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        新型抗彎拉水泥混凝土路面配合比正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)*

        2018-01-19 09:09:26黃文富王進(jìn)思馬健林袁宏成
        關(guān)鍵詞:砂率水灰比集料

        黃文富 王進(jìn)思 馬健林 袁宏成

        (1.荊州市公路局,湖北 荊州 434000;2.武漢交通職業(yè)學(xué)院,湖北 武漢 430074; 3.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 武漢 430079)

        隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和公路交通運(yùn)輸事業(yè)的高速發(fā)展,公路運(yùn)輸出現(xiàn)了“重載、大流量和渠化交通”的特點(diǎn),重型貨車及超載車輛急劇上升,引起實(shí)際累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次的急劇增加,導(dǎo)致路面過早破壞,因而對(duì)公路路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用性能提出了更高的要求 。但一直以來,我國(guó)在水泥混凝土強(qiáng)度方面的研究以抗壓強(qiáng)度為主,現(xiàn)在已能配制C100以上的高強(qiáng)混凝土,但對(duì)抗彎拉強(qiáng)度的研究一直沿用抗壓理論。現(xiàn)行《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F30—2014)配合比設(shè)計(jì)采用連續(xù)級(jí)配,實(shí)際工程應(yīng)用中,往往膠砂富余過多,導(dǎo)致抗彎拉強(qiáng)度不高。通常解決的辦法是增加水泥用量和添加減水劑[1],然而,成本的增加未必使強(qiáng)度得到提高。新型抗彎拉水泥混凝土路面提出了減少“富余膠砂”作為提高抗彎拉強(qiáng)度的主要技術(shù)路徑,設(shè)計(jì)的目標(biāo)即為形成骨架密實(shí)型混凝土,從而提高混凝土路面的抗彎拉強(qiáng)度。即通過增加粗集料用量,改進(jìn)粗集料級(jí)配,優(yōu)化水泥膠砂用量,形成骨架密實(shí)水泥混凝土,該結(jié)構(gòu)具有骨架增強(qiáng)、粗集料阻裂、抵抗溫度變形、節(jié)省水泥用量等特點(diǎn),相對(duì)于普通混凝土路面,新型抗彎拉水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高、成本低等技術(shù)優(yōu)勢(shì),現(xiàn)處于推廣應(yīng)用階段。

        1 工程概括

        207國(guó)道荊州區(qū)段超重、超限車流量巨大,水泥混凝土路面斷板開裂嚴(yán)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年又會(huì)出現(xiàn)同樣的病害,并沒有從根本上解決問題,周而復(fù)始地耗費(fèi)養(yǎng)護(hù)資金。如不引進(jìn)新的大修理念和技術(shù),將難以解決公路技術(shù)性能和使用壽命的難題。2012年,安徽公路科技進(jìn)步計(jì)劃項(xiàng)目——改進(jìn)型路用水泥混凝土試驗(yàn)和應(yīng)用研究通過了驗(yàn)收鑒定[2],并入選交通運(yùn)輸部2015年交通科技推廣目錄。經(jīng)過交流學(xué)習(xí),荊州市公路管理局決定將該科技成果應(yīng)用到荊州市公安縣207國(guó)道南平至鮑關(guān)、章莊鋪至東岳廟兩段大修項(xiàng)目上,驗(yàn)證并進(jìn)一步完善抗彎拉水泥混凝土試驗(yàn)和應(yīng)用研究成果,為最終應(yīng)用到207國(guó)道荊州全段提供決策依據(jù)。大修段公路等級(jí)為二級(jí)公路,設(shè)計(jì)行車速度為60km/h,路基寬12.0m,路面寬9.0m。路面結(jié)構(gòu)自上而下依次為28cm水泥混凝土面層+18cm水泥穩(wěn)定碎石基層+舊路基層,設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅱ級(jí)。該技術(shù)在推廣應(yīng)用過程中,首先需要解決的問題是:通過試驗(yàn)驗(yàn)證得出適應(yīng)所在地原材料及環(huán)境的抗彎拉混凝土配合比方案。課題組在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,擬運(yùn)用L9(34) 正交試驗(yàn)方案進(jìn)行適合現(xiàn)場(chǎng)條件的配合比設(shè)計(jì)。

        2 配合比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        強(qiáng)度不僅是混凝土最重要的力學(xué)性質(zhì),還與混凝土其它性能之間存在著密切的關(guān)系[3]。本項(xiàng)目著重研究不同級(jí)配型式水泥混凝土路面的抗彎拉強(qiáng)度,依據(jù)相關(guān)規(guī)定,對(duì)于混凝土路面,將28天抗彎拉強(qiáng)度作為本次正交試驗(yàn)的主要考察目標(biāo)[4],要求28天抗彎拉強(qiáng)度不小于5.0MPa。

        2.1 影響因素

        施工組織設(shè)計(jì)確定,使用宜昌華新水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5水泥、松滋碎石廠碎石、洞庭湖中粗砂。

        粗骨料選擇:碎石的強(qiáng)度與粗集料的壓碎值及針片狀顆粒含量有關(guān),壓碎值小,針片狀顆粒含量低的粗集料,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高[5]。在確定粗骨料由10-20mm碎石與20-40mm碎石按比例混合后,不單獨(dú)選擇容重最大為最佳級(jí)配組合,選用三種混合比例(質(zhì)量比),分析粗骨料組合對(duì)抗彎拉強(qiáng)度的影響,并得出最優(yōu)混合比例。其中10-20mm、20-40mm碎石組成三種混合比例的粗骨料,即10 ∶90、20 ∶80、30 ∶70。

        水泥用量:為了滿足耐久性要求,二級(jí)公路采用42.5級(jí)水泥時(shí)最小單位水泥用量為310kg,水灰比不應(yīng)大于0.46,同時(shí)通過初步配合比的計(jì)算得到水泥用量為382.7kg/m3。粗集料用量的增加導(dǎo)致集料表面積有一定程度的下降,從而水泥用量相應(yīng)有所降低。因此,分別取水泥用量為310kg/m3、340kg/m3、370kg/m3三種水平進(jìn)行混凝土配合比試驗(yàn)確定水泥最佳用量。

        水灰比:水灰比是影響混凝土強(qiáng)度的最主要因素之一。為了滿足耐久性要求,二級(jí)公路最大水灰比為0.46,同時(shí)通過初步配合比的計(jì)算得到水灰比為0.41。最后分別取水灰比為0.41、0.43、0.45進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)。

        砂率:砂率的確定是根據(jù)砂子細(xì)度模數(shù)和粗集料種類憑經(jīng)驗(yàn)確定。根據(jù)本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路,在現(xiàn)有規(guī)范的基礎(chǔ)上適當(dāng)減小砂率。砂的細(xì)度模數(shù)為3.04,通過現(xiàn)有規(guī)范確定的混凝土砂率為34%-38%,為突出新型抗彎拉混凝土的優(yōu)點(diǎn),砂率采取30%、32%、34%三種水平,拌制混凝土進(jìn)行混凝土配合比試驗(yàn),從而確定出最優(yōu)砂率。

        2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        本次配合比試驗(yàn),采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),試驗(yàn)因素(列數(shù))為4種,分別為粗骨料級(jí)配、砂率、水泥用量以及水灰比。每個(gè)因素均取3個(gè)水平值,試驗(yàn)因素及其水平見表1。

        表 1 配合比試驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)表

        2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

        根據(jù)上述配合比試驗(yàn)因素及其相應(yīng)的水平組合,選用L9(34)正交試驗(yàn)表格,組成試驗(yàn)方案,共需進(jìn)行9組配合比試驗(yàn),試驗(yàn)方案及其組合見表2中左側(cè)試驗(yàn)編號(hào),所得到的試驗(yàn)結(jié)果見表2中右側(cè)試驗(yàn)結(jié)果。

        表 2 配合比試驗(yàn)結(jié)果表

        (注:各因素列中1、2、3分別對(duì)應(yīng)其試驗(yàn)水平。)

        從試驗(yàn)結(jié)果看,新型抗彎拉混凝土的塌落度很小,各種試驗(yàn)方案的差值很小,同時(shí),在安徽省滁州市的前期研究和應(yīng)用中,新型抗彎拉混凝土的磨耗量完全滿足規(guī)范要求。故本次配合比正交試驗(yàn),以彎拉強(qiáng)度為考察目標(biāo),各種試驗(yàn)方案的平均值與極差計(jì)算如表3,各因素效應(yīng)曲線見圖1。

        表 3 配合比試驗(yàn)均值與極差統(tǒng)計(jì)

        圖 1 各因素效應(yīng)曲線圖

        從試驗(yàn)結(jié)果來看,各種試驗(yàn)方案的混凝土抗彎拉強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)要求(不小于5.0MPa),且抗彎拉強(qiáng)度平均值為6.12MPa,進(jìn)一步說明新型抗彎拉混凝土路面的可行性和優(yōu)越性。而從極差的大小來看,極差最大的那個(gè)因素,就是最主要的因素[6]。水泥用量對(duì)抗彎拉強(qiáng)度的影響最大,其后依次為粗骨料級(jí)配組合、砂率、水灰比。

        從圖1各因素效應(yīng)曲線圖上看出,水泥用量從水平1(310kg)變化到水平3(370kg),彎拉強(qiáng)度增長(zhǎng)率是逐漸變小的,也說明在其他因素不變時(shí),單純地增加水泥用量以提高混凝土強(qiáng)度是不經(jīng)濟(jì)的??傮w而言,當(dāng)水泥用量在370kg時(shí)配制出試塊強(qiáng)度是高于水泥單位用量340kg的。但是二者相差有限,而且340kg水泥用量試塊的強(qiáng)度結(jié)果也滿足設(shè)計(jì)要求。因此,從經(jīng)濟(jì)性方面考慮,選擇單位水泥用量340kg是合適可行的。

        級(jí)配是影響級(jí)配碎石強(qiáng)度與剛度最重要的因素之一[7]。對(duì)于混凝土的粗骨料級(jí)配組合,試驗(yàn)結(jié)果的極差較小,各因素效應(yīng)曲線圖的曲線也較為平緩,試驗(yàn)結(jié)果表明,按不同比例混合而成的混凝土,抗彎拉強(qiáng)度變化不大,說明三種按不同比例混合成的粗骨料,均能形成骨架密實(shí)型混凝土。從三種水平均值結(jié)果的比較看,水平2(10-20mm碎石:20-40mm碎石按20:80的比例混合)組合的平均值最大,相對(duì)其他組合而言,組合2是最優(yōu)方案。

        對(duì)于混凝土的砂率而言,試驗(yàn)結(jié)果的極差較小,各因素效應(yīng)曲線圖的曲線呈凹形,即砂率位于高點(diǎn)或低點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)彎拉強(qiáng)度較高,而中間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的彎拉強(qiáng)度相對(duì)較低??傮w來說,試驗(yàn)方案中砂率30%和砂率34%對(duì)應(yīng)28天彎拉強(qiáng)度都滿足設(shè)計(jì)要求,砂率34%配制的混凝土28天彎拉強(qiáng)度均值較砂率30%高,但為了確保粗集料更好地形成骨架,選擇30%的砂率作為最終參數(shù)。

        水灰比在各因素效應(yīng)曲線圖上的曲線較為平緩,試驗(yàn)結(jié)果表明,在其他試驗(yàn)條件一定的情況下,隨著水灰比的增加,混凝土的抗彎拉強(qiáng)度呈下降的趨勢(shì)。根據(jù)《施工技術(shù)細(xì)則》,為了滿足耐久性要求,二級(jí)公路最大水灰比為0.46,同時(shí)通過初步配合比的計(jì)算得到水灰比為0.41。從經(jīng)濟(jì)性和施工角度來考慮,推薦水灰比取0.43。

        故本課題新型抗彎拉混凝土推薦采用的配合比為:粗集料采用20-40mm和10-20mm兩種規(guī)格的碎石按80:20的比例混合,砂率取30%,水泥用量取340kg,水灰比為0.43。

        各種試驗(yàn)方案的方差計(jì)算如表4。

        表 4 配合比試驗(yàn)方差統(tǒng)計(jì)表

        從各因素的方差統(tǒng)計(jì)表中F比值來看,水泥用量的F比值(3.224)>F0.1(3.11),說明在配合比試驗(yàn)中,水泥用量的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響,相對(duì)而言,其他因素的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果沒有顯著的差異。

        現(xiàn)場(chǎng)最終采用的配合比見表5。

        表 5 新型抗彎拉水泥混凝土配合比

        3 結(jié)論

        大修路段交工驗(yàn)收抽檢項(xiàng)目中抗彎拉強(qiáng)度合格率100%,較常規(guī)混凝土提高15%以上。施工面板厚度、路面寬度、橫坡度、抗滑構(gòu)造深度也均合格。在運(yùn)營(yíng)半年后,路況良好,未發(fā)現(xiàn)開裂斷板等早期破壞,應(yīng)用效果仍在繼續(xù)跟蹤檢查??偨Y(jié)配合比設(shè)計(jì)及實(shí)踐過程,結(jié)論如下:

        (1)新型抗彎拉水泥混凝土施工工藝與常規(guī)混凝土無明顯區(qū)別,只是新型混凝土振搗前因呈固態(tài)趨勢(shì),坍落度幾乎為零,對(duì)施工提出了較高要求。在實(shí)施中,應(yīng)對(duì)振搗棒間距適當(dāng)加密,以強(qiáng)化振搗,防止漏振。

        (2)關(guān)于新型抗彎拉水泥混凝土路面粗骨料的粒徑,粗骨料應(yīng)以10-20mm和20-40mm兩種規(guī)格為主,顆粒形狀要好,針片狀含量要低。

        (3)本次正交試驗(yàn)使用粗骨料級(jí)配、砂率、水泥用量和水灰比等四個(gè)因素,沒有安排誤差項(xiàng),人為、環(huán)境等因素所造成的試驗(yàn)誤差可能對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確度及適用性造成一定的影響。

        [1]劉永中.對(duì)影響水泥混凝土路面彎拉強(qiáng)度因素的探討[J].交通世界(建養(yǎng)·機(jī)械),2011(8):120-121.

        [2]蔣新明.滁州公路科技創(chuàng)新專題報(bào)告——新型抗彎拉水泥混凝土路面[R].滁州:安徽省滁州市公路管理局,2014 .

        [3]趙春科.正交實(shí)驗(yàn)法在水泥混凝土路面配合比中的應(yīng)用[J].交通世界(建養(yǎng)·機(jī)械),2011(5):118-120.

        [4]JTG/T F30—2014,公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則[S].

        [5]周小冬,黃斌,張大斌.大粒徑級(jí)配碎石在路網(wǎng)工程中的應(yīng)用[J].西部交通科技,2017(10):27-30.

        [6]鹿永久.“正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)”在混凝土配合比設(shè)計(jì)中的運(yùn)用[J].云南水力發(fā)電,2016,32(1):22-25

        [7]師暉軍.大粒徑級(jí)配碎石在舊水泥路面改建中的應(yīng)用技術(shù)研究[J].中外公路,2009,29(5):243-245.

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