新型抗彎拉水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究

譚邦宏

摘要：文章結(jié)合廣西南寧繞城高速西段玉洞至安吉路面改造工程實(shí)例，通過(guò)優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，對(duì)新型抗彎拉水泥混凝土的工作性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并介紹了其工程應(yīng)用及施工方法。

關(guān)鍵詞：高抗折混凝土;配合比設(shè)計(jì);嵌鎖骨架結(jié)構(gòu);社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

中圖分類號(hào)：U416.216A060203

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國(guó)內(nèi)許多高速公路面臨著“重載、大流量和渠化交通”的特點(diǎn)，且道路損壞需要長(zhǎng)時(shí)間修補(bǔ)，對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響越來(lái)越明顯。據(jù)此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者，針對(duì)提高早期混凝土抗折強(qiáng)度進(jìn)行了深入研究[1-3]，大多集中在引用新型材料提高早期抗折強(qiáng)度，取得了明顯的效果。這些材料種類可分為三類：（1）無(wú)機(jī)類修復(fù)材料，一般采用的是用特種水泥或者用早強(qiáng)劑+普通硅酸鹽水泥手段達(dá)到早強(qiáng)的效果;（2）有機(jī)樹脂類材料，包括環(huán)氧樹脂、改性環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和改性酚醛樹脂類、聚氨醋類、烯類、橡膠類、瀝青類等粘合劑;（3）聚合物改性水泥基材料，聚合物種類包括水溶性膠粉類如聚環(huán)氧乙烷、醋酸乙烯酯—乙烯共聚樹脂等，乳液類如丁苯乳液、純丙乳液、氯丁乳液、丙烯酸乳液等。這些材料價(jià)格較高，且耐久性、防水性能、耐疲勞性、環(huán)保性能有待進(jìn)一步研究，工程普及率較低，在邊通車邊大規(guī)模進(jìn)行路面改造中，耗費(fèi)成本高。因此，需要針對(duì)邊通車邊大規(guī)模進(jìn)行路面改造中所需的道路混凝土進(jìn)行優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)研究，以保證在價(jià)格不明顯提高的情況下，同時(shí)提高早期抗彎拉強(qiáng)度和后期強(qiáng)度，這對(duì)于3 d抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到5 MPa要求的大規(guī)模路面改造具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

普通硅酸鹽水泥：華潤(rùn)水泥（南寧）有限公司生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥。砂：廣西欽州和富砂場(chǎng)Ⅱ區(qū)中砂，級(jí)配良好，Mx=2.72，表觀密度ρms=2 700 kg/m3，堆積密度ρ=1 640 kg/m3。粗集料：廣西南寧市蘇圩鎮(zhèn)華昊采石場(chǎng)，最大粒徑31.5 mm，表觀密度ρ=2.697 kg/m3，堆積密度ρ=1 540 kg/m3。水：飲用水。減水劑：南寧市鑫正冠建材化工有限公司，WYF緩凝型高性能減水劑，減水率為32%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料配合比

本試驗(yàn)新型抗彎拉水泥混凝土路面配合比設(shè)計(jì)的特點(diǎn)為骨料含量大達(dá)到55.26%，其中19～31.5 mm碎石27.63%，9.5～19.0 mm碎石22.11%。

1.2.1.1 確定混凝土配制強(qiáng)度（fcu，o）

fcu，o=fcu，k+1.645×σ（因fcu，k=40 MPa，故σ=5.0 MPa）=40+1.645×5.0=48.2 MPa

1.2.1.2 計(jì)算水灰比（W/C）

（1）按強(qiáng)度要求計(jì)算水膠比

已知fce=52.8 MPa，fcu，o=48.2 MPa，采用碎石取αa=0.53，αb=0.20;

W/C=αa·fce/（fcu，o+αa·αb·fce）=0.53×52.8/（48.2+0.53×0.20×52.8）=0.52

（2）按耐久性校核水灰比

根據(jù)混凝土所處的環(huán)境，按經(jīng)驗(yàn)采用水灰比為0.34。

（3）計(jì)算水泥單位用量（mco）

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》設(shè)計(jì)坍落度150 mm，取用水量215 kg。外加劑減水率為29%，則用水量為225-（215×0.29）=163 kg。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、使用材料及試拌情況，取用水量為mw=136/m3;

mco=mwo/（W/C）=136/0.34=400 kg/m3

（4）選定砂率（βs）

已知該混凝土集料采用碎石，最大粒徑dmax=31.5 mm;砂率經(jīng)試拌選?。害聅=37%。

（5）計(jì)算砂石用量（mso、mgo）

采用質(zhì)量法：假定混凝土拌和物濕表觀密度mcp=2 554 kg/m3，砂率βs=38%，得式（1）～（3）：

1.2.2 性能測(cè)試方法

本試驗(yàn)測(cè)試方法主要依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30-2005）、《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50081-2002）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工作性

經(jīng)試拌檢測(cè)，混凝土實(shí)測(cè)坍落度為153 mm，容重為2 451 kg/m3，和易性、粘聚性及流動(dòng)性較好。初凝時(shí)間為168 min，終凝時(shí)間為246 min。

2.2 力學(xué)性能

對(duì)于不同交通等級(jí)的水泥混凝土路面，設(shè)計(jì)的抗彎拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度有所差異。對(duì)于搶修道路工程，交通量不大的情況下，抗壓強(qiáng)度達(dá)到20 MPa，抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到3.5 MPa，即可初步通車[4]。但是本項(xiàng)目廣西南寧繞城高速西段玉洞至安吉路面改造工程，車流量大，屬于特重交通等級(jí)，設(shè)計(jì)要求為3 d抗彎拉強(qiáng)度>5 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度>50 MPa，經(jīng)檢測(cè)本實(shí)驗(yàn)新型抗彎拉水泥混凝土強(qiáng)度數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表2，與表3抗彎拉水泥混凝土配合比[3][5]相比明顯提高，主要是由于提高了粗集料和水泥用量。影響水泥混凝土抗折彈性模量的因素較多，除了試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)方法外，還有水泥種類、粗集料的最大粒徑和品種以及混凝土配合比等。

由表3表明水泥混凝土抗彎拉強(qiáng)度是多種因素的結(jié)果。而高強(qiáng)度抗彎拉水泥混凝土中粗細(xì)集料構(gòu)成的嵌鎖骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)能夠阻斷裂縫的展開(kāi);細(xì)集料和水泥能夠使粗集料形成不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)形式，粗集料相互嵌鎖、緊密排列，增大集料之間的咬合力，減少集料與水泥粘結(jié)力;級(jí)配良好的粗集料構(gòu)成的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)還可以充分利用自身粗集料的強(qiáng)度，提高抗折強(qiáng)度。

3 工程應(yīng)用及施工方法

根據(jù)《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》（JTGF30-2014）及實(shí)際拌和過(guò)程中水泥、粗集料、水等各種原材料實(shí)際用量情況，對(duì)新型抗彎拉水泥混凝土路面配合比進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，詳見(jiàn)表4。

如圖1所示，本項(xiàng)目依據(jù)的新型抗彎拉水泥混凝土施工配合比設(shè)計(jì)施工后，3 d抗彎拉強(qiáng)度平均值達(dá)到5.16 MPa。滿足設(shè)計(jì)要求的5 MPa。

高抗折強(qiáng)度路面混凝土在滿足耐久性、力學(xué)性能和施工的條件下，同時(shí)應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。水泥對(duì)于強(qiáng)度所起的貢獻(xiàn)主要為水泥水化作用，水泥含量過(guò)大，保養(yǎng)不當(dāng)容易發(fā)生收縮開(kāi)裂，同時(shí)也對(duì)耐久性和體積穩(wěn)定性產(chǎn)生影響;過(guò)小則水化熱產(chǎn)生的化學(xué)鍵不足以支撐所要求的強(qiáng)度。在不摻其他外加劑情況下，優(yōu)化各檔粗細(xì)集料、水泥、減水劑配合比，同時(shí)使用壓碎值低、含泥量少、針片狀含量少的粗集料，對(duì)于提高高抗折強(qiáng)度路面混凝土的經(jīng)濟(jì)性具有重要的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）依據(jù)本新型抗彎拉水泥混凝土路面配合比，進(jìn)行的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)3 d抗折強(qiáng)度達(dá)到5.31 MPa，路面施工期間，3 d抗彎拉強(qiáng)度平均值達(dá)到5.16 MPa，滿足設(shè)計(jì)通車要求的5 MPa，對(duì)于邊通車邊大規(guī)模進(jìn)行路面改造項(xiàng)目具有重要經(jīng)濟(jì)意義。

（2）通過(guò)優(yōu)化配合比，發(fā)現(xiàn)早期強(qiáng)度有明顯的提高，而對(duì)于28 d抗折強(qiáng)度提高不明顯。

（3）早期高抗折強(qiáng)度混凝土路面應(yīng)同時(shí)具有高耐久性。在各種物理力學(xué)作用和化學(xué)介質(zhì)侵蝕下應(yīng)具有較好的抗化學(xué)腐蝕性、抗凍性、抗滑性及其保持率、耐磨性、耐疲勞性、抗沖擊性和抗?jié)B性等。

（4）本項(xiàng)目中，3 d抗折強(qiáng)度室內(nèi)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果明顯高于施工期檢測(cè)結(jié)果，主要為過(guò)小的水灰比，在大體積混凝土施工中，振搗不到位，遺留下的部分未水化的水泥核，可能會(huì)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中繼續(xù)水化，帶來(lái)體積不穩(wěn)定或較大自收縮。同時(shí)，低的水灰比在保養(yǎng)中需要更多的水，如保養(yǎng)過(guò)程中澆水不及時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生較大的收縮開(kāi)裂。

參考文獻(xiàn)：

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收稿日期：2020-04-17