公路高性能混凝土配制及施工关键技术研究

王 淇,尧 琛

（江西赣东路桥建设集团有限公司,江西 抚州 344000）

0 引言

近年来，我国公路建设事业快速发展，而普通水泥由于强度较小耐久性差、抗折强度较小等缺点，导致水泥路面出现裂缝、开裂等较多病害，目前普通水泥作为建筑材料难以满足公路建设的要求。高性能混凝土具有耐久性高、工作性强、适用性广、强度高、体积稳定以及经济合理等优点，但在我国高性能混凝土研究较晚，很多技术还不成熟。该文依托工程实践，在试验室内制备立方体试件进行抗压和劈裂抗拉强度试验，研究不同水泥标号水泥、粉煤灰用量和矿粉用量对水泥混凝土性能的影响，对推动我国高性能混凝土事业发展具有重要意义[1]。

1 原材料

1.1 水泥

采用某公司生产的普通42.5号硅酸盐水泥和普通52.5号硅酸盐水泥，并在试验室对所用水泥化学成分和基本性能进行检测，所用水泥各项性能指标均满足规范（GB 175—2007）要求。

1.2 粉煤灰

采用某工厂制备的F类Ⅰ级粉煤灰，并在试验室对F类Ⅰ级粉煤灰化学成分和基本性能进行检测，检测结果如表1和表2所示，F类Ⅰ级粉煤灰各项性能指标均满足规范（GB/T 1596—2005）要求。

表1 F类Ⅰ级粉煤灰化学成分检测结果表（wt%）

表2 F类Ⅰ级粉煤灰各项性能指标检测结果表

1.3 矿粉

矿粉可以代替部分水泥掺加量，由于矿粉成本较低、容易获取，可以降低工程成本，还具有环保作用。故该文采用某公司生产的S92级矿粉，并在试验室对S92级矿粉化学成分和基本性能进行检测，检测结果如表3和表4所示，S92级矿粉各项性能指标均满足规范（GB/T 18046—2008）要求。

表3 S92级矿粉化学成分检测结果表（wt%）

表4 S92级矿粉各项性能指标检测结果表

2 室内试验

2.1 力学试验

采用混凝土立方抗压、劈裂抗拉强度试验，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体水泥试件，仪器采用TYE-3000型压力试验机，抗压强度试验过程中应连续均匀地加荷，42.5号硅酸盐水泥试件加荷速度为0.4 MPa/s，52.5号硅酸盐水泥试件加荷速度为0.6 MPa/s[2]，混凝土立方体抗压强度按下式计算：

式中：fα——混凝土立方体抗压强度（MPa）；

F——试件破坏时的荷载（N）；

A——试件接触面积（mm2）。

劈裂抗拉强度试验过程中应连续均匀地加荷，42.5号硅酸盐水泥试件加荷速度为0.06 MPa/s，52.5号硅酸盐水泥试件加荷速度为0.09 MPa/s，混凝土立方体劈裂抗拉强度按下式计算：

式中：fβ——混凝土劈裂抗拉强度（MPa）；

F——试件破坏时的荷载（N）；

A——试件接触面积（mm2）。

2.2 配比设计

为研究42.5号硅酸盐水泥和52.5号硅酸盐水泥配合比设计对水泥抗压、劈裂抗拉强度的影响，该文采用不同粉煤灰与矿粉掺量制备高性能水泥混凝土立方体试件，检测其抗压和劈裂强度。试验配合比方案如表5所示。

表5 试验配合比方案表

由表5可知，12组高性能水泥混凝土立方体试件水泥含量控制在1 200 kg/m3、用水量控制在150 kg/m3、碎石用量控制在1 200 kg/m3、砂石用量控制在780 kg/m3，仅改变水泥编号、粉煤灰用量和矿粉用量制备立方体试件进行试验。

2.3 试验结果

硅酸盐水泥标号为42.5的试件为A组，硅酸盐水泥标号为52.5的试件为B组，对A、B组6个立方体试件进行抗压、劈裂抗拉强度试验，试验结果如表6所示。水泥标号、粉煤灰用量和矿粉用量与抗压、劈裂抗拉强度关系如图1和图2所示。

图1 水泥标号、粉煤灰用量与抗压、劈裂抗拉强度关系图

图2 水泥标号、粉煤灰用量与抗压、劈裂抗拉强度关系图

表6 抗压、劈裂抗拉强度试验结果

由图可知，试件抗压、劈裂抗拉强度随粉煤灰用量的增加而逐渐增加。粉煤灰用量从100 kg/m3增加到130 kg/m3，A组抗压强度从56 MPa增加到61 MPa，试件增加率为5.36%、3.28%，两者拟合结果为：y=2.5x+53.667、R²=0.986 8。B 组抗压强度从 58 MPa增加到65 MPa， 试件增加率为6.90%、4.62%，两者拟合结果为：y=3.5x+54.667、R²=0.993 2。A组水泥标号为42.5的抗压强度较B组水泥标号为52.5的抗压强度增加率依次为2.56%、5.08%、6.56%，说明B组水泥标号为52.5抗压强度明显优于A组水泥标号为42.5。

粉煤灰用量从100 kg/m3增加到130 kg/m3，A组劈裂强度从3.56 MPa增加到4.01 MPa，试件增加率为7.30%、2.49%，两者拟合结果为：y=0.18x+3.496 7、R²=0.938 2。B组劈裂抗拉强度从3.78 MPa增加到4.21 MPa，试件增加率为6.08%、4.99%，两者拟合结果为：y=0.215x+3.57、R²=0.998 4。A 组水泥标号为 42.5的劈裂抗拉强度较B组水泥标号为52.5的劈裂抗拉强度增加率依次为3.56%、2.56%、4.99%，说明B组水泥标号为52.5劈裂抗拉强度明显优于A组水泥标号为42.5。

由图2可知，试件抗压、劈裂抗拉强度随矿粉用量的增加而先增加后减小。矿粉用量从70 kg/m3增加到90 kg/m3，A组抗压强度先从54 MPa增加到58 MPa再减小到56 MPa，B组抗压强度从56 MPa增加到60 MPa再减小到59 MPa，A组水泥标号为42.5的抗压强度较B组水泥标号为52.5的抗压强度增加率依次为3.70%、3.45%、5.36%。说明B组水泥标号为52.5抗压强度明显优于A组水泥标号为42.5。

矿粉用量从70 kg/m3增加到90 kg/m3，A组劈裂强度先从3.54 MPa增加到3.88 MPa再减小到3.61 MPa，B组劈裂强度先从3.65 MPa增加到4.04 MPa再减小到3.74 MPa，A组水泥标号为42.5的劈裂抗拉较B组水泥标号为52.5的劈裂抗拉强度增加率依次为3.11%、4.12%、3.60%。说明B组水泥标号为52.5劈裂抗拉强度明显优于A组水泥标号为42.5。因此综合A、B共计12组试验数据可知，公路高性能混凝土配比及施工过程中应该选择较高标号的硅酸盐水泥，适当提高粉煤灰的用量，并且控制矿粉用量在80 kg/m3，保证公路有较好的抗压和抗拉强度，可以延长公路使用年限。

3 工程实践

3.1 工程概况

某二级公路位于三江平原区域，全长60 km，起点桩号K110+500，终点桩号K170+500。由于该地区水文地质较差，采用高性能混凝土修建该段公路。

3.2 关键施工技术

（1）搅拌。由于该项目工程混凝土中加入某工厂制备的F类Ⅰ级粉煤灰，因此高性能混凝土搅拌工艺与普通水泥混凝土搅拌工艺有所不同。首先需要严格控制搅拌时间，不同原材料的倒入顺序不同也会导致混凝土性能发生改变，将砂、碎石、水泥、粉煤灰、矿粉按照上述顺序倒入拌和站内。然后充分均匀搅拌1.5 min，再加入纯净水，随后再充分均匀搅拌5 min。最后检测坍落度和坍落度1 h经时变化量是否满足施工要求，最后出料并运输到施工现场[3]。

（2）捣实、碾压施工。该项目工程高性能混凝土压实施工采用高频振捣器和振动压路机，压实施工要严格把握机械进场顺序。首先采用高频振捣器对高性能混凝土路面进行振捣压实，对于四周角落与局部地区采用插入式振捣器进行振捣压实。振捣压实施工完成后对项目工程路段进行碾压压实施工，压实机械选用振动压路机，往返压实3～5遍，压路机行驶速度起伏不能过大，最好以3 km/h的速度匀速行驶[4]。

4 结语

该文在试验室内采用不同水泥标号水泥、粉煤灰用量和矿粉用量进行配比设计，制备立方体试件进行抗压和劈裂抗拉强度试验，研究结果表明：

（1）试件抗压、劈裂抗拉强度随粉煤灰用量的增加而逐渐增加，A组抗压、劈裂抗拉强度增加率为5.36%、3.28%、7.30%、2.49%，B组增加率为6.90%、4.62%、6.08%、4.99%。

（2）试件抗压、劈裂抗拉强度随矿粉用量的增加而先增加后减小。

（3）公路高性能混凝土配比及施工过程中应该选择较高标号的硅酸盐水泥，保证公路有较好的抗压和抗拉强度，可以延长公路使用年限。