淺析原材料及配合比對水泥砼路面強度的影響

■林華英（龍巖市新龍工程監理有限公司，龍巖364000）

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淺析原材料及配合比對水泥砼路面強度的影響

■林華英
（龍巖市新龍工程監理有限公司，龍巖364000）

本文以國道319線重交通二級公路路面重鋪工程為實例，著重介紹水泥砼路面在原材料的選擇及配合比確定時注意的要點，并淺析原材料及配合比對水泥砼路面強度的影響，為水泥砼拌制提供科學合理的理論依據，在實際施工中起到指導作用。

原材料配合比水泥砼路面強度

1概述

水泥砼路面工程的質量要求，應具有足夠的強度、耐久性，表面抗滑、耐磨、平整。確保水泥砼路面質量的重要因素包括混凝土原材料選擇、配合比設計及混凝土現場施工過程等環節。在我市管養的干線公路水泥砼路面“改善工程”中，水泥砼路面的設計強度均采用5MPa；對于交通量較少、基本上無超載車輛通行的縣鄉道，水泥砼路面的設計強度可采用4.5MPa。由于水泥砼在原材料的選擇上不夠科學，同時，在配合比設計上也不盡合理，將直接引發水泥砼路面施工過程中存在質量隱患，個別路段出現水泥砼路面早期收縮裂縫、路面面層取芯芯樣強度不合格、以及其它外觀質量缺陷等現象，造成水泥砼路面在建設或養護管理過程中投資成本增加。下面筆者結合多年的試驗經驗，以國道319線（K162+000～K165+580、K191+154～K195+000）重交通二級公路路面重鋪工程為實例，對水泥砼路面原材料選擇、配合比設計及其注意事項作如下分析。

2原材料

2.1集料

集料是在混凝土中起骨架和填充作用的粒料，包括粗集料（碎石）和細集料（砂）等。集料體積大約占混凝土體積的3/4，由于所占的體積相當大，所以集料質量對混凝土的技術性能和生產成本均產生一定的影響。在配制水泥砼路面面層混凝土時，集料的強度、級配、表面特征、顆粒形狀、雜質的含量、吸水率等，必須認真檢驗，嚴格選材，才能配制出滿足技術性能要求的混凝土，同時降低生產成本。

2.1.1細集料

（1）細集料（砂）質量的好壞，對水泥砼混合物和易性的影響比粗集料（碎石）更大，因此細集料應選用質地堅硬、耐磨、潔凈，含泥量少，泥塊含量少的天然砂，不宜使用質量差或再生的細集料。

（2）極重、特重、重交通荷載等級的路面面層水泥砼用細集料不應低于Ⅱ級，砂的細度模數應控制在2.0～3.7之間為最好，因為細度模數＜2.0時，拌制的水泥砼混合物顯得太粘稠，施工中難于振搗，并且由于砂細，在滿足相同和易性要求時，增大了水泥用量。這樣不但增加了水泥砼的投資成本，而且影響了水泥砼的技術性能，如混凝土的耐久性、收縮裂縫等；砂也不宜太粗，細度模數＞3.7時，容易引起新拌制的水泥混凝土，在運輸澆筑過程中出現離析以及保水性能差等現象，從而影響了水泥砼的內在質量及外觀質量。

（3）對于細度模數差值超過0.3的砂應分別堆放，并且分別進行配合比設計。

（4）在我市管養的干線公路水泥砼路面重鋪或挖補工程中，一般優先選用漳州河砂、廣東茶陽河砂或江西會昌河砂等，此類河砂雜質含量少，細度模數在2.7～3.3之間，質量較好。本工程所用的細集料為漳州河砂，試驗結果顯示為Ⅱ區中砂、級配良好，結果均符合試驗要求，如表1。

表1　細集料指標要求與實測結果

2.1.2粗集料

粗集料是指粒徑＞4.75mm的碎石，其強度、顆粒形狀、表面特征、級配、雜質的含量、吸水率對砼的強度都有重要的影響。

（1）強度：配制面層水泥砼對粗集料強度的選取是十分重要的，高強度的集料才能配制出高強度的水泥砼。應選取質地堅硬、耐磨、干凈、近似球體或立方體的渾圓狀和多棱角的碎石、破碎礫石或卵石。其強度可用巖石立方體強度或碎石的壓碎指標值來測定，巖石的抗壓強度應比配制的混凝土強度高50%。一般用碎石的壓碎指標值來判定巖石的強度是否滿足要求。

（2）級配：粗集料的級配是指各粒徑集料相互搭配所占的比例，級配是集料的一項重要的技術指標，級配是否合理將直接影響混凝土的和易性及其強度。因此，路用水泥砼粗集料在選用時，不宜使用未分級的統料，應按最大公稱粒徑的不同采用2～4個粒級的集料進行摻配，并符合合成級配的要求。如4.75～31.5mm連續級配采用4.75～19mm和19～31.5mm二種規格的碎石進行摻配；4.75～26mm連續級配采用4.75～19mm和9.5～26mm二種規格進行摻配，摻配時合成級配曲線盡量靠中間。

（3）最大粒徑：碎石最大公稱粒徑不宜大于31.5mm，由于大粒徑集料比同重量的小粒徑集料表面積要小，其與砂漿的粘結面積相應要小，其粘結力就比較低，而且混凝土的均質性差，所以大粒徑集料不可能配制出高強度混凝土。

（4）含泥量：集料中的含泥量、石粉含量要嚴格控制，其含量大，不但影響混凝土拌和物的和易性，而且降低混凝土的強度，影響混凝土的耐久性，引起混凝土的收縮裂縫等。

（5）粗集料為新羅區莒舟上鄭石場，級配由4.75～19mm和19～31.5mm二種規格按50%、50%的比例摻配而成，級配良好，其結果均符合試驗要求，如表2。

表2　粗集料指標要求與實測結果

2.2水泥

面層所用水泥技術要求應滿足現行《通用硅酸鹽水泥》（GB175），優先選取旋窯水泥，強度等級42.5R或42.5的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。水泥進場時每批次應附有化學成分、物理、力學指標合格的質量保證書。每批水泥進場后必須檢驗其抗壓強度、抗折強度、安定性和凝結時間。如水泥的安定性或初凝時間不合格，為廢品，不得進入施工場地；如水泥的抗壓強度或抗折強度、終凝時間不合格，為不合格品，可進場，但必須降級使用。

本工程所用水泥為福建省永定閩福建材有限公司生產的閩福牌P.O42.5R，水泥批號為VPR085，試驗結果均符合試驗要求，如表3、表4。

表3　水泥各齡期強度指標要求與實測結果

表4　　水泥物理指標要求與實測結果

2.3水

飲用水可直接作為水泥砼攪拌和養生用水，非飲用水應進行水質檢驗，水的PH值≥5；并且不得含有油污、泥和其他有害雜質，還應與蒸餾水進行水泥凝結時間與水泥膠砂強度的對比試驗；對比試驗的水泥初凝與終凝時間差均≤30min，水泥膠砂3d和28d強度不應低于蒸餾水配制的水泥膠砂3d和28d強度的90%。

2.4外加劑

為了滿足混凝土的施工要求，改善混凝土和易性并提高性能，同時降低水泥用量，減少工程成本，外加劑的選擇尤為重要。選用外加劑著重從以下幾個方面考慮：延緩混凝土的初凝時間，提高混凝土早期強度，增加后期強度，減少混凝土坍落度的損失。通常選用的外加劑有高效減水劑、高效緩凝減水劑，引氣緩凝高效減水劑。

（1）高效減水劑：具有增加混凝土強度和流動性的特點，因此，摻高效減水劑的混凝土坍落度損失一般較快，施工時最好采用后摻法，這樣可使高效減水劑的減水作用增高，增加混凝土的流動性。在溫度低于8～10℃時，高效減水劑雖能增加和易性，但增加強度的作用大大降低。所以高效減水劑宜在春秋季節使用。

（2）高效緩凝減水劑：有利于控制早期水化，混凝土拌和物坍落度損失小。一般來說，摻量大時凝結時間相應增長，但摻量過大時會降低早期強度，需根據施工季節來調節摻量。在結構復雜配筋密集的構件中使用，可避免形成冷縫，方便施工安排。

（3）引氣緩凝高效減水劑：能減少用水量，顯著改善混凝土的工作性能，也能增加混凝土的黏聚性和表面砂漿富裕度，提高彎拉強度，減少收縮和接縫變形率，并提升工程經濟效益，降低抗折彈性模量，改善荷載和溫、濕度變形性能。

（4）本工程中所用的外加劑是徐州超力建筑材料有限公司生產的CNF-3引氣緩凝高效減水劑。其性能較好、質量較穩定，減水率在12%～20%，水泥用量可節約12%以上，含氣量≥3.0%。早期強度及后期強度也較高、混凝土和易性好、保水性好、收縮率低，摻量也小，占水泥用量1.2%。施工時采用同摻法，混凝土攪拌時間延長30s。

3配合比設計

3.1配合比計算

3.1.1確定試配強度

三輥軸機組及小型機具施工的水泥砼面層配制28d彎拉強度均值按公式（1）計算確定。

fc=（fr/（1-1.04Cv））+ts

（1）

式中：fc——面層水泥混凝土配制28d彎拉強度值MPa；

fr——設計彎拉強度標準值MPa；

t——保證率系數，取值0.37；

s——彎拉強度試驗樣本標準差MPa，取值0.5；

Cv——彎拉強度變異系數，取值0.13。

3.1.2確定水膠比

水膠比是路面混凝土配合比設計的一個關鍵因數，水膠比越小，混凝土強度越高，但過小的水膠比會導致稠度增大，和易性差，難以控制施工，影響混凝土密實性，增加單位水泥用量，這不僅不經濟，還會造成混凝土干縮裂縫；水膠比太大，稠度減小，塌落度增大，拌和物的黏聚性及保水性變差，難以保證混凝土的強度及耐久性，二級公路最大水膠比為0.46，水膠比按公式（2）計算（碎石）。

W/B=1.5684/（fc+1.0097-0.3595fs）

（2）（3）

式中：W/B——水膠比；

fs——水泥實測28d抗折強度MPa；

fc——面層水泥砼配制28d彎拉強度的均值MPa。

經試驗室的大量試驗，5.0MPa混凝土宜采用以下0.35、0.40、0.45三個水膠比進行試拌，0.40作為基準水膠比，最終確定最佳水膠比。

3.1.3砂率（Sp）

砂率對混凝土拌合物產生顯著影響，砂率過大，骨料總表面積與孔隙率均加大，在水泥漿用量不變的情況下，水泥漿不足以起到充分填充、包裹、潤滑骨料作用，使拌合物流動性減小；砂率過小，不能保證在粗骨料之間有足夠的砂漿層，也會降低混凝土拌合物的流動性，而且嚴重影響黏聚性和保水性，造成混凝土離析。因此，砂率宜根據砂的細度模數和粗集料種類選取，砂細度模數在2.8～3.1時，宜取34%～38%。混凝土路面重鋪工程中，砂率由35%逐一遞增至37%。

3.1.4確定單位用水量

根據粗集料的種類、坍落度和引氣緩凝高效減水劑的減水率及摻量來確定，單位用水量的大小，直接影響混凝土的工作性，水太多，水泥用量大增，造成不必要的浪費，塌落度也隨之增大，強度反而減小；水太少，水泥用量相對減少，難以保證最小水泥用量和抗折強度。三輥軸機組攤鋪時，拌合物的現場坍落度宜為20～40mm，最大單位用水量（碎石）為153kg/m3，宜控制在143～153kg/m3。水泥砼路面重鋪工程中，CNF-3引氣緩凝高效減水劑摻量為水泥用量的1.2%，用水量為149kg/m3。

3.1.5確定單位水泥用量

C0=（C/W）×W0

式中：C0——單位水泥用量kg/m3。

最大單位水泥用量不宜大于420kg/m3，最小用量不宜少于310kg/m3；使用摻合料時，最大單位膠材總量不宜大于450kg/m3。

3.1.6確定砂、石用量

集料用量可按密度法或體積法計算，按密度法計算時，其公式如式（4）和式（5）。

mco+mgo+mso+mwo=mcp

⑷

Sp=mso/（mgo+mso）×100%

⑸

式中：mco——每立方米混凝土的水泥用量（kg）；

mgo——每立方米混凝土的粗骨料用量（kg）；mso——每立方米混凝土的細骨料用量（kg）；mwo——每立方米混凝土的用水量（kg）；Sp——砂率（%）；

mcp——每立方米混凝土拌和物的假定容重kg，其值可取2400～2450kg。

3.2試拌調整

使用試拌前，應與試配時混凝土配合比相同的水灰比進行涮膛，以免正式試拌時水泥砂漿粘附桶壁。試拌量應不小于試拌機額定量的1/4，混凝土的攪拌方式及加料，宜與生產時使用的方法相同，特別是外加劑的摻法，是同時摻還是后摻。

試拌得出的拌和物坍落度不能滿足要求或粘聚性和保水性不好時，應保證水膠比不變的條件下，相應的調整用水量和外加劑的摻量或砂率，用水量調整的幅度不能過大，因為混凝土的水膠比較低，增加用水量相應水泥用量的增大幅度較大。如通過以上調整，混凝土拌和物仍不能滿足混凝土運輸等施工工藝的要求或混凝土的性能要求，則要考慮重新選擇水泥或外加劑，或聯系減水劑生產廠家調整好減水劑與水泥的適應性。

3.3配合比的確定

當拌和物實測密度與計算值之差的絕對值不超過計算值2%時，可不調整。大于2%時按《普通混凝土配合比設計規程》JGJ55—2011規定進行相應的調整。施工期間的配合比按工地砂、碎石的含水率進行調整，以保持基準配合比不變。配合比制作fc=5.97MPa、室溫20.1℃、濕度68%，拌和物假定容重為2420kg/m3，碎石按粒徑兩級摻配4.75～19、19～31.5（mm）各摻50%，CNF-3摻量為1.2%，各材料用量見表5，試拌結果見表6。

配合比調整：Sp=36%容重為2420kg/m3，C∶S∶G1∶G2∶W∶CNF-3=376∶682∶607∶606∶149∶4.51。在配合比的指導施工下，該段砼路面試塊制作標準養護28d抗折強度均符合要求，取芯驗收結果見表7。

表5　混凝土配合比試拌材料用量表

表6　混凝土配合比試拌實測情況

表7　取芯實測情況

將不合格芯樣打碎分析，造成水泥砼強度不合格的原因主要有如下幾點：（1）混凝土攪拌時間不夠，芯樣中殘留未水化的水泥結塊；（2）振搗不夠，芯樣內有蜂窩；（3）施工配合比未根據碎石、砂的含水量及時調整，造成水灰比偏大，芯樣表面和內在的氣孔比較多。

4結束語

配制5MPa水泥砼路面面層混凝土應選用優質原材料，水泥要求42.5級以上的旋窯水泥；粗集料要求最大粒徑31.5mm、級配好、壓碎值小、堆積密度大、含泥量少、泥塊含量少、針片狀少；細集料要求細度模數2.7以上、含泥量低；外加劑應根據季節要求以滿足施工需要和強度要求。因此，施工前，必須對原材料進行試驗與檢驗，符合規范要求的原材料方可使用。在配合比設計時，嚴格按照規范的要求及程序進行，嚴格控制各種材料的用量，配制至少3個水膠比的混凝土配合比，選擇最佳的符合要求的混凝土配合比。

［1］JTGE42-2005，公路工程集料試驗規程.

［2］JTGE30-2005，公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程.

［3］JTG/TF30-2014，公路水泥混凝土路面施工技術細則.

［4］JGJ55-2011，普通混凝土配合比設計規程.

［5］徐州市超力建筑材料有限公司編制.CNF混凝土外加劑系列資料匯編.