水泥混凝土配合比設計及強度探析

摘要 為加強公路路面施工質量，文章針對水泥混凝土配合比方案進行優化設計研究，確定各類原材料，加入HSP-DQ纖維材料，對不同纖維摻量的水泥混凝土強度進行試驗，具體結果如下：當纖維摻量為1.3～2.0 kg/m3時，水泥混凝土具有最佳的抗開裂能力；當纖維摻量為1.3～1.6 kg/m3時，水泥混凝土具有最佳的彈性模量數值；當纖維摻量為1.0～1.6 kg/m3時，水泥混凝土具有最佳的抗彎拉能力；當纖維摻量為1.0～1.6 kg/m3時，水泥混凝土具有最佳的抗劈裂能力。所以，最終選擇水泥混凝土的纖維最佳摻量為1.3～1.6 kg/m3。

關鍵詞 水泥混凝土；配合比設計；應用強度

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）17-0192-03

0 引言

水泥混凝土是路橋工程施工的基礎材料，其配比方案與應用強度會影響項目的后續使用。合理的配合比設計能夠減少水泥混凝土的浪費，提高施工效率，降低施工成本，同時延長路橋的使用壽命。當前在水泥混凝土設計階段，不僅要選用優質原材料，還要根據施工需求進行配合比試驗，控制水灰比。此外還要保證水泥混凝土在攪拌、運輸、澆筑、振搗等階段滿足施工工藝要求，才能提高工程的質量與耐久性。

1 工程概況

研究以某地區二級公路工程為例，項目總長15.7 km，公路原寬度為12 m，土路肩寬度為0.2 m。現根據規劃要求將公路升級為一級公路，路面寬度需增加至36 m，硬路肩寬度為0.5 m。該公路交通量年增長預期為7%，對公路路面使用強度具有較高要求。因此，在施工前應針對水泥混凝土材料的配合比進行優化設計，采用高強聚酯（HSP）纖維混凝土工藝，多方面加強混凝土的抗壓強度、彎拉強度、劈裂強度以及抗沖擊性能等，為案例公路的正常使用提供重要保障。

2 水泥混凝土配合比設計方案

2.1 原材料配合比設計

2.1.1 水泥

案例公路采用纖維水泥混凝土施工方案，根據高強聚酯纖維混凝土特征，選用P.II 42.5型水泥，材料性能指標如表1所示[1]：

根據表1數據可知，研究選取的P.II 42.5型水泥的各項檢測指標均滿足規范要求，可以用于纖維水泥混凝土的配比設計與路用試驗。

2.1.2 粗集料

纖維水泥混凝土的粗集料應具備耐磨性強、質地堅硬的特征，因此根據案例工程施工技術規范，采用4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～31.5 mm三種碎石級組成，粗集料的技術指標如表2所示：

根據表2數據可知，三種碎石級摻和后的粗集料的各項檢測指標均滿足規范要求，可以用于纖維水泥混凝土的配比設計與路用試驗。

2.1.3 細集料

纖維水泥混凝土的細集料要求與粗集料相同，同樣應具備質地堅硬、含泥量少等特點。根據施工技術規范要求，選定河沙作為混凝土細集料的原材料，細度模數為2.79 mm，滿足2.6～3.2 mm的規范要求。此外，細集料的技術指標如表3所示[2]：

根據表3數據可知，研究選取細度模數2.79 mm的細集料材料，其各項技術指標檢測結果均滿足規范要求，可以用于纖維水泥混凝土的配比設計與路用試驗。

2.1.4 減水劑

該次纖維水泥混凝土采用SX聚羧酸減水劑，用于水泥混凝土的拌和。減水劑的技術指標如表4所示：

根據表4數據可知，研究設計選用的SX聚羧酸減水劑的各項技術指標均滿足規范要求，可以用于纖維水泥混凝土的配比設計與路用試驗。

2.1.5 試驗用水

研究設計采用飲用水，作為水泥混凝土的級配材料，相關技術指標如表5所示[3]。由表5可以看出試驗用水的各項技術指標均滿足規范要求，可以用于纖維水泥混凝土的配比設計與路用試驗。

2.1.6 纖維

由于水泥混凝土路面屬于剛性路面，具有良好的抗壓性能，但是如果長時間處于高負荷使用狀態，容易產生各種裂縫、塌陷等病害問題。因此，研究將纖維摻入水泥混凝土中，以加強混凝土路面的結構強度，具體為HSP-DQ纖維原材料，其各項技術指標情況如表6所示：

2.1.7 配合方案

研究為驗證纖維摻入水泥混凝土后對其應用強度的影響效果，制定除纖維材料之外其余原材料的配合比方案，具體如表7所示。在之后研究中還應以該配合比為基礎，摻入不同含量的HSP-DQ纖維原材料，通過試驗得到最佳的配比方案。

2.2 水泥混凝土抗開裂評價標準

針對傳統水泥混凝土加入纖維材料，預期目標為增強公路路面的使用質量，最大限度地避免路面開裂，可以通過公式計算，逐步推導出纖維水泥混凝土的開裂等級，得到不同纖維摻量的混凝土強度數值[4]。計算公式如下：

A=∑ n i=1ωi·li （1）

式中，A——水泥混凝土早期開裂的總面積（m2）；li——第i條裂縫的長度（m）；ωi——第i條裂縫的最大寬度（m）。通過早期抗裂性能評價標準，計算出水泥混凝土的限裂等級，具體公式如下：

η=A0?Af A0 ×100 （2）

式中，A0——混凝土早期開裂的裂縫總面積（m2）；Af——纖維混凝土早期開裂的裂縫總面積（m2），從而得到裂縫降低系數指標，具體如表8所示：

3 纖維摻量對水泥混凝土強度的影響研究

確定水泥混凝土配合比方案后，應進一步探析纖維摻量對材料強度的影響效果。因此分別選擇纖維摻量分別為1.0 kg/m3、1.3 kg/m3、1.6 kg/m3、2.0 kg/m3四種方案，與未添加纖維摻量的原水泥混凝土配比方案進行綜合比較。對五種方案的強度影響進行檢測，結果如表9所示：

3.1 抗壓強度影響

水泥混凝土的抗壓能力，關系公路路面的裂縫病害。根據混凝土抗壓強度試驗結果可知，在傳統水泥混凝土中加入纖維時，其抗壓強度從48.39 MPa提升至50 MPa以上，但隨著纖維摻量的逐漸提高，混凝土試件的抗壓強度并沒有得到明顯的提升，始終處于52.44～53.95 MPa之間。這說明在水泥混凝土中摻入纖維材料，能夠增強混凝土的抗壓強度，但是不同纖維摻量并沒有對抗壓強度起到明顯的促進效果。

3.2 彈性模量影響

根據不同纖維摻量的彈性模量結果可知，相對于未摻入纖維的混凝土而言，加入纖維后的混凝土彈性模量得到少量提升，在摻量為1.3～1.6 kg/m3時達到頂峰。說明不同纖維摻量對于混凝土彈性模量的影響效果并不是很明顯，這是因為HSP纖維屬于合成纖維，本身質地較為柔軟，進行抗壓彈性模量檢測時，混凝土試件的豎向變形主要受原材料水泥及骨料影響，與纖維材料關聯度不高。

3.3 抗彎拉強度影響

在水泥混凝土的抗彎拉強度試驗中，當混凝土中加入纖維材料后，試件的抗彎拉強度得到明顯提升。由最初的5.69 MPa提高至6.56 MPa以上，并且隨著摻量增加，逐漸提升至6.86～6.99 MPa。說明HSP纖維在混凝土中起到良好的調節作用，能夠增強水泥砂漿與集料之間的整體結構強度，從而增強水泥混凝土的抗彎拉強度。

3.4 抗劈裂強度影響

在水泥混凝土的抗劈裂強度試驗中，在混凝土中加入纖維后，試件的抗劈裂強度由3.35 MPa增長至3.81 MPa，并且隨著纖維摻量的增加，抗劈裂強度也提升為4.04 MPa與3.93 MPa，說明在水泥混凝土中加入纖維，能夠大幅度提升混凝土試件的抗劈裂強度，表明纖維材料對混凝土各原材料具有良好的橋接作用。

3.5 水泥混凝土中纖維最優摻量分析

將上述不同纖維摻量對水泥混凝土強度的影響結果進行匯總，得出各種混凝土強度的最優摻量結果，具體如表10所示：

根據試驗檢測結果可知，當纖維摻量為1.3～2.0 kg/m3時，水泥混凝土具有最佳的抗開裂能力；當纖維摻量為1.3～1.6 kg/m3時，水泥混凝土具有最佳的彈性模量數值；當纖維摻量為1.0～1.6 kg/m3時，水泥混凝土具有最佳的抗彎拉能力；當纖維摻量為1.0～1.6 kg/m3時，水泥混凝土具有最佳的抗劈裂能力。所以最終選擇水泥混凝土的纖維最佳摻量為1.3～1.6 kg/m3，能夠滿足案例工程路面的施工質量要求。

4 結CB0FYjCNoIJjo2OcUXATVDZeBbuldmYR5+ml0tc3dSk=論

綜上所述，在傳統水泥混凝土配合比方案中加入纖維材料，能夠大幅度提高混凝土的施工質量。該文根據工程案例方案，對水泥混凝土配比方案進行設計，通過試驗確定水泥混凝土中的纖維摻量，混凝土配合比方案如下：水128 g/cm3、水泥320 g/cm3、河沙607 g/cm3、4.75～9.5 mm粗集料283 g/cm3、9.5～19 mm粗集料354 g/cm3、19～31.5 mm粗集料779 g/cm3、外加劑3.2 g/cm3，此外選擇纖維摻量為1.3～1.6 kg/m3，能夠發揮出纖維材料的最佳性能，為案例公路的正常使用提供穩固保障。

參考文獻

[1]徐勤敏，朱亞光，徐培蓁.瀝青拌和站回收粉制備泡沫混凝土的性能研究[J].青島理工大學學報，2024（1）：59-65.

[2]王興照.礦渣粉摻合料對C50高性能混凝土綜合性能的影響[J].當代化工，2024（1）：54-57+62.

[3]袁瑋.公路工程水泥混凝土強度影響分析[J].工程建設與設計，2024（2）：73-75.

[4]劉貞鵬，楊宇.不同集料組合對C40水泥混凝土路面耐久性能的影響研究[J].西部交通科技，2023（12）：47-48+119.