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水泥路面混凝土配合比优化设计

2023-06-13 来源:爱问旅游网
第4O卷,第1期 2 0 1 5年2月 公 路 工 程 Highway Engineering Vo1.40,No.1 Feb.,2 0 1 5 水泥路面混凝土配合比优化设计 马天柱。,姚佳良 ,姚(1.广中江高速公路项目管理处,广东江门技发展有限公司,湖南长沙410003) 丁 410014; 3.长沙圣华科 529000;2.长沙理工大学,湖南长沙[摘要]在调查清连高速一期路面病害的基础上,通过原材料优选和塑性收缩、含气量等混凝土配比试验. 优化了清连高速二期混凝土路面配合比,实践表明:优化后的配合比不仅施工性能好,同时还可满足清连高速交通 荷载等级、温度和湿度等环境条件变化要求,文中设计方法和过程为依托工程提供了指导,可供同类工程参考。 [关键词】路面混凝土;配合比优化;塑性收缩;含气量;早期开裂 [中图分类号]U 416.216 [文献标识码】A [文章编号]1674—0610(2015)01—0152—04 Design Optimization Mix Cement Concrete Pavement MA Tianzhu ,YAO Jialiang ,YAO Ding’ (1.Guangzhon iang Expressway Project Management Office;Jiangmeng,Guangdong,529000,China; 2.Changsha University of Science and Technology,Changsha,Hunan,4101 14,China; 3.Changsha Sheng Hua Technology CO.Changsha,Hunan 4 1 0003,China) [Abstract]Based on a survey of the road Qinglian disease,through raw materials and plastic shrinkage preferred,such as concrete air content ratio test,optimize Qinglian Two concrete pavement mix, practice shows:with the optimized ratio only good construction performance,but can also meet Qinglian traffic load level,temperature and humidity and other environmental conditions change requirements,the paper relies on engineering design methods and processes to provide guidance for similar projects refer— ence. [Key words]concrete pavement;mix optimization;plastic shrinkage;air content;early cracking 在严重的开裂问题,而且裂缝出现的时间大部分在 完工后几天内,有的甚至不到l d就有明显裂纹 。 1 概述 水泥混凝土路面是我国高等级路面的主要结构 形式之一。由于国内优质沥青材料相对匮乏,而水 在其它基础设施如海港工程结构,民用建筑、商业建 筑及一些化工、冶金工业建筑中,混凝土开裂问题同 样严重。 泥资源又相当丰富,再加上水泥路面还具备强度高、 刚度大、耐久性好、养护维修费用低及寿命长等特 点¨I4 ,因此,水泥混凝土高等级路面发展迅速。特 别是我国南方高温地区,每年有四个月以上的炎热 多雨天气,且当地缺乏优质集料,对沥青路面的材料 选择、施工和养护极为不利,所以在广东和广西等省 针对以上问题,在对清连高速一期路面病害调 查分析的基础上,通过原材料优选、材料参数优化以 及多组路面混凝土配比试验,提出满足清连高速交 通荷载等级、温度和湿度等环境气候条件变化,且施 工性能、强度、耐久性、含气量等路用性能均满足要 求的优质路面混凝土配比。 的高速公路和其他干线网中,水泥路面占有相当大 的比例。 道路混凝土由于优点众多而倍受青睐,然而工 程中混凝土结构物开裂限制了混凝土路面的进一步 发展。据调查,近年来国内外许多大型工程普遍存 [收稿日期]2014—01—14 2原材料优选 原材料质量的优劣将直接影响混凝土的性能。 首先对水泥、粗细集料、高效外加剂的各项性能进行 [基金项目]国家自然科学基金资助(51178064) [作者简介]马天柱(i979一),男,山西大同人, 学硕士,T一程师,主要从事公路丁程管理与施T一。 第1期 马天柱,等:水泥路面混凝土配合比优化设计 l53 检测,优选出满足技术规范要求的原材料;并对徐州 超力与广东巴斯夫两家外加剂与水泥的适应性能与 最佳掺量进行测试,选择与水泥适应性较好的外加 剂进行试验。 2.1粉煤灰优选 由以上数据看出:三益粉煤灰活性指数较乌石 粉煤灰大8%左右。综合以上数据可得,乌石粉煤 灰活性较低,在与水泥拌合后,不能充分与水泥的水 化产物进行二次水化,导致混凝土早期强度偏低。 三益牌粉煤灰对水泥的适应性较好,且活性较高。 所以优选衡阳三益牌粉煤灰作为配合比设计时用 料。 优质粉煤灰的加入能有效控制混凝土的早期开 裂,同时也能改善混凝土的工作性。 清连高速不同标段共有两种粉煤灰可供选择, 2.2 外加剂(见表3,图2,图3) 外加剂与水泥的适应性能将直接影响到新拌 分别是衡阳三益I级灰与韶关乌石I级灰。其技术 性能见表1。 混凝土的工作性,从而影响到面层施工的总体进 表1 粉煤灰技术性质与I级粉煤灰标准 度 。 Table 1 Fly ash technical nature and standard grade I% 徐州超力外加剂标明的最佳掺量范围为0.4% 一1.4%,广东巴斯夫外加剂标明的最佳掺量范围为 0.3%~1.2%,选择0.4%、0.6%、0.8%、1.0%和 1.2%共5种掺量进行最佳掺量的试验,以便进行对 比。(以上掺量均为粉剂掺量,并已转化为水剂掺 粉煤灰优选采用粉煤灰活性试验。目前比较常 量) 用的粉煤灰活性测定方法有以下四种:抗压强度比  .称取水泥600 g倒人水泥净浆搅拌锅,加入不 法、火山灰活性指数法、化学方法和电阻方法 结合 同掺量的外加剂(外加剂为水剂,已扣除其含水 当地试验室现有的条件,本文选用抗压强度比法来 量),加入210 g水搅拌并开始计时(水胶比0.35)。 进行粉煤灰活性的检测。 搅拌4 min后进行初始流动度测量,剩余水泥净浆 根据规范《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》 表3徐州超力和广东巴斯夫减水剂经时流动度损失 (GB 1596—91)附录3的要求,进行粉煤灰水泥胶砂 Table 3 Xuzhou SUPER FORCE and guangdong BASF sn— perplasticizer fluidity loss over time 28 d抗压强度比试验方法 。抗压强度比为试验 样品的28 d抗压强度和对比样品28 d抗压强度的 比值,试验样品掺有30%粉煤灰;比值越高,即表明 粉煤灰火山灰活性越高。对于用作为水泥混合材的 粉煤灰,其28 d抗压强度比不低于62%。其试验结 果见表2,图1。 表2 28 d抗压强度 Table 2 28 days compressive strength 4 2 go 吕 冰76 0 …l  ~ 丑 需 釜72 姨 一2 0.4 0.6 0.8 1.O 1.: 0.4 0.6 O 8 1.0 68 外加剂掺量/% 外加剂掺量,% -4 64 掺三益粉煤灰 掺乌石粉煤灰 超力减水剂经时流动图3 巴斯夫减水剂经时流 图1 2种粉煤灰强度比值对比图 度损失图 动度损失图 Figure 2 SUPER FORCE Figure 3 BASF superplas— Figure l Two kinds of fly ash intensity ratio comparison chart s“perplasticizer fluidity loss ticizer fluidity loss over time 154 公路工程 表5 粗集料逐级填充试验结果 40卷 以湿布覆盖,放置30 min和60 min后再进行流动度 测量,并测出经时流动度损失(试验室温度恒定在 28℃左右)。 通过对2种外加剂适应性试验,发现超力减水 Table 5 Progressively filled with coarse aggregate test results 次数 剂与水泥的适应性较好,其流动性变化规律明显。 外加剂掺量最小、流动性最大且流动性损失最小的 掺量基本在0.6%~0.8%之间;而巴斯夫与本文所用 水泥适应性较差。试验表明可优选徐州超力牌外加 剂作为清连路二期工程水泥混凝土路面用外加剂。 考虑到粉煤灰的加人和新拌混凝土坍落度损失 的速度,为使新拌混凝土工作性达到现场施工要求, 与外加剂技术人员一起对施工用外加剂的组分进行 了调节。 调节外加剂后,新拌混凝土的工作性改善明显, 且坍落度损失控制在l h减小20 mill以内,满足施 工要求。 2.3粗集料级配组成 骨架密实结构是一种较为理想的结构类型,也 一c.g. 、趟帮林蜷 是目前路面水泥混凝土发展的方向之一 ” 。所 ∽雠 肼m 谓骨架密实结构,是指水泥碎石混合料中大颗粒的 石料能够形成互相嵌挤的骨架结构,水泥、细集料则 填充在粗集料骨架形成的空隙之中。硬化后的水泥 石、细集料混合物在混合料中所占体积较小,且被粗 集料形成的空隙分开。粗集料形成骨架结构后,石 料之间的相互嵌挤,能够有效提高混合料的内摩擦 角,从而提高强度,改善路面的干缩变形和耐久性, 减少路面早期开裂并延长路面的使用寿命。 粗集料级配采用振动试验和逐级填充法,找出 达到最佳骨架密实结构时的各档料掺量。固定大石 掺量,每次以5%的小石掺量往里添加,同时振动。 找出最大的振实密度即为最佳骨架密实结构(见表 4)。试验结果见表5和图4。 表4粗集料密度 Table 4 Coarse aggregate density 由填充振实试验结果可知:当小石填充百分比 (小石与大石质量比)为35%时,混合料的振实密度 最大为1.710 g/cm ;此时第一、二档料用量百分比 (各档料与总质量比)见表6。 最终通过筛分,调整大石与小石的比例为 70%:30%时,其筛分结果完全满足规范要求。且此 小石掺量/% 图4粗集料振动试验图 Figure 4 Coarse aggregate vibration test chart 表6粗集料最佳百分组成 Table 6 Best of coarse aggregate percentage composition 分档/mm 百分含量/% 大石(16~26.5 Bin) 74 小石(4.75—16 mm) 26 时粗集料约为第二最大振实密度,也满足振动试验 要求。 2.4其他原材料技术性质 ①水泥:广东海螺P.042.5水泥。 ②水:现场取水。 ③砂:中砂,细度模数2.72,表观密度2.647 g/ 3cm。 ④石子:颗粒级配为两级配组成的4.75~26.5 mm连续级配,表观密度2.772 g/cm 。 ⑤粉煤灰:衡阳三益一级粉煤灰。 ⑥外加剂:徐州超力CNF一3缓凝高效减水剂, 含固量40%。 3配合比优化设计 根据上述数据计算配合比,变化水灰比和粉煤 灰掺量。 基准水灰比取0.39,上下浮动0.02。同时同定 粉煤灰掺量为10%。 变换粉煤灰掺量,水灰比罔定为0.39。 试验结果见表7、表8。 第1期 马天柱,等:水泥路面混凝土配合比优化设计 155 表8 不同混凝土配合比试验结果 Table 8 The test results of concrete mix 表9 不同水灰比和不同粉煤灰掺量塑性收缩测试结果 Table 9 Different plastic shrinkage test results of w/c and tl— yash 4塑性收缩试验 收缩受限试验可以对混凝土的开裂趋势做定性 水灰比 (a)不同水胶比 粉煤灰掺量,% (b)不同粉煤灰掺量 与定量评估。所谓定性分析就是通过观察混凝土试 件在限制收缩条件下的裂缝开展情况,来评价不同 图5 不同水胶比和不同粉煤灰掺量开裂时间圈 Figure 5 Different of water—cement ratio and flyash parameters cracking time chart 材料组成混凝土的收缩开裂趋势以及收缩开裂对不 同环境与不同限制条件的敏感性。定量分析指结合 相关测试得到限制收缩条件下试件内部的应变、徐 时又变成28 min,说明混凝土存在一最佳水胶比区 域,在此水胶比范围内,塑性开裂和贯通时间最迟, 混凝土拥有相对较高的抗开裂能力。 变、弹性模量、约束应力等随龄期的变化曲线,并引 入合理的失效模式对结构的开裂情况作出预测 j。 处于塑性状态的水泥混凝土会因早期收缩过大 而发生开裂,而混凝土的早期收缩主要由水泥石收 最终,通过工作性、强度及塑性收缩试验,确定 水胶比为0.39,粉煤灰掺量为10%时的配合比为最 优配比,即F一2组配比。 缩引起 。因此,研究水泥石性能参数对塑性收缩 的影响尤为必要。其中,对水泥石性能影响最显著 的参数当属混凝土的水胶比。不同水胶比和粉煤灰 掺量,混凝土的塑性收缩测试结果见表9,图5。 5 结论 通过以上各项试验数据,结合清连高速控制路 面早期开裂的要求,对混凝土设计参数进行如下控 制: 由以上数据分析,当水胶比由0.37增大到 0.41时,混凝土试件的初裂时问逐渐由70 min推迟 ①水灰比:试验值表明,为保证混凝土强度值, 混凝土应采用较小的水灰比;然而,在炎热地区的道 路混凝土水灰比不宜过小,过小的水灰比会使减水 (下转第169页) 到80 min;贯通时间也基本符合这一规律,这说明水 胶比越大,混凝土开裂所需时间越长。水胶比0.37 时,初裂到贯通需要22 min,0.39为33 min,到0.41 第1期 李惠霞,等:强紫外光辐射地区的沥青混合料组成设计研究 169 量增加,车辙减少,具有较好的高温稳定性,最佳油 石比采用5.5%。 [3] 庞凌.沥青紫外光老化特性研究[D】.武汉:武汉理丁大学, 2008. ②在低温地区的强紫外光辐射的沥青路面,级 配设计推荐采用sO型,低温时劈裂强度大,抗开裂 性能好,最佳油石比采用5.0%。 [4] 叶奋,孙大权,黄彭,等.沥青强紫外线光老化性能分析[J]. 中国公路学报,2006,19(6). [5] 吴少鹏,庞凌,等.沥青光氧老化研究进展[J].石油沥青, 2007.21(2):1—6. ③本试验只研究了AC一16这一种沥青混合 料,应在应用时采用此种方法对其他沥青混合料进 行材料组成设计研究,因此本文为强紫外光辐射地 区的沥青混合料设计提供了思路。 [6] 叶颖,刘银生.聚丙烯合金防眩设施材料的光老化和光稳定 [J].公路T程,2000,25(3):71—73 [7] 栗培龙,张争奇.沥青紫外光老化特性及机理探讨[J].郑州 大学学报,2008,29(4):96—100. [8] 李惠霞.基于细观力学沥青混合料紫外光老化行为研究[D]. 西安:西安建筑科技大学,2013. [参考文献] 孙式霜,王彦敏,等.紫外线吸收抗老化剂在沥青混合料中的 应用[J].公路T程,2o12,37(4):lO9—114. [9] 王聪.紫外光老化沥青混合料的耐候性研究[D].西安:西安 建筑科技大学,2013. [10] 沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京:人民交通 出版社,2001. [2] 王佳妮.模拟紫外环境下沥青流变行为及老化机理的研究 [D].哈尔滨:哈尔滨T业大学,2008. (上接第155页) 剂掺量增加,导致混凝土粘性过高,影响了混凝土施 工和易性;低水灰比也会使混凝土内部毛细孔过度 细化,增加了混凝土开裂的风险。塑性收缩试验表 [2]罗圣彬.公路混凝土路面开裂的研析[J].江西建材,2011 (3). [ ] 尚志远.高抗折强度路面混凝土材料组成与路用性能研究 .[D].西安:长安大学,2008. [4] 王静智.水泥混凝土路面施T浅谈[J].科技信息(科学教 明 在工作性不变的情况下,增大水灰比能延长混凝 土的初裂时间。所以,在满足各项强度值的耐磨性 研),2008(13). [5] 张哲.道路混凝土早期收缩及开裂性能研究[D].西安:长安 大学,2008. 要求的条件下,水灰比最终选择为0.39。 ②粉煤灰掺量:由塑性开裂试验看出,当粉煤 灰掺量为10%时,混凝土初裂时间和贯通时间都有 [6] GB1596—91,用于水泥和混凝土中的粉煤灰[s]. [7] 张琨.浅谈混凝土外加剂与水泥的适应性[J].现代物业, 2011(7). 所延长,而低粉煤灰掺量的混凝土试件初裂时间较 快。从保证混凝土强度上考虑,粉煤灰掺量不宜过 大。综合以上因素,粉煤灰掺量最终确定为10%。 [8] 成盛.环形约束混凝土徐变量化计算与裂缝图像化定量评价 研究[D].杭州:浙江大学,2O1O. [9] 王善民,衣书正,杨琴,等.水泥用量及水灰比对路用水泥混 凝土塑性收缩的影响[J].交通科技,2008(6). [参考文献] [1] 童伟光,王晨,潘曦.探析公路养护中水泥路面的养护与维修 [J].城市建设理论研究,2013(17). [1O] 陈立兵.骨架密实结构水泥稳定碎石路面配合比设计[J]. 公路,2008(2). [11]JTG—D40—2011,公路水泥混凝土路面设计规范[S]. (上接第165页) 334—336. ③运用MIDAS/CIVIL2010对矮塔斜拉桥进行 [3] 王学明,李平.矮塔斜拉桥拉索初张力优化[J] 铁道丁程学 报,2005,88(4):39—42. 正装分析,可以方便的对拉索初张力进行优化设计, 并得到满足目标要求的一组优化索力值。通过优化 可以使斜拉桥受力均匀,整体性更好,有时还可以节 [4] 刘凤奎,蔺鹏臻.矮塔斜拉桥拉索初张力优化[J] 兰州铁道学 院学报,2003,22(4):64—67. [5] 杨俊.影响矩阵法在桥梁合理成桥状态确定中的应用[J].公 路与汽运,2008(6). [6] 徐畅.基于影响矩阵的桥梁合理设计状态的确定[J].交通标 准化,2OlO(1). 约材料。因此,在矮塔斜拉桥整体设计完成后,进行 优化设计是非常必要的。 [参考文献] [1] 陈亨锦.王凯.浅谈部分斜拉桥[J].桥梁建设,2002,4(1):44 47 [7] 武利军.基于MIDAS的斜拉桥索力优化方法与下程实例[J]. 公路与汽运,20l2(5):163一J66. f 8] 戚良俊.预应力混凝土斜拉桥成桥和施r阶段索力优化理论 研究和实践[D].重庆:重庆交通大学,2008. [2] 陆林祥,张山荣.矮塔斜拉桥综述[J].山西建筑,2009(34) 

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