滑模摊铺路面掺粉煤灰混凝土配合比设计
陈杰,高正
(长安大学公路学院,陕西西安710064)
摘要:基于对南方地区高等级公路水泥混凝土路面采用滑模摊铺施工的研究,提出了利用综合级配正交试验法和综合级配范围,进行滑模摊铺混凝土配合比的综合设计方法,并对掺粉煤灰混凝土和纯水泥混凝土后期强度的关系进行了讨论,并介绍了两者耐磨性能试验对比的结果。
关键词:滑模摊铺;粉煤灰;混凝土配合比
中图分类号:U416.216文献标识码:A文章编号:1004-4655(2006)04-0007-04
普通混凝土的配合比设计,主要是根据技术和经济的要求来确定混凝土的组成比例。路面混凝土配合比设计,是以弯拉强度为指标进行设计。近几年引进的混凝土滑模摊铺机技术对混凝土有特殊的要求。
1滑模摊铺混凝土配合比设计要求
滑模摊铺混凝土配合比设计首先要满足工作性的要求,其次是力学性能,再次是耐久性,最后考虑经济性。
1.1工作性
滑模摊铺由于其连续摊铺、快速推进、长距离运输等特点,特别强调对混凝土的工作性能的要求,它关系到滑模摊铺的成败,滑模摊铺混凝土的这个特点不同于普通混凝土。
滑模摊铺对水泥混凝土工作性能要求如下:
1)滑模摊铺路面时,水泥混凝土必须振捣密实,禁止出现蜂窝麻面,所以新拌水泥混凝土有一个最大振动黏度系数和最小塌落度要求。
2)水泥混凝土要保证滑模摊铺机能连续稳定的摊铺,保证路面易于成型,不出现塌边流角现象,因此新拌水泥混凝土有一个最小振动黏度系数和最大塌落度要求。
试验表明,不同气温、风力、运距和等待时间对水泥混凝土塌落度的要求不一样,不同类型的滑模摊铺机对塌落度的要求也不一样。室外摊铺施工的塌落度应该比室内级配的大1~2 cm。
1.2力学性能
高等级公路路面设计弯拉强度5.0 MPa以上,抗压强度41.8 MPa以上,配合比设计按弯拉强度进行设计。根据保证率85%的要求,设计强度提高系数采用1.13,即试配强度为5.65 MPa。
1.3耐久度
包括耐磨性和抗冻性两个指标。我国南方属亚热带气候,霜期短,一般不考虑抗冻性。配合比设计重点考虑耐磨性,借鉴国内外已取得的成果,为保证混凝土路面有足够的耐磨性,应重点控制砂率、砂的细度模数、粉煤灰的掺量和混凝土含气量。
1.4经济性
在保证混凝土的设计强度、工作性和耐久性的条件下,尽量节约工程费用。费用节省的有效方法是减少每方混凝土中的水泥,有以下四种途径:一是以粉煤灰代替部分水泥;二是掺入外加剂,降低混凝土容重和用水量;三是在满足摊铺机对骨料最大粒径要求的前提下,采用合理的集料级配;四是在保证混凝土工作性的条件下尽量降低砂率。
2 滑模摊铺混凝土配合比的综合设计方法
JTJ037.1—2000《公路水泥混凝土路面滑模施工技术规程》提出了以弯拉强度为指标的路面混凝土配合比设计方法—弯拉强度法,比规范GBJ97—1998推荐的砂率法有进步,但弯拉强度法存在以下问题:该方法对碎石、砂的级配要求分开,配比设计仅关系碎石与砂的比例,但对碎石、砂组合后的级配未作要求。碎石中含有一部分粒径小于5 mm的颗粒,砂中也含有一部分大于5 mm的颗粒,弯拉强度法并未考虑这一情况。例如:2.5 mm粒径碎石颗粒含量对混凝土塌落度、强度影响较大,但碎石、砂中都含有2.5 mm碎石颗粒,弯拉强度法或砂率法都仅考虑了砂中2.5 mm的颗粒含量,未计算碎石中2.5 mm的颗粒,这显然是不合理的。
混凝土中的管料用量不是固定不变的,它是随砂、石的粒度而变的,综合级配法可避免这些问题。综合级配设计法是通过给定的级配要求和砂石材料分析结果确定砂石材料的比例,然后再根据弯拉强度指标要求设计各组成材料的配合比。
2.1原料要求
1)要求各类原材料质地好、质量稳定。
2)考虑到碎石级配的不均匀性,应采用两“级”以上的碎石。
3)用于滑模摊铺的混凝土,其骨料最大粒径不能超过37.5 mm(方孔筛);
4)应尽量选择水泥胶砂28 d弯拉强度大、终凝时间稍长的水泥。
2.2确定砂及粗细碎石的比例
1)综合级配范围:根据国内外经验及我们所做的试验,比较合理的混凝土综合级配范围如表1所示。
2)根据综合级配范围,采用图解法计算砂和粗细碎石的比例,然后经过调整,以混合料级配满足级配范围要求、级配曲线尽量光滑且居中为原则,得出骨料优化组合。
2.3确定水泥用量
1)确定水灰比:水灰比可从混凝土弯拉强度f28的计算公式得到。根据试验:
水灰比计算出来后还需根据实际情况进行调整,水灰比是决定混凝土强度和耐久性的主要因素,在满足和易性要求的前提下,应尽量采用较小的水灰比。适宜滑模摊铺的混凝土塌落度通常在2~4 cm之间,水灰比不大于0.46。
目前高等级公路的交通量都很大,多属特重交通,因此,路面应选择用525号以上的水泥。根据国内外经验和验算结果,在加减水剂条件下达到5.65 MPa设计弯拉强度的混凝土水泥用量在350~380 kg/m3之间。根据经验选定水泥用量,再利用已知的水灰比计算出用水量。
掺入部分粉煤灰,混凝土具有以下优点:
(1)代替部分水泥,降低工程造价。
(2)有利于面板的抗弯拉强度。
(3)改善混凝土的工作性能,有利于面板的平整度和外观。
(4)降低了混凝土的泌水率,有利于混凝土的长距离运输。
(5)降低了水泥的水化速度,有利于防止水泥混凝土因温度太高时面板开裂。粉煤灰混凝土配合比设计根据GBJ146—1990《粉煤灰混凝土应用技术规范》规定的超量取代法进行,一般采用Ⅱ级以上的粉煤灰,超量系数取1.5,由此增加的粉煤灰体积减去同体积的砂。
2)确定混凝土的计算容重。混凝土的容重值与粗骨料的最大料径、密度、混凝土的含气等因素有关,应根据实测容重进行配合比计算。根据试验,混凝土的容重一般在2 390~2 450 kg/m3之间。取定碎石和砂的用量根据计算容重P、水泥用量(用灰量)C、水的用量W和碎石、砂的配比计算碎石和砂的用量。
3 正交试验法确定混凝土配合比
3.1 正交试验配合比设计
路面混凝土配比设计时,采用的资料正确、设计施工经验丰富,能以较少的试验次数得出混凝土配合比,反之则需要作较多的试验。大规模的公路工程一般采用正交试验法进行配合比设计。正交试验主要考虑水泥的组分及用量、水灰比、砂率、减水剂用量对混凝土强度及塌落度的影响,根据四个因素、三个水平,选用L9(34)正交表。时间结果与极差结果如表2。
3.2 配合比调整
施工过程中应根据材料的实际情况进行适当的调整，确定混凝土施工配合比。
1)用水量的调整:标准状态卜，配合比设计用集料为饱和而干状态，但施工时砂和碎石中的含水量都在变化，因此实际加水量应扣除砂和碎石中的含水量，另外，混凝土在运输过程中，水分也在发生变化，用水量应根据当大气温、风力、运距及等待时间进行调整。
2)两级级配比例和砂率的调整:配合比确定后，碎石用量的砂率原则上不调整，但山于碎石和砂料源变化以及破碎机械的原因，施工时应作适当调整。
3)外加剂的调整:山于混凝土每大运距的不同，气温、风力也不一样，因此运输对坍落度损失也不一样。为了保证摊铺机的正常工作，应根据选用外加剂性能调整其掺量，外加剂应选用减水缓凝早强型的.液态掺加。
4 掺粉煤灰混凝上后期强度的变化
标准配合比确定以后，进行了试验段和路而施工共65个工作日，期间先后现场取样260多组，通过7d, 28 d, 56 d( 60 d), 90d的强度试验，观测掺粉煤灰混凝土强度的增长情况。施工配比见表4,掺粉煤灰混凝土强度变化见表5。
从统计结果可以看出,按Ⅰ号配合比施工的7 d、28 d、56(60)d强度均高于按Ⅱ号配合比施工抗压强度,不同龄期强度高差相当;F7,Ⅰ>F7,Ⅱ;F28,Ⅰ≈F28,Ⅱ;F56,Ⅰ<F56,Ⅱ。这说明,纯水泥混凝土后期强度增长拉压强度较显著;而弯拉强度增长不明显;掺粉煤灰后期抗折强度、抗压强度均有较大增长。
掺粉煤灰混凝土抗压强度略低于纯水泥混凝土;强度早期略低于纯水泥混凝土,后期弯拉强度均大于纯水泥混凝土;粉煤灰掺量合适时,28 d弯拉强度也能达到或超过纯水泥混凝土弯拉强度。
5 掺粉煤灰混凝土的耐磨性能
为检验掺粉煤灰混凝土的性能,弯拉试验室作了对比试验。试验用混凝土配合比见表6,试验结果见表7。
通过试验,发现掺粉煤灰混凝土7 d的耐磨性与纯水泥混凝土相差较大,28 d、60 d的耐磨性相差较小;掺粉煤灰混凝土的耐磨强度随着龄期的增长而增长,纯水泥混凝土的后期耐磨强度随着龄期的增长而增长较小。这说明,通过调整砂石比例、砂的细度、粉煤灰的掺量等因素,掺粉煤灰的耐磨性能可以达到纯水泥混凝土的耐磨性能。
6 结语
1)利用综合级配范围正交试验方法的设计配合比,是一种行之有效的混凝土配合比设计,既经济又合理,并已通过施工验证,值得推广。
2)通过分析整理大量数据,揭示了掺粉煤灰混凝土后期强度变化及耐磨性能,对确定粉煤灰的掺量,降低路面工程造价,提高粉煤灰的综合利用,具有重要参考价值。
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