水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)及強(qiáng)度探析

摘要 為加強(qiáng)公路路面施工質(zhì)量，文章針對(duì)水泥混凝土配合比方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，確定各類(lèi)原材料，加入HSP-DQ纖維材料，對(duì)不同纖維摻量的水泥混凝土強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，具體結(jié)果如下：當(dāng)纖維摻量為1.3～2.0 kg/m3時(shí)，水泥混凝土具有最佳的抗開(kāi)裂能力；當(dāng)纖維摻量為1.3～1.6 kg/m3時(shí)，水泥混凝土具有最佳的彈性模量數(shù)值；當(dāng)纖維摻量為1.0～1.6 kg/m3時(shí)，水泥混凝土具有最佳的抗彎拉能力；當(dāng)纖維摻量為1.0～1.6 kg/m3時(shí)，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(guān)鍵詞 水泥混凝土；配合比設(shè)計(jì)；應(yīng)用強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）17-0192-03

0 引言

水泥混凝土是路橋工程施工的基礎(chǔ)材料，其配比方案與應(yīng)用強(qiáng)度會(huì)影響項(xiàng)目的后續(xù)使用。合理的配合比設(shè)計(jì)能夠減少水泥混凝土的浪費(fèi)，提高施工效率，降低施工成本，同時(shí)延長(zhǎng)路橋的使用壽命。當(dāng)前在水泥混凝土設(shè)計(jì)階段，不僅要選用優(yōu)質(zhì)原材料，還要根據(jù)施工需求進(jìn)行配合比試驗(yàn)，控制水灰比。此外還要保證水泥混凝土在攪拌、運(yùn)輸、澆筑、振搗等階段滿(mǎn)足施工工藝要求，才能提高工程的質(zhì)量與耐久性。

1 工程概況

研究以某地區(qū)二級(jí)公路工程為例，項(xiàng)目總長(zhǎng)15.7 km，公路原寬度為12 m，土路肩寬度為0.2 m?，F(xiàn)根據(jù)規(guī)劃要求將公路升級(jí)為一級(jí)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(zhǎng)預(yù)期為7%，對(duì)公路路面使用強(qiáng)度具有較高要求。因此，在施工前應(yīng)針對(duì)水泥混凝土材料的配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用高強(qiáng)聚酯（HSP）纖維混凝土工藝，多方面加強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)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(shè)計(jì)方案

2.1 原材料配合比設(shè)計(jì)

2.1.1 水泥

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

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，研究選取的P.II 42.5型水泥的各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，可以用于纖維水泥混凝土的配比設(shè)計(jì)與路用試驗(yàn)。

2.1.2 粗集料

纖維水泥混凝土的粗集料應(yīng)具備耐磨性強(qiáng)、質(zhì)地堅(jiān)硬的特征，因此根據(jù)案例工程施工技術(shù)規(guī)范，采用4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～31.5 mm三種碎石級(jí)組成，粗集料的技術(shù)指標(biāo)如表2所示：

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，三種碎石級(jí)摻和后的粗集料的各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，可以用于纖維水泥混凝土的配比設(shè)計(jì)與路用試驗(yàn)。

2.1.3 細(xì)集料

纖維水泥混凝土的細(xì)集料要求與粗集料相同，同樣應(yīng)具備質(zhì)地堅(jiān)硬、含泥量少等特點(diǎn)。根據(jù)施工技術(shù)規(guī)范要求，選定河沙作為混凝土細(xì)集料的原材料，細(xì)度模數(shù)為2.79 mm，滿(mǎn)足2.6～3.2 mm的規(guī)范要求。此外，細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)如表3所示[2]：

根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知，研究選取細(xì)度模數(shù)2.79 mm的細(xì)集料材料，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范要求，可以用于纖維水泥混凝土的配比設(shè)計(jì)與路用試驗(yàn)。

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(shù)指標(biāo)如表4所示：

根據(jù)表4數(shù)據(jù)可知，研究設(shè)計(jì)選用的SX聚羧酸減水劑的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，可以用于纖維水泥混凝土的配比設(shè)計(jì)與路用試驗(yàn)。

2.1.5 試驗(yàn)用水

研究設(shè)計(jì)采用飲用水，作為水泥混凝土的級(jí)配材料，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表5所示[3]。由表5可以看出試驗(yàn)用水的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，可以用于纖維水泥混凝土的配比設(shè)計(jì)與路用試驗(yàn)。

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(zhǎng)時(shí)間處于高負(fù)荷使用狀態(tài)，容易產(chǎn)生各種裂縫、塌陷等病害問(wèn)題。因此，研究將纖維摻入水泥混凝土中，以加強(qiáng)混凝土路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，具體為HSP-DQ纖維原材料，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)情況如表6所示：

2.1.7 配合方案

研究為驗(yàn)證纖維摻入水泥混凝土后對(duì)其應(yīng)用強(qiáng)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(yīng)以該配合比為基礎(chǔ)，摻入不同含量的HSP-DQ纖維原材料，通過(guò)試驗(yàn)得到最佳的配比方案。

2.2 水泥混凝土抗開(kāi)裂評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)傳統(tǒng)水泥混凝土加入纖維材料，預(yù)期目標(biāo)為增強(qiáng)公路路面的使用質(zhì)量，最大限度地避免路面開(kāi)裂，可以通過(guò)公式計(jì)算，逐步推導(dǎo)出纖維水泥混凝土的開(kāi)裂等級(jí)，得到不同纖維摻量的混凝土強(qiáng)度數(shù)值[4]。計(jì)算公式如下：

A=∑ n i=1ωi·li （1）

式中，A——水泥混凝土早期開(kāi)裂的總面積（m2）；li——第i條裂縫的長(zhǎng)度（m）；ωi——第i條裂縫的最大寬度（m）。通過(guò)早期抗裂性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出水泥混凝土的限裂等級(jí)，具體公式如下：

η=A0?Af A0 ×100 （2）

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

3 纖維摻量對(duì)水泥混凝土強(qiáng)度的影響研究

確定水泥混凝土配合比方案后，應(yīng)進(jìn)一步探析纖維摻量對(duì)材料強(qiáng)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(jìn)行綜合比較。對(duì)五種方案的強(qiáng)度影響進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表9所示：

3.1 抗壓強(qiáng)度影響

水泥混凝土的抗壓能力，關(guān)系公路路面的裂縫病害。根據(jù)混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，在傳統(tǒng)水泥混凝土中加入纖維時(shí)，其抗壓強(qiáng)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(qiáng)度并沒(méi)有得到明顯的提升，始終處于52.44～53.95 MPa之間。這說(shuō)明在水泥混凝土中摻入纖維材料，能夠增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度，但是不同纖維摻量并沒(méi)有對(duì)抗壓強(qiáng)度起到明顯的促進(jìn)效果。

3.2 彈性模量影響

根據(jù)不同纖維摻量的彈性模量結(jié)果可知，相對(duì)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(shí)達(dá)到頂峰。說(shuō)明不同纖維摻量對(duì)于混凝土彈性模量的影響效果并不是很明顯，這是因?yàn)镠SP纖維屬于合成纖維，本身質(zhì)地較為柔軟，進(jìn)行抗壓彈性模量檢測(cè)時(shí)，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(guān)聯(lián)度不高。

3.3 抗彎拉強(qiáng)度影響

在水泥混凝土的抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)中，當(dāng)混凝土中加入纖維材料后，試件的抗彎拉強(qiáng)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(shuō)明HSP纖維在混凝土中起到良好的調(diào)節(jié)作用，能夠增強(qiáng)水泥砂漿與集料之間的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而增強(qiáng)水泥混凝土的抗彎拉強(qiáng)度。

3.4 抗劈裂強(qiáng)度影響

在水泥混凝土的抗劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)中，在混凝土中加入纖維后，試件的抗劈裂強(qiáng)度由3.35 MPa增長(zhǎng)至3.81 MPa，并且隨著纖維摻量的增加，抗劈裂強(qiáng)度也提升為4.04 MPa與3.93 MPa，說(shuō)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(qiáng)度，表明纖維材料對(duì)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(yōu)摻量分析

將上述不同纖維摻量對(duì)水泥混凝土強(qiáng)度的影響結(jié)果進(jìn)行匯總，得出各種混凝土強(qiáng)度的最優(yōu)摻量結(jié)果，具體如表10所示：

根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果可知，當(dāng)纖維摻量為1.3～2.0 kg/m3時(shí)，水泥混凝土具有最佳的抗開(kāi)裂能力；當(dāng)纖維摻量為1.3～1.6 kg/m3時(shí)，水泥混凝土具有最佳的彈性模量數(shù)值；當(dāng)纖維摻量為1.0～1.6 kg/m3時(shí)，水泥混凝土具有最佳的抗彎拉能力；當(dāng)纖維摻量為1.0～1.6 kg/m3時(shí)，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(mǎn)足案例工程路面的施工質(zhì)量要求。

4 結(jié)CB0FYjCNoIJjo2OcUXATVDZeBbuldmYR5+ml0tc3dSk=論

綜上所述，在傳統(tǒng)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(zhì)量。該文根據(jù)工程案例方案，對(duì)水泥混凝土配比方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)試驗(yàn)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(fā)揮出纖維材料的最佳性能，為案例公路的正常使用提供穩(wěn)固保障。

參考文獻(xiàn)

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