李 龍

中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524005

水泥混凝土路面是我國公路和城市道路中廣泛使用的一種高級(jí)路面形式，在正常的工作狀態(tài)下與瀝青路面相比，具有強(qiáng)度高、應(yīng)力擴(kuò)散能力強(qiáng)、對(duì)溫度敏感性較小、水穩(wěn)定性較好、使用壽命長、施工方便等突出優(yōu)點(diǎn)，在各等級(jí)道路中都發(fā)揮著重要的作用[1]。但由于水泥混凝土是一種典型的脆性材料，在非正常工作狀態(tài)時(shí)，如面臨超載交通和板底脫空，施工、質(zhì)量管理不到位，就會(huì)產(chǎn)生各種病害，并且這種病害維修困難，工期長，會(huì)對(duì)現(xiàn)狀交通產(chǎn)生嚴(yán)重影響。即使在正常工作狀態(tài)，水泥混凝土路面表層的砂漿層也會(huì)因車輪的反復(fù)磨耗而破損，從而大幅降低表面抗滑性能和平整度，混凝土骨料在失去砂漿保護(hù)層后也很快在水分侵蝕和車輪磨耗下剝落，水泥板厚度減少，整個(gè)面板在彎拉應(yīng)力下斷裂。因此，隨著人們對(duì)出行品質(zhì)要求的逐漸增高，人們對(duì)水泥混凝土的耐久性、強(qiáng)度等性能提出了更高的要求。通過優(yōu)選原材料和添加劑、調(diào)整配合比設(shè)計(jì)等措施，可以配制出具有優(yōu)良路用性能的水泥混凝土，特別是流動(dòng)性、高強(qiáng)度、高韌性及高耐久性等特點(diǎn)，是新時(shí)代水泥混凝土的重要發(fā)展方向。

1 高性能混凝土的性能要求

目前，路用高性能水泥混凝土的含義與高強(qiáng)度水泥混凝土要求不一樣，前者對(duì)混凝土從拌和到硬化形成各不同階段都提出了更高的性能要求，通常材料設(shè)計(jì)圍繞耐久性和高強(qiáng)度兩大指標(biāo)進(jìn)行，要求配置的水泥混凝土具有更長的使用壽命、較高的體積穩(wěn)定性、良好的施工工作性及足夠的強(qiáng)度和密實(shí)性。

為達(dá)到上述性能表現(xiàn)，高性能混凝土需要滿足以下要求：第一，在拌和成型階段能表現(xiàn)出優(yōu)良的工作性能，并在坍落度不大于50mm的條件下仍具有施工密實(shí)性；第二，路用水泥混凝土應(yīng)具備高抗彎拉強(qiáng)度，28d和90d齡期的抗壓強(qiáng)度分別不小于7MPa和8MPa；第三，室內(nèi)疲勞彎曲試驗(yàn)中，在規(guī)定應(yīng)力比下的疲勞循環(huán)次數(shù)要達(dá)到200萬次，是普通水泥混凝土的4倍，具有高疲勞壽命；第四，減弱混凝土的脆性性能，包括降低抗折彈性模量，增強(qiáng)韌性；第五，突出表面抗磨耗性能，能抵御使用壽命期間各種物理、化學(xué)的侵蝕，體現(xiàn)高耐久性。

實(shí)踐表明，水泥混凝土優(yōu)良的坍落度，即工作性能可在一定的施工機(jī)械作業(yè)下滿足水泥混凝土合適的振動(dòng)黏度系數(shù)和坍落度要求，是振搗密實(shí)的前提。要配置出高性能水泥混凝土，必須從宏觀機(jī)械性能和微觀材料性能兩方面著手，充分考慮混凝土內(nèi)部各組分的比例和接觸狀態(tài)，這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接影響水泥混凝土從施工拌和到形成強(qiáng)度再到最后運(yùn)營各階段的流動(dòng)性、強(qiáng)度和耐久性。

2 高性能混凝土的原材料組成

2.1 水泥

水泥的品種和標(biāo)號(hào)直接影響水泥混凝土的強(qiáng)度性能，一般可選用硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為42.5，1m3水泥混凝土中水泥用量為500kg左右，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制水泥用量，避免過于追求強(qiáng)度而影響其他性能的發(fā)揮。

2.2 摻合料

外摻礦料與水泥混凝土強(qiáng)度和密實(shí)度密切相關(guān)，其中用于配置高性能水泥混凝土應(yīng)用最早、施工經(jīng)驗(yàn)最多的摻合料是生產(chǎn)硅鐵時(shí)所產(chǎn)生的一種煙灰，俗稱硅灰。硅灰的摻量約為水泥用量的5%以上，但不應(yīng)超過10%。相關(guān)研究表明，當(dāng)硅灰摻量在8%左右時(shí)，水泥混凝土的強(qiáng)度可增長25%左右，與此同時(shí)，混凝土的密實(shí)度、抗?jié)B、耐磨及耐久性均有提升。這主要是因?yàn)楣杌覂?nèi)部富含SiO2，含量甚至可達(dá)到90%以上，比表面積大，分散性好，可以填充水泥水化過程中形成三維網(wǎng)絡(luò)的空隙，并且其火山灰活性高，能促進(jìn)強(qiáng)度的形成。磨細(xì)的礦粉也可以起到類似硅灰的作用，其摻量約為30%，通常細(xì)度越大，活性越高，效果越明顯[2]。

2.3 高性能減水劑及其他外加劑

高強(qiáng)度是配置高性能水泥混凝土的一項(xiàng)重要目標(biāo)，僅提高水泥標(biāo)號(hào)不能得到滿意的效果，甚至?xí)饑?yán)重的干縮裂縫，而通過摻入減水劑，在保證拌和流動(dòng)性不變的情況下降低水灰比，可以起到直接提升水泥混凝土強(qiáng)度的作用，是必不可少的成分。當(dāng)集料采用碎石時(shí)，高性能水泥混凝土的28d設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式中：fcu,28d為高性能水泥混凝土的28d設(shè)計(jì)強(qiáng)度；fce為水泥標(biāo)號(hào)；為水灰比，用水量的取值一般為130～150kg/m3。

常用高性能減水劑除傳統(tǒng)的萘系（摻量范圍為0.3%～1.5%）、木質(zhì)素磺酸（摻量范圍為0.1%～0.3%），還有溶于堿而不溶于水的有機(jī)共聚物等復(fù)合型高效減水劑，減水效果可達(dá)到25%～35%，同時(shí)具有高強(qiáng)的分散性，增加強(qiáng)度、密實(shí)度的同時(shí)也可保證水泥混凝土的和易性和耐久性。其他外加劑如緩凝劑、引氣劑、膨脹劑等可根據(jù)需要添加，以滿足高性能水泥混凝土多樣的需求。

2.4 優(yōu)質(zhì)粗細(xì)骨料及體積比

粗細(xì)搭配的骨料在水泥混凝土中形成，骨架承擔(dān)著混凝土受到的大部分應(yīng)力，是強(qiáng)度的重要來源。這類砂石材料占總體積的70%～80%，粗細(xì)骨料自身的品質(zhì)、最大粒徑及體積比例是構(gòu)成高性能混凝土的重要因素，對(duì)流行性、強(qiáng)度和耐久性均產(chǎn)生重要影響。通常細(xì)骨料應(yīng)選擇堅(jiān)硬圓滑的碎石砂或潔凈的河沙，為有利于拌和，要求低吸水性，細(xì)度模數(shù)范圍為2.8～3.2，表觀密度不小于2.2g/cm3。粗骨料是強(qiáng)度形成的關(guān)鍵，應(yīng)盡量選擇表面粗糙的碎石，巖石性質(zhì)最好是玄武巖、石灰?guī)r或硬質(zhì)砂巖等質(zhì)地堅(jiān)硬的巖石，要求壓碎值不超過10%，吸水率不超過1%，最大粒徑范圍為15～20mm，表觀密度大于2.65g/cm3。高性能水泥混凝土的粗骨料碎石含量可根據(jù)砂率等參數(shù)計(jì)算，具體計(jì)算公式如下：

式中：G為高性能水泥混凝土的粗骨料碎石含量；VS+G為砂石骨料所占混凝土的體積；SP為砂率，根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)一般取值為24%～33%；ρG為碎石的表觀密度。

3 高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量控制

高性能水泥混凝土的配合比設(shè)計(jì)必須滿足施工工作性、強(qiáng)度和耐久性的要求，工作性包括對(duì)坍落度及坍落度損失、初凝和終凝時(shí)間等的控制，實(shí)際配制強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的95%以上，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)一般要求配制強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的1.15倍以上[3-6]。

通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)高性能水泥混凝土的組成材料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，確定各原材料的最佳組成。試驗(yàn)采用P·O42.5水泥，外加劑采用JM-Ⅲ、PCWG-5及PCWG-5+引氣膨脹劑，不同高性能水泥混凝土配合比如表1所示。

表1 高性能水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)

拌和成型按養(yǎng)生7d和28d分別對(duì)其抗彎拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及凍融循環(huán)次數(shù)等進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 高性能水泥混凝土試驗(yàn)結(jié)果

配合比試驗(yàn)結(jié)果表明，使用RCWG-5型高效減水劑配制的混凝土抗壓強(qiáng)度明顯高于普通減水劑JM-Ⅲ，三種配合比下混凝土的28d抗彎強(qiáng)度從小到大依次為3＞2＞1，高標(biāo)號(hào)水泥和高效減水劑對(duì)提高抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度的作用明顯；加入引氣膨脹劑的水泥混凝土收縮性明顯減小，可以減緩早期干縮裂縫的產(chǎn)生，其凍融循環(huán)次數(shù)也得到顯著提升，有利于惡劣環(huán)境條件下水泥混凝土耐久性的提升。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，人們對(duì)水泥路面提出長壽命、高強(qiáng)度及高耐久性的要求，高性能水泥混凝土以其優(yōu)良的路用性能得到飛速的發(fā)展，道路科研工作者通過對(duì)原材料的控制和配合比設(shè)計(jì)，使得新拌水泥混凝土從施工拌和到形成強(qiáng)度再到最后運(yùn)營各階段的流動(dòng)性、強(qiáng)度和耐久性均得到有效提升。通過經(jīng)驗(yàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，降低水灰比、降低空隙率、使用外加劑改善水泥的水化產(chǎn)物和與骨料的膠結(jié)能力等措施對(duì)水泥混凝土高性能的形成有著直接的作用。