次輕骨料混凝土預制路面板力學性能研究

孫 舒，陳鵬，王月華，葉偉

（泰州職業(yè)技術(shù)學院建筑工程學院，江蘇 泰州 225300）

0 引言

根據(jù)交通運輸部的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至2018 年年底，我國公路總里程已達484.65 萬公里。但是水泥混凝土路面在高速公路和二級以上公路占比不足10%， 其主要原因除了水泥路面行駛舒適性差外，更多的是水泥混凝土路面維護保養(yǎng)需要較長的封閉期，影響交通通行。

水泥混凝土預制路面拼裝修復可以利用通行壓力小的夜間進行施工，具有成本低、污染小和施工干擾少等優(yōu)點。

預制路面板尺寸與自重是影響預制拼裝質(zhì)量和難度的關(guān)鍵因素[1]。 尺寸過大不便于運輸和吊裝，而小尺寸路面板雖易于安裝但會導制路面接縫增加， 從而影響路基性能導制路面平整度差、 病害增多。采用頁巖陶粒部分替換混凝土中的粗骨料（下稱“混合骨料”）， 在保證混凝土路用性能的前提下，可降低混凝土的重量[2]。

1 次輕骨料混凝土制備

1.1 試驗材料

水泥采用泰州海螺公司生產(chǎn)的42.5 普通硅酸鹽水泥，基本性能指標如表1 所示。

表1 硅酸鹽水泥性能指標

細集料為表觀密度2 730 kg/m3的河砂， 含泥量為1.2%。對砂進行篩分試驗，篩分結(jié)果如表2 所示，細度模數(shù)為2.82，符合建筑用砂規(guī)范中II 區(qū)級配砂的要求，含泥量為1.2%。

表2 混凝土用砂篩分結(jié)果

粗集料采用表觀密度為2 810 kg/m3、 松堆密度為1 590 kg/m3、壓碎值為24%的石灰?guī)r碎石，為控制集料的配比，采用三檔料（大料19～31.5 mm、中料 9.5～19 mm、小料 4.75～9 mm）進行混合。

陶粒采用南通市大地陶粒有限公司生產(chǎn)的頁巖型陶粒，其性能指標如表3 所示。

表3 陶粒性能指標

減水劑選用南京蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的JM－PCA（I）聚羧酸高效減水劑（減水率為18%～22%)。

1.2 構(gòu)件制作

根據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》（JGJ51—2002）(下稱“規(guī)程”)要求，陶粒混凝土抗壓強度試驗采用邊長為150 mm 的立方體試件， 抗折試驗構(gòu)件尺寸為 100 mm×100 mm×400 mm。參照組為 C40 普通混凝土（陶粒摻量為0%），表觀密度為2 480 kg/m3，水灰比為0.49，砂率為35%，減水劑為1%。

《規(guī)程》 要求陶?；炷恋乃涠葹?0～80 mm（預制板等構(gòu)件），本試驗取 30～50 mm。 同時粗骨料最大粒徑為31.5 mm，根據(jù)混凝土單位用水量選用表可得，單位用水量為185 kg，減水率為18%，因此，用水量為 185×（1－18%）=151.7 kg，水泥用量為151.7/0.49=309.6 kg。 根據(jù)砂率和質(zhì)量關(guān)系可得，砂的質(zhì)量為706.5 kg，石子的質(zhì)量為1 312 kg。本試驗依據(jù)《規(guī)程》要求，陶?；炷恋呐浜媳劝唇^對體積法進行設計。

陶粒摻量過高會導致混凝土拌合困難，因此本試驗中陶粒摻量大于60%的不作研究。 陶粒按粗骨料體積的20%、30%、40%、50%、60%進行替換，具體配比見表4。

表4 混合骨料混凝土配合比

2 試驗結(jié)果分析

抗壓試驗與抗折試驗每個替換率分3 組（標準養(yǎng)護 3 d，7 d 與 28 d），每組三個試件，共需要 3×3×6=54 個試件。 其抗壓強度和抗折強度如表5 所示。

表5 陶?；炷翉姸?/p>

2.1 表觀密度

如圖1 所示，陶粒按比例替換粗骨料能顯著降低混凝土自重，但在拌合過程中發(fā)現(xiàn)，當陶粒摻量過高時會出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，因此應當限制陶粒最大替換率為60%。替換率為30%和60%的次輕混凝土的表觀密度比普通混凝土降低了約7.6%，16.2%。 以2.5×4×0.2 m3的路面板為例， 平均每塊路面板可減輕自重約 374 kg、794 kg。

圖1 次輕混凝土表觀密度

2.2 抗壓強度

通過表5 和圖2 可以得出， 隨著替換率的增大，次輕骨料混凝土的抗壓強度逐漸降低。 替換率在30%以后，其抗壓強度降低較少，主要原因是粗骨料的粒徑較大，而陶粒的粒徑較小，鑲嵌在粗骨料中間， 使替換率在30%內(nèi)的次輕混凝土的抗壓強度降低較少。

圖2 次輕混凝土抗壓強度

此外，隨著替換率的增大，次輕混凝土初期強度較低，但后期強度（28 d）增幅較大，如替換率為60%的次輕混凝土28 d 抗壓強度比3 d 增大了26.9 MPa，增大近2.6 倍。 其主要原因是混凝土中水泥水化反應初期的強度未充分發(fā)揮，試件強度受骨料影響較為明顯， 而陶粒強度相比碎石要低很多，從而使得替換率高的次輕混凝土的初期強度較低。 但是隨著養(yǎng)護時間的增長，水泥與骨料形成整體，試件的破壞不僅受骨料的影響，也取決于水泥與骨料之間的連接。

2.3 抗折強度

如圖3 所示，次輕骨料混凝土的抗折強度在替換率達到20%時，強度顯著下降，但在后期隨著替換率的增大，其抗折強度基本無變化。 結(jié)合抗壓強度可以發(fā)現(xiàn)， 抗折強度隨著替換率的增大降低較少，主要是因為抗折強度由水泥的強度決定，與骨料的相關(guān)性影響較小。

圖3 次輕骨料混凝土抗折強度

3 結(jié)語

陶粒的摻入能顯著降低混凝土自重，但是當摻量過大時，會導致混凝土的拌合出現(xiàn)困難。 隨著替換率的增大，其抗壓強度和抗折強度均出現(xiàn)明顯下降， 但是抗折強度主要與水泥強度的相關(guān)性有關(guān)，因此隨著替換率的增大，其抗折強度降低較少。 研究發(fā)現(xiàn)， 替換率在30%左右的次輕混凝土作為預制路面板是較佳的選擇。