超高性能混凝土配合比設計及路用性能研究

孫婷婷

（鄭州商學院，河南 鄭州 451200）

高性能路面混凝土應用以及配合比設計是一項非常重要的工作，對后續的施工建設有直接影響[1]。通常在設計配合比前，需要先制定原材料選定標準，結合路面混凝土和高性能混凝土自身的特點，構建對應的路用規則，以此完成對應的施工目標，并分析路用性能[2]。傳統的混凝土配合比設計方法通常為單向結構，雖然可以完成預期的施工配比目標，但是缺乏針對性與穩定性，在復雜的施工建設環境下，較難精準估算混凝土的配比標準，而且半經驗半理論設計方法的弊端會導致設計結果有誤差[3]。為解決該問題，該文對超高性能混凝土配合比設計及路用性能進行研究。超高性能混凝土配比設計比較注重強度特性、疲勞性、耐磨性、抗凍性和脆性等，因此結合目前最新的處理技術，設計的混凝土配合比結構更靈活多變，具有較強的實踐意義[4]。此外，從多方面調整配比設計環節，分析影響混凝土配比強度的關鍵因素和機理，保證其路用性能[5]。該設計通過等效比對大量的工程實踐，以此提升混凝土的耐久性和強度等級，為后續相關技術發展和創新提供參考[6]。

1 設計超高性能混凝土配合比

1.1 選定原材料

超高性能路面混凝土的配比對原材料的要求相對較高，除普通的混凝土外，還需要外加劑和礦物細摻料等作為輔助[7]。

選定水泥。除水泥的活性特征和反應狀態外，還需要考慮水泥材料自身的化學成分、細度和粒徑等，選用優質硅酸鹽水泥，采用摻合料品的方式調整材料的實際占比[8]。配制的混凝土需要達到的標準，見表1。

表1 混凝土配比基本標準設定表

根據表1，設定混凝土配比的基本標準，制定混凝土基本配合標準。

選定高效減水劑和摻合料。高效減水劑減水效果較高，通常為20%～30%，最佳坍落度為35%以下，可提升混凝土自身的耐久性和穩定性[9]。需要注意的是，不同配比的最佳劑量設計不同，常用的劑量為0.5%～2.0%，可以使高性能路面混凝土坍落度保持在合理的范圍內。摻合料是礦物外加劑，通常指粒徑＜12μm 的礦物質粉體材料和不同粒徑的碎石，如圖1 所示。

圖1 礦物質粉體不同粒徑石塊

了解礦物質粉體不同粒徑石塊后，根據需求，選擇對應的石塊添加到混凝土中，攪拌均勻后，形成基本的形態。此外，還需要選擇符合要求的集料，包括粗集料和細集料。可以計算集料的質量系數，如公式（1）所示。

式中：D為集料的質量系數；m為集料的細度模數；n為定向差值；e為集料總量；κ為集料的隙體百分率，結合得出的集料質量系數，可以對集料進行分布性篩選，預設對應的通過率，完成原材料的設定和配比設計準備工作，進行配比設計與實踐分析。

1.2 構建多階混凝土配合比方法

選定與設置基礎原材料后，綜合實際的配比需求，設計多層級混凝土配合比方法。混凝土的許多性質都與自身的強度有直接關系，例如彈性模量和抗滲性等。混凝土的抗壓強度并不固定，而是通過配比做出對應調整，考慮抗壓強度不固定，計算水灰比，如公式（2）所示。

式中：P為水灰比；η為定向用水量；W為可控砂率；D為砂石總量；λ為試拌配合比；C為覆蓋范圍。

結合得出的測定水灰比，采用經驗公式法，對不同工作環境下混凝土的耐久性效果進行測算與研究。可以使用半經驗半理論法，對基礎參數進行修正補充，設計平均彎拉強度為5MPa～6.5MPa。基于混凝土強度變動，設定不同厚度下路面混凝土的強度等級，并做出定向劃分，見表2。

表2 不同厚度下路面混凝土的強度等級劃分表

根據表2，對不同厚度下路面混凝土的強度等級進行多維劃分。以此為基礎，設計混凝土配合比的設計框架，如圖2 所示。

圖2 混凝土配合比框架圖

根據圖2，對混凝土配合比框架進行設計與分析。根據流程，選擇水泥用量。將HPC 摻入高效減水劑中，與水泥混合，確定用水量后，計算膠結材料對應的用量，獲取對應的配比數值。根據目前的配合比設計要求，計算摻合料用量，如公式（3）所示。

式中：M為摻合料用量；p為取代水泥率；o為水泥經驗用量；s為超量取均值。結合得出的摻合料用量，計算用水量，如公式（4）所示。

式中：K為用水量；μ為經驗用水量；h為初擬用水量；h為減水率，ω為減水劑摻量百分率。根據水量進行配比，并結合實際的配比等級，設置假定容重為2355kg/m3～2600kg/m3。基于此，設計實際的配合比。選定某公路作為測試目標，設置攤鋪路面混凝土的性能，可控的不合格率為1.2%，預設標準偏差為5.5MPa，坍落度為25mm～35mm，抗壓強度為55MPa、抗折強度為6.4MPa，實時的提高系數為1.12。經過測算，最終得出的配合比見表3。

表3 測定配合比設計表

根據表3，設計測定配合比。結合需求，設計對應的施工測定周期，測定各位置的施工強度、彎折強度和靈活配比數值，為后續的施工建設提供基礎條件。

2 路用性能驗證分析

2.1 強度特性研究

混凝土的抗壓和抗彎強度直接影響后續的施工建設。混凝土配合比的強度特征并不固定，而是隨著路面修建狀態及需求進行調整。

早期混凝土的抗壓強度受FDN 摻量、水泥用量和碎石配比等影響。調整FDN 摻量可以控制水泥的配比密度，計算水泥碎石的具體比例，保證最終的施工質量。28d 抗壓強度及抗折強度的影響因素為FDN 摻量和誤差測算，該文主要涉及誤差問題，根據混凝土的配比要求調整強度標準，因此控制各配比環節誤差很重要。

90d 抗壓強度通常受砂率和碎石配比的影響，在總摻量不變的狀態下，當水泥用量減少時，摻量增加；水泥用量增加，對應的摻量減少。混凝土配合比強度特征較為復雜，FDN 摻量越大，對應的水泥用量和碎石配比也會增加，但是齡期會變化，需要隨時調整砂率和硅粉摻量，以此保證配比的穩定性，實現最終的建設目標。

2.2 疲勞特性研究

混凝土材料的疲勞極限通常指在循環特征背景下，材料和構件能夠承受的最大疲勞應力。以壽命為縱坐標，時間為橫坐標繪成特定循環特征下的疲勞曲線，如圖3 所示。

圖3 特定循環特征下疲勞曲線變動圖

根據圖3，分析特定循環特征下疲勞曲線的變動。構建一個疲勞方程，并結合方程計算回歸系數，如公式（5）所示。

式中：A為回歸系數；y為循環回歸次數；π為密集分布范圍；?為靜載極限強度。結合得出的回歸系數分析目前的疲勞性能。通過疲勞方程及回歸系數變動，可以得出在相同應力水平下的疲勞壽命和極限值。當應力水平接近0.5 時，普通混凝土的疲勞壽命接近，高性能路面混凝土疲勞壽命會更佳。當應力水平約為0.9 時，普通混凝土的疲勞壽命要遠超過高性能路面混凝土的疲勞壽命，說明在不同的環境下，混凝土應力的水平差異會導致疲勞標準不符合實際應用需求，疲勞壽命不同，可根據要求調整，確保滿足疲勞特性的要求。

2.3 耐久特性研究

路用混凝土的耐久性也是比較常見的一種特征，相關的指標主要是抗壓強度和損失率，基礎設置見表4。

表4 混凝土抗壓強度及損失率分析表

結合表4，對混凝土抗壓強度及損失率進行分析驗證。結合目前的性能要求進行具體分析：隨著凝土抗壓強度降低，對應的強度損失率會增加；凝土抗壓強度增加，對應的強度損失率會降低。該性能容易受環境影響，例如循環凍融。因此提高混凝土自身抵抗凍融循環的能力，能使整體路面更密實，降低過渡區微觀缺陷和產生裂縫的概率，以此提升整體的耐久性能。

2.4 其他路用性能研究

除上述的性能外，還有其他路用性能，包括脆性、抗凍性和耐磨性等，因為混凝土在配比的過程中各環節數值以及指標參數不同，所以這些特性最終形成的性能特征也有一定的差異。例如混凝土路用的脆性與配比用水量、環境因素和溫度因素等有直接聯系。以夏季、冬季為例進行分析，夏季溫度較高，混凝土路面容易出現斷裂、翻折和裂縫等問題，影響正常的運輸和應用；冬季需要考慮防凍的問題，用水量過大，混凝土密度變大，自身承載力下降會導致脆性和支撐能力降低，也會降低路面耐久性，甚至會出現路面崩塌和斷裂等問題，造成不可控的經濟損失，埋下安全隱患。因此，要求路用混凝土配比具有轉換性和特殊性，這樣可以增加整體的靈活性與完整性，對應的標準并不固定，可以根據實際的建設施工情況進行對等分析。

3 結語

綜上所述，與初始的混凝土配合比方式相比，該文設計的配合比結構更靈活，有較強的針對性與穩定性，在不同的施工背景環境下，仍然可以明確配比材料。通過析漏與飛散試驗綜合法和馬歇爾法，構建對應的配比環節，降低配比設計的誤差，可以提高后期路面的耐磨度和耐久性，能延長路面的使用壽命，保證凍融劈裂強度，避免路面嚴重病害，有效地抵御車轍破壞，推動相關技術邁入新的發展臺階。