楊大田，陳富強(qiáng)，孔令才

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶 400074；2.廣西壯族自治區(qū)公路管理局，廣西 南寧 530028；3.廣西壯族自治區(qū)桂西公路管理局，廣西 南寧 530028)

一種新的路面水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)

楊大田1，陳富強(qiáng)2，孔令才3

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶 400074；2.廣西壯族自治區(qū)公路管理局，廣西 南寧 530028；3.廣西壯族自治區(qū)桂西公路管理局，廣西 南寧 530028)

為了配制耐磨性良的路面機(jī)制砂水泥混 凝土，用0.45次冪曲線、8-18曲線和Taramtula曲線，優(yōu)化集料合成級配.按優(yōu)化后的比例，粗集料和細(xì)集料均勻混合，經(jīng)搗實(shí)得到其堆積空隙率.按此空隙率的12.5～17.5倍，計(jì)算水泥凈漿體積，得到單位水泥用量和用水量，并利用Shilstone的粗指數(shù)和工作性指數(shù)，評估集料合成級配和單位水泥用量.在實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)集料合成級配直接影響單位水泥用量.因此，良好礦料合成級配是配制高性能水泥混 凝土路面的基礎(chǔ).

搗實(shí)空隙率；水泥漿；盒子試驗(yàn)；水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)

0 引言

路面水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，目前《細(xì)則》[1]規(guī)定了二級及二級以下公路可采用密度法或體積法的經(jīng)驗(yàn)公式法，得到目標(biāo)配合比. 2000年，陳建奎和王棟民[2]依據(jù)“普遍適用的混凝土體積模型”和基本觀點(diǎn)：①混凝土各組成材料(包括固、氣和液3相)具有體積加和性；②石子間的空隙由干砂漿填充；③干砂漿中的空隙由水填充；④干砂漿由水泥、礦物細(xì)摻料、砂和孔隙所組成；提出了現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)的全計(jì)算法.在全計(jì)算法中，首先假設(shè)水泥漿與骨料體積比為35∶65；其次，通過粗集料的搗實(shí)密度和表觀密度，估算干砂漿體積；根據(jù)水泥漿體積和干砂漿體積，計(jì)算砂率.

2007年，Koehler E[3]提出了了基于集料混合料搗實(shí)堆積空隙率和集料粗糙度，確定水泥漿體積，計(jì)算水泥用量和用水量.2002年，Shilstone[4]提出了合成混合集料的粗細(xì)指數(shù)和考慮水泥用量的工作性指數(shù)，確定新拌水泥混凝土的工作性，計(jì)算各材料的質(zhì)量組成.

在全計(jì)算法中，“普遍適用的混凝土體積模型”和“基本觀點(diǎn)”，屬于逐級填充理論.水泥漿體Ve不僅填充由粗集料和細(xì)集料混合搗實(shí)后的空隙，而且覆蓋集料和間隔他們，減少集料間摩擦，滿足新拌混凝土工作性——坍落度等.水泥漿填充由粗集料和細(xì)集料混合搗實(shí)后形成的空隙，這部分水泥漿體是必須的、基本的；覆蓋和分離集料的水泥漿體是水泥漿富余系數(shù)，這部分水泥漿體不僅提供新拌混凝土流動(dòng)性能，而且還要滿足硬化混凝土強(qiáng)度和耐久性要求.根據(jù)此思路，可以把混凝土看成是由集料與水泥漿(含有一定量的空氣)按照一定體積比例的相互組合，并滿足新拌混凝土工作性和硬化混凝土的強(qiáng)度、耐久性[9]，得到一種新的路面水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)方法.

根據(jù)普通混凝土高性能化的原則，在本次實(shí)踐中采用公稱粒徑10～25(S8)(以下簡稱粗集料1)和5～10(S12)(以下簡稱粗集料2)規(guī)格的集料.細(xì)集料采用公稱粒徑為0～5(S15)的機(jī)制砂.

根據(jù)0.45次冪曲線、8-18分計(jì)篩余率和Tarantula 分計(jì)篩余曲線[5-8]，同時(shí)結(jié)合Shilstone的粗細(xì)指數(shù)和工作性指數(shù)，優(yōu)化集料級配曲線和水泥用量，為路面機(jī)制砂水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行一次工程實(shí)踐.

1 基于水泥漿體積與集料堆積空隙比值的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

在本方法中，其中關(guān)鍵點(diǎn)是如何確定水泥漿體的體積和混凝土工作性指數(shù)的計(jì)算.

1.1水灰比計(jì)算

路面機(jī)制砂混凝土的水灰比仍根據(jù)28 d彎拉強(qiáng)度和水泥28 d實(shí)測抗折強(qiáng)度，按細(xì)則[1]中的公式(4.2.11-1)計(jì)算，獲得.在本次實(shí)踐中，路面混凝土的28 d彎拉強(qiáng)度為5.85 MPa，P.O 42.5 水泥實(shí)測抗折強(qiáng)度為7.5 MPa，因此，根據(jù)文[1]中公式(4.2.11-1)計(jì)算，得到水灰比為0.38.

1.2確定水泥漿體體積

確定水泥漿體體積，首先將粗集料1、粗集料2和砂按一定比例混合并拌合均勻，測試其搗實(shí)堆積密度，計(jì)算空隙率，具體步驟如下：

將粗集料1、粗集料2和機(jī)制砂，按質(zhì)量百分比，稱取一定質(zhì)量的粗集料1、粗集料2和機(jī)制砂，拌合均勻，測試合成混合集料的搗實(shí)堆積密度(方法與粗集料的搗實(shí)堆積密度試驗(yàn)步驟[11]方法一致)，見圖1；同時(shí)，按粗集料1、粗集料2和機(jī)制砂的質(zhì)量百分比和毛體積密度和表觀密度，計(jì)算合成混合集料的毛體積密度；最后計(jì)算搗實(shí)空隙率，見式(1).

圖1 合成混合集料搗實(shí)干密度試驗(yàn)

(1)

式(1)中，ρDRUW是合成混合集料的搗實(shí)堆積密度，ρBlend是合成混合集料的毛體積密度，按式(2)計(jì)算.

(2)

式(2)中，pi是粗集料1、粗集料2和機(jī)制砂的質(zhì)量百分比，ρi采用粗集料1和粗集料2的毛體積密度，ρi采用機(jī)制砂的表觀密度.

根據(jù)空隙率，同時(shí)考慮水泥漿富余系數(shù)，一般為20%～75%[9]，即水泥漿體積與合成混合集料的空隙率之比在12.0～17.5之間[9]，能滿足設(shè)計(jì)要求的新拌工作性、硬化混凝土的物理力學(xué)性質(zhì).

對于水泥混凝土路面，一般要求水泥漿體體積在250～350 L間.

1.3確定水泥用量和計(jì)算CF、WF值

根據(jù)水灰比和式(3)計(jì)算單位用水量：

(3)

根據(jù)水灰比和用水量，計(jì)算水泥用量，并代入式(4)計(jì)算合成混合料加上水泥后的工作性指數(shù)，并按式(5)計(jì)算合成混合料的粗細(xì)指數(shù).

WF=P2.36+0.045(C-334.9)

(4)

(5)

式中：Q是篩孔尺寸9.5 mm篩累計(jì)篩余率，%；R是篩孔尺寸2.36 mm篩累計(jì)篩余率，%；P是篩孔尺寸2.36 mm篩質(zhì)量通過率，%.通過式(4)發(fā)現(xiàn)，WF不僅受到水泥用量影響，而且還受到合成礦料級配的影響，因此良好的合成級配不僅能配制成良好的混凝土，而且還可以節(jié)約水泥用量.檢查WF和CF是否符合要求[5-7].

2 路面機(jī)制砂水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)1中方法與步驟，對雄峰1、雄峰2和茶酒山3種機(jī)制砂與雄峰碎石(粗集料1和粗集料2)，進(jìn)行級配優(yōu)化組合.水泥漿與合成混合集料搗實(shí)堆積空隙率的比值取12.5，即水泥漿體積為搗實(shí)堆積空隙率率的12.5倍.

2.1級配優(yōu)化

根據(jù)1中方法與步驟，經(jīng)過多次循環(huán)調(diào)試，得到4種機(jī)制砂的級配組合，見表1.

通過圖更能直觀地觀察這4種機(jī)制砂與粗集料1和粗集料2的關(guān)系，以及對新拌混凝土工作性的影響.

表1 雄峰1、雄峰2、茶酒山和雄峰2+天然砂4種砂的級配組合

注：雄峰2是指第二次在雄峰碎石廠取樣的機(jī)制砂.

通過圖2可以看出，雄峰1和茶酒山幾乎落在上下限范圍內(nèi)，而雄峰2和雄峰2+天然砂在4.75mm篩孔以后幾乎超出了上下限范圍，也就是說機(jī)制砂偏粗，細(xì)度模數(shù)大，屬粗砂.通過圖3和圖4的分計(jì)篩余分布曲線，也發(fā)現(xiàn)雄峰2和雄峰2+天然砂屬粗砂.

圖2 0.45次方級配曲線

圖3 8-18級配曲線

針對4種級配組合，結(jié)合單位水泥用量，計(jì)算了粗細(xì)指數(shù)和工作性指數(shù)，見圖5.

圖4 Tarantula級配曲線

從圖5可以看出，受水泥用量的影響，雄峰1和茶酒山的機(jī)制砂的粗細(xì)指數(shù)和工作性指數(shù)在技術(shù)范圍內(nèi)；雄峰2和雄峰2+天然砂的粗細(xì)指數(shù)和工作性指數(shù)，落在技術(shù)范圍外，表明該混凝土集料級配偏粗，其新拌混凝土出現(xiàn)離析，飽水性差.

圖5 粗細(xì)指數(shù)和工作性指數(shù)圖

2.2路面機(jī)制砂水泥混凝土目標(biāo)配合比

通過對雄峰2、雄峰2+天然河砂的28天抗折強(qiáng)度, 繪制抗折強(qiáng)度與灰水比的線性關(guān)系圖，得到略大于配制強(qiáng)度5.85 MPa對應(yīng)的灰水比和各材料在1 m3體積下的質(zhì)量，見表2.

表2 雄峰2和雄峰2+天然砂初步配合比(28d)

從表2可以看出，單位用水量比較大，超出《細(xì)則》規(guī)定的單位用水量153 kg.因此在單位水泥用量和工作性不變情況下，調(diào)整減水劑摻量和單位用水量，防止泌水，即減小水灰比值.但這種固定水泥用量，調(diào)整單位用水量和減水劑摻量的方法，會(huì)造成水泥漿體不足，不能完全填充合成礦料間的空隙，會(huì)造成減水劑沒發(fā)揮它應(yīng)有的減水和改善混凝土工作性能的作用.

2.3路面機(jī)制砂水泥混凝土配合比調(diào)整與確定

鑒于固定水泥用量，調(diào)整單位用水量方法的不足，最大發(fā)揮高性能減水劑作用，根據(jù)聚羧酸高性能減水劑的推薦值——摻量為1.0%.在滿足坍落度要求，即保持水泥凈漿體積不變的情況下，采用盒子試驗(yàn)[10]來調(diào)整單位水泥用量、單位用水量，見圖6.

圖6(a)為水灰比調(diào)整為0.41時(shí)混凝土的坍落度試驗(yàn)后的情況，坍落度150 mm，略見離析；圖6(b)是水比調(diào)整為0.38時(shí)混凝土的坍落度試驗(yàn)后的情況，坍落度為40 mm，進(jìn)一步用盒子試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)混凝土振動(dòng)棒振實(shí)后，在試樣側(cè)面沒出現(xiàn)大量空洞，水泥漿充實(shí)飽滿[12].調(diào)整后的水灰比和各材料組成，見表3.

圖6 采用盒子試驗(yàn)[10]來調(diào)整單位水泥用量、單位用水量

表3 雄峰2初步配合比調(diào)整(水泥漿體積271 L，砂率0.38)

此時(shí)，粗集料填充體積率為75.5%，滿足《細(xì)則》要求.粗細(xì)指數(shù)為55.6，工作性指數(shù)28.4，可見集料合成級配對水泥用量有較大的影響.

3 結(jié)論

按最大理論密度原則，依據(jù)0.45次冪曲線、8-18曲線和Tarantula曲線，優(yōu)化粗、細(xì)集料合成級配，得到質(zhì)量比；再按粗、細(xì)集料質(zhì)量比，稱取一定質(zhì)量粗、細(xì)集料，測試粗細(xì)集料混合搗實(shí)后的干密度，計(jì)算合成混合集料的空隙率，按12.0～17.5倍空隙率，計(jì)算水泥漿體積.

根據(jù)單位水泥用量和合成級配，計(jì)算混凝土的粗細(xì)指數(shù)和工作性指數(shù)；依據(jù)Shilstone的粗細(xì)指數(shù)和工作性指數(shù)，評估粗細(xì)集料的比例和單位水泥用量.經(jīng)過多次優(yōu)化，得到單位體積下水泥、水、粗集料、細(xì)集料和減水劑的質(zhì)量.

利用盒子試驗(yàn)，對新拌混凝土振動(dòng)搗實(shí)后，觀察試樣側(cè)面，評估試樣側(cè)面水泥漿充實(shí)飽滿程度，確定水泥漿體積量.最后進(jìn)行抗折強(qiáng)度驗(yàn)證，得到目標(biāo)配合比.

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PracticeofInnovativePavementCementConcreteProportionDesign

YANG Datian1，CHEN fuqiang2，KONG lingcai3

(1. School of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China；2.Guangxi Zhuang Autonomous Region Highway Administration Bureau，Guangxi 530028,China；3. Guangxi Zhuang Autonomous Region Highway Administration Bureau of Guixi，Guangxi 530028,China)

In order formulate the manufactured sand concrele with good wear resistance for road pavement the aggregate combined gradaton was optimized with 0.45 power curve, 8-18 curve and Tarantula curve. According to the optimized ratio of coarse aggregate and fine aggregate. they were evenly and tamped to get its acemulated porosity. According to this porosity 12.5-17.5 times, the volume of cement paste was calculated to get the amount of cement pre unit and the amount of water used, and more aggregate combined gradation and unit cement dosage were assessed with Shilstone′s coarseness factor and workability factor. In practice it was found that aggregate combined gradation directly affected the amount of cement pre unit. Therefore it was the basis for the production of high performance cement concrete pavement that aggregeate combined gradation was good.

rodded packing voids; cement paste; box test; cement concrete mixture design

1673- 9590(2017)06- 0093- 05

2016-11-09

廣西壯族自治區(qū)交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(20152615)

楊大田(1973-)，男，講師，博士，從事道路建筑材料的研究

E-mailtywoyangda@126.com.

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