孫婷婷

（鄭州商學(xué)院，河南 鄭州 451200）

高性能路面混凝土應(yīng)用以及配合比設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常重要的工作，對(duì)后續(xù)的施工建設(shè)有直接影響[1]。通常在設(shè)計(jì)配合比前，需要先制定原材料選定標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合路面混凝土和高性能混凝土自身的特點(diǎn)，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的路用規(guī)則，以此完成對(duì)應(yīng)的施工目標(biāo)，并分析路用性能[2]。傳統(tǒng)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法通常為單向結(jié)構(gòu)，雖然可以完成預(yù)期的施工配比目標(biāo)，但是缺乏針對(duì)性與穩(wěn)定性，在復(fù)雜的施工建設(shè)環(huán)境下，較難精準(zhǔn)估算混凝土的配比標(biāo)準(zhǔn)，而且半經(jīng)驗(yàn)半理論設(shè)計(jì)方法的弊端會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果有誤差[3]。為解決該問題，該文對(duì)超高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)及路用性能進(jìn)行研究。超高性能混凝土配比設(shè)計(jì)比較注重強(qiáng)度特性、疲勞性、耐磨性、抗凍性和脆性等，因此結(jié)合目前最新的處理技術(shù)，設(shè)計(jì)的混凝土配合比結(jié)構(gòu)更靈活多變，具有較強(qiáng)的實(shí)踐意義[4]。此外，從多方面調(diào)整配比設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，分析影響混凝土配比強(qiáng)度的關(guān)鍵因素和機(jī)理，保證其路用性能[5]。該設(shè)計(jì)通過等效比對(duì)大量的工程實(shí)踐，以此提升混凝土的耐久性和強(qiáng)度等級(jí)，為后續(xù)相關(guān)技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新提供參考[6]。

1 設(shè)計(jì)超高性能混凝土配合比

1.1 選定原材料

超高性能路面混凝土的配比對(duì)原材料的要求相對(duì)較高，除普通的混凝土外，還需要外加劑和礦物細(xì)摻料等作為輔助[7]。

選定水泥。除水泥的活性特征和反應(yīng)狀態(tài)外，還需要考慮水泥材料自身的化學(xué)成分、細(xì)度和粒徑等，選用優(yōu)質(zhì)硅酸鹽水泥，采用摻合料品的方式調(diào)整材料的實(shí)際占比[8]。配制的混凝土需要達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 混凝土配比基本標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定表

根據(jù)表1，設(shè)定混凝土配比的基本標(biāo)準(zhǔn)，制定混凝土基本配合標(biāo)準(zhǔn)。

選定高效減水劑和摻合料。高效減水劑減水效果較高，通常為20%～30%，最佳坍落度為35%以下，可提升混凝土自身的耐久性和穩(wěn)定性[9]。需要注意的是，不同配比的最佳劑量設(shè)計(jì)不同，常用的劑量為0.5%～2.0%，可以使高性能路面混凝土坍落度保持在合理的范圍內(nèi)。摻合料是礦物外加劑，通常指粒徑＜12μm 的礦物質(zhì)粉體材料和不同粒徑的碎石，如圖1 所示。

圖1 礦物質(zhì)粉體不同粒徑石塊

了解礦物質(zhì)粉體不同粒徑石塊后，根據(jù)需求，選擇對(duì)應(yīng)的石塊添加到混凝土中，攪拌均勻后，形成基本的形態(tài)。此外，還需要選擇符合要求的集料，包括粗集料和細(xì)集料?？梢杂?jì)算集料的質(zhì)量系數(shù)，如公式（1）所示。

式中：D為集料的質(zhì)量系數(shù)；m為集料的細(xì)度模數(shù)；n為定向差值；e為集料總量；κ為集料的隙體百分率，結(jié)合得出的集料質(zhì)量系數(shù)，可以對(duì)集料進(jìn)行分布性篩選，預(yù)設(shè)對(duì)應(yīng)的通過率，完成原材料的設(shè)定和配比設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作，進(jìn)行配比設(shè)計(jì)與實(shí)踐分析。

1.2 構(gòu)建多階混凝土配合比方法

選定與設(shè)置基礎(chǔ)原材料后，綜合實(shí)際的配比需求，設(shè)計(jì)多層級(jí)混凝土配合比方法?；炷恋脑S多性質(zhì)都與自身的強(qiáng)度有直接關(guān)系，例如彈性模量和抗?jié)B性等。混凝土的抗壓強(qiáng)度并不固定，而是通過配比做出對(duì)應(yīng)調(diào)整，考慮抗壓強(qiáng)度不固定，計(jì)算水灰比，如公式（2）所示。

式中：P為水灰比；η為定向用水量；W為可控砂率；D為砂石總量；λ為試拌配合比；C為覆蓋范圍。

結(jié)合得出的測(cè)定水灰比，采用經(jīng)驗(yàn)公式法，對(duì)不同工作環(huán)境下混凝土的耐久性效果進(jìn)行測(cè)算與研究。可以使用半經(jīng)驗(yàn)半理論法，對(duì)基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行修正補(bǔ)充，設(shè)計(jì)平均彎拉強(qiáng)度為5MPa～6.5MPa?；诨炷翉?qiáng)度變動(dòng)，設(shè)定不同厚度下路面混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，并做出定向劃分，見表2。

表2 不同厚度下路面混凝土的強(qiáng)度等級(jí)劃分表

根據(jù)表2，對(duì)不同厚度下路面混凝土的強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行多維劃分。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)混凝土配合比的設(shè)計(jì)框架，如圖2 所示。

圖2 混凝土配合比框架圖

根據(jù)圖2，對(duì)混凝土配合比框架進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。根據(jù)流程，選擇水泥用量。將HPC 摻入高效減水劑中，與水泥混合，確定用水量后，計(jì)算膠結(jié)材料對(duì)應(yīng)的用量，獲取對(duì)應(yīng)的配比數(shù)值。根據(jù)目前的配合比設(shè)計(jì)要求，計(jì)算摻合料用量，如公式（3）所示。

式中：M為摻合料用量；p為取代水泥率；o為水泥經(jīng)驗(yàn)用量；s為超量取均值。結(jié)合得出的摻合料用量，計(jì)算用水量，如公式（4）所示。

式中：K為用水量；μ為經(jīng)驗(yàn)用水量；h為初擬用水量；h為減水率，ω為減水劑摻量百分率。根據(jù)水量進(jìn)行配比，并結(jié)合實(shí)際的配比等級(jí)，設(shè)置假定容重為2355kg/m3～2600kg/m3。基于此，設(shè)計(jì)實(shí)際的配合比。選定某公路作為測(cè)試目標(biāo)，設(shè)置攤鋪路面混凝土的性能，可控的不合格率為1.2%，預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.5MPa，坍落度為25mm～35mm，抗壓強(qiáng)度為55MPa、抗折強(qiáng)度為6.4MPa，實(shí)時(shí)的提高系數(shù)為1.12。經(jīng)過測(cè)算，最終得出的配合比見表3。

表3 測(cè)定配合比設(shè)計(jì)表

根據(jù)表3，設(shè)計(jì)測(cè)定配合比。結(jié)合需求，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的施工測(cè)定周期，測(cè)定各位置的施工強(qiáng)度、彎折強(qiáng)度和靈活配比數(shù)值，為后續(xù)的施工建設(shè)提供基礎(chǔ)條件。

2 路用性能驗(yàn)證分析

2.1 強(qiáng)度特性研究

混凝土的抗壓和抗彎強(qiáng)度直接影響后續(xù)的施工建設(shè)?；炷僚浜媳鹊膹?qiáng)度特征并不固定，而是隨著路面修建狀態(tài)及需求進(jìn)行調(diào)整。

早期混凝土的抗壓強(qiáng)度受FDN 摻量、水泥用量和碎石配比等影響。調(diào)整FDN 摻量可以控制水泥的配比密度，計(jì)算水泥碎石的具體比例，保證最終的施工質(zhì)量。28d 抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度的影響因素為FDN 摻量和誤差測(cè)算，該文主要涉及誤差問題，根據(jù)混凝土的配比要求調(diào)整強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，因此控制各配比環(huán)節(jié)誤差很重要。

90d 抗壓強(qiáng)度通常受砂率和碎石配比的影響，在總摻量不變的狀態(tài)下，當(dāng)水泥用量減少時(shí)，摻量增加；水泥用量增加，對(duì)應(yīng)的摻量減少?；炷僚浜媳葟?qiáng)度特征較為復(fù)雜，F(xiàn)DN 摻量越大，對(duì)應(yīng)的水泥用量和碎石配比也會(huì)增加，但是齡期會(huì)變化，需要隨時(shí)調(diào)整砂率和硅粉摻量，以此保證配比的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)最終的建設(shè)目標(biāo)。

2.2 疲勞特性研究

混凝土材料的疲勞極限通常指在循環(huán)特征背景下，材料和構(gòu)件能夠承受的最大疲勞應(yīng)力。以壽命為縱坐標(biāo)，時(shí)間為橫坐標(biāo)繪成特定循環(huán)特征下的疲勞曲線，如圖3 所示。

圖3 特定循環(huán)特征下疲勞曲線變動(dòng)圖

根據(jù)圖3，分析特定循環(huán)特征下疲勞曲線的變動(dòng)。構(gòu)建一個(gè)疲勞方程，并結(jié)合方程計(jì)算回歸系數(shù)，如公式（5）所示。

式中：A為回歸系數(shù)；y為循環(huán)回歸次數(shù)；π為密集分布范圍；?為靜載極限強(qiáng)度。結(jié)合得出的回歸系數(shù)分析目前的疲勞性能。通過疲勞方程及回歸系數(shù)變動(dòng)，可以得出在相同應(yīng)力水平下的疲勞壽命和極限值。當(dāng)應(yīng)力水平接近0.5 時(shí)，普通混凝土的疲勞壽命接近，高性能路面混凝土疲勞壽命會(huì)更佳。當(dāng)應(yīng)力水平約為0.9 時(shí)，普通混凝土的疲勞壽命要遠(yuǎn)超過高性能路面混凝土的疲勞壽命，說明在不同的環(huán)境下，混凝土應(yīng)力的水平差異會(huì)導(dǎo)致疲勞標(biāo)準(zhǔn)不符合實(shí)際應(yīng)用需求，疲勞壽命不同，可根據(jù)要求調(diào)整，確保滿足疲勞特性的要求。

2.3 耐久特性研究

路用混凝土的耐久性也是比較常見的一種特征，相關(guān)的指標(biāo)主要是抗壓強(qiáng)度和損失率，基礎(chǔ)設(shè)置見表4。

表4 混凝土抗壓強(qiáng)度及損失率分析表

結(jié)合表4，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度及損失率進(jìn)行分析驗(yàn)證。結(jié)合目前的性能要求進(jìn)行具體分析：隨著凝土抗壓強(qiáng)度降低，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度損失率會(huì)增加；凝土抗壓強(qiáng)度增加，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度損失率會(huì)降低。該性能容易受環(huán)境影響，例如循環(huán)凍融。因此提高混凝土自身抵抗凍融循環(huán)的能力，能使整體路面更密實(shí)，降低過渡區(qū)微觀缺陷和產(chǎn)生裂縫的概率，以此提升整體的耐久性能。

2.4 其他路用性能研究

除上述的性能外，還有其他路用性能，包括脆性、抗凍性和耐磨性等，因?yàn)榛炷猎谂浔鹊倪^程中各環(huán)節(jié)數(shù)值以及指標(biāo)參數(shù)不同，所以這些特性最終形成的性能特征也有一定的差異。例如混凝土路用的脆性與配比用水量、環(huán)境因素和溫度因素等有直接聯(lián)系。以夏季、冬季為例進(jìn)行分析，夏季溫度較高，混凝土路面容易出現(xiàn)斷裂、翻折和裂縫等問題，影響正常的運(yùn)輸和應(yīng)用；冬季需要考慮防凍的問題，用水量過大，混凝土密度變大，自身承載力下降會(huì)導(dǎo)致脆性和支撐能力降低，也會(huì)降低路面耐久性，甚至?xí)霈F(xiàn)路面崩塌和斷裂等問題，造成不可控的經(jīng)濟(jì)損失，埋下安全隱患。因此，要求路用混凝土配比具有轉(zhuǎn)換性和特殊性，這樣可以增加整體的靈活性與完整性，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)并不固定，可以根據(jù)實(shí)際的建設(shè)施工情況進(jìn)行對(duì)等分析。

3 結(jié)語

綜上所述，與初始的混凝土配合比方式相比，該文設(shè)計(jì)的配合比結(jié)構(gòu)更靈活，有較強(qiáng)的針對(duì)性與穩(wěn)定性，在不同的施工背景環(huán)境下，仍然可以明確配比材料。通過析漏與飛散試驗(yàn)綜合法和馬歇爾法，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的配比環(huán)節(jié)，降低配比設(shè)計(jì)的誤差，可以提高后期路面的耐磨度和耐久性，能延長(zhǎng)路面的使用壽命，保證凍融劈裂強(qiáng)度，避免路面嚴(yán)重病害，有效地抵御車轍破壞，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)邁入新的發(fā)展臺(tái)階。