新型抗弯拉水泥混凝土配合比设计的应用研究

谭邦宏

摘要：文章结合广西南宁绕城高速西段玉洞至安吉路面改造工程实例，通过优化配合比设计，对新型抗弯拉水泥混凝土的工作性能进行试验研究，并介绍了其工程应用及施工方法。

关键词：高抗折混凝土;配合比设计;嵌锁骨架结构;社会经济效益

中图分类号：U416.216A060203

0 引言

随着城镇化和经济发展，国内许多高速公路面临着“重载、大流量和渠化交通”的特点，且道路损坏需要长时间修补，对经济的影响越来越明显。据此，国内外许多学者，针对提高早期混凝土抗折强度进行了深入研究[1-3]，大多集中在引用新型材料提高早期抗折强度，取得了明显的效果。这些材料种类可分为三类：（1）无机类修复材料，一般采用的是用特种水泥或者用早强剂+普通硅酸盐水泥手段达到早强的效果;（2）有机树脂类材料，包括环氧树脂、改性环氧树脂、酚醛树脂和改性酚醛树脂类、聚氨醋类、烯类、橡胶类、沥青类等粘合剂;（3）聚合物改性水泥基材料，聚合物种类包括水溶性胶粉类如聚环氧乙烷、醋酸乙烯酯—乙烯共聚树脂等，乳液类如丁苯乳液、纯丙乳液、氯丁乳液、丙烯酸乳液等。这些材料价格较高，且耐久性、防水性能、耐疲劳性、环保性能有待进一步研究，工程普及率较低，在边通车边大规模进行路面改造中，耗费成本高。因此，需要针对边通车边大规模进行路面改造中所需的道路混凝土进行优化配合比设计研究，以保证在价格不明显提高的情况下，同时提高早期抗弯拉強度和后期强度，这对于3 d抗弯拉强度达到5 MPa要求的大规模路面改造具有重要的现实意义。

1 试验

1.1 原材料

普通硅酸盐水泥：华润水泥（南宁）有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥。砂：广西钦州和富砂场Ⅱ区中砂，级配良好，Mx=2.72，表观密度ρms=2 700 kg/m3，堆积密度ρ=1 640 kg/m3。粗集料：广西南宁市苏圩镇华昊采石场，最大粒径31.5 mm，表观密度ρ=2.697 kg/m3，堆积密度ρ=1 540 kg/m3。水：饮用水。减水剂：南宁市鑫正冠建材化工有限公司，WYF缓凝型高性能减水剂，减水率为32%。

1.2 试验方法

1.2.1 材料配合比

本试验新型抗弯拉水泥混凝土路面配合比设计的特点为骨料含量大达到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 确定混凝土配制强度（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 计算水灰比（W/C）

（1）按强度要求计算水胶比

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

根据混凝土所处的环境，按经验采用水灰比为0.34。

（3）计算水泥单位用量（mco）

根据《普通混凝土配合比设计规程》设计坍落度150 mm，取用水量215 kg。外加剂减水率为29%，则用水量为225-（215×0.29）=163 kg。根据经验、使用材料及试拌情况，取用水量为mw=136/m3;

mco=mwo/（W/C）=136/0.34=400 kg/m3

（4）选定砂率（βs）

已知该混凝土集料采用碎石，最大粒径dmax=31.5 mm;砂率经试拌选取：βs=37%。

（5）计算砂石用量（mso、mgo）

采用质量法：假定混凝土拌和物湿表观密度mcp=2 554 kg/m3，砂率βs=38%，得式（1）～（3）：

1.2.2 性能测试方法

本试验测试方法主要依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）、《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GBT 50081-2002）。

2 实验结果与分析

2.1 工作性

经试拌检测，混凝土实测坍落度为153 mm，容重为2 451 kg/m3，和易性、粘聚性及流动性较好。初凝时间为168 min，终凝时间为246 min。

2.2 力学性能

对于不同交通等级的水泥混凝土路面，设计的抗弯拉强度和抗压强度有所差异。对于抢修道路工程，交通量不大的情况下，抗压强度达到20 MPa，抗弯拉强度达到3.5 MPa，即可初步通车[4]。但是本项目广西南宁绕城高速西段玉洞至安吉路面改造工程，车流量大，属于特重交通等级，设计要求为3 d抗弯拉强度>5 MPa，28 d抗压强度>50 MPa，经检测本实验新型抗弯拉水泥混凝土强度数据详见表2，与表3抗弯拉水泥混凝土配合比[3][5]相比明显提高，主要是由于提高了粗集料和水泥用量。影响水泥混凝土抗折弹性模量的因素较多，除了试验仪器和试验方法外，还有水泥种类、粗集料的最大粒径和品种以及混凝土配合比等。

由表3表明水泥混凝土抗弯拉强度是多种因素的结果。而高强度抗弯拉水泥混凝土中粗细集料构成的嵌锁骨架密实结构能够阻断裂缝的展开;细集料和水泥能够使粗集料形成不规则网络形式，粗集料相互嵌锁、紧密排列，增大集料之间的咬合力，减少集料与水泥粘结力;级配良好的粗集料构成的骨架密实结构还可以充分利用自身粗集料的强度，提高抗折强度。

3 工程应用及施工方法

根据《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTGF30-2014）及实际拌和过程中水泥、粗集料、水等各种原材料实际用量情况，对新型抗弯拉水泥混凝土路面配合比进行了优化调整，详见表4。

如图1所示，本项目依据的新型抗弯拉水泥混凝土施工配合比设计施工后，3 d抗弯拉强度平均值达到5.16 MPa。满足设计要求的5 MPa。

高抗折强度路面混凝土在满足耐久性、力学性能和施工的条件下，同时应考虑经济实用性。水泥对于强度所起的贡献主要为水泥水化作用，水泥含量过大，保养不当容易发生收缩开裂，同时也对耐久性和体积稳定性产生影响;过小则水化热产生的化学键不足以支撑所要求的强度。在不掺其他外加剂情况下，优化各档粗细集料、水泥、减水剂配合比，同时使用压碎值低、含泥量少、针片状含量少的粗集料，对于提高高抗折强度路面混凝土的经济性具有重要的作用。

4 结语

（1）依据本新型抗弯拉水泥混凝土路面配合比，进行的室内实验3 d抗折强度达到5.31 MPa，路面施工期间，3 d抗弯拉强度平均值达到5.16 MPa，满足设计通车要求的5 MPa，对于边通车边大规模进行路面改造项目具有重要经济意义。

（2）通过优化配合比，发现早期强度有明显的提高，而对于28 d抗折强度提高不明显。

（3）早期高抗折强度混凝土路面应同时具有高耐久性。在各种物理力学作用和化学介质侵蚀下应具有较好的抗化学腐蚀性、抗冻性、抗滑性及其保持率、耐磨性、耐疲劳性、抗冲击性和抗渗性等。

（4）本项目中，3 d抗折强度室内实验检测结果明显高于施工期检测结果，主要为过小的水灰比，在大体积混凝土施工中，振捣不到位，遗留下的部分未水化的水泥核，可能会在内部结构中继续水化，带来体积不稳定或较大自收缩。同时，低的水灰比在保养中需要更多的水，如保养过程中浇水不及时，同样会产生较大的收缩开裂。

参考文献：

[1]尚志远.高抗折强度路面混凝土材料组成与路用性能研究[D].西安：长安大学，2008.

[2]张 炜，王 莹，李继野，等.快硬抢修自密实混凝土在桥梁伸缩缝中的应用与研究[J].新型建筑材料，2014（8）：20-23.

[3]熊义军，程海潜，滕承军，等.新型抗弯拉水泥混凝土路面在大修工程中的应用[J].山东交通科技，2018（2）：13-16.

[4]李保紅.水泥混凝土路面局部破损快速修补材料的研究[D].长沙：湖南大学，2011.

[5]吴晓龙.粗骨料对水泥混凝土路面抗弯拉强度的影响[J].福建交通科技，2017（1）：18-20.

收稿日期：2020-04-17