道路混凝土原材料的選用與抗折強(qiáng)度影響因素的探討
2005-07-11 00:00
摘 要：從原材料、摻合料、外加劑及配合比設(shè)計(jì)等方面，綜合分析探討了道路混凝土抗折強(qiáng)度的影響因素，并在原材料的選用和配合比設(shè)計(jì)上，為配制道路混凝土提供了參考。
關(guān)鍵詞：道路混凝土，抗折強(qiáng)度，配合比
1 前 言
眾所周知，混凝土是一種脆性材料，抗折強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度(約為抗壓強(qiáng)度的1/ 6～1/ 10) 。提高以抗折強(qiáng)度為主要技術(shù)指標(biāo)的道路混凝土性能，在水泥混凝土路面廣泛應(yīng)用的今天，具有很重要的意義。
本文在閱讀有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的研究，從原材料、摻合料、外加劑及配合比設(shè)計(jì)等方面，綜合分析探討了道路混凝土抗折強(qiáng)度的影響因素。
2 原材料
組成道路混凝土的原材料，與普通混凝土基本相同，主要有膠凝材料(水泥) 、粗細(xì)集料(砂、石) 等。由于道路混凝土的某些特殊性，對(duì)普通混凝土性能影響不大的原材料，對(duì)道路混凝土卻影響顯著。因此，對(duì)原材料的性能有一定的要求。
2. 1 水泥
2. 1. 1 水泥品種
水泥作為混凝土膠凝材料，其質(zhì)量的好壞在很大程度上決定了混凝土性能的優(yōu)劣。為提高道路利用率，增強(qiáng)混凝土耐久性，應(yīng)選用早期強(qiáng)度高、耐磨性強(qiáng)、抗凍性好的水泥，如硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或?qū)Ｓ玫缆匪?，?duì)中等或輕交通路面(設(shè)計(jì)抗折強(qiáng)度等級(jí)4. 5 MPa 以下) ，也可采用礦渣水泥。
2. 1. 2 水泥強(qiáng)度等級(jí)
水泥強(qiáng)度等級(jí)的選用，應(yīng)從混凝土試配強(qiáng)度、和易性、耐久性及經(jīng)濟(jì)性等方面考慮。不宜用低標(biāo)號(hào)水泥配制高強(qiáng)度等級(jí)混凝土，否則水泥用量大，混凝土收縮大，耐久性差;也不宜用高標(biāo)號(hào)水泥配制低強(qiáng)度等級(jí)混凝土，否則水泥用量少，混凝土和易性和耐久性差，而要增加水泥用量，會(huì)造成水泥浪費(fèi)，成本提高。按照路面交通等級(jí)，道路混凝土設(shè)計(jì)的抗折強(qiáng)度一般在4. 0～5. 5 MPa 之間。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，抗折強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為4. 0～4. 5 MPa 時(shí)，應(yīng)選用32. 5 級(jí)水泥(相當(dāng)于原國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)425 # 水泥)； 設(shè)計(jì)等級(jí)為5. 0～5. 5 MPa 時(shí)，應(yīng)選用42. 5 級(jí)水泥(相當(dāng)于原國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)525 # 水泥) 。
2. 2 粗集料
2. 2. 1 粗集料品種
與普通混凝土相同，道路混凝土所用粗集料通常為卵石或碎石。卵石混凝土拌合物和易性比碎石好，在相同的水灰比下，單位用水量和水泥用量較少，但抗折強(qiáng)度低。資料表明[1] ，碎石混凝土抗折強(qiáng)度要比卵石混凝土高30 %左右。這是因?yàn)槁咽砻婀饣c膠砂粘結(jié)面的粘結(jié)力低于表面粗糙的碎石與膠砂的粘結(jié)力，形成了混凝土中最為薄弱的抗拉粘結(jié)面。從混凝土折斷面也可看出，卵石從砂漿中被“干凈”地剝離出來(lái)，表面幾乎沒(méi)有粘結(jié)砂漿。
筆者從有關(guān)研究[2]結(jié)果分析，不宜用卵石配制高抗折強(qiáng)度等級(jí)( ≥5. 0 MPa) 的道路混凝土，否則，強(qiáng)度保證率不高。
2. 2. 2 粗集料最大粒徑
粗集料最大粒徑直接影響著混凝土拌合物和易性。粒徑增大，拌合物易離析泌水，與砂漿界面的粘結(jié)強(qiáng)度下降，抗折強(qiáng)度降低。資料報(bào)道[3] ，粒徑76mm 集料的粘結(jié)強(qiáng)度僅是13 mm 集料顆粒粘結(jié)強(qiáng)度的1/ 10 。研究表明[4] ，在相同的水灰比下，混凝土抗折強(qiáng)度隨最大粒徑增大而降低，粗集料最大粒徑從20 mm 增至63 mm ，混凝土抗折強(qiáng)度下降了30 %左右。減小粗集料最大粒徑，有助于提高混凝土抗折強(qiáng)度，但過(guò)小的粒徑會(huì)使比表面積增大，需要潤(rùn)濕的水量和包裹其表面的水泥漿量增加，不僅不經(jīng)濟(jì)，也會(huì)引起混凝土干縮變大。綜合混凝土質(zhì)量和成本兩方面考慮，最大粒徑取40 mm 較為理想。
2. 2. 3 粗集料級(jí)配
粗集料級(jí)配對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：
(1) 良好的級(jí)配可使粗集料獲得較大的堆積密度，集料空隙少，需要填充空隙的漿體少，在相同的水泥漿量下，使混凝土拌合物獲得更好的工作性和更大的密實(shí)度，進(jìn)而提高混凝土抗折強(qiáng)度。
(2) 良好的級(jí)配能使粗集料通過(guò)砂漿的粘結(jié)作用，相互之間保持較好的機(jī)械咬合狀態(tài)，有利于提高混凝土抗折強(qiáng)度。研究表明[4 ] ，在相同的水灰比下，單粒級(jí)碎石混凝土抗折強(qiáng)度比連續(xù)級(jí)配碎石混凝土的低。不宜用單粒級(jí)粗集料配制道路混凝土，無(wú)連續(xù)級(jí)配粗集料，也可用多種單粒級(jí)按適當(dāng)比例混合使用。
2. 3 細(xì)集料
細(xì)集料對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響，也是體現(xiàn)在對(duì)混凝土工作性影響上。用砂偏粗(如Ⅰ區(qū)砂) ，混凝土拌合物缺漿離析，保水性差;用砂偏細(xì)(如Ⅲ區(qū)砂) ，單位用水量和水泥用量大，拌合物易泌水，混凝土干縮大。選用細(xì)集料應(yīng)同時(shí)考慮級(jí)配和細(xì)度模數(shù)兩項(xiàng)指標(biāo)，應(yīng)采用級(jí)配處于Ⅱ區(qū)的中砂。實(shí)踐證明[5] ，道路混凝土用砂的細(xì)度模數(shù)宜在2. 6～2. 8 之間。
3 摻合料
3. 1 粉煤灰
粉煤灰是混凝土中最常用的較廉價(jià)的摻合料。大量試驗(yàn)證明，摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰( Ⅱ級(jí)以上) ，可極大地改善混凝土拌合物的和易性，較細(xì)的粉煤灰顆粒，能很好地填充到混凝土的細(xì)微孔隙中，硬化混凝土更加致密。由于粉煤灰含有大量的活性SiO2 和Al2O3，能與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2 二次作用，生成穩(wěn)定的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠，使混凝土后期強(qiáng)度(28d以后) 增長(zhǎng)較快。但對(duì)道路混凝土而言，因早期強(qiáng)度低，不利于提高道路利用率，且耐磨性下降?？梢哉f(shuō)，粉煤灰道路混凝土，尤其是大摻量粉煤灰混凝土，仍是人們目前正在研究和開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域。
3. 2 鋼纖維
道路混凝土也可摻加鋼纖維。據(jù)報(bào)道[5] ，在混凝土中摻加大約2 %(體積比) 的鋼纖維，可使混凝土抗折強(qiáng)度提高1.5～1.8倍，甚至高達(dá)2.5～3.0倍，混凝土韌性提高10 倍以上。但鋼纖維混凝土成本高，限制了其推廣應(yīng)用。
4 外加劑
為提高混凝土耐久性，常在混凝土中摻外加劑。道路混凝土常用的外加劑有引氣劑、減水劑等。文獻(xiàn)報(bào)道[6，7] ，只要在道路混凝土中正確使用引氣劑，引氣量適中，混凝土抗折強(qiáng)度不但不降低，還會(huì)有所提高，并在含氣量4%～4.5%處有峰值存在。相關(guān)研究也表明[8] ，混凝土抗折強(qiáng)度隨含氣量的增加，呈先增后減的變化趨勢(shì)，在含氣量4%～5%之間有最大值。這說(shuō)明，使用引氣劑，并不一定帶來(lái)抗折強(qiáng)度的降低。阮炯正等[6]研制的NJH高效引氣減水劑；陳拴發(fā)等[9]自配的復(fù)合減水劑，都較好地改善了混凝土的抗彎曲性能，提高了混凝土的抗折強(qiáng)度。積極開(kāi)發(fā)研制降低混凝土脆性的道路專(zhuān)用外加劑，是一個(gè)大有作為的領(lǐng)域。
5 配合比設(shè)計(jì)
在了解了原材料性能對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響，并合理選材的基礎(chǔ)上，配合比設(shè)計(jì)的科學(xué)與否，是影響混凝土抗折強(qiáng)度的又一大因素。設(shè)計(jì)配合比，主要是確定好3 個(gè)參數(shù)，即水灰比、單位用水量和砂率。
5. 1 水灰比
水灰比是配合比中的重要參數(shù)，是影響混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。筆者研究發(fā)現(xiàn)(圖1)，水灰比由0.40增大至0.55 ，混凝土抗折強(qiáng)度下降了近21 %。為保證混凝土富余強(qiáng)度和耐久性，水灰比不能大；為節(jié)約成本，并防止混凝土產(chǎn)生收縮裂縫和溫度裂縫，水灰比也不能小(單位水泥用量不能大)。強(qiáng)度富余系數(shù)按1.10～1.15 計(jì)，水灰比可參考表1 選取。
水灰比也可根據(jù)下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出，但從混凝土耐久性、經(jīng)濟(jì)性等考慮， 水灰比應(yīng)控制在0.40～0.50 ，單位水泥用量不低于300kg/ m3。
碎石混凝土：
C/W = (fc + 1.0079 – 0.3485fce)/1.5684
卵石混凝土：
C/W = (fc + 1.5492 – 0.4565fce)/1.2618
式中C/W 為水灰比；fc為混凝土試配強(qiáng)度；fce為水泥膠砂28d 抗折強(qiáng)度。
5. 2 單位用水量
筆者研究發(fā)現(xiàn)(圖2) ，即使在相同的水灰比下(水灰比0.45) ，隨著單位用水量的增加，混凝土抗折強(qiáng)度也呈下降趨勢(shì)。用水量由160kg/m3 增至190kg/m3 ，抗折強(qiáng)度下降了7%左右。這是因?yàn)橛盟吭黾?，拌合物泌水增多，并有部分上升的水聚集在粗集料的下方，形式水囊，硬化后成為空隙。這些空隙和貫穿的泌水通道，不僅降低了混凝土抗折強(qiáng)度，也影響了混凝土的抗凍性等。所以，在滿足混凝土工作性的前提下，應(yīng)減少單位用水量。確定了粗集料的品種粒徑，單位用水量主要是由施工要求的混凝土拌合物稠度決定的。道路混凝土一般為低塑性混凝土，坍落度10～30 mm ，以碎石配制混凝土，用水量取160～170kg/m3為宜；卵石混凝土用水量相應(yīng)減少10～15kg/m3。
5. 3 砂率
砂率的大小對(duì)混凝土拌合物工作性影響很大，進(jìn)而影響抗折強(qiáng)度。筆者研究發(fā)現(xiàn)(圖3) ，抗折強(qiáng)度隨砂率增大，呈先增后減的變化趨勢(shì)，說(shuō)明有一個(gè)最佳砂率值，且水灰比由0.40變至0.50時(shí)，最佳砂率值也由32%變至34%。
抗折強(qiáng)度隨砂率的增大為什么會(huì)有先增后減的變化？筆者分析認(rèn)為：
(1) 當(dāng)砂率較小時(shí)(如28%～30%)，混凝土拌合物缺漿，粗集料間的空隙得不到漿體的有效填充，內(nèi)部空隙較多，故抗折強(qiáng)度低。
(2) 當(dāng)砂率過(guò)高時(shí)(如36%) ，對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度至少有3 個(gè)方面的副作用：第一，細(xì)集料總表面積過(guò)分增加，需要的潤(rùn)濕水分增大，而在一定單位用水量情況下，漿體過(guò)于干澀粘稠，流動(dòng)性顯著降低，和易性極差，不易振實(shí)，混凝土成型后，在內(nèi)部形成許多蜂窩和空洞，影響抗折強(qiáng)度；第二，細(xì)集料表面積增加，需要包裹其表面的水泥漿量增加。而對(duì)于高水灰比(如0.50)、低水泥用量的混凝土來(lái)說(shuō)，水泥漿量顯得不足，粘結(jié)力下降，抗折強(qiáng)度降低；第三，由于細(xì)集料的增多，混凝土中級(jí)配良好的粗集料的含量相對(duì)減少，從而破壞了混凝土內(nèi)粗集料之間交錯(cuò)有致的機(jī)械咬合狀態(tài)，造成抗折強(qiáng)度下降。
當(dāng)然，隨著石子品種粒徑和砂子粗細(xì)的不同，最佳砂率值也有相應(yīng)變化。對(duì)于水灰比一般變動(dòng)于0.40～0.50 之間，用中砂配制的道路混凝土來(lái)說(shuō)，碎石混凝土取32%～34%砂率為宜，卵石混凝土相應(yīng)減少2%～3%的砂率。
6 結(jié) 語(yǔ)
合理選用原材料，慎重?fù)郊訐胶狭?，適量引入外加劑和科學(xué)設(shè)計(jì)配合比，是改善道路混凝土性能，提高其抗折強(qiáng)度的內(nèi)在保證因素。當(dāng)然，施工過(guò)程中的質(zhì)量管理同樣重要，不能顧此失彼，要綜合考慮各種影響因素，在保證混凝土質(zhì)量的前提下，力求經(jīng)濟(jì)合理。
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