高性能混凝土配合比設計及施工技術研究

李 龍

中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524005

水泥混凝土路面是我國公路和城市道路中廣泛使用的一種高級路面形式，在正常的工作狀態下與瀝青路面相比，具有強度高、應力擴散能力強、對溫度敏感性較小、水穩定性較好、使用壽命長、施工方便等突出優點，在各等級道路中都發揮著重要的作用[1]。但由于水泥混凝土是一種典型的脆性材料，在非正常工作狀態時，如面臨超載交通和板底脫空，施工、質量管理不到位，就會產生各種病害，并且這種病害維修困難，工期長，會對現狀交通產生嚴重影響。即使在正常工作狀態，水泥混凝土路面表層的砂漿層也會因車輪的反復磨耗而破損，從而大幅降低表面抗滑性能和平整度，混凝土骨料在失去砂漿保護層后也很快在水分侵蝕和車輪磨耗下剝落，水泥板厚度減少，整個面板在彎拉應力下斷裂。因此，隨著人們對出行品質要求的逐漸增高，人們對水泥混凝土的耐久性、強度等性能提出了更高的要求。通過優選原材料和添加劑、調整配合比設計等措施，可以配制出具有優良路用性能的水泥混凝土，特別是流動性、高強度、高韌性及高耐久性等特點，是新時代水泥混凝土的重要發展方向。

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義與高強度水泥混凝土要求不一樣，前者對混凝土從拌和到硬化形成各不同階段都提出了更高的性能要求，通常材料設計圍繞耐久性和高強度兩大指標進行，要求配置的水泥混凝土具有更長的使用壽命、較高的體積穩定性、良好的施工工作性及足夠的強度和密實性。

為達到上述性能表現，高性能混凝土需要滿足以下要求：第一，在拌和成型階段能表現出優良的工作性能，并在坍落度不大于50mm的條件下仍具有施工密實性；第二，路用水泥混凝土應具備高抗彎拉強度，28d和90d齡期的抗壓強度分別不小于7MPa和8MPa；第三，室內疲勞彎曲試驗中，在規定應力比下的疲勞循環次數要達到200萬次，是普通水泥混凝土的4倍，具有高疲勞壽命；第四，減弱混凝土的脆性性能，包括降低抗折彈性模量，增強韌性；第五，突出表面抗磨耗性能，能抵御使用壽命期間各種物理、化學的侵蝕，體現高耐久性。

實踐表明，水泥混凝土優良的坍落度，即工作性能可在一定的施工機械作業下滿足水泥混凝土合適的振動黏度系數和坍落度要求，是振搗密實的前提。要配置出高性能水泥混凝土，必須從宏觀機械性能和微觀材料性能兩方面著手，充分考慮混凝土內部各組分的比例和接觸狀態，這種內部結構直接影響水泥混凝土從施工拌和到形成強度再到最后運營各階段的流動性、強度和耐久性。

2 高性能混凝土的原材料組成

2.1 水泥

水泥的品種和標號直接影響水泥混凝土的強度性能，一般可選用硅酸鹽水泥，強度等級為42.5，1m3水泥混凝土中水泥用量為500kg左右，施工時應嚴格控制水泥用量，避免過于追求強度而影響其他性能的發揮。

2.2 摻合料

外摻礦料與水泥混凝土強度和密實度密切相關，其中用于配置高性能水泥混凝土應用最早、施工經驗最多的摻合料是生產硅鐵時所產生的一種煙灰，俗稱硅灰。硅灰的摻量約為水泥用量的5%以上，但不應超過10%。相關研究表明，當硅灰摻量在8%左右時，水泥混凝土的強度可增長25%左右，與此同時，混凝土的密實度、抗滲、耐磨及耐久性均有提升。這主要是因為硅灰內部富含SiO2，含量甚至可達到90%以上，比表面積大，分散性好，可以填充水泥水化過程中形成三維網絡的空隙，并且其火山灰活性高，能促進強度的形成。磨細的礦粉也可以起到類似硅灰的作用，其摻量約為30%，通常細度越大，活性越高，效果越明顯[2]。

2.3 高性能減水劑及其他外加劑

高強度是配置高性能水泥混凝土的一項重要目標，僅提高水泥標號不能得到滿意的效果，甚至會引起嚴重的干縮裂縫，而通過摻入減水劑，在保證拌和流動性不變的情況下降低水灰比，可以起到直接提升水泥混凝土強度的作用，是必不可少的成分。當集料采用碎石時，高性能水泥混凝土的28d設計強度計算公式如下：

式中：fcu,28d為高性能水泥混凝土的28d設計強度；fce為水泥標號；為水灰比，用水量的取值一般為130～150kg/m3。

常用高性能減水劑除傳統的萘系（摻量范圍為0.3%～1.5%）、木質素磺酸（摻量范圍為0.1%～0.3%），還有溶于堿而不溶于水的有機共聚物等復合型高效減水劑，減水效果可達到25%～35%，同時具有高強的分散性，增加強度、密實度的同時也可保證水泥混凝土的和易性和耐久性。其他外加劑如緩凝劑、引氣劑、膨脹劑等可根據需要添加，以滿足高性能水泥混凝土多樣的需求。

2.4 優質粗細骨料及體積比

粗細搭配的骨料在水泥混凝土中形成，骨架承擔著混凝土受到的大部分應力，是強度的重要來源。這類砂石材料占總體積的70%～80%，粗細骨料自身的品質、最大粒徑及體積比例是構成高性能混凝土的重要因素，對流行性、強度和耐久性均產生重要影響。通常細骨料應選擇堅硬圓滑的碎石砂或潔凈的河沙，為有利于拌和，要求低吸水性，細度模數范圍為2.8～3.2，表觀密度不小于2.2g/cm3。粗骨料是強度形成的關鍵，應盡量選擇表面粗糙的碎石，巖石性質最好是玄武巖、石灰巖或硬質砂巖等質地堅硬的巖石，要求壓碎值不超過10%，吸水率不超過1%，最大粒徑范圍為15～20mm，表觀密度大于2.65g/cm3。高性能水泥混凝土的粗骨料碎石含量可根據砂率等參數計算，具體計算公式如下：

式中：G為高性能水泥混凝土的粗骨料碎石含量；VS+G為砂石骨料所占混凝土的體積；SP為砂率，根據試驗統計一般取值為24%～33%；ρG為碎石的表觀密度。

3 高性能混凝土的配合比設計及施工質量控制

高性能水泥混凝土的配合比設計必須滿足施工工作性、強度和耐久性的要求，工作性包括對坍落度及坍落度損失、初凝和終凝時間等的控制，實際配制強度應達到設計強度的95%以上，根據相關經驗一般要求配制強度達到設計強度的1.15倍以上[3-6]。

通過室內試驗對高性能水泥混凝土的組成材料進行配合比設計，確定各原材料的最佳組成。試驗采用P·O42.5水泥，外加劑采用JM-Ⅲ、PCWG-5及PCWG-5+引氣膨脹劑，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設計

拌和成型按養生7d和28d分別對其抗彎拉強度、抗壓強度及凍融循環次數等進行試驗，試驗結果如表2所示。

表2 高性能水泥混凝土試驗結果

配合比試驗結果表明，使用RCWG-5型高效減水劑配制的混凝土抗壓強度明顯高于普通減水劑JM-Ⅲ，三種配合比下混凝土的28d抗彎強度從小到大依次為3＞2＞1，高標號水泥和高效減水劑對提高抗壓強度和彎拉強度的作用明顯；加入引氣膨脹劑的水泥混凝土收縮性明顯減小，可以減緩早期干縮裂縫的產生，其凍融循環次數也得到顯著提升，有利于惡劣環境條件下水泥混凝土耐久性的提升。

4 結束語

當前，人們對水泥路面提出長壽命、高強度及高耐久性的要求，高性能水泥混凝土以其優良的路用性能得到飛速的發展，道路科研工作者通過對原材料的控制和配合比設計，使得新拌水泥混凝土從施工拌和到形成強度再到最后運營各階段的流動性、強度和耐久性均得到有效提升。通過經驗總結發現，降低水灰比、降低空隙率、使用外加劑改善水泥的水化產物和與骨料的膠結能力等措施對水泥混凝土高性能的形成有著直接的作用。