高性能混凝土配合比设计及施工技术研究

李 龙

中交四航局第三工程有限公司，广东 湛江 524005

水泥混凝土路面是我国公路和城市道路中广泛使用的一种高级路面形式，在正常的工作状态下与沥青路面相比，具有强度高、应力扩散能力强、对温度敏感性较小、水稳定性较好、使用寿命长、施工方便等突出优点，在各等级道路中都发挥着重要的作用[1]。但由于水泥混凝土是一种典型的脆性材料，在非正常工作状态时，如面临超载交通和板底脱空，施工、质量管理不到位，就会产生各种病害，并且这种病害维修困难，工期长，会对现状交通产生严重影响。即使在正常工作状态，水泥混凝土路面表层的砂浆层也会因车轮的反复磨耗而破损，从而大幅降低表面抗滑性能和平整度，混凝土骨料在失去砂浆保护层后也很快在水分侵蚀和车轮磨耗下剥落，水泥板厚度减少，整个面板在弯拉应力下断裂。因此，随着人们对出行品质要求的逐渐增高，人们对水泥混凝土的耐久性、强度等性能提出了更高的要求。通过优选原材料和添加剂、调整配合比设计等措施，可以配制出具有优良路用性能的水泥混凝土，特别是流动性、高强度、高韧性及高耐久性等特点，是新时代水泥混凝土的重要发展方向。

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义与高强度水泥混凝土要求不一样，前者对混凝土从拌和到硬化形成各不同阶段都提出了更高的性能要求，通常材料设计围绕耐久性和高强度两大指标进行，要求配置的水泥混凝土具有更长的使用寿命、较高的体积稳定性、良好的施工工作性及足够的强度和密实性。

为达到上述性能表现，高性能混凝土需要满足以下要求：第一，在拌和成型阶段能表现出优良的工作性能，并在坍落度不大于50mm的条件下仍具有施工密实性；第二，路用水泥混凝土应具备高抗弯拉强度，28d和90d龄期的抗压强度分别不小于7MPa和8MPa；第三，室内疲劳弯曲试验中，在规定应力比下的疲劳循环次数要达到200万次，是普通水泥混凝土的4倍，具有高疲劳寿命；第四，减弱混凝土的脆性性能，包括降低抗折弹性模量，增强韧性；第五，突出表面抗磨耗性能，能抵御使用寿命期间各种物理、化学的侵蚀，体现高耐久性。

实践表明，水泥混凝土优良的坍落度，即工作性能可在一定的施工机械作业下满足水泥混凝土合适的振动黏度系数和坍落度要求，是振捣密实的前提。要配置出高性能水泥混凝土，必须从宏观机械性能和微观材料性能两方面着手，充分考虑混凝土内部各组分的比例和接触状态，这种内部结构直接影响水泥混凝土从施工拌和到形成强度再到最后运营各阶段的流动性、强度和耐久性。

2 高性能混凝土的原材料组成

2.1 水泥

水泥的品种和标号直接影响水泥混凝土的强度性能，一般可选用硅酸盐水泥，强度等级为42.5，1m3水泥混凝土中水泥用量为500kg左右，施工时应严格控制水泥用量，避免过于追求强度而影响其他性能的发挥。

2.2 掺合料

外掺矿料与水泥混凝土强度和密实度密切相关，其中用于配置高性能水泥混凝土应用最早、施工经验最多的掺合料是生产硅铁时所产生的一种烟灰，俗称硅灰。硅灰的掺量约为水泥用量的5%以上，但不应超过10%。相关研究表明，当硅灰掺量在8%左右时，水泥混凝土的强度可增长25%左右，与此同时，混凝土的密实度、抗渗、耐磨及耐久性均有提升。这主要是因为硅灰内部富含SiO2，含量甚至可达到90%以上，比表面积大，分散性好，可以填充水泥水化过程中形成三维网络的空隙，并且其火山灰活性高，能促进强度的形成。磨细的矿粉也可以起到类似硅灰的作用，其掺量约为30%，通常细度越大，活性越高，效果越明显[2]。

2.3 高性能减水剂及其他外加剂

高强度是配置高性能水泥混凝土的一项重要目标，仅提高水泥标号不能得到满意的效果，甚至会引起严重的干缩裂缝，而通过掺入减水剂，在保证拌和流动性不变的情况下降低水灰比，可以起到直接提升水泥混凝土强度的作用，是必不可少的成分。当集料采用碎石时，高性能水泥混凝土的28d设计强度计算公式如下：

式中：fcu,28d为高性能水泥混凝土的28d设计强度；fce为水泥标号；为水灰比，用水量的取值一般为130～150kg/m3。

常用高性能减水剂除传统的萘系（掺量范围为0.3%～1.5%）、木质素磺酸（掺量范围为0.1%～0.3%），还有溶于碱而不溶于水的有机共聚物等复合型高效减水剂，减水效果可达到25%～35%，同时具有高强的分散性，增加强度、密实度的同时也可保证水泥混凝土的和易性和耐久性。其他外加剂如缓凝剂、引气剂、膨胀剂等可根据需要添加，以满足高性能水泥混凝土多样的需求。

2.4 优质粗细骨料及体积比

粗细搭配的骨料在水泥混凝土中形成，骨架承担着混凝土受到的大部分应力，是强度的重要来源。这类砂石材料占总体积的70%～80%，粗细骨料自身的品质、最大粒径及体积比例是构成高性能混凝土的重要因素，对流行性、强度和耐久性均产生重要影响。通常细骨料应选择坚硬圆滑的碎石砂或洁净的河沙，为有利于拌和，要求低吸水性，细度模数范围为2.8～3.2，表观密度不小于2.2g/cm3。粗骨料是强度形成的关键，应尽量选择表面粗糙的碎石，岩石性质最好是玄武岩、石灰岩或硬质砂岩等质地坚硬的岩石，要求压碎值不超过10%，吸水率不超过1%，最大粒径范围为15～20mm，表观密度大于2.65g/cm3。高性能水泥混凝土的粗骨料碎石含量可根据砂率等参数计算，具体计算公式如下：

式中：G为高性能水泥混凝土的粗骨料碎石含量；VS+G为砂石骨料所占混凝土的体积；SP为砂率，根据试验统计一般取值为24%～33%；ρG为碎石的表观密度。

3 高性能混凝土的配合比设计及施工质量控制

高性能水泥混凝土的配合比设计必须满足施工工作性、强度和耐久性的要求，工作性包括对坍落度及坍落度损失、初凝和终凝时间等的控制，实际配制强度应达到设计强度的95%以上，根据相关经验一般要求配制强度达到设计强度的1.15倍以上[3-6]。

通过室内试验对高性能水泥混凝土的组成材料进行配合比设计，确定各原材料的最佳组成。试验采用P·O42.5水泥，外加剂采用JM-Ⅲ、PCWG-5及PCWG-5+引气膨胀剂，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设计

拌和成型按养生7d和28d分别对其抗弯拉强度、抗压强度及冻融循环次数等进行试验，试验结果如表2所示。

表2 高性能水泥混凝土试验结果

配合比试验结果表明，使用RCWG-5型高效减水剂配制的混凝土抗压强度明显高于普通减水剂JM-Ⅲ，三种配合比下混凝土的28d抗弯强度从小到大依次为3＞2＞1，高标号水泥和高效减水剂对提高抗压强度和弯拉强度的作用明显；加入引气膨胀剂的水泥混凝土收缩性明显减小，可以减缓早期干缩裂缝的产生，其冻融循环次数也得到显著提升，有利于恶劣环境条件下水泥混凝土耐久性的提升。

4 结束语

当前，人们对水泥路面提出长寿命、高强度及高耐久性的要求，高性能水泥混凝土以其优良的路用性能得到飞速的发展，道路科研工作者通过对原材料的控制和配合比设计，使得新拌水泥混凝土从施工拌和到形成强度再到最后运营各阶段的流动性、强度和耐久性均得到有效提升。通过经验总结发现，降低水灰比、降低空隙率、使用外加剂改善水泥的水化产物和与骨料的胶结能力等措施对水泥混凝土高性能的形成有着直接的作用。