公路工程中混凝土配合比的試驗與設計研究

陸 璐

(臨汾市迅捷交通工程質量試驗檢測有限公司，山西 臨汾 041000)

1 公路工程中混凝土配合比的內涵

公路工程中的混凝土配合比，其內涵為混凝土的組成配料：粗細骨料、水、水泥等的含量之比，混凝土配合比的設計務必要綜合考慮其各部分原材料的特性，同時還要考慮諸如公路的強度等多方面的設計要求，經過嚴密的計算與實驗室試配，進一步確定出滿足公路工程施工要求的混凝土混合料的各組成部分原材料用量的比例。進而保障公路建成后具備達標的路用性能，減少其發生病害的幾率，進一步降低公路返工返修耗費的人力和物力。同時，混凝土配合比設計應該滿足公路所處的環境條件，如對于位于嚴寒條件的公路工程，為了保障公路結構的耐久性能，在混凝土配合比設計中，應著力于考慮“最大水膠比”，并盡可能的減少混合料中的水泥用量。

2 配合比試驗與設計的步驟分析

2.1 步驟一：計算初步配合比

依據相關原始資料，在現階段我國配合比設計方式的指導下，計算得出混凝土初步配合比。

2.2 步驟二：進一步提出基準配合比

以步驟一中的混凝土初步配合比為依據，利用實際施工將采用的原材料予以試拌，通過坍落度或維勃稠度的測量，明確混凝土拌合物的性能，結合測定出的性能進一步調整混凝土混合料中原材料的用量比例。

2.3 步驟三：進一步確定試驗室配合比

在步驟二明確的混凝土基準配合比的基礎上，通過調整水膠比，一般情況下設計三組適合公路工程性能要求的混凝土配合比，進一步通過試塊來測定三組不同配合比混凝土的強度，結合對比研究，以此來確定滿足公路工程性能要求的混凝土試驗室配合比。

2.4 步驟四：最終換算為施工配合比

在步驟三中明確的混凝土試驗室配合比的基礎上，結合施工現場拌合用原材料的實際含水率，進一步換算得出最終的施工配合比。

3 配合比的設計方法分析

3.1 步驟一：確定混凝土混合料的配制強度fcu,0

以混凝土的強度保證率為最終控制目標，混凝土配制強度應保證不小于其標準值。

當混凝土的設計強度等級小于C60時，根據式(1)計算。

fcu,0≥fcu,k+1.645σ

(1)

其中，fcu,0為配置強度，MPa；fcu,k為強度標準值,MPa；σ為強度標準差,MPa。

反之，對于強度等級在C60以上的情況，配置強度則依據式(2)計算：

fcu,0≥1.15fcu,k

(2)

混凝土的標準差(σ)依據式(3)予以計算：

(3)

其中，fcu,i為第i組抗壓強度值，MPa；mfcu為n組抗壓強度平均值，MPa；n為試件組數，n≥30組。

對于混凝土混合料的強度標準差(σ)來說，可基于同一品種、同一強度等級混凝土的強度進一步計算，且試件組數不小于30組。

對于不具備充分的相關參考資料情況，其強度標準差σ取值見表1。

表1 標準差σ的取值參照表 MPa

3.2 步驟二：進一步確定混合料的水膠比(W/B)

對于混凝土強度不超過C60的公路工程，其水膠比依據式(4)予以確定：

(4)

其中，W/B為混凝土水膠比；αa,αb均為回歸系數，按表2規定取值；fb為膠凝材料28 d抗壓強度值，包含兩種計算方法，一種是通過試驗計算，另一種是按式(5)確定。

表2 回歸系數αa,αb的取值表

混合料中的水泥強度值無法獲取時，依據式(5)予以計算：

fce=γc×fce,g

(5)

其中，fce,g為水泥強度標準值；γc為富余系數，可通過資料或者表3予以選值。

表3 富余系數取值表(γc)

3.3 步驟三：基于混凝土耐久性要求檢查水膠比

在確定混凝土混合料配合比時，還應該依據公路工程所處環境條件，開展具體的分析，判斷具體條件對于混凝土耐久性的具體要求，保證設計的混合料配合比滿足耐久性要求。

3.4 步驟四：計算單位用水量

1)當混凝土混合料水膠比為0.40～0.80時，依據混合料中粗骨料種類以及粒徑情況，結合公路工程設計與施工的具體要求，按照表4,表5予以計量混合料單位用水量。

表4 干硬性混凝土的用水量

表5 塑性混凝土用水量

2)當混凝土水膠比不超過0.40時，可通過試驗得出用水量。

對于一些選用了摻外加劑的混凝土的公路工程，其混凝土的用水量則要依據式(6)計算。

(6)

3.5 步驟五：計算水泥量

1)方法一：在混凝土強度要求的基礎上進一步求得水泥摻量。

在單位用水量確定的基礎上，進一步參照強度要求和水膠比計算單位水泥用量。具體算法如式(7)所示。

(7)

2)方法二：按照混凝土耐久性要求計算水泥用量。

依據混凝土混合料的耐久性要求，確定混凝土的最小水泥用量，結合式(7)進一步確定混凝土混合料單位水泥用量。

3.6 步驟六：確定混凝土混合料的砂率

混凝土混合料的砂率是指混合料中砂與集料量的對比值，確定方式依據坍落度的不同具體可以分為以下三類：

1)當混凝土混合料坍落度在10 mm～60 mm的范圍內時，根據混合料粗集料的種類、粒徑以及水膠比，依據表6確定砂率。

2)當混凝土混合料坍落度超過60 mm時，以表6為依據，每增加20 mm的坍落度，即將混凝土混合料的砂率上調1%。

3)當混凝土坍落度在10 mm以下時，應該經過試驗確定砂率。

3.7 步驟七：確定混凝土混合料的單位骨料用量

公路工程中的混凝土混合料的單位粗、細集料用量，可以通過兩種方法計算，具體來說是質量法或體積法。

表6 混凝土混合料的砂率

1)質量法。

質量法的原理是首先將混凝土混合料的表觀密度假設確定為一個標準值，其中表觀密度是指混凝土混合料各組成原材料的用量的總和，依據式(8)計算。

(8)

其中，mc0,mw0,ms0,mg0分別為單位體積混凝土水泥、水、細、粗骨料含量，kg；βs為砂率，%；mcp為單位混凝土假定質量,kg/m3。

2)體積法。

體積法的原理是首先假設，混凝土混合料的體積與各原材料及其中所含空氣的體積總和相等，在知道混凝土砂率值的情況下，進一步通過式(9)計算混合料的單位骨料用量。因此又被稱作絕對體積法。

(9)

其中，βs,mc0,ms0,mg0含義與式(8)相同；ρc為水泥密度可取2 900 kg/m3～3 100 kg/m3；ρg為粗集料密度,kg/m3；ρs細集料密度,kg/m3；ρw為水密度可取值為1 000 kg/m3；α為混凝土含氣量占比,%，不摻加相關外加劑時可以不予考慮。

在一般的情況下，質量法相較體積法更具備可實施性，因為它的計算不需要各組成材料的密度，相關單位在積累當地常用材假定表觀密度資料的基礎上，則可以得到相對正確的單位骨料用量值。