一种新的路面水泥混凝土配合比设计

杨大田，陈富强，孔令才

(1. 重庆交通大学 土木工程学院, 重庆 400074；2.广西壮族自治区公路管理局，广西 南宁 530028；3.广西壮族自治区桂西公路管理局，广西 南宁 530028)

一种新的路面水泥混凝土配合比设计

杨大田1，陈富强2，孔令才3

(1. 重庆交通大学 土木工程学院, 重庆 400074；2.广西壮族自治区公路管理局，广西 南宁 530028；3.广西壮族自治区桂西公路管理局，广西 南宁 530028)

为了配制耐磨性良的路面机制砂水泥混 凝土，用0.45次幂曲线、8-18曲线和Taramtula曲线，优化集料合成级配.按优化后的比例，粗集料和细集料均匀混合，经捣实得到其堆积空隙率.按此空隙率的12.5～17.5倍，计算水泥净浆体积，得到单位水泥用量和用水量，并利用Shilstone的粗指数和工作性指数，评估集料合成级配和单位水泥用量.在实践中，发现集料合成级配直接影响单位水泥用量.因此，良好矿料合成级配是配制高性能水泥混 凝土路面的基础.

捣实空隙率；水泥浆；盒子试验；水泥混凝土配合比设计

0 引言

路面水泥混凝土配合比设计方法，目前《细则》[1]规定了二级及二级以下公路可采用密度法或体积法的经验公式法，得到目标配合比. 2000年，陈建奎和王栋民[2]依据“普遍适用的混凝土体积模型”和基本观点：①混凝土各组成材料(包括固、气和液3相)具有体积加和性；②石子间的空隙由干砂浆填充；③干砂浆中的空隙由水填充；④干砂浆由水泥、矿物细掺料、砂和孔隙所组成；提出了现代混凝土配合比设计的全计算法.在全计算法中，首先假设水泥浆与骨料体积比为35∶65；其次，通过粗集料的捣实密度和表观密度，估算干砂浆体积；根据水泥浆体积和干砂浆体积，计算砂率.

2007年，Koehler E[3]提出了了基于集料混合料捣实堆积空隙率和集料粗糙度，确定水泥浆体积，计算水泥用量和用水量.2002年，Shilstone[4]提出了合成混合集料的粗细指数和考虑水泥用量的工作性指数，确定新拌水泥混凝土的工作性，计算各材料的质量组成.

在全计算法中，“普遍适用的混凝土体积模型”和“基本观点”，属于逐级填充理论.水泥浆体Ve不仅填充由粗集料和细集料混合捣实后的空隙，而且覆盖集料和间隔他们，减少集料间摩擦，满足新拌混凝土工作性——坍落度等.水泥浆填充由粗集料和细集料混合捣实后形成的空隙，这部分水泥浆体是必须的、基本的；覆盖和分离集料的水泥浆体是水泥浆富余系数，这部分水泥浆体不仅提供新拌混凝土流动性能，而且还要满足硬化混凝土强度和耐久性要求.根据此思路，可以把混凝土看成是由集料与水泥浆(含有一定量的空气)按照一定体积比例的相互组合，并满足新拌混凝土工作性和硬化混凝土的强度、耐久性[9]，得到一种新的路面水泥混凝土配合比设计方法.

根据普通混凝土高性能化的原则，在本次实践中采用公称粒径10～25(S8)(以下简称粗集料1)和5～10(S12)(以下简称粗集料2)规格的集料.细集料采用公称粒径为0～5(S15)的机制砂.

根据0.45次幂曲线、8-18分计筛余率和Tarantula 分计筛余曲线[5-8]，同时结合Shilstone的粗细指数和工作性指数，优化集料级配曲线和水泥用量，为路面机制砂水泥混凝土配合比设计进行一次工程实践.

1 基于水泥浆体积与集料堆积空隙比值的混凝土配合比设计方法

在本方法中，其中关键点是如何确定水泥浆体的体积和混凝土工作性指数的计算.

1.1水灰比计算

路面机制砂混凝土的水灰比仍根据28 d弯拉强度和水泥28 d实测抗折强度，按细则[1]中的公式(4.2.11-1)计算，获得.在本次实践中，路面混凝土的28 d弯拉强度为5.85 MPa，P.O 42.5 水泥实测抗折强度为7.5 MPa，因此，根据文[1]中公式(4.2.11-1)计算，得到水灰比为0.38.

1.2确定水泥浆体体积

确定水泥浆体体积，首先将粗集料1、粗集料2和砂按一定比例混合并拌合均匀，测试其捣实堆积密度，计算空隙率，具体步骤如下：

将粗集料1、粗集料2和机制砂，按质量百分比，称取一定质量的粗集料1、粗集料2和机制砂，拌合均匀，测试合成混合集料的捣实堆积密度(方法与粗集料的捣实堆积密度试验步骤[11]方法一致)，见图1；同时，按粗集料1、粗集料2和机制砂的质量百分比和毛体积密度和表观密度，计算合成混合集料的毛体积密度；最后计算捣实空隙率，见式(1).

图1 合成混合集料捣实干密度试验

(1)

式(1)中，ρDRUW是合成混合集料的捣实堆积密度，ρBlend是合成混合集料的毛体积密度，按式(2)计算.

(2)

式(2)中，pi是粗集料1、粗集料2和机制砂的质量百分比，ρi采用粗集料1和粗集料2的毛体积密度，ρi采用机制砂的表观密度.

根据空隙率，同时考虑水泥浆富余系数，一般为20%～75%[9]，即水泥浆体积与合成混合集料的空隙率之比在12.0～17.5之间[9]，能满足设计要求的新拌工作性、硬化混凝土的物理力学性质.

对于水泥混凝土路面，一般要求水泥浆体体积在250～350 L间.

1.3确定水泥用量和计算CF、WF值

根据水灰比和式(3)计算单位用水量：

(3)

根据水灰比和用水量，计算水泥用量，并代入式(4)计算合成混合料加上水泥后的工作性指数，并按式(5)计算合成混合料的粗细指数.

WF=P2.36+0.045(C-334.9)

(4)

(5)

式中：Q是筛孔尺寸9.5 mm筛累计筛余率，%；R是筛孔尺寸2.36 mm筛累计筛余率，%；P是筛孔尺寸2.36 mm筛质量通过率，%.通过式(4)发现，WF不仅受到水泥用量影响，而且还受到合成矿料级配的影响，因此良好的合成级配不仅能配制成良好的混凝土，而且还可以节约水泥用量.检查WF和CF是否符合要求[5-7].

2 路面机制砂水泥混凝土配合比设计

根据1中方法与步骤，对雄峰1、雄峰2和茶酒山3种机制砂与雄峰碎石(粗集料1和粗集料2)，进行级配优化组合.水泥浆与合成混合集料捣实堆积空隙率的比值取12.5，即水泥浆体积为捣实堆积空隙率率的12.5倍.

2.1级配优化

根据1中方法与步骤，经过多次循环调试，得到4种机制砂的级配组合，见表1.

通过图更能直观地观察这4种机制砂与粗集料1和粗集料2的关系，以及对新拌混凝土工作性的影响.

表1 雄峰1、雄峰2、茶酒山和雄峰2+天然砂4种砂的级配组合

注：雄峰2是指第二次在雄峰碎石厂取样的机制砂.

通过图2可以看出，雄峰1和茶酒山几乎落在上下限范围内，而雄峰2和雄峰2+天然砂在4.75mm筛孔以后几乎超出了上下限范围，也就是说机制砂偏粗，细度模数大，属粗砂.通过图3和图4的分计筛余分布曲线，也发现雄峰2和雄峰2+天然砂属粗砂.

图2 0.45次方级配曲线

图3 8-18级配曲线

针对4种级配组合，结合单位水泥用量，计算了粗细指数和工作性指数，见图5.

图4 Tarantula级配曲线

从图5可以看出，受水泥用量的影响，雄峰1和茶酒山的机制砂的粗细指数和工作性指数在技术范围内；雄峰2和雄峰2+天然砂的粗细指数和工作性指数，落在技术范围外，表明该混凝土集料级配偏粗，其新拌混凝土出现离析，饱水性差.

图5 粗细指数和工作性指数图

2.2路面机制砂水泥混凝土目标配合比

通过对雄峰2、雄峰2+天然河砂的28天抗折强度, 绘制抗折强度与灰水比的线性关系图，得到略大于配制强度5.85 MPa对应的灰水比和各材料在1 m3体积下的质量，见表2.

表2 雄峰2和雄峰2+天然砂初步配合比(28d)

从表2可以看出，单位用水量比较大，超出《细则》规定的单位用水量153 kg.因此在单位水泥用量和工作性不变情况下，调整减水剂掺量和单位用水量，防止泌水，即减小水灰比值.但这种固定水泥用量，调整单位用水量和减水剂掺量的方法，会造成水泥浆体不足，不能完全填充合成矿料间的空隙，会造成减水剂没发挥它应有的减水和改善混凝土工作性能的作用.

2.3路面机制砂水泥混凝土配合比调整与确定

鉴于固定水泥用量，调整单位用水量方法的不足，最大发挥高性能减水剂作用，根据聚羧酸高性能减水剂的推荐值——掺量为1.0%.在满足坍落度要求，即保持水泥净浆体积不变的情况下，采用盒子试验[10]来调整单位水泥用量、单位用水量，见图6.

图6(a)为水灰比调整为0.41时混凝土的坍落度试验后的情况，坍落度150 mm，略见离析；图6(b)是水比调整为0.38时混凝土的坍落度试验后的情况，坍落度为40 mm，进一步用盒子试验，发现混凝土振动棒振实后，在试样侧面没出现大量空洞，水泥浆充实饱满[12].调整后的水灰比和各材料组成，见表3.

图6 采用盒子试验[10]来调整单位水泥用量、单位用水量

表3 雄峰2初步配合比调整(水泥浆体积271 L，砂率0.38)

此时，粗集料填充体积率为75.5%，满足《细则》要求.粗细指数为55.6，工作性指数28.4，可见集料合成级配对水泥用量有较大的影响.

3 结论

按最大理论密度原则，依据0.45次幂曲线、8-18曲线和Tarantula曲线，优化粗、细集料合成级配，得到质量比；再按粗、细集料质量比，称取一定质量粗、细集料，测试粗细集料混合捣实后的干密度，计算合成混合集料的空隙率，按12.0～17.5倍空隙率，计算水泥浆体积.

根据单位水泥用量和合成级配，计算混凝土的粗细指数和工作性指数；依据Shilstone的粗细指数和工作性指数，评估粗细集料的比例和单位水泥用量.经过多次优化，得到单位体积下水泥、水、粗集料、细集料和减水剂的质量.

利用盒子试验，对新拌混凝土振动捣实后，观察试样侧面，评估试样侧面水泥浆充实饱满程度，确定水泥浆体积量.最后进行抗折强度验证，得到目标配合比.

[1]中华人民共和国交通运输部.JTG/T F30-2014公路水泥混凝土路面施工技术细则[S].北京：人民交通出版社，2014.

[2]陈建奎，王栋民.高性能混凝土(HPC)配合比设计新法——全计算法[J].硅酸盐学报，2000,28( 2):194-198.

[3]KOEHLER E. Aggregates in Self-Consolidating Concrete[D]. Austin: University of Texas at Austin, 2007.

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[11]中华人民共和国交通运输部.JTG E42-2005 公路工程集料试验规程[S]. 北京:人民交通出版社，2005.

PracticeofInnovativePavementCementConcreteProportionDesign

YANG Datian1，CHEN fuqiang2，KONG lingcai3

(1. School of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China；2.Guangxi Zhuang Autonomous Region Highway Administration Bureau，Guangxi 530028,China；3. Guangxi Zhuang Autonomous Region Highway Administration Bureau of Guixi，Guangxi 530028,China)

In order formulate the manufactured sand concrele with good wear resistance for road pavement the aggregate combined gradaton was optimized with 0.45 power curve, 8-18 curve and Tarantula curve. According to the optimized ratio of coarse aggregate and fine aggregate. they were evenly and tamped to get its acemulated porosity. According to this porosity 12.5-17.5 times, the volume of cement paste was calculated to get the amount of cement pre unit and the amount of water used, and more aggregate combined gradation and unit cement dosage were assessed with Shilstone′s coarseness factor and workability factor. In practice it was found that aggregate combined gradation directly affected the amount of cement pre unit. Therefore it was the basis for the production of high performance cement concrete pavement that aggregeate combined gradation was good.

rodded packing voids; cement paste; box test; cement concrete mixture design

1673- 9590(2017)06- 0093- 05

2016-11-09

广西壮族自治区交通运输厅科技项目(20152615)

杨大田(1973-)，男，讲师，博士，从事道路建筑材料的研究

E-mailtywoyangda@126.com.

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