滑模混凝土配合比优化设计
石程华
(安徽省高等级公路工程监理有限公司,安徽合肥 230022)
摘 要:水泥混凝土路面目前占高级、次高级路面的比例约为20%,随着超重车的增多,该比例逐年提高。滑模施工有利于提高水泥混凝土路面的质量。针对滑模施工对混凝土的和易性等性能要求高的特点,文章从集料的性能、单位水泥用量和用水量、坍落度和砂率等方面对滑模混凝土配合比设计进行了分析,然后通过掺外加剂和粉煤灰两种途径改善混凝土的性能,以达到混凝土内实外光的效果。
关键词:滑模混凝土;配合比;优化设计
中图分类号:U414.18;U416.041;TU528.06
文献标识码:A
文章编号:1003-5060(2002)04-0614-05
1 设计原则和要求
良好的配合比设计是生产出具有良好工作性能的新拌混凝土和质量满意的硬化混凝土的重要前提之一。滑模混凝土配合比设计的任务是给出单位体积混凝土或一批量混凝土的水泥用量、细集料用量、粗集料用量和用水量(用质量计或用体积计),而外加剂用量要另外给出。
混凝土配合比设计包括:①选料。按照道路工程设计和施工的要求,选择适合制备所需混凝土的材料。②配料。根据道路设计中指定的混凝土技术性能指标和施工机械施工要求(包括工作性能、强度、耐久性等)和经济合理、可行的原则,选择混凝土各组分的最佳配合比例[1]。
水泥混凝土面层直接承受行车载荷的重复作用及环境因素(温度和湿度)的影响,因而必须具有足够的强度和耐久性等,而机械化路面施工对新拌混凝土的工作性能提出了相应的要求,尤其是要求新拌混凝土具有较好的粘聚性,以减少运输和摊铺过程中的离析和泌水,克服滑模施工路侧因失去支撑可能产生的塌边或塌肩现象。
对于给定的材料,在确定一个配合比时必须考虑下列变化因素:①水灰比。它表示了水泥浆的稀释程度,也是影响硬化混凝土强度的主要因素。②水泥用量。它直接规定了给定浓度的水泥浆的多少,而且影响到硬化混凝土的耐久性和强度,也是配合比设计中重要的经济指标。③砂率。是确定粗集料的一个重要参数。又是影响新拌混凝土的粘聚性和保水性的重要因素。滑模施工混凝土的砂率要大一些,一般在0.32~0.40之间。④稠度。与滑模施工要求有关,一般用坍落度表示。⑤外加剂。减水剂是解决低水灰比造成低稠度的主要措施之一,粉煤灰替代部分水泥,不仅可提高粘聚性,而且振动提浆容易,摊铺成型后很少产生麻面[2]。
2 设计方法
水泥混凝土配合比设计方法繁多,文献[3]推荐:正交试验法和经验公式法。虽然正交试验法设计的配合比经济且可靠性强,但其工作量大,设计周期长,对试验室要求高,在我国目前状况下,施工企业难以满足其要求。经验公式法虽然准确性不太高,但其简单,一般试验室都能做好,因而实用性强,目前仍被广泛应用。本文将重点介绍以抗弯强度为指标的经验公式法[3~5]。
2.1 粗集料性能
为获得密实、高强、耐久性好、耐磨耗的混凝土,粗集料的强度应不低于3级,或者不低于混凝土的设计抗压强度等级的2倍,其磨耗率不大于30%,粗集料的粒状以接近立方体为佳,碎石集料表面粗糙的棱角,同水泥浆的粘结力好,配制的混凝土具有较高的强度,颗粒愈粗、比表面积愈小,裹覆集料所用的水泥浆数量愈少,但粒径太粗,搅拌、运输都不方便,而且在成型时,容易形成水囊,成为硬化混凝土的断裂隐患。因此,为了获得质量均匀的混凝土,并且取得良好的施工性能,粗集料最大粒径宜在30 mm以下(指碎石混凝土)。
粗集料的级配,可采用连续级配或间断级配,采用连续级配的粗集料配制的道路混凝土和易性良好,不易发生分层、离析,是目前道路混凝土中最常用的级配方法。
2.2 单位水泥用量和用水量的确定
在单位用水量给定的情况下,水泥用量增加,则水灰比降低、混凝土抗折强度提高,水泥浆体积增加,混凝土拌和物粘聚性、稳定性及易摊铺性指标得到改善;若水泥浆用量过多,则会导致混凝土收缩增大,由此引起干缩裂缝增多。因此,国外滑模摊铺单位水泥用量都不大于350 kg/m³。由于我国目前实际使用的砂、碎石材料的含泥量与国外还有差距,为防止混凝土路面塑性收缩裂缝,文献[3]中规定了单位水泥用量不宜大于370 kg/m³(采用42.5#普通硅酸盐水泥),为了获得较好的和易性和满足强度要求,单位水泥用量不宜低于320 kg/m³。目前我国实际施工水平,单位水泥用量控制在330~340 kg/m³之间较为妥当。
在单位水泥用量确定的情况下,增加单位用水量可明显改善混凝土拌和物的易振实性,但混凝土强度也明显下降,并易引起塌边和混凝土路面的塑性收缩裂缝,故单位用水量不宜大于160 kg/m³(指碎石混凝土)。但实际单位用水量采用145 kg/m³左右为宜。
2.3 选择合适的坍落度和砂率
各国混凝土研究者做了大量努力,至今尚未有一种能完全定量地量测出符合和易性定义的试验方法,但坍落度试验方法是世界各国广泛应用的现场测试方法,坍落度也就成为混凝土施工现场控制的主要指标之一。坍落度过大就会造成坍塌边等现象,坍落度过小,就会造成摊铺不成型、不密实等。建议现场混凝土坍落度,见表1[6]所列。后场控制的坍落度应考虑由于运输等因素造成的损失,其视运输距离及气候条件不同,一般为5~10 mm,在施工时应经常检测。
水泥砂浆在混凝土拌和物中起润滑作用,可以减少粗集料颗粒之间的摩擦阻力,所以在一定砂率范围内,随着砂率的增加,润滑作用也明显增加,提高了混凝土拌和物的流动性。但砂率过大,将会减弱了水泥浆的润滑作用,导致混凝土拌和物流动性降低、混凝土强度降低及表面泛砂等。如果砂率过小,即石子用量过大,不但会降低混凝土拌和物的流动性,而且会严重影响其粘聚性和保水性,产生离析现象,给施工带来难度。因此,在设计混凝土各组成材料之间的比例时,为保证和易性应选择最佳砂率。在最佳砂率范围内根据不同情况选用不同的砂率,如果石子孔隙率大,表面粗糙,颗粒间摩阻力较大,砂率要适量增大些,如石子级配较好,空隙率较小,粒径较大,应选用较小砂率,以节省水泥,砂率的选用可参照表2所列。
按初步计算的配合比试拌(约30 L),测定其工作性能,如果工作性能不符合设计要求,应对配合比进行调整。流动性不满足要求,应在水灰比不变的情况下,增减水泥浆用量;如果粘聚性或保水性不符合要求,则调整砂率的大小。
3 掺外加剂改善混凝土性能
用级配良好的集料,有足够的水泥用量和正确用水量的混凝土拌和物,具有良好的和易性,但是,在实际生产过程中,可能会出现级配不良、颗粒形状不好的集料和水泥用量不足引起的贫混凝土拌和物,掺加外加剂可以使和易性得到改善。
掺加引气剂或减水剂,可以增加混凝土的和易性,减少混凝土的离析和泌水[4],引气剂产生的大量的不连通的微细气泡,对新拌混凝土的和易性有良好的改善作用,可增加混凝土拌和物的粘性,减少泌水,减少离析并易于抹面。保持水泥用量和水灰比不变的情况下,减水剂对塑性混凝土坍落度可增大5~15 cm。但随着时间的推移,掺减水剂混凝土坍落度会明显损失。常用减水剂品种及掺量对水泥浆流动度的影响见表3所列[6]。
4 掺粉煤灰优化配合比设计
粉煤灰对新拌混凝土改性,主要表现在与基准混凝土和易性相等时,粉煤灰混凝土中的用水量降低,其优点是为改善新拌混凝土和易性提供了基本条件,为硬化中的粉煤灰混凝土减少了出现收缩的危险,而且还提高粘聚性,有利于提高混凝土强度,特别是后期强度。
4.1 掺入原则
掺粉煤灰混凝土配合比设计,是以基准混凝土(即未掺粉煤灰的混凝土)的配合比为基础,等稠度、等强度等级的原则,用超量取代法进行调整。所谓“等稠度”和“等强度等级”是指配制成的粉煤灰混凝土具有与基准混凝土拌和物相同的稠度和硬化后指定龄期的强度等级相等。所谓“超量取代法”是粉煤灰总掺入量中,一部分取代体积的水泥,超量部分粉煤灰取代等体积的砂[6]。
4.2 计算步骤
(1)选定粉煤灰取代水泥的掺量百分率和粉煤灰超量系数[3]
粉煤灰取代水泥的掺量百分率f(%)不能超过表4规定的允许最大限量。根据对不同掺量的粉煤灰进行试验可知[8],粉煤灰的最佳掺量应在10%~20%之间,见表5所列。粉煤灰的超量系数δf,根据粉煤灰的等级按表6选用。
(6)试拌调整提出试验室配合比。
为校核混凝土的强度,至少拟定3个不同的配合比,其中1个为按上述得出的配合比,另外2个配合比的水灰比值,应较上述配合比分别增加及减少0.05,其用水量应该与上述配合比相同,但砂率值可增减1%。同时尚应检验拌和物的坍落度等性能。
5 结束语
采用优化后的混凝土配合比施工,不仅克服了滑模施工路侧因失去支撑可能产生的塌边或塌肩现象,减少了运输过程中的离析和泌水,而且使混凝土的90 d强度提高了15%~20%,耐磨性也得到了很大的提高。当掺用优质粉煤灰时,其终饰性好,容易抹面,大大地改善了路面的表面性能。
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