基于公路工程的超高強密實混凝土配合比設(shè)計探析

劉從宇

摘要 文章針對公路工程超高強度密實混凝土的設(shè)計問題展開研究，以樂西高速公路工程為例，結(jié)合混凝土配合比設(shè)計準則與案例工程實際情況，對C50混凝土的原材料和級配比進行研究，并且對混凝土的應(yīng)用性能進行檢驗。研究結(jié)果表明，混凝土試件在經(jīng)過120次硫酸鹽干濕循環(huán)后的抗壓強度系數(shù)分別為98.7%、93.2%、93.4%、98.9%；而經(jīng)過150次硫酸鹽干濕循環(huán)后的抗壓強度系數(shù)分別為98.4%、86.6%、92.5%、98.4%，均高于75%的抗壓水平，說明研究提出的C50混凝土配合比方案具有良好的抗壓性與抗腐蝕性。

關(guān)鍵詞 公路工程；超高強；混凝土；設(shè)計

中圖分類號 U418.8文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0093-03

0 引言

隨著公路工程施工質(zhì)量的提高，對于技術(shù)工藝、材料應(yīng)用的要求也愈加嚴格，將超高強密實混凝土應(yīng)用于路橋工程，能夠大幅度提高工程質(zhì)量。超高強密實混凝土具有良好的抗壓強度與抗折強度，能夠承受更大的荷載壓力。同時，這類混凝土具有極高密實度，能夠防止水、氣體與有害物質(zhì)等侵入，能夠提高混凝土的耐久性，對于公路工程建設(shè)具有重要意義。

1 工程概況

該文以樂西高速S2-5公路工程為例，該工程全長共21.88 km，起始樁號為K132+0.35，沿線經(jīng)過慶恒鄉(xiāng)、竹核鄉(xiāng)、阿并洛古鄉(xiāng)、谷曲鄉(xiāng)、城北鄉(xiāng)等地區(qū)，終點樁號為K153+916.903。該公路工程共包括4座隧道：1座短隧道、1座中長隧道、2座長隧道。主線橋梁17座：大橋15座，中橋2座。公路設(shè)計時速為80 km/h。為保證路橋施工段質(zhì)量，采用超高強密實混凝土技術(shù)。

2 超高強密實混凝土設(shè)計依據(jù)及材料要求

2.1 設(shè)計依據(jù)

案例工程在進行公路施工混凝土配比設(shè)計時，嚴格遵守《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011）、《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650—2020）、《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG 3420—2020）等設(shè)計依據(jù)。同時，根據(jù)樂山至西昌高速公路施工的設(shè)計圖紙，結(jié)合工藝參數(shù)要求，開展C35混凝土與C50混凝土配比的設(shè)計工作。

2.2 混凝土原材料

鑒于C50混凝土的應(yīng)用性能，應(yīng)明確原材料內(nèi)容，具體如表1所示。此外在技術(shù)要求方面，C50混凝土的坍落度要求均為140～180 mm[1]。

3 公路工程超高強密實混凝土配合比設(shè)計策略

開展公路工程混凝土配合比設(shè)計時，首先明確混凝土配合比計算情況，逐個確定水泥、粉煤灰、細集料、粗集料、拌和水以及減水劑的用量；隨后確定配合比設(shè)計方案；最終，根據(jù)混凝土抗壓強度檢測結(jié)果，確定C50超高強密實混凝土的理論配合比，主要流程如圖1所示[2]。

3.1 混凝土配合比計算

由于C50混凝土較C35混凝土擁有更高的應(yīng)用強度，屬于公路工程高強密實混凝土范疇，因此該文將針對C50混凝土的配合比設(shè)計策略展開詳細闡述。

首先確定C50混凝土的配置強度，具體如下：

fcu.0=fcu.k+1.654σ=50+1.645×6.0=59.9 MPa

式中，fcu.0——混凝土的配置強度；fcu.k——混凝土的設(shè)計強度等級值；σ——混凝土強度標準差。

隨后計算C35混凝土的水灰比，具體如下：

W/B=aa·fb/（ fcu.0+aa·ab·fb）

=（0.53×55.6）/（59.9+0.53×0.20×55.6）=0.45

式中，W/B——混凝土水灰比數(shù)值；aa、ab——回歸系數(shù)；其中碎石aa取0.53，ab取0.20。進而得到：

fb=γfγsfce=0.85×65.4=55.6 MPa

式中，fce——水泥28 d膠砂的抗壓強度，實測值為65.4 MPa；同時粉煤灰影響系數(shù)γf值為0.85。因此，根據(jù)案例工程施工現(xiàn)場要求，將C50混凝土的水灰比設(shè)定為0.32。

隨后確定單位用水量，根據(jù)施工坍落度140～180 mm的要求，按照坍落度每增大20 mm用水量增加5 kg的計算方式，得出：

（160?90）/20×5=17.5，215+17.5=232.5 kg/m3

因為C35混凝土減水劑的減水率為26%，因此推導(dǎo)出混凝土單位用水量為163 kg/m3。

對膠凝材料用料進行計算。根據(jù)粉煤灰產(chǎn)量為膠凝材料總量的16%，計算出膠凝材料為509 kg/m3，粉煤灰用量為76 kg/m3，推導(dǎo)出水泥用量為433 kg/m3。此外，經(jīng)過多次試驗，在減水劑產(chǎn)量βj為1.2%的前提下，計算出減水劑用量為6.11 kg/m3。

計算粗集料與細集料的用量。假定混凝土拌和物的表現(xiàn)密度為2 500 kg/m3，可以計算出粗集料ms0為749 kg；

細骨料mg0為1 079 kg。初步確定C50混凝土的水泥∶粉煤灰∶細集料∶粗集料∶水∶減水劑的級配為：509∶76∶7 749∶1 079∶163∶6.11。

3.2 試拌與調(diào)整

在公路工程超高強密實混凝土配合比設(shè)計中，試拌與配合比調(diào)整的主要內(nèi)容是確定攪拌機的投料順序和每階段的投料量，根據(jù)高強度混凝土的應(yīng)用要求，明確攪拌時間與振搗方式[3]。具體在試拌階段，按水泥∶粉煤灰∶細集料∶粗集料∶水∶減水劑=509∶76∶749∶1 079∶163∶6.11的情況進行試拌，實際用水量為150 kg/m3；并對混凝土拌和物進行檢測，得到坍落度為165 mm，粘聚性良好、保水性無、棍度為上，實測容重為2 520 kg/m3，具體如表2所示。

為提高混凝土的耐久性，根據(jù)經(jīng)濟合理、保證施工質(zhì)量、方便施工混凝土和易性的原則，結(jié)合設(shè)計文件要求，進一步優(yōu)化得出理論配合比，以實際用水量和水灰比不變的情況下重新計算膠凝材料用量。具體如下：

mb0=mw0/（W/B）=150/0.32=469 kg/m3

根據(jù)上述算式，求得粉煤灰產(chǎn)量為膠凝材料總量的15%，即為70 kg/m3；水泥用量為399 kg/m3，滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTL/T 3650—2020）要求。

在確定C50混凝土用水量、膠凝材料用量以及砂率后，得出每平方米基礎(chǔ)混凝土材料用料方案，具體為水泥∶粉煤灰∶細集料∶粗集料∶水∶減水劑=399∶70∶771∶1 110∶150∶5.63。同時，當用水量不變時，水灰比要增加0.03，基準配合比要減少0.03，砂率要相應(yīng)增加或減少1%。采用水灰比0.35、0.32、0.29三種方案，分別推導(dǎo)出三種配合比方案的材料用量。

按照表3中的C50混凝土設(shè)計方案，在試驗室內(nèi)試拌25 L混凝土，具體情況如表3所示。根據(jù)表3中數(shù)據(jù)結(jié)果得知，C50混凝土和易性良好。如果試拌時發(fā)現(xiàn)坍落度太小，需要加大水和水泥的用量。反之，當發(fā)現(xiàn)坍落度過大時，則要適當減少用水量。此外，還應(yīng)注意調(diào)整砂率與外加劑摻量，如果試拌時發(fā)現(xiàn)混凝土的和易性較差，還要合理使用外加劑。

3.3 配合比確定

根據(jù)C50混凝土的試拌與調(diào)整結(jié)果，確定其細節(jié)內(nèi)容。例如對混凝土配合比拌和物的表觀密度進行計算：

pc，c=mc+mf+mg+ms+mw （1）

綜合計算混凝土拌和物實測表觀密度與理論觀密度的偏差情況，整理出3種設(shè)計方案，具體如下：

1#方案：（2 530?2 500）/2 500×100%=1.2%＜2%，該配合比不需要做調(diào)整。

2#方案：（2 510?2 500）/2 500×100%=0.4%＜2%，該配合比不需要做調(diào)整。

3#方案：（2 520?2 500）/2 500×100%=0.8%＜2%，該配合比不需要做調(diào)整。

三種混凝土配合比設(shè)計方案如表4所示。

根據(jù)調(diào)整后的混凝土配合比設(shè)計方案，擬定在試驗室進行三種方案的試拌，制作試件后進行強度檢測。具體是針對7 d與28 d后的混凝土抗壓強度進行計算，具體如表5所示：

3.4 確定理論比

最終根據(jù)上述設(shè)計結(jié)果，在滿足案例工程工藝要求的基礎(chǔ)上，還要考慮經(jīng)濟性原則，選擇2#方案。然后，對C50混凝土配合比作出調(diào)整，將水泥∶粉煤灰∶細集料∶粗集料∶水∶減水劑的配合比方案設(shè)為：399∶70∶771∶1 110∶150∶5.63。質(zhì)量比情況為：（0.85∶0.15）：1.64∶2.37∶0.32∶0.012。

4 公路工程超高強密實混凝土應(yīng)用效果試驗

為檢驗該文提出的C50混凝土配合比方案應(yīng)用效果，采用硫酸鹽侵蝕檢測方法，將混凝土試件放置到標準養(yǎng)護室內(nèi)，28 d后放入80 ℃烘干箱內(nèi)烘干處理48 h。隨后將混凝土試件放到干燥環(huán)境中冷卻到正常室溫，進行硫酸鹽侵蝕檢驗。具體是選擇4組混凝土試件加入5%的Na2SO4溶液中，試驗結(jié)果如表6所示：

根據(jù)混凝土試驗結(jié)果可知，混凝土試件在經(jīng)過120次硫酸鹽干濕循環(huán)后，抗壓強度系數(shù)分別為98.7%、93.2%、93.4%、98.9%；在經(jīng)過150次硫酸鹽干濕循環(huán)后的抗壓強度系數(shù)分別為98.4%、86.6%、92.5%、98.4%，均高于75%抗壓水平，說明研究提出的C50混凝土配合比方案具有良好的抗壓性與抗腐蝕性，能夠保證混凝土工程的長期應(yīng)用質(zhì)量。

5 結(jié)論

綜上所述，在公路工程施工階段，引入超高強度密實混凝土技術(shù)工藝，能夠大幅度提高混凝土應(yīng)用質(zhì)量與使用壽命，為路橋工程的正常運行提供長效保障。該文基于具體案例，針對C50混凝土配合比設(shè)計策略展開研究，首先闡述設(shè)計依據(jù)與混凝土原材料；隨后逐次展開混凝土配合比計算，試拌與調(diào)整，配合比確定，確定理論比；最后針對C50混凝土應(yīng)用質(zhì)量進行試驗，可知混凝土試件在經(jīng)過120次硫酸鹽干濕循環(huán)后的抗壓強度系數(shù)分別為98.7%、93.2%、93.4%、98.9%；在經(jīng)過150次硫酸鹽干濕循環(huán)后的抗壓強度系數(shù)分別為98.4%、86.6%、92.5%、98.4%，均高于75%抗壓水平，說明研究提出的C50混凝土配合比具有良好的抗壓性與抗腐蝕性能，能夠為案例工程提供質(zhì)量保障。

參考文獻

[1]陳鵬， 張望鵬. 基于公路改擴建舊混凝土路面回收集料的再生水穩(wěn)基層應(yīng)用研究[J]. 湖南交通科技， 2023（4）： 60-64.

[2]肖燕. 露石水泥混凝土路面在公路隧道施工中的應(yīng)用[J]. 交通世界， 2023（36）： 154-156.

[3]余紅香. 公路路面施工中鋼纖維混凝土技術(shù)的應(yīng)用[J]. 交通世界， 2023（36）： 52-54.