水泥混凝土配合比设计及强度探析

摘要 为加强公路路面施工质量，文章针对水泥混凝土配合比方案进行优化设计研究，确定各类原材料，加入HSP-DQ纤维材料，对不同纤维掺量的水泥混凝土强度进行试验，具体结果如下：当纤维掺量为1.3～2.0 kg/m3时，水泥混凝土具有最佳的抗开裂能力；当纤维掺量为1.3～1.6 kg/m3时，水泥混凝土具有最佳的弹性模量数值；当纤维掺量为1.0～1.6 kg/m3时，水泥混凝土具有最佳的抗弯拉能力；当纤维掺量为1.0～1.6 kg/m3时，水泥混凝土具有最佳的抗劈裂能力。所以，最终选择水泥混凝土的纤维最佳掺量为1.3～1.6 kg/m3。

关键词 水泥混凝土；配合比设计；应用强度

中图分类号 U414 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）17-0192-03

0 引言

水泥混凝土是路桥工程施工的基础材料，其配比方案与应用强度会影响项目的后续使用。合理的配合比设计能够减少水泥混凝土的浪费，提高施工效率，降低施工成本，同时延长路桥的使用寿命。当前在水泥混凝土设计阶段，不仅要选用优质原材料，还要根据施工需求进行配合比试验，控制水灰比。此外还要保证水泥混凝土在搅拌、运输、浇筑、振捣等阶段满足施工工艺要求，才能提高工程的质量与耐久性。

1 工程概况

研究以某地区二级公路工程为例，项目总长15.7 km，公路原宽度为12 m，土路肩宽度为0.2 m。现根据规划要求将公路升级为一级公路，路面宽度需增加至36 m，硬路肩宽度为0.5 m。该公路交通量年增长预期为7%，对公路路面使用强度具有较高要求。因此，在施工前应针对水泥混凝土材料的配合比进行优化设计，采用高强聚酯（HSP）纤维混凝土工艺，多方面加强混凝土的抗压强度、弯拉强度、劈裂强度以及抗冲击性能等，为案例公路的正常使用提供重要保障。

2 水泥混凝土配合比设计方案

2.1 原材料配合比设计

2.1.1 水泥

案例公路采用纤维水泥混凝土施工方案，根据高强聚酯纤维混凝土特征，选用P.II 42.5型水泥，材料性能指标如表1所示[1]：

根据表1数据可知，研究选取的P.II 42.5型水泥的各项检测指标均满足规范要求，可以用于纤维水泥混凝土的配比设计与路用试验。

2.1.2 粗集料

纤维水泥混凝土的粗集料应具备耐磨性强、质地坚硬的特征，因此根据案例工程施工技术规范，采用4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～31.5 mm三种碎石级组成，粗集料的技术指标如表2所示：

根据表2数据可知，三种碎石级掺和后的粗集料的各项检测指标均满足规范要求，可以用于纤维水泥混凝土的配比设计与路用试验。

2.1.3 细集料

纤维水泥混凝土的细集料要求与粗集料相同，同样应具备质地坚硬、含泥量少等特点。根据施工技术规范要求，选定河沙作为混凝土细集料的原材料，细度模数为2.79 mm，满足2.6～3.2 mm的规范要求。此外，细集料的技术指标如表3所示[2]：

根据表3数据可知，研究选取细度模数2.79 mm的细集料材料，其各项技术指标检测结果均满足规范要求，可以用于纤维水泥混凝土的配比设计与路用试验。

2.1.4 减水剂

该次纤维水泥混凝土采用SX聚羧酸减水剂，用于水泥混凝土的拌和。减水剂的技术指标如表4所示：

根据表4数据可知，研究设计选用的SX聚羧酸减水剂的各项技术指标均满足规范要求，可以用于纤维水泥混凝土的配比设计与路用试验。

2.1.5 试验用水

研究设计采用饮用水，作为水泥混凝土的级配材料，相关技术指标如表5所示[3]。由表5可以看出试验用水的各项技术指标均满足规范要求，可以用于纤维水泥混凝土的配比设计与路用试验。

2.1.6 纤维

由于水泥混凝土路面属于刚性路面，具有良好的抗压性能，但是如果长时间处于高负荷使用状态，容易产生各种裂缝、塌陷等病害问题。因此，研究将纤维掺入水泥混凝土中，以加强混凝土路面的结构强度，具体为HSP-DQ纤维原材料，其各项技术指标情况如表6所示：

2.1.7 配合方案

研究为验证纤维掺入水泥混凝土后对其应用强度的影响效果，制定除纤维材料之外其余原材料的配合比方案，具体如表7所示。在之后研究中还应以该配合比为基础，掺入不同含量的HSP-DQ纤维原材料，通过试验得到最佳的配比方案。

2.2 水泥混凝土抗开裂评价标准

针对传统水泥混凝土加入纤维材料，预期目标为增强公路路面的使用质量，最大限度地避免路面开裂，可以通过公式计算，逐步推导出纤维水泥混凝土的开裂等级，得到不同纤维掺量的混凝土强度数值[4]。计算公式如下：

A=∑ n i=1ωi·li （1）

式中，A——水泥混凝土早期开裂的总面积（m2）；li——第i条裂缝的长度（m）；ωi——第i条裂缝的最大宽度（m）。通过早期抗裂性能评价标准，计算出水泥混凝土的限裂等级，具体公式如下：

η=A0−Af A0 ×100 （2）

式中，A0——混凝土早期开裂的裂缝总面积（m2）；Af——纤维混凝土早期开裂的裂缝总面积（m2），从而得到裂缝降低系数指标，具体如表8所示：

3 纤维掺量对水泥混凝土强度的影响研究

确定水泥混凝土配合比方案后，应进一步探析纤维掺量对材料强度的影响效果。因此分别选择纤维掺量分别为1.0 kg/m3、1.3 kg/m3、1.6 kg/m3、2.0 kg/m3四种方案，与未添加纤维掺量的原水泥混凝土配比方案进行综合比较。对五种方案的强度影响进行检测，结果如表9所示：

3.1 抗压强度影响

水泥混凝土的抗压能力，关系公路路面的裂缝病害。根据混凝土抗压强度试验结果可知，在传统水泥混凝土中加入纤维时，其抗压强度从48.39 MPa提升至50 MPa以上，但随着纤维掺量的逐渐提高，混凝土试件的抗压强度并没有得到明显的提升，始终处于52.44～53.95 MPa之间。这说明在水泥混凝土中掺入纤维材料，能够增强混凝土的抗压强度，但是不同纤维掺量并没有对抗压强度起到明显的促进效果。

3.2 弹性模量影响

根据不同纤维掺量的弹性模量结果可知，相对于未掺入纤维的混凝土而言，加入纤维后的混凝土弹性模量得到少量提升，在掺量为1.3～1.6 kg/m3时达到顶峰。说明不同纤维掺量对于混凝土弹性模量的影响效果并不是很明显，这是因为HSP纤维属于合成纤维，本身质地较为柔软，进行抗压弹性模量检测时，混凝土试件的竖向变形主要受原材料水泥及骨料影响，与纤维材料关联度不高。

3.3 抗弯拉强度影响

在水泥混凝土的抗弯拉强度试验中，当混凝土中加入纤维材料后，试件的抗弯拉强度得到明显提升。由最初的5.69 MPa提高至6.56 MPa以上，并且随着掺量增加，逐渐提升至6.86～6.99 MPa。说明HSP纤维在混凝土中起到良好的调节作用，能够增强水泥砂浆与集料之间的整体结构强度，从而增强水泥混凝土的抗弯拉强度。

3.4 抗劈裂强度影响

在水泥混凝土的抗劈裂强度试验中，在混凝土中加入纤维后，试件的抗劈裂强度由3.35 MPa增长至3.81 MPa，并且随着纤维掺量的增加，抗劈裂强度也提升为4.04 MPa与3.93 MPa，说明在水泥混凝土中加入纤维，能够大幅度提升混凝土试件的抗劈裂强度，表明纤维材料对混凝土各原材料具有良好的桥接作用。

3.5 水泥混凝土中纤维最优掺量分析

将上述不同纤维掺量对水泥混凝土强度的影响结果进行汇总，得出各种混凝土强度的最优掺量结果，具体如表10所示：

根据试验检测结果可知，当纤维掺量为1.3～2.0 kg/m3时，水泥混凝土具有最佳的抗开裂能力；当纤维掺量为1.3～1.6 kg/m3时，水泥混凝土具有最佳的弹性模量数值；当纤维掺量为1.0～1.6 kg/m3时，水泥混凝土具有最佳的抗弯拉能力；当纤维掺量为1.0～1.6 kg/m3时，水泥混凝土具有最佳的抗劈裂能力。所以最终选择水泥混凝土的纤维最佳掺量为1.3～1.6 kg/m3，能够满足案例工程路面的施工质量要求。

4 结CB0FYjCNoIJjo2OcUXATVDZeBbuldmYR5+ml0tc3dSk=论

综上所述，在传统水泥混凝土配合比方案中加入纤维材料，能够大幅度提高混凝土的施工质量。该文根据工程案例方案，对水泥混凝土配比方案进行设计，通过试验确定水泥混凝土中的纤维掺量，混凝土配合比方案如下：水128 g/cm3、水泥320 g/cm3、河沙607 g/cm3、4.75～9.5 mm粗集料283 g/cm3、9.5～19 mm粗集料354 g/cm3、19～31.5 mm粗集料779 g/cm3、外加剂3.2 g/cm3，此外选择纤维掺量为1.3～1.6 kg/m3，能够发挥出纤维材料的最佳性能，为案例公路的正常使用提供稳固保障。

参考文献

[1]徐勤敏，朱亚光，徐培蓁.沥青拌和站回收粉制备泡沫混凝土的性能研究[J].青岛理工大学学报，2024（1）：59-65.

[2]王兴照.矿渣粉掺合料对C50高性能混凝土综合性能的影响[J].当代化工，2024（1）：54-57+62.

[3]袁玮.公路工程水泥混凝土强度影响分析[J].工程建设与设计，2024（2）：73-75.

[4]刘贞鹏，杨宇.不同集料组合对C40水泥混凝土路面耐久性能的影响研究[J].西部交通科技，2023（12）：47-48+119.