具有特殊力學結構的高性能路面磚的設計與研究

劉墨寧,許瑩

(河北聯(lián)合大學,河北 唐山063009)

0 引 言

混凝土路面磚是我國近十幾年來發(fā)展最快的混凝土制品之一,已廣泛應用在市政道路建設和住宅小區(qū)的路面鋪設,而港口碼頭、機動車道的用戶要求混凝土路面磚的抗壓強度≥50MPa,為達到這一強度,本設計利用了兩種方法:

第一種是向高性能混凝土中添加礦物外加劑。礦物外加劑是高性能混凝土中值得重視的一類原材料。礦物外加劑的摻入,可大幅度減少水泥用量并改善混凝土的性能。本文將三種礦物外加劑(礦粉,粉煤灰,硅灰)復合使用,則可產(chǎn)生復合交互效應,并成為改善混凝土綜合性能的一條最有效途徑,同時對礦粉,粉煤灰,硅灰等具有火山灰材質的工業(yè)廢料進行綜合利用,體現(xiàn)了高性能混凝土的環(huán)保性和耐久性。

第二種是利用特殊的力學結構,在這一方面前人研究較少。但在國內(nèi)外的大型建筑中無不注重力學結構對建筑耐久性的影響,例如水壩,橋梁等等。本文將文獻中一種特殊的力學結構——弧頂——運用于混凝土路面磚,設計出的混凝土路面磚的抗壓強度將會大大提高,并且節(jié)約了一部分的建筑材料,降低了生產(chǎn)成本和運輸成本,對地基要求不高,更加方便于鋪設,體現(xiàn)出該設計的經(jīng)濟性和實用性。

1 混凝土配合比理論值計算

1.1 配置強度的計算[4]

fcu,0為混凝土的配置強度;

fcu,k為混凝土的設計強度等級;

t為強度保證系數(shù),當強度保證率為95%時,t=1.645;

σ為混凝土強度標準差,本品為配置C50級混凝土路面磚,σ應取3.5;

1.2 水灰比的計算

同濟大學高性能混凝土水膠比(C+M)/W計算式[4]

碎石:fcu,0=0.304 fce[((C+M)/W)+0.62]

C為每立方米混凝土中水泥的用量,kg/m3;

M為每立方米混凝土中礦物質的摻加量,kg/m3;

W為每立方米混凝土中水的用量,kg/m3;

fce為水泥的實際強度,fce=fce,r*re;

fce,r為水泥強度等級,re為水泥強度的富余系數(shù),取1.13;

fce=42.5*1.13=48.025 MPa。

則 55.76=0.304*48.025[((C+M)/W)+0.62]

得 (C+M)/W=3.199

則水灰比W/(C+M)=1/3.199=0.316

對此,專家根據(jù)實際經(jīng)驗,工程實例,大量實驗得,用42.5號水泥配置C50～C60的混凝土時,水灰比應控制在0.30～0.33之間。由此得到計算結果滿足工程要求。

1.3 單位體積(1立方米)用水量W 0的確定

根據(jù)實際經(jīng)驗得,C50～C60的高強混凝土的單位用水量在175～185 kg/m3之間。由于本品使用礦渣-硅灰-粉煤灰三種外加劑復合摻加,可以適當取值使礦物外加劑的活性顯現(xiàn)出來。取180 kg/m3。

1.4 混凝土的單位膠凝材料用量(C0+M0)的計算

同濟大學提出的計算式:根據(jù)已選定的每立方米混凝土用水量W 0和得出的水膠比W/(C+M)

按

得

1.5 礦物質摻和料的量的計算

據(jù)查閱大量資料和實驗數(shù)據(jù)[1][3]得,礦粉-粉煤灰-硅灰的比例為55.2:36.8:8時,混凝土顯現(xiàn)出比較才出色的力學性能和穩(wěn)定性。又在大摻量(接近50%)礦物混合物的情況下,早期和后期的膠砂強度均表現(xiàn)出比純水泥膠砂體系無可比擬的優(yōu)越性,在降低早期強度提高后期強度方面,均可達到理想的效果,這一結論基本上可以消除人們對大摻量礦物摻和料在強度使用方面的疑慮。故在本品中摻礦物外加劑占膠凝材料的50%。

礦渣粉:55.2%×50%=27.6%

粉煤灰:36.8%×50%=18.4%

硅灰: 8%×50%=4%

1.6 砂率(Sp)計算

生產(chǎn)高強混凝土路面磚,砂子應選用中粗河沙。

中河沙:2.2～2.6 砂率宜選36%

粗河沙:2.6～3.0 砂率宜選34%

為提高密實度和水泥砂漿粘結作用,本品取細度模數(shù)在2.6附近的中河沙,砂率為36%。

1.7 粗細骨料用量的計算

取混凝土路面磚拌和物的表觀密度為2900 kg/m3,據(jù)絕對體積法:絕對體積法是假定混凝土拌和物的體積等于各組成材料的絕對體積和拌和物中所含空氣的體積之和。

C0/ρ0為膠凝材料的總體積;

S0/ρ0s為砂子所占體積;

G0/ρ0g為碎石所占體積;

W 0/ρw為水所占體積;

10α為空氣所占體積;

W0/ρw=180/1L=180L;

10α=10*1.0%=0.1L(未用引氣劑時,混凝土中含氣百分數(shù)為1.0%);

礦渣:576*27.6%=159kg V1=159/2.5=63.6L;

水泥:576*50%=288kg V2=288/3.15=91.4L;

粉煤灰:576*18.4%=106kg V3=106/2.5=42.4L;

硅灰:576*4%=23kg V4=23/2.1=11L。

附:礦渣或粉煤灰密度2.5g/cm3

水泥密度3.15 g/cm3

硅灰密度2.1 g/cm3

則

結合①②得 S0=770kg G0=1370 kg

骨料要選1-5 5-10mm級粒徑碎石,壓碎指標不大于12%,含泥量小于1.5%細度模數(shù)為3.2左右,且1.25 mm孔篩余量占30%～40%,即大部分應為1～5 mm級碎石。

1.8 高效減水劑用量的確定

根據(jù)大量資料表明:粉煤灰,礦粉雙摻時,與萘系外加劑有良好的適應性[1],故本品采用UNF-D(萘系)高效減水劑,摻量為占膠凝材料的1.0%。

1.9 顏料用量的確定

應用合成顏料,摻量為膠凝材料的3%～5%,本品取4%。高強混凝土路面磚(50MPa級)配合比如下(1立方米):

表1 混凝土配合比

合計2924.8 kg≈2900 kg滿足工程要求。

2 產(chǎn)品外觀設計——弧頂?shù)脑O計與應用

目前大多數(shù)廠家以改良混凝土路面磚原料配合比來提高路面磚各方面的強度性能,本文將弧頂結構運用于混凝土路面磚,以提高混凝土路面磚的抗壓強度,下面以300×300×50的普通方形磚和正六角形磚為例,說明弧頂?shù)倪\用細節(jié)。

在300×300×50的普通方形磚中,在磚的底部壓制出底面半徑為125,高度為30的球冠,球體半徑為275.42如下圖所示,

在正六邊形磚中,取長×寬為300×346即邊長為173的磚型,如下圖所示,

圖1 300×346×501六方磚弧頂視圖

在我國建筑歷史上,弧頂結構并不少見,它在增加材料的抗壓性能上有著很重要的功用,另外他還有一個顯著的優(yōu)點——節(jié)省材料,降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本,使其更具競爭力,在正方形路面磚中節(jié)省材料百分比約為17.7%,在六角形路面磚中節(jié)省材料百分比約為20.5%。

3 結 論

(1).通過參照高性能混凝土配合比設計規(guī)程,利用各方面的經(jīng)驗和數(shù)據(jù),最終得出一個高性能混凝土的理論上的最優(yōu)配合比。

(2).通過將弧頂這一特殊力學結構運用于混凝土路面磚,使其抗壓強度大大增強,并且節(jié)約了一部分的建筑材料,降低了生產(chǎn)成本和運輸成本,更加方便于鋪設,體現(xiàn)出該設計的經(jīng)濟性和實用性。

[1] 鞠麗艷,張雄.高性能混凝土用多元復合礦物外加劑的優(yōu)化配伍研究[J].粉煤灰綜合利用,2003(6):3～6.

[2] 徐進勛.高性能混凝土配合比優(yōu)化設計分析[J].廣東科技,2009(2):173～174.

[3] 聶法智,劉培齡,趙芳.礦物摻合料對水泥膠砂強度發(fā)展規(guī)律的影響[J].粉煤灰綜合利用,2006(2):5～7.

[4] 李繼業(yè).混凝土配制實用技術手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2008,58～75,113～126.