(yàn)證并進(jìn)一步完善抗彎拉水泥混凝土試驗(yàn)和應(yīng)用研究成果，為最終應(yīng)用到207國(guó)道荊州全段提供決策依據(jù)。大修段公路等級(jí)為二級(jí)公路，設(shè)計(jì)行車(chē)速度為60km/h，路基寬12.0m，路面寬9.0m。路面結(jié)構(gòu)自上而下依次為28cm水泥混凝土面層+18cm水泥穩(wěn)定碎石基層+舊路基層，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅱ級(jí)。該技術(shù)在推廣應(yīng)用過(guò)程中，首先需要解決的問(wèn)題是：通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證得出適應(yīng)所在地原材料及環(huán)境的抗彎拉混凝土配合比方案。課題組在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，擬運(yùn)用L9(34) 正交試驗(yàn)方案進(jìn)行適合現(xiàn)場(chǎng)條件的配合比設(shè)計(jì)。

2 配合比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

強(qiáng)度不僅是混凝土最重要的力學(xué)性質(zhì)，還與混凝土其它性能之間存在著密切的關(guān)系[3]。本項(xiàng)目著重研究不同級(jí)配型式水泥混凝土路面的抗彎拉強(qiáng)度，依據(jù)相關(guān)規(guī)定，對(duì)于混凝土路面，將28天抗彎拉強(qiáng)度作為本次正交試驗(yàn)的主要考察目標(biāo)[4]，要求28天抗彎拉強(qiáng)度不小于5.0MPa。

2.1 影響因素

施工組織設(shè)計(jì)確定，使用宜昌華新水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5水泥、松滋碎石廠碎石、洞庭湖中粗砂。

粗骨料選擇：碎石的強(qiáng)度與粗集料的壓碎值及針片狀顆粒含量有關(guān)，壓碎值小，針片狀顆粒含量低的粗集料，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高[5]。在確定粗骨料由10-20mm碎石與20-40mm碎石按比例混合后，不單獨(dú)選擇容重最大為最佳級(jí)配組合，選用三種混合比例(質(zhì)量比)，分析粗骨料組合對(duì)抗彎拉強(qiáng)度的影響，并得出最優(yōu)混合比例。其中10-20mm、20-40mm碎石組成三種混合比例的粗骨料，即10 ∶90、20 ∶80、30 ∶70。

水泥用量：為了滿(mǎn)足耐久性要求，二級(jí)公路采用42.5級(jí)水泥時(shí)最小單位水泥用量為310kg，水灰比不應(yīng)大于0.46，同時(shí)通過(guò)初步配合比的計(jì)算得到水泥用量為382.7kg/m3。粗集料用量的增加導(dǎo)致集料表面積有一定程度的下降，從而水泥用量相應(yīng)有所降低。因此，分別取水泥用量為310kg/m3、340kg/m3、370kg/m3三種水平進(jìn)行混凝土配合比試驗(yàn)確定水泥最佳用量。

水灰比：水灰比是影響混凝土強(qiáng)度的最主要因素之一。為了滿(mǎn)足耐久性要求，二級(jí)公路最大水灰比為0.46，同時(shí)通過(guò)初步配合比的計(jì)算得到水灰比為0.41。最后分別取水灰比為0.41、0.43、0.45進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)。

砂率：砂率的確定是根據(jù)砂子細(xì)度模數(shù)和粗集料種類(lèi)憑經(jīng)驗(yàn)確定。根據(jù)本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，在現(xiàn)有規(guī)范的基礎(chǔ)上適當(dāng)減小砂率。砂的細(xì)度模數(shù)為3.04，通過(guò)現(xiàn)有規(guī)范確定的混凝土砂率為34%-38%，為突出新型抗彎拉混凝土的優(yōu)點(diǎn)，砂率采取30%、32%、34%三種水平，拌制混凝土進(jìn)行混凝土配合比試驗(yàn)，從而確定出最優(yōu)砂率。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次配合比試驗(yàn)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)因素(列數(shù))為4種，分別為粗骨料級(jí)配、砂率、水泥用量以及水灰比。每個(gè)因素均取3個(gè)水平值，試驗(yàn)因素及其水平見(jiàn)表1。

表 1 配合比試驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)表

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述配合比試驗(yàn)因素及其相應(yīng)的水平組合，選用L9(34)正交試驗(yàn)表格，組成試驗(yàn)方案，共需進(jìn)行9組配合比試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及其組合見(jiàn)表2中左側(cè)試驗(yàn)編號(hào)，所得到的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2中右側(cè)試驗(yàn)結(jié)果。

表 2 配合比試驗(yàn)結(jié)果表

(注：各因素列中1、2、3分別對(duì)應(yīng)其試驗(yàn)水平。)

從試驗(yàn)結(jié)果看，新型抗彎拉混凝土的塌落度很小，各種試驗(yàn)方案的差值很小，同時(shí)，在安徽省滁州市的前期研究和應(yīng)用中，新型抗彎拉混凝土的磨耗量完全滿(mǎn)足規(guī)范要求。故本次配合比正交試驗(yàn)，以彎拉強(qiáng)度為考察目標(biāo)，各種試驗(yàn)方案的平均值與極差計(jì)算如表3，各因素效應(yīng)曲線見(jiàn)圖1。

表 3 配合比試驗(yàn)均值與極差統(tǒng)計(jì)

圖 1 各因素效應(yīng)曲線圖

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，各種試驗(yàn)方案的混凝土抗彎拉強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)要求(不小于5.0MPa)，且抗彎拉強(qiáng)度平均值為6.12MPa，進(jìn)一步說(shuō)明新型抗彎拉混凝土路面的可行性和優(yōu)越性。而從極差的大小來(lái)看，極差最大的那個(gè)因素，就是最主要的因素[6]。水泥用量對(duì)抗彎拉強(qiáng)度的影響最大，其后依次為粗骨料級(jí)配組合、砂率、水灰比。

從圖1各因素效應(yīng)曲線圖上看出，水泥用量從水平1(310kg)變化到水平3(370kg)，彎拉強(qiáng)度增長(zhǎng)率是逐漸變小的，也說(shuō)明在其他因素不變時(shí)，單純地增加水泥用量以提高混凝土強(qiáng)度是不經(jīng)濟(jì)的?？傮w而言，當(dāng)水泥用量在370kg時(shí)配制出試塊強(qiáng)度是高于水泥單位用量340kg的。但是二者相差有限，而且340kg水泥用量試塊的強(qiáng)度結(jié)果也滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。因此，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，選擇單位水泥用量340kg是合適可行的。

級(jí)配是影響級(jí)配碎石強(qiáng)度與剛度最重要的因素之一[7]。對(duì)于混凝土的粗骨料級(jí)配組合，試驗(yàn)結(jié)果的極差較小，各因素效應(yīng)曲線圖的曲線也較為平緩，試驗(yàn)結(jié)果表明，按不同比例混合而成的混凝土，抗彎拉強(qiáng)度變化不大，說(shuō)明三種按不同比例混合成的粗骨料，均能形成骨架密實(shí)型混凝土。從三種水平均值結(jié)果的比較看，水平2(10-20mm碎石：20-40mm碎石按20:80的比例混合)組合的平均值最大，相對(duì)其他組合而言，組合2是最優(yōu)方案。

對(duì)于混凝土的砂率而言，試驗(yàn)結(jié)果的極差較小，各因素效應(yīng)曲線圖的曲線呈凹形，即砂率位于高點(diǎn)或低點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)彎拉強(qiáng)度較高，而中間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的彎拉強(qiáng)度相對(duì)較低?？傮w來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)方案中砂率30%和砂率34%對(duì)應(yīng)28天彎拉強(qiáng)度都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，砂率34%配制的混凝土28天彎拉強(qiáng)度均值較砂率30%高，但為了確保粗集料更好地形成骨架，選擇30%的砂率作為最終參數(shù)。

水灰比在各因素效應(yīng)曲線圖上的曲線較為平緩，試驗(yàn)結(jié)果表明，在其他試驗(yàn)條件一定的情況下，隨著水灰比的增加，混凝土的抗彎拉強(qiáng)度呈下降的趨勢(shì)。根據(jù)《施工技術(shù)細(xì)則》，為了滿(mǎn)足耐久性要求，二級(jí)公路最大水灰比為0.46，同時(shí)通過(guò)初步配合比的計(jì)算得到水灰比為0.41。從經(jīng)濟(jì)性和施工角度來(lái)考慮，推薦水灰比取0.43。

故本課題新型抗彎拉混凝土推薦采用的配合比為：粗集料采用20-40mm和10-20mm兩種規(guī)格的碎石按80:20的比例混合，砂率取30%，水泥用量取340kg，水灰比為0.43。

各種試驗(yàn)方案的方差計(jì)算如表4。

表 4 配合比試驗(yàn)方差統(tǒng)計(jì)表

從各因素的方差統(tǒng)計(jì)表中F比值來(lái)看，水泥用量的F比值(3.224)>F0.1(3.11)，說(shuō)明在配合比試驗(yàn)中，水泥用量的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響，相對(duì)而言，其他因素的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有顯著的差異。

現(xiàn)場(chǎng)最終采用的配合比見(jiàn)表5。

表 5 新型抗彎拉水泥混凝土配合比

3 結(jié)論

大修路段交工驗(yàn)收抽檢項(xiàng)目中抗彎拉強(qiáng)度合格率100%，較常規(guī)混凝土提高15%以上。施工面板厚度、路面寬度、橫坡度、抗滑構(gòu)造深度也均合格。在運(yùn)營(yíng)半年后，路況良好，未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂斷板等早期破壞，應(yīng)用效果仍在繼續(xù)跟蹤檢查?？偨Y(jié)配合比設(shè)計(jì)及實(shí)踐過(guò)程，結(jié)論如下：

(1)新型抗彎拉水泥混凝土施工工藝與常規(guī)混凝土無(wú)明顯區(qū)別，只是新型混凝土振搗前因呈固態(tài)趨勢(shì)，坍落度幾乎為零，對(duì)施工提出了較高要求。在實(shí)施中，應(yīng)對(duì)振搗棒間距適當(dāng)加密，以強(qiáng)化振搗，防止漏振。

(2)關(guān)于新型抗彎拉水泥混凝土路面粗骨料的粒徑，粗骨料應(yīng)以10-20mm和20-40mm兩種規(guī)格為主，顆粒形狀要好，針片狀含量要低。

(3)本次正交試驗(yàn)使用粗骨料級(jí)配、砂率、水泥用量和水灰比等四個(gè)因素，沒(méi)有安排誤差項(xiàng)，人為、環(huán)境等因素所造成的試驗(yàn)誤差可能對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確度及適用性造成一定的影響。

[1]劉永中.對(duì)影響水泥混凝土路面彎拉強(qiáng)度因素的探討[J].交通世界(建養(yǎng)·機(jī)械),2011(8):120-121.

[2]蔣新明.滁州公路科技創(chuàng)新專(zhuān)題報(bào)告——新型抗彎拉水泥混凝土路面[R].滁州：安徽省滁州市公路管理局，2014 .

[3]趙春科.正交實(shí)驗(yàn)法在水泥混凝土路面配合比中的應(yīng)用[J].交通世界(建養(yǎng)·機(jī)械),2011(5):118-120.

[4]JTG/T F30—2014，公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則[S].

[5]周小冬,黃斌,張大斌.大粒徑級(jí)配碎石在路網(wǎng)工程中的應(yīng)用[J].西部交通科技,2017(10):27-30.

[6]鹿永久.“正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)”在混凝土配合比設(shè)計(jì)中的運(yùn)用[J].云南水力發(fā)電,2016,32(1):22-25

[7]師暉軍.大粒徑級(jí)配碎石在舊水泥路面改建中的應(yīng)用技術(shù)研究[J].中外公路,2009,29(5):243-245.