新型抗弯拉水泥混凝土路面配合比正交试验设计*

2018-01-19黄文富王进思马健林袁宏成

武汉交通职业学院学报 2017年4期

黄文富王进思马健林袁宏成

(1.荆州市公路局，湖北荆州 434000；2.武汉交通职业学院，湖北武汉 430074； 3.湖北交通职业技术学院，湖北武汉 430079)

随着我国国民经济和公路交通运输事业的高速发展，公路运输出现了“重载、大流量和渠化交通”的特点，重型货车及超载车辆急剧上升，引起实际累计标准轴次的急剧增加，导致路面过早破坏，因而对公路路面的结构强度和使用性能提出了更高的要求。但一直以来，我国在水泥混凝土强度方面的研究以抗压强度为主，现在已能配制C100以上的高强混凝土，但对抗弯拉强度的研究一直沿用抗压理论。现行《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F30—2014)配合比设计采用连续级配，实际工程应用中，往往胶砂富余过多，导致抗弯拉强度不高。通常解决的办法是增加水泥用量和添加减水剂[1]，然而，成本的增加未必使强度得到提高。新型抗弯拉水泥混凝土路面提出了减少“富余胶砂”作为提高抗弯拉强度的主要技术路径，设计的目标即为形成骨架密实型混凝土，从而提高混凝土路面的抗弯拉强度。即通过增加粗集料用量，改进粗集料级配，优化水泥胶砂用量，形成骨架密实水泥混凝土，该结构具有骨架增强、粗集料阻裂、抵抗温度变形、节省水泥用量等特点，相对于普通混凝土路面，新型抗弯拉水泥混凝土路面具有强度高、成本低等技术优势，现处于推广应用阶段。

1 工程概括

207国道荆州区段超重、超限车流量巨大，水泥混凝土路面断板开裂严重。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年又会出现同样的病害，并没有从根本上解决问题，周而复始地耗费养护资金。如不引进新的大修理念和技术，将难以解决公路技术性能和使用寿命的难题。2012年，安徽公路科技进步计划项目——改进型路用水泥混凝土试验和应用研究通过了验收鉴定[2]，并入选交通运输部2015年交通科技推广目录。经过交流学习，荆州市公路管理局决定将该科技成果应用到荆州市公安县207国道南平至鲍关、章庄铺至东岳庙两段大修项目上，验证并进一步完善抗弯拉水泥混凝土试验和应用研究成果，为最终应用到207国道荆州全段提供决策依据。大修段公路等级为二级公路，设计行车速度为60km/h，路基宽12.0m，路面宽9.0m。路面结构自上而下依次为28cm水泥混凝土面层+18cm水泥稳定碎石基层+旧路基层，设计荷载为公路-Ⅱ级。该技术在推广应用过程中，首先需要解决的问题是：通过试验验证得出适应所在地原材料及环境的抗弯拉混凝土配合比方案。课题组在充分调研的基础上，拟运用L9(34) 正交试验方案进行适合现场条件的配合比设计。

2 配合比实验设计

强度不仅是混凝土最重要的力学性质，还与混凝土其它性能之间存在着密切的关系[3]。本项目着重研究不同级配型式水泥混凝土路面的抗弯拉强度，依据相关规定，对于混凝土路面，将28天抗弯拉强度作为本次正交试验的主要考察目标[4]，要求28天抗弯拉强度不小于5.0MPa。

2.1 影响因素

施工组织设计确定，使用宜昌华新水泥厂生产的P.O42.5水泥、松滋碎石厂碎石、洞庭湖中粗砂。

粗骨料选择：碎石的强度与粗集料的压碎值及针片状颗粒含量有关，压碎值小，针片状颗粒含量低的粗集料，其结构强度高[5]。在确定粗骨料由10-20mm碎石与20-40mm碎石按比例混合后，不单独选择容重最大为最佳级配组合，选用三种混合比例(质量比)，分析粗骨料组合对抗弯拉强度的影响，并得出最优混合比例。其中10-20mm、20-40mm碎石组成三种混合比例的粗骨料，即10 ∶90、20 ∶80、30 ∶70。

水泥用量：为了满足耐久性要求，二级公路采用42.5级水泥时最小单位水泥用量为310kg，水灰比不应大于0.46，同时通过初步配合比的计算得到水泥用量为382.7kg/m3。粗集料用量的增加导致集料表面积有一定程度的下降，从而水泥用量相应有所降低。因此，分别取水泥用量为310kg/m3、340kg/m3、370kg/m3三种水平进行混凝土配合比试验确定水泥最佳用量。

水灰比：水灰比是影响混凝土强度的最主要因素之一。为了满足耐久性要求，二级公路最大水灰比为0.46，同时通过初步配合比的计算得到水灰比为0.41。最后分别取水灰比为0.41、0.43、0.45进行强度检验。

砂率：砂率的确定是根据砂子细度模数和粗集料种类凭经验确定。根据本次试验设计思路，在现有规范的基础上适当减小砂率。砂的细度模数为3.04，通过现有规范确定的混凝土砂率为34%-38%，为突出新型抗弯拉混凝土的优点，砂率采取30%、32%、34%三种水平，拌制混凝土进行混凝土配合比试验，从而确定出最优砂率。

2.2 正交试验设计

本次配合比试验，采用正交试验设计，试验因素(列数)为4种，分别为粗骨料级配、砂率、水泥用量以及水灰比。每个因素均取3个水平值，试验因素及其水平见表1。

表 1 配合比试验因素及水平设计表

2.3 试验结果分析

根据上述配合比试验因素及其相应的水平组合，选用L9(34)正交试验表格，组成试验方案，共需进行9组配合比试验，试验方案及其组合见表2中左侧试验编号，所得到的试验结果见表2中右侧试验结果。

表 2 配合比试验结果表

(注：各因素列中1、2、3分别对应其试验水平。)

从试验结果看，新型抗弯拉混凝土的塌落度很小，各种试验方案的差值很小，同时，在安徽省滁州市的前期研究和应用中，新型抗弯拉混凝土的磨耗量完全满足规范要求。故本次配合比正交试验，以弯拉强度为考察目标，各种试验方案的平均值与极差计算如表3，各因素效应曲线见图1。

表 3 配合比试验均值与极差统计

图 1 各因素效应曲线图

从试验结果来看，各种试验方案的混凝土抗弯拉强度均大于设计要求(不小于5.0MPa)，且抗弯拉强度平均值为6.12MPa，进一步说明新型抗弯拉混凝土路面的可行性和优越性。而从极差的大小来看，极差最大的那个因素，就是最主要的因素[6]。水泥用量对抗弯拉强度的影响最大，其后依次为粗骨料级配组合、砂率、水灰比。

从图1各因素效应曲线图上看出，水泥用量从水平1(310kg)变化到水平3(370kg)，弯拉强度增长率是逐渐变小的，也说明在其他因素不变时，单纯地增加水泥用量以提高混凝土强度是不经济的。总体而言，当水泥用量在370kg时配制出试块强度是高于水泥单位用量340kg的。但是二者相差有限，而且340kg水泥用量试块的强度结果也满足设计要求。因此，从经济性方面考虑，选择单位水泥用量340kg是合适可行的。

级配是影响级配碎石强度与刚度最重要的因素之一[7]。对于混凝土的粗骨料级配组合，试验结果的极差较小，各因素效应曲线图的曲线也较为平缓，试验结果表明，按不同比例混合而成的混凝土，抗弯拉强度变化不大，说明三种按不同比例混合成的粗骨料，均能形成骨架密实型混凝土。从三种水平均值结果的比较看，水平2(10-20mm碎石：20-40mm碎石按20:80的比例混合)组合的平均值最大，相对其他组合而言，组合2是最优方案。

对于混凝土的砂率而言，试验结果的极差较小，各因素效应曲线图的曲线呈凹形，即砂率位于高点或低点时对应弯拉强度较高，而中间点对应的弯拉强度相对较低。总体来说，试验方案中砂率30%和砂率34%对应28天弯拉强度都满足设计要求，砂率34%配制的混凝土28天弯拉强度均值较砂率30%高，但为了确保粗集料更好地形成骨架，选择30%的砂率作为最终参数。

水灰比在各因素效应曲线图上的曲线较为平缓，试验结果表明，在其他试验条件一定的情况下，随着水灰比的增加，混凝土的抗弯拉强度呈下降的趋势。根据《施工技术细则》，为了满足耐久性要求，二级公路最大水灰比为0.46，同时通过初步配合比的计算得到水灰比为0.41。从经济性和施工角度来考虑，推荐水灰比取0.43。

故本课题新型抗弯拉混凝土推荐采用的配合比为：粗集料采用20-40mm和10-20mm两种规格的碎石按80:20的比例混合，砂率取30%，水泥用量取340kg，水灰比为0.43。

各种试验方案的方差计算如表4。