摘 要:抗折強度是道路水泥混凝土的主要技術指標。通過研究配合比中三個重要參數:水灰比(質量分數) 、單位用水量及砂率對道路水泥混凝土抗折強度的影響,進而確定道路混凝土的合理配比。研究方法是固定其中兩個參數不變,分別研究另一參數對抗折強度的影響。結果表明適當的水灰比、較少的單位用水量和適宜的砂率,對提高混凝土抗折強度是有利的。對配制一般的道路混凝土(坍落度10～30 mm,抗折強度設計值4. 0～5. 5MPa) ,給出了水灰比、單位用水量和砂率的參考值,即水灰比0. 40～0. 50;單位用水量160～170 kg/m3 ,砂率32%～34%。
關鍵詞:道路水泥混凝土;配合比;抗折強度;水灰比;砂率
中圖分類號: TU528; U41 文獻標識碼: A 文章編號: 1008 - 3707 (2007) 02 - 0050 - 03
我國公路建設方興未艾,交通干道正日趨四通八達。水泥混凝土路面作為一種剛性路面,以其良好的穩定性和耐磨性,逐步取代了傳統的柔性瀝青路面而得到廣泛應用。水泥混凝土路面主要承受行車荷載,在車輛荷載的作用下,混凝土路面發生彎曲,下部承受拉應力,當混凝土拉應力無法承受上部的壓應力時,混凝土便開裂產生裂縫。因此增強混凝土抗彎曲性能,提高其抗折強度具有十分重要的意義。
混凝土是一種脆性材料,其抗壓強度往往較高,但抗折強度卻不盡人意(約為抗壓強度的1 /6～1 /10)。如何提高道路混凝土抗折強度? 相關資料和研究[ 1 - 4 ]表明,合適的粗集料品種、粒徑和級配有利于提高道路混凝土抗折強度。也有文獻報道[ 5 - 8 ] ,適量摻入引氣劑或復合減水劑,可提高混凝土抗折強度。排除原材料因素和施工質量因素,筆者認為,科學合理地設計混凝土配合比至關重要。
設計道路混凝土配合比要考慮的主要技術指標是抗折強度。本著這樣的思想,通過對比實驗,筆者研究分析了配合比中幾個重要的參數,即水灰比、單位用水量及砂率對道路水泥混凝土抗折強度的影響。
1 原材料
原材料的性質對混凝土的性能影響很大,在配制混凝土前,對水泥、粗細集料等主要原材料都做了必要的檢驗,主要品質指標均合格。其中,水泥為白馬山42. 5級普通水泥;細集料為江砂(中砂) ,細度模數2. 5;粗集料為5～40連續級配碎石。
2 試驗方法
按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準(GB /T 5008022002) 》,《普通混凝土力學性能試驗方法標準(GB /T 5008122002) 》和《普通混凝土配合比設計規程( JGJ 5522000) 》中有關規定進行試驗。抗折試件尺寸: 150 ×150 ×550。
3 結果與討論
3. 1 水灰比對混凝土抗折強度的影響
水灰比是影響混凝土強度的關鍵因素。理論上講,水灰比越小,混凝土強度越高。但過小的水灰比勢必會帶來較大的單位水泥用量,這不僅不經濟,還會造成混凝土干縮變大,產生收縮裂縫;而且還會因水泥水化熱增加引起混凝土內外溫差過大,產生溫度裂縫,影響混凝土質量。所以本次試驗水灰比的起點定在0. 40。為保證試驗的可比性,在相同的單位用水量和砂率條件下,采用不同的水灰比配制混凝土,混凝土28 d 抗折強度結果如表1 和圖1所示。
表1 水灰比對混凝土抗折強度的影響
由表1和圖1知,隨著水灰比的增大,混凝土抗折強度降低。水灰比由0. 40增至0. 55,抗折強度下降了近21%。很顯然這是因為單位水泥用量減少了。為保證混凝土富余強度和耐久性,水灰比不能過大;為節約成本,并防止混凝土產生收縮裂縫和溫度裂縫,水灰比也不能過小(單位水泥用量不能過大) 。對一般道路混凝土而言,抗折強度設計值在4. 0～5. 5MPa間。按富余系數1. 10 ～1. 15計,當抗折強度設計值為4. 0～4. 5MPa時,應取水灰比0. 45～0. 50;設計值為5. 0～5. 5MPa時,應取水灰比0. 40～0. 45。大于0. 50的水灰比對抗折強度的保證率不高。
3. 2 單位用水量對混凝土抗折強度的影響
在相同的水灰比和砂率下,研究單位用水量對混凝土抗折強度的影響?？紤]到單位用水量太少混凝土拌合物會過于粘稠,工作性差。所以試驗時單位用水量的最小取值為160 kg/m3 ,結果見表2和圖2。
表2 單位用水量對混凝土抗折強度的影響
由表2和圖2可以看出,即使在相同的水灰比下,隨著單位用水量的增加抗折強度也呈下降趨勢。單位用水量由160 kg/m3 增至190 kg/m3 ,混凝土抗折強度下降了7%左右。分析原因認為是: ①用水量增加了,混凝土泌水增多,產生許多連通的泌水通道,使混凝土內部孔隙增多,抗折強度下降。②部分水在泌出時,遇到粗集料的阻礙,會積聚在粗集料的下方形成水囊,混凝土硬化后便是空穴,削弱了集料與水泥石的界面粘結力使抗折強度下降。泌出的水常常聚集到混凝土的表面,在混凝土的表面形成疏松薄弱的表面浮漿層,嚴重影響水泥混凝土路面的耐磨性。
另外,過多的水量在引起混凝土強度下降的同時,也因泌水貫穿的毛細孔通道影響混凝土的抗滲性、抗凍性等。所以,在滿足混凝土工作性能的前提下,應盡量減少單位用水量。道路混凝土通常為低塑性混凝土,要求坍落度為10～30 mm,因此單位用水量取160～170 kg/m3 為宜。
3. 3 砂率對混凝土抗折強度的影響
砂率的微小變化往往會引起混凝土拌合物工作性能的較大改變。過小的砂率會使混凝土拌合物缺漿離析;過大的砂率又會使拌合物粘稠干澀,不易振實成型。這種工作性能不良的混凝土是很難保證強度要求的。為此,筆者固定水灰比和單位用水量,研究了砂率對混凝土抗折強度的影響。結果見表3和圖3。
表3 砂率對混凝土抗折強度的影響
由表3和圖3 可以看出,隨著砂率的增大,混凝土28 d抗折強度呈現先增大后減小的變化趨勢,說明存在一個最佳砂率值。而且隨著水灰比的不同,最佳砂率值也有變化。0. 40的水灰比時最佳砂率值為32% , 0. 50的水灰比時最佳砂率值為34%。
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,卵石混凝土則相應減少2%～3%的砂率。
抗折強度隨砂率的增大為什么會有先增后減的變化?
筆者認為: 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三個方面的副作用: 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而影響抗折強度。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,會使粘結力下降、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,造成抗折強度下降。
4 結 語
(1)適當的水灰比能保證混凝土抗折強度。
(2)在滿足混凝土工作性的前提下,較少的單位用水量有利于提高混凝土抗折強度。
(3)適宜的砂率能改善混凝土的和易性,增加混凝土密實度,進而提高混凝土抗折強度。
(4)配制一般的道路水泥混凝土(坍落度10～30 mm,抗折強度設計值4. 0～5. 5 MPa) ,較為科學合理的配合比是:水灰比0. 40～0. 50,單位用水量160～170 kg/m3 ,砂率32%～34%。
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