公路工程中混凝土配合比的試驗(yàn)與設(shè)計(jì)研究

陸 璐

(臨汾市迅捷交通工程質(zhì)量試驗(yàn)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(nèi)涵

公路工程中的混凝土配合比，其內(nèi)涵為混凝土的組成配料：粗細(xì)骨料、水、水泥等的含量之比，混凝土配合比的設(shè)計(jì)務(wù)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(qiáng)度等多方面的設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過嚴(yán)密的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)室試配，進(jìn)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(jìn)而保障公路建成后具備達(dá)標(biāo)的路用性能，減少其發(fā)生病害的幾率，進(jìn)一步降低公路返工返修耗費(fèi)的人力和物力。同時，混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足公路所處的環(huán)境條件，如對于位于嚴(yán)寒條件的公路工程，為了保障公路結(jié)構(gòu)的耐久性能，在混凝土配合比設(shè)計(jì)中，應(yīng)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(yàn)與設(shè)計(jì)的步驟分析

2.1 步驟一：計(jì)算初步配合比

依據(jù)相關(guān)原始資料，在現(xiàn)階段我國配合比設(shè)計(jì)方式的指導(dǎo)下，計(jì)算得出混凝土初步配合比。

2.2 步驟二：進(jìn)一步提出基準(zhǔn)配合比

以步驟一中的混凝土初步配合比為依據(jù)，利用實(shí)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(jié)合測定出的性能進(jìn)一步調(diào)整混凝土混合料中原材料的用量比例。

2.3 步驟三：進(jìn)一步確定試驗(yàn)室配合比

在步驟二明確的混凝土基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整水膠比，一般情況下設(shè)計(jì)三組適合公路工程性能要求的混凝土配合比，進(jìn)一步通過試塊來測定三組不同配合比混凝土的強(qiáng)度，結(jié)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(yàn)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(yàn)室配合比的基礎(chǔ)上，結(jié)合施工現(xiàn)場拌合用原材料的實(shí)際含水率，進(jìn)一步換算得出最終的施工配合比。

3 配合比的設(shè)計(jì)方法分析

3.1 步驟一：確定混凝土混合料的配制強(qiáng)度fcu,0

以混凝土的強(qiáng)度保證率為最終控制目標(biāo)，混凝土配制強(qiáng)度應(yīng)保證不小于其標(biāo)準(zhǔn)值。

當(dāng)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級小于C60時，根據(jù)式(1)計(jì)算。

fcu,0≥fcu,k+1.645σ

(1)

其中，fcu,0為配置強(qiáng)度，MPa；fcu,k為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,MPa；σ為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差,MPa。

反之，對于強(qiáng)度等級在C60以上的情況，配置強(qiáng)度則依據(jù)式(2)計(jì)算：

fcu,0≥1.15fcu,k

(2)

混凝土的標(biāo)準(zhǔn)差(σ)依據(jù)式(3)予以計(jì)算：

(3)

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

對于混凝土混合料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差(σ)來說，可基于同一品種、同一強(qiáng)度等級混凝土的強(qiáng)度進(jìn)一步計(jì)算，且試件組數(shù)不小于30組。

對于不具備充分的相關(guān)參考資料情況，其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ取值見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)差σ的取值參照表 MPa

3.2 步驟二：進(jìn)一步確定混合料的水膠比(W/B)

對于混凝土強(qiáng)度不超過C60的公路工程，其水膠比依據(jù)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(shù)，按表2規(guī)定取值；fb為膠凝材料28 d抗壓強(qiáng)度值，包含兩種計(jì)算方法，一種是通過試驗(yàn)計(jì)算，另一種是按式(5)確定。

表2 回歸系數(shù)αa,αb的取值表

混合料中的水泥強(qiáng)度值無法獲取時，依據(jù)式(5)予以計(jì)算：

fce=γc×fce,g

(5)

其中，fce,g為水泥強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；γc為富余系數(shù)，可通過資料或者表3予以選值。

表3 富余系數(shù)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(yīng)該依據(jù)公路工程所處環(huán)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(shè)計(jì)的混合料配合比滿足耐久性要求。

3.4 步驟四：計(jì)算單位用水量

1)當(dāng)混凝土混合料水膠比為0.40～0.80時，依據(jù)混合料中粗骨料種類以及粒徑情況，結(jié)合公路工程設(shè)計(jì)與施工的具體要求，按照表4,表5予以計(jì)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(dāng)混凝土水膠比不超過0.40時，可通過試驗(yàn)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(jù)式(6)計(jì)算。

(6)

3.5 步驟五：計(jì)算水泥量

1)方法一：在混凝土強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上進(jìn)一步求得水泥摻量。

在單位用水量確定的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步參照強(qiáng)度要求和水膠比計(jì)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(jì)算水泥用量。

依據(jù)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(jié)合式(7)進(jìn)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(jù)坍落度的不同具體可以分為以下三類：

1)當(dāng)混凝土混合料坍落度在10 mm～60 mm的范圍內(nèi)時，根據(jù)混合料粗集料的種類、粒徑以及水膠比，依據(jù)表6確定砂率。

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

3)當(dāng)混凝土坍落度在10 mm以下時，應(yīng)該經(jīng)過試驗(yàn)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(xì)集料用量，可以通過兩種方法計(jì)算，具體來說是質(zhì)量法或體積法。

表6 混凝土混合料的砂率

1)質(zhì)量法。

質(zhì)量法的原理是首先將混凝土混合料的表觀密度假設(shè)確定為一個標(biāo)準(zhǔn)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(jù)式(8)計(jì)算。

(8)

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

2)體積法。

體積法的原理是首先假設(shè)，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(jìn)一步通過式(9)計(jì)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(xì)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(guān)外加劑時可以不予考慮。

在一般的情況下，質(zhì)量法相較體積法更具備可實(shí)施性，因?yàn)樗挠?jì)算不需要各組成材料的密度，相關(guān)單位在積累當(dāng)?shù)爻Ｓ貌募俣ū碛^密度資料的基礎(chǔ)上，則可以得到相對正確的單位骨料用量值。