道路混凝土原材料的選用與抗折強度影響因素的探討
2005-07-11 00:00
摘 要：從原材料、摻合料、外加劑及配合比設計等方面，綜合分析探討了道路混凝土抗折強度的影響因素，并在原材料的選用和配合比設計上，為配制道路混凝土提供了參考。
關鍵詞：道路混凝土，抗折強度，配合比
1 前 言
眾所周知，混凝土是一種脆性材料，抗折強度遠低于抗壓強度(約為抗壓強度的1/ 6～1/ 10) 。提高以抗折強度為主要技術指標的道路混凝土性能，在水泥混凝土路面廣泛應用的今天，具有很重要的意義。
本文在閱讀有關文獻的基礎上，結合自己的研究，從原材料、摻合料、外加劑及配合比設計等方面，綜合分析探討了道路混凝土抗折強度的影響因素。
2 原材料
組成道路混凝土的原材料，與普通混凝土基本相同，主要有膠凝材料(水泥) 、粗細集料(砂、石) 等。由于道路混凝土的某些特殊性，對普通混凝土性能影響不大的原材料，對道路混凝土卻影響顯著。因此，對原材料的性能有一定的要求。
2. 1 水泥
2. 1. 1 水泥品種
水泥作為混凝土膠凝材料，其質量的好壞在很大程度上決定了混凝土性能的優(yōu)劣。為提高道路利用率，增強混凝土耐久性，應選用早期強度高、耐磨性強、抗凍性好的水泥，如硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或專用道路水泥，對中等或輕交通路面(設計抗折強度等級4. 5 MPa 以下) ，也可采用礦渣水泥。
2. 1. 2 水泥強度等級
水泥強度等級的選用，應從混凝土試配強度、和易性、耐久性及經濟性等方面考慮。不宜用低標號水泥配制高強度等級混凝土，否則水泥用量大，混凝土收縮大，耐久性差;也不宜用高標號水泥配制低強度等級混凝土，否則水泥用量少，混凝土和易性和耐久性差，而要增加水泥用量，會造成水泥浪費，成本提高。按照路面交通等級，道路混凝土設計的抗折強度一般在4. 0～5. 5 MPa 之間。根據經驗，抗折強度設計等級為4. 0～4. 5 MPa 時，應選用32. 5 級水泥(相當于原國家標準425 # 水泥)； 設計等級為5. 0～5. 5 MPa 時，應選用42. 5 級水泥(相當于原國家標準525 # 水泥) 。
2. 2 粗集料
2. 2. 1 粗集料品種
與普通混凝土相同，道路混凝土所用粗集料通常為卵石或碎石。卵石混凝土拌合物和易性比碎石好，在相同的水灰比下，單位用水量和水泥用量較少，但抗折強度低。資料表明[1] ，碎石混凝土抗折強度要比卵石混凝土高30 %左右。這是因為卵石表面光滑，與膠砂粘結面的粘結力低于表面粗糙的碎石與膠砂的粘結力，形成了混凝土中最為薄弱的抗拉粘結面。從混凝土折斷面也可看出，卵石從砂漿中被“干凈”地剝離出來，表面幾乎沒有粘結砂漿。
筆者從有關研究[2]結果分析，不宜用卵石配制高抗折強度等級( ≥5. 0 MPa) 的道路混凝土，否則，強度保證率不高。
2. 2. 2 粗集料最大粒徑
粗集料最大粒徑直接影響著混凝土拌合物和易性。粒徑增大，拌合物易離析泌水，與砂漿界面的粘結強度下降，抗折強度降低。資料報道[3] ，粒徑76mm 集料的粘結強度僅是13 mm 集料顆粒粘結強度的1/ 10 。研究表明[4] ，在相同的水灰比下，混凝土抗折強度隨最大粒徑增大而降低，粗集料最大粒徑從20 mm 增至63 mm ，混凝土抗折強度下降了30 %左右。減小粗集料最大粒徑，有助于提高混凝土抗折強度，但過小的粒徑會使比表面積增大，需要潤濕的水量和包裹其表面的水泥漿量增加，不僅不經濟，也會引起混凝土干縮變大。綜合混凝土質量和成本兩方面考慮，最大粒徑取40 mm 較為理想。
2. 2. 3 粗集料級配
粗集料級配對混凝土抗折強度的影響主要體現在兩個方面：
(1) 良好的級配可使粗集料獲得較大的堆積密度，集料空隙少，需要填充空隙的漿體少，在相同的水泥漿量下，使混凝土拌合物獲得更好的工作性和更大的密實度，進而提高混凝土抗折強度。
(2) 良好的級配能使粗集料通過砂漿的粘結作用，相互之間保持較好的機械咬合狀態(tài)，有利于提高混凝土抗折強度。研究表明[4 ] ，在相同的水灰比下，單粒級碎石混凝土抗折強度比連續(xù)級配碎石混凝土的低。不宜用單粒級粗集料配制道路混凝土，無連續(xù)級配粗集料，也可用多種單粒級按適當比例混合使用。
2. 3 細集料
細集料對混凝土抗折強度的影響，也是體現在對混凝土工作性影響上。用砂偏粗(如Ⅰ區(qū)砂) ，混凝土拌合物缺漿離析，保水性差;用砂偏細(如Ⅲ區(qū)砂) ，單位用水量和水泥用量大，拌合物易泌水，混凝土干縮大。選用細集料應同時考慮級配和細度模數兩項指標，應采用級配處于Ⅱ區(qū)的中砂。實踐證明[5] ，道路混凝土用砂的細度模數宜在2. 6～2. 8 之間。
3 摻合料
3. 1 粉煤灰
粉煤灰是混凝土中最常用的較廉價的摻合料。大量試驗證明，摻加優(yōu)質粉煤灰( Ⅱ級以上) ，可極大地改善混凝土拌合物的和易性，較細的粉煤灰顆粒，能很好地填充到混凝土的細微孔隙中，硬化混凝土更加致密。由于粉煤灰含有大量的活性SiO2 和Al2O3，能與水泥水化產物Ca(OH)2 二次作用，生成穩(wěn)定的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠，使混凝土后期強度(28d以后) 增長較快。但對道路混凝土而言，因早期強度低，不利于提高道路利用率，且耐磨性下降?？梢哉f，粉煤灰道路混凝土，尤其是大摻量粉煤灰混凝土，仍是人們目前正在研究和開發(fā)的領域。
3. 2 鋼纖維
道路混凝土也可摻加鋼纖維。據報道[5] ，在混凝土中摻加大約2 %(體積比) 的鋼纖維，可使混凝土抗折強度提高1.5～1.8倍，甚至高達2.5～3.0倍，混凝土韌性提高10 倍以上。但鋼纖維混凝土成本高，限制了其推廣應用。
4 外加劑
為提高混凝土耐久性，常在混凝土中摻外加劑。道路混凝土常用的外加劑有引氣劑、減水劑等。文獻報道[6，7] ，只要在道路混凝土中正確使用引氣劑，引氣量適中，混凝土抗折強度不但不降低，還會有所提高，并在含氣量4%～4.5%處有峰值存在。相關研究也表明[8] ，混凝土抗折強度隨含氣量的增加，呈先增后減的變化趨勢，在含氣量4%～5%之間有最大值。這說明，使用引氣劑，并不一定帶來抗折強度的降低。阮炯正等[6]研制的NJH高效引氣減水劑；陳拴發(fā)等[9]自配的復合減水劑，都較好地改善了混凝土的抗彎曲性能，提高了混凝土的抗折強度。積極開發(fā)研制降低混凝土脆性的道路專用外加劑，是一個大有作為的領域。
5 配合比設計
在了解了原材料性能對混凝土抗折強度的影響，并合理選材的基礎上，配合比設計的科學與否，是影響混凝土抗折強度的又一大因素。設計配合比，主要是確定好3 個參數，即水灰比、單位用水量和砂率。
5. 1 水灰比
水灰比是配合比中的重要參數，是影響混凝土強度的關鍵因素。筆者研究發(fā)現(圖1)，水灰比由0.40增大至0.55 ，混凝土抗折強度下降了近21 %。為保證混凝土富余強度和耐久性，水灰比不能大；為節(jié)約成本，并防止混凝土產生收縮裂縫和溫度裂縫，水灰比也不能小(單位水泥用量不能大)。強度富余系數按1.10～1.15 計，水灰比可參考表1 選取。
水灰比也可根據下列經驗公式計算得出，但從混凝土耐久性、經濟性等考慮， 水灰比應控制在0.40～0.50 ，單位水泥用量不低于300kg/ m3。
碎石混凝土：
C/W = (fc + 1.0079 – 0.3485fce)/1.5684
卵石混凝土：
C/W = (fc + 1.5492 – 0.4565fce)/1.2618
式中C/W 為水灰比；fc為混凝土試配強度；fce為水泥膠砂28d 抗折強度。
5. 2 單位用水量
筆者研究發(fā)現(圖2) ，即使在相同的水灰比下(水灰比0.45) ，隨著單位用水量的增加，混凝土抗折強度也呈下降趨勢。用水量由160kg/m3 增至190kg/m3 ，抗折強度下降了7%左右。這是因為用水量增加，拌合物泌水增多，并有部分上升的水聚集在粗集料的下方，形式水囊，硬化后成為空隙。這些空隙和貫穿的泌水通道，不僅降低了混凝土抗折強度，也影響了混凝土的抗凍性等。所以，在滿足混凝土工作性的前提下，應減少單位用水量。確定了粗集料的品種粒徑，單位用水量主要是由施工要求的混凝土拌合物稠度決定的。道路混凝土一般為低塑性混凝土，坍落度10～30 mm ，以碎石配制混凝土，用水量取160～170kg/m3為宜；卵石混凝土用水量相應減少10～15kg/m3。
5. 3 砂率
砂率的大小對混凝土拌合物工作性影響很大，進而影響抗折強度。筆者研究發(fā)現(圖3) ，抗折強度隨砂率增大，呈先增后減的變化趨勢，說明有一個最佳砂率值，且水灰比由0.40變至0.50時，最佳砂率值也由32%變至34%。
抗折強度隨砂率的增大為什么會有先增后減的變化？筆者分析認為：
(1) 當砂率較小時(如28%～30%)，混凝土拌合物缺漿，粗集料間的空隙得不到漿體的有效填充，內部空隙較多，故抗折強度低。
(2) 當砂率過高時(如36%) ，對混凝土抗折強度至少有3 個方面的副作用：第一，細集料總表面積過分增加，需要的潤濕水分增大，而在一定單位用水量情況下，漿體過于干澀粘稠，流動性顯著降低，和易性極差，不易振實，混凝土成型后，在內部形成許多蜂窩和空洞，影響抗折強度；第二，細集料表面積增加，需要包裹其表面的水泥漿量增加。而對于高水灰比(如0.50)、低水泥用量的混凝土來說，水泥漿量顯得不足，粘結力下降，抗折強度降低；第三，由于細集料的增多，混凝土中級配良好的粗集料的含量相對減少，從而破壞了混凝土內粗集料之間交錯有致的機械咬合狀態(tài)，造成抗折強度下降。
當然，隨著石子品種粒徑和砂子粗細的不同，最佳砂率值也有相應變化。對于水灰比一般變動于0.40～0.50 之間，用中砂配制的道路混凝土來說，碎石混凝土取32%～34%砂率為宜，卵石混凝土相應減少2%～3%的砂率。
6 結 語
合理選用原材料，慎重摻加摻合料，適量引入外加劑和科學設計配合比，是改善道路混凝土性能，提高其抗折強度的內在保證因素。當然，施工過程中的質量管理同樣重要，不能顧此失彼，要綜合考慮各種影響因素，在保證混凝土質量的前提下，力求經濟合理。
參考文獻：
[1]重慶建筑工程學院· 混凝土學[M] 。北京：中國建筑工業(yè)出版社，1981。
[2]莫林輝， 淺析粗集料粒徑級配對水泥混凝土抗彎拉強度的影響[J]。湖南交通科技，2001，27(4) 。
[3]陳建奎，混凝土外加劑的原理與應用[M]。 北京：中國計劃出版社，1997。
[4]陳素梅，粗集料性能對路面混凝土抗折強度的影響[J]?；炷?，2002，(12) 。
[6]阮炯正等，NJ H 高效引氣減水劑的研制與開發(fā)[J]。公路交通科技(增刊) ，2000。
[7]陳應欽，引氣劑的，作用及高性能混凝土引氣劑的研究[J].化學建材，2002，(2)。
[8]聶 鵬，混凝土含氣量對其力學性能的影響[J]。東北公路，2000，23(2) 。
[9]陳拴發(fā)等，道路混凝土早強低脆性能[J].西安公路交通大學學報，2000，20 (3) 。 編輯：
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