水泥混凝土由于具有強度高、原材料儲量大、可塑性能優異、成本低廉，在土木工程中起著極其重要的作用，是現代應用最廣泛的建筑材料。它是由水泥、砂、石、添加劑、外加劑和適量水混合逐漸硬化形成的人工石材，因此原材料的種類、性質和用量等因素直接關系到混凝土的質量、成本和性能，進而關系到土木結構物的品質、造價和壽命，但是現有水泥混凝土配合比設計存在經驗成分多，應用中不宜量化控制的問題，這就限制了此類結構的推廣及應用。而為解決三農問題，國家加大了農村公路以及低造價公路建設的投資力度，修筑此類結構，水泥路面是首選，因此如何準確確定組成材料及其用量，使其滿足工作性、強度和耐久性要求是關鍵所在。 1 現代土木工程對水泥混凝土提出新的要求 1）混凝土品種增多，出現了高性能混凝土、輕骨料混凝土、纖維混凝土、防水混凝土、加氣混凝土、低溫混凝土、泵送混凝土和噴射混凝土等。其中高性能混凝土（HPC）是近期混凝土技術發展的主要方向，國外學者曾稱之為21世紀混凝土。近年來，不同性能混凝土的研究和應用日益受到人們重視。．坍落度應不小于120 mm，且粘聚性和保水性良好。 2）混凝土的成分更加豐富，粉煤灰及其他摻合料和外加劑等被廣泛使用到混凝土的配制中，使混凝土的應用更加廣泛。 3）混凝土需要滿足的性能指標提高，從單一的強度指標擴展到若干齡期的強度、工作性能和耐久性能等多項指標。 4）對結構物壽命的要求延長。工程實踐證明，在正常使用條件下普通混凝土的使用期限可達50年～100年；而在惡劣環境條件下經十幾年或更短時間就遭到嚴重破壞，需要修補，甚至更新重建。高性能混凝土的耐久性應從目前50年～100年的使用期限，提高到500年～l000年，且具有廣泛的環境適應性。 5）施工工藝多樣化。水泥混凝土面層可以采用多種施工方法進行鋪筑：小型機具攤鋪和振實；軌道式攤鋪機攤鋪和振實，配以其他工序的配套機械；滑模式攤鋪機攤鋪和振實，配以其他工序的配套機械；平地機攤鋪和振動壓路機碾壓，配以其他小型機具；瀝青混合料攤鋪機攤鋪和初步壓實，壓路機碾壓配以其他機具和機械。 2 傳統配合比設計方法的缺陷 傳統配合比設計方法是一種基于經驗的方法，混凝土結構對材料性能提出的要求比較簡單，配制混凝土的原材料種類也比較少，因此傳統的配合比設計方法還存在許多不足之處?；炷僚浜媳仍O計理應是一個完善的體系，包括原材料選擇、配合比計算、性能設計和性能檢測。事實上，人們在進行配合比設計時已經有意或無意地采用了這一體系，但所采用的體系的完善程度各不相同，而且大都不完善。 1）從原材料選擇來看，多數是依據個人經驗知識進行的，帶有很大的主觀性。各人的經驗知識不同，知識量也不等。這就為混凝土配合比設計帶來了一定的隨機性。 2）從配合比設計計算來看，各種沒計方法的計算方法互不相同。配合比計算的實質就是四元（單位混凝土中水、水泥和粗細集料用量）一次方程組求解。從數學角度來講，四元一次方程組求解需要四個獨立方程式的聯立才能解出。而配合比設計中一般都采用需水性定則、水灰比定則和絕對體積法或假定容重法，這就提供了三個方程式；各配合比設計方法的不同在于第四個方程式的確定。為了完成配合比設計，各種方法都引進了不同的關系式。我國引入了砂率；前蘇聯引入了砂漿撥開系數；英國引入了骨灰比；美國引入了粗集料最佳用量。另外因對高性能混凝土的認識不足，對它的配合比設計主要依賴于經驗和大量的試配，計算過程在各種設計方法中似乎都不甚重要。 3）從性能設計來看，理想的配合比設計應能實現對混凝土的主要性能（即：工作性能、強度和耐久性）的設計，雖然目前的各種設計方法基本都考慮到了這三方面的性能，但是似乎還沒有一種方法真正做到了對這三方面性能的設計。雖然最終都可能配出滿足三方面性能要求的混凝土，但這似乎不能歸功 于該配合比設計體系的先進性，而應歸功于設計人員的大量試配工作。 4）從性能檢測來看，每一種配合比設計體系也都是不甚完善的。對混凝土力學性能和耐久性的檢測相對來說還比較完善，而對新拌混凝土性能（主要是工作性）的檢測應該說是不合理、不完善的。各個設計體系大都采用Abrams的坍落度試驗（塑性混凝土）和維勃稠度試驗（干硬性混凝土）來檢測新拌混凝土的工作性。但這兩種試驗都不能全面有效地反映新拌混凝土的工作性。當然，研究者在試驗室內可能會使用其他方法來檢測新拌混凝土的工作性，但它們畢竟沒有很好地應用到混凝土施工中去。 3 現代水泥混凝土配合比設計思想 隨著現代建筑工程技術要求的提高，水泥混凝土配合比設計的指導思想應從強度設計向多種性能設計轉化，從可行性設計向優化設計轉化。F∞指出：合理的材料配合比設計應該在符合相關規范給出的包括強度、耐久性、均勻性、和易性、滲透性和經濟性等要求的前提下，確定各種成分的用量，獲得最經濟和適用的混凝土。配合比設計中主要考慮的因素有： 1）水灰比。有關水灰比、水泥品種、外加劑、粗集料級配等因素對路面混凝土性能影響的試驗表明，無論28d抗折強度還是抗壓強度，上述因素的主次為：水灰比一水泥品種一外加劑一粗集料級配。由此可見，水灰比對路面強度的影響是很大的。水灰比過大，多余水在硬化后的混凝土中形成氣孔，減小了混凝土抵抗荷載作用的有效斷面，在孔隙周圍產生應力集中。水灰比愈小，水泥混凝土的強度也愈高，因此在滿足和易性要求的前提下，應盡可能采用小的水灰比。此外，路面混凝土水灰比大小還應考慮道路等級、氣候因素等。 2）砂率。其大小主要影響混凝土的稠度，在水灰比低時這種影響表現得比較遲鈍，但砂率的改變會使混凝土的空隙率和集料的總表面積有顯著改變，直接影響硬化混凝土的品質。砂率過大，在水泥漿用量不變的情況下，會使混凝土的水泥漿顯得過少，成型的路面表現砂漿層過厚，對耐磨耗、減少收縮不利。另外，從混凝土抗斷裂的角度考慮，砂漿也不宜過大。試驗表明，混凝土的抗裂能力隨粗集料的增加而增加，因此在正常砂率的基礎上，適當減少砂率，增加粗集料用量，對提高路面混凝土的抗折性能是必要的。 3）集灰比。對混凝土強度的影響在混凝土強度較高時表現得較明顯，當水灰比相同時，混凝土隨集灰比的增長呈增長趨勢，這與集料數量增大、集料吸收的水分量增大、實際水灰比變小有關，與混凝土內部孔隙總體積減少有關，還與較高標號混凝土水泥用量較大有關。在適當增大集灰比后，水泥膠結作用和集料的連鎖作用得到了充分的發揮。 提高路面混凝土性能的核心在于提高集料與砂漿界面的粘結強度，這可以通過合理選擇原材料和正確的配合比設計來實現。選用道路水泥或C3S和C4AF含量高的其他水泥品種；選用細度模數大，耐磨性好的細集料；巖石品種是選擇粗集料的關鍵，應綜合考慮巖石的物理力學性能，通過比較試驗確定；配合比設計采用合適的水灰比、砂率及集灰比至關重要，也應盡量通過比較試驗確定。 4 結語 合理的材料配合比設計應該在符合相關規范給出的包括強度、耐久性、均勻性、和易性、滲透性和經濟性等要求的前提下，確定各種成分的用量，獲得最經濟和適用的混凝土。要對水泥混凝土路面配合比設計深入系統的研究，使混凝土配合比設計體系更加科學合理、方便快捷，從而推動水泥混凝土科學的發展。 參考文獻： [1]JTG F30—2003，水泥混凝土路面施工及驗收規范[S]
|
