水泥混凝土路面抗折强度影响因素分析.pdf

黄国华等 ： 水泥混凝土路 面抗折 强度影 响因素分析 水 泥混凝土路面抗折强度影响 因素分析 黄国华 ， 吕贵宾 ( 中国水 电建设集团路桥工程有 限公 司 北京1 0 0 0 4 8 ) 【 摘要】 由于混凝土路面面层板承受行车荷载和温度应力的弯曲作用， 面层底面所产生的弯拉应力和弯 拉强度控制了面层所需厚度。文中从水泥、 集料、 外加剂 、 配合比等方面对水泥混凝土抗折强度进行研究 ， 从而为 水泥混凝土路面的设计提供参考。 【 关键词】 水泥混凝土路面； 抗折强度； 原材料I 夕 加剂； 配合比设计 【 中图分类号1 T U 5 2 8 4 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 9- 0 0 2 3 0 3 0 引言 水泥混凝土是一种 抗压 强度较 高 ， 抗 拉强 度较低 的脆性材料。由于水泥混凝土抗压性能好， 对混凝土 路面而言， 弯拉强度和劈裂强度能够更好的体现混凝 土的强度水平 。相关 研究表 明 ， 水泥 混凝 土的抗折 强 度通常为抗压强度的 8 1 6 。在 同等条件下， 混 凝土的抗折强度的提高 ， 能够有效的延长混凝土路面 的使用寿命。不 同等级的道路因为其设计交通荷载 和环境荷载的不同， 对混凝土路面的抗折强度值有着 不同的要求， 但根据经验一般都会在 4 05 5 M P a 范 围内。道路交通量越大， 对抗折强度值的要求越高。 选择合适的水泥混凝土原材料和配合比， 使得混凝土 不仅 具体 高抗 折强 度 ， 也 具有 良好 的施工 和易 性 ， 是 对混凝土配合比进行设计的关键。 文中主要以广东省某新建高速公路项 目为依托 ， 通过试验和路面混凝土生产施工实践， 从原材料、 外 加剂以及配合 比等因素对混凝土抗折强度的影响来 进行研究 。 1 原材料 1 1 水泥 水泥的选 择 主要包 括水 泥 品种 的选 择 和水 泥强 度 等级 的选择两个方面 。 在我国道路与桥梁工程中比较普遍应用 的水泥 有 ： 硅酸盐水 泥 、 普通 硅 酸盐水 泥 、 矿渣 硅 酸盐 水 泥、 火山灰质硅酸盐水 泥 、 粉煤 灰硅酸盐水 泥和 复合硅 酸 盐水泥六 大通 用水 泥 品 种。对水 泥有 特殊 要求 的道 路路面工程 ， 也可选用道路水泥。在某些特殊工程 中， 还使用高铝水泥、 膨胀水泥、 快硬水泥等。为了延 长道路的使用寿命 ， 即增强混凝土路面的耐久性， 也 可以有 针对 性 的选 择水 泥 种 类 ， 选 择 一些 早 期 强 度 高 、 耐磨性强 、 抗冻 性好 的水泥如普 通硅酸 盐水 泥 、 硅 酸盐水泥 、 或专用道路水 泥等 。对 于设计抗 折强度 低 于 4 5 M P a的中等或 轻交 通路 面 ， 也 可 以采用 矿渣 水 泥。在水 泥路面工 程 中有 两点需要 特别注 意 的： 一 是 不宜采用低标号水泥配制高强度混凝土， 这样不仅会 增 加水 泥用 量 ， 而且 会造 成混凝 土 收缩过 大 ， 混凝 土 路面的耐久性也不能得到保证； 二是不宜采用高标号 水泥配制低强度混凝土， 在这种情况下， 当水泥用量 较少时， 混凝土和易性等工作性能得不到保证 ， 而如 果要增加水泥用量， 由于路面工程量大， 会造成成本 的大幅提高。对 P 5 2 5和 P I 4 2 5两种水泥标号 进行对 比试验 ， 结果如图 1 所示 ， 在水泥混凝土抗折强 度相同的情况下 ， P I I 5 2 5水泥 比P 4 2 5水泥节 省 4 0 6 0 k g m 。 由于本项目是双 向四车道高速公路， 在实际工程 中选用的是金鹰 5 2 5级水泥。该水泥的铁铝酸四钙 ( C A F ) 明显小于规范规定值， 铁铝酸四钙是水泥中的 一 种 矿物 成分 ， 对 水泥 的韧性 有利 ， 能够 有效 的提供 混凝土的抗折强度。下图为项 目前期所做的同一配 合比下不同水泥标号与抗折强度关系。 1 2 粗集料 1 2 1 粗集料的种类 粗集料的分类根据来源不 同可分为天然集料和 人工集料 。天然集料是岩石 与矿物 的混合 物 ， 岩石 按 形成的条件可分为火成岩( 如花岗岩、 玄武岩) 、 沉积 岩( 如石 灰岩 、 页 岩) 和变质 岩 ( 如大 理岩 、 板 岩 ) 。人 工集料也可分为人工轻集料和人工重集料两种 ， 其 中 人工集料 中， 再生混凝 土集 料 因其经 济性 和实用性 正 在逐渐引起人们的关注， 不过由于再生混凝土集料性 能离散性较大， 这在很大程度上制约了它的推广和应 用。本项 目所用石材为粗晶体的花岗岩 ， 石材中含石 英较 多。 1 2 2 粗集料的性质 粗集料的物理性质包括集料的密度、 孔隙率、 粒 径 、 形状 、 表面 结构 以及 级配等 ； 化 学性质 包括 矿物组 成 、 岩相 和有害物质 等 ； 力学性质 有强度 、 压碎指标 和 级配、 弹性模 量 等 ； 耐 久性 质包 括抗 冻 融性 、 耐酸 、 碱 和侵蚀 性物质性 以及碱集料活性等。 2 4 低温建筑技术 2 0 1 2年第 9期 ( 总第 1 7 1期 ) 粗集料的形 貌 和表 面特征 对混凝 土性 质具 有 很 大影 响。当针片状 颗粒较 多时， 在 混凝土振 动成 型过 程 中， 这 些 颗粒 易于定 向水平 排列 ， 然后 在集 料 下部 形 成 泌水 或空 隙 ， 从 而影 响混凝 土强 度 ， 尤其 是混 凝 65 62 寇 5 9 翟 5 6 辅 j s 5 3 50 一 7 d 养护时间， d 图1 不同水泥标号与抗折强度关系 7 0 6 5 芝6 0 簧s s 5 0 4 5 土的抗折强度。所 以大多数规范都规定了集料中针 片状颗 粒含量不能超过 1 5 。 在本项 目工程实例中， 粗集料针片状含量在 5 左右。 巨 E E亘 二 三 三 圊 一 、 、 L 。 ， 、 1 2 3 粗集料的最大粒径 粗集料最 大粒 径对 混凝土 抗折 强度 的影 响 主要 通过对混凝土拌合物和易性的作用体现出来。当粗 集料粒径过大时极易造成混凝土拌合物离析泌水， 从 而引起砂浆与集料界面的粘结强度的降低， 进而导致 水泥混凝 土抗 折强 度 降低。但粗集 料 的最 大粒 径并 非越 小越 好 ， 当粒径过 小 时， 会 使集料 和砂 浆 的 比表 面积过大， 从而使得单位用水量和水泥浆量增加， 不 仅会 提高成本 ， 也会造成混凝 土干缩量变大。 项 目试验 的试验 研究 表 明 ： 当水 灰 比相 同 时 ， 随 着粗集料最大粒径的增大， 水泥混凝土的抗折强度逐 渐 降低 ， 当粗集 料最 大粒径从 2 0 m m增 至 6 3 m m， 混凝 土抗 折强度下降了 3 0 左右 ， 如 图2所示 。 1 2 4 粗集 料的级 配 集 料的级 配包 括连 续级 配和 间断 级配 两 种。虽 然 间 断级 配具 有更 小的空 隙率 ， 可有 效 的节约水 泥 ， 但 由于集 料粒径大小过于悬殊 ， 集料难 以分布 均匀 。 在水灰比相同的情况下， 单粒级碎石混凝土的抗 折强 度 比连 续级 配碎 石 混凝 土的要低 。所 以不 宜用 单粒级粗集料配制道路路面混凝土， 无连续级配的粗 集料 ， 应当用多种单粒级按适当比例混合使用。 在本项 目实际 工程 中采用 61 1 m m， 1 12 2 m m， 2 2 2 9 ra m三档粗集料， 各档粗集料的抗折强度试验 结果 如图 3所示 。 1 3细集料 细集料对 于 混凝 土抗折 强度 的影 响也 需要 从 两 方面进行考 虑 ： 一 方面 ， 当用砂越来 越粗 ， 集 料 间的嵌 锁力 会 随之增 强 ， 从而 提高混凝 土 的抗 折强 度 ； 但 是 当用 砂偏 粗 的时 候 ， 会 影响混凝 土 的工 作性 能 ， 造 成 混凝土拌合物离析泌水。另一方面， 当用砂越来越细 的时候， 会由集料单位比表面积的增大造成单位用水 6 5 6 O 5 5 5 0 4 5 4 0 = 、 、 I 6 1 l l l - 2 2 2 2 - 2 9 粗集料级配， 岫 图3 粗集料级配与抗折强度关系 量和单位水泥用量的增加， 从而引起混凝土干缩过 大 ， 对于 混凝 土抗 折 强度 的保 证 十 分不 利。研究 发 现 ： 随着砂 细度 模数 增加 ， 抗 折强 度均 略有 增 大。在 对细集料选用时应 同时考虑细集料级配和细度模数 两项指标 ， 宜采用级配 处于 区 的中砂。工 程实践证 明， 道路混凝 土用 砂 的细 度 模数 应 在 2 62 8之 间 为宜。 本项 目在实 际工 程 中采 用 的细集 料规 格为 级 中砂 ， 细度模数为 2 7 3 ， 含泥量为 1 6 。 2外加剂 水 泥混凝 土外加 剂 主要 包括 减 水剂 、 引气 剂 、 缓 凝剂、 早强剂等几种 常用 的 l- JJ n 剂。外加剂 的选择 必 须满足 混凝 土设计 强度 、 工作性 、 耐久 性 以及 经济 性 等性能要求。在路面混凝土中掺用引气剂 ， 除了可以 提高其工作性和平整 度外 ， 在一定 程度上 和范 围上 还 可以提 高其抗折强度 。本 项 目的 l, J J n 剂试 验表 明 ， 与 混凝土抗折强 度具 有较 大 关联 的 l- J n 剂 指标 为外 加 剂的含气量 ， 混凝土抗折 强度先 随含气量 的增 加而增 加， 在到达峰值 以后随之减小， 在含气量 4 5 之 间有最大值。这说明， 使用引气剂， 并不一定带来抗 折强度 的降低 ， 如图 4所示 。 3配合 比设计 在水泥混凝土配合 比设计里 ， 对抗折强度影响 比 较大的主要是水灰 比、 单位用水量和砂率 三个指标 。 3 1 水灰 比 在本工程 实例 中 ， 随 着水 灰 比的增大 ， 混凝 土 的 抗折强度 呈现 出先 大后 小 的趋 势。为 了保 证 抗折 强 度 ， 在原材料 已选定 的条 件下 ， 水 灰 比应该 尽 可能低 ， 但是为节约成本 ， 并 防止混凝 土产生 收缩 裂缝 和温度 裂缝 ， 水 灰 比也 不 能 太 小 ( 即单 位 水 泥 用 量 不 能 过 大 ) 。本项 目混凝土的水灰 比为 0 4 2 。 尝乏 嚼 鞲 黄国华 等 ： 水 泥混凝土路面抗折强度影 响因素分析 70 6 5 6 O 5 5 5 O 4 5 4 0 +7 d+2 8 d t巨至 E亘 一 3 5 45 5 5 外加剂含气量 图4 外加剂舍气量与抗折强度关系 60 莹 5 5 s- 0 奄4 5 4 0 、 1 6 0 垒5 5 器 s -0 羹 4 5 4 0 、 - 、 l、 0 4 2 O 4 4 O5 1 4 U l ， U l O U 1 水灰比单位用水量瓜g m 图5 水灰比与抗折强度关系 图6 单位用水量与抗折强度关系 3 2 单位用水量 当混凝土的单位用水量增加时， 混凝土的抗折强 度呈现出下降的趋势。那是由于单位用水量增加， 在 混凝土的拌合过程 中产生 了较多的泌水通道， 同时因 为部分上升的水 聚集在粗 集料下 方形成 水囊 ， 进 而这 些水囊在混凝土硬化 以后变成了空隙。这些贯穿的 泌水通道和空隙直接导致 了混凝 土抗折 强度 的降低 。 因此 ， 在 满 足 混 凝 土 工 作 性 前 提 下 ， 应 减 少 单 位 用 水量 。 在本项 目的试验研 究 中， 当用水量 由 1 4 0 k g m 增 至 1 8 0 k g m 3的时候 ， 混凝 土抗 折强度下 降了 1 0 左 右。 3 3 砂率 砂率对混凝 土抗 折强 度 的影 响 主要 来源 于 以下 三个方面 ： ( 1 ) 对粗集 料骨架 的填充作 用 ： 砂率 过小时 ， 粗 集料骨架之间的空隙得不到有效填充 ， 从而导致混凝 土抗折强度下降 。 ( 2 ) 对细集料表面积的影响： 砂率过高时， 集料 表面积 过分增 大 ， 从 而需 要更 多 的水对 其进行 润 湿 ， 在单位用水量一定的情形下， 浆体过于粘稠， 流动性 降低 ， 和易性差， 振实成型效果差 ， 在混凝 土内部形成 许多蜂窝和空洞， 对抗折强度影响极大。同时细集料 的表面积过分增加， 需要更多的水泥浆来对其进行包 裹， 在水灰 比和水泥用量一定的情况下， 水泥浆量显 得不足 ， 粘结力下降 ， 抗折强度降低 。 6 O 5 5 巨j五 t 、 好的粗集料就相对减少， 从而降低了粗集料直接交错 有致的机械咬合状态 ， 从而造成抗折强度的降低。 经配合比试验研究， 本项 目砂率为 3 6 ， 砂率与 抗折 强度关 系如图 7所示 。 4结语 在保证经济性与工作性的前提下 ， 要提高混凝土 路面的抗折强度， 主要就是从原材料与配合比两个方 面人手 ， 合理选择原材料 、 适 当使用外 加剂 、 科 学设计 配合 比， 对施工过程进行质量管理 ， 综合考虑各种因 素 ， 就 能得 到预 期 的混凝 土抗 折强 度 ， 从 而确保 工 程 的质量 。 参考 文献 1 姚祖康 水泥混凝土路面设计 M 合肥： 安徽科学技术出版 社 。 1 9 9 9 2 宋开伟 粗集料对混凝土抗折强度影响的研究 D 重庆 ： 重 庆大学 ， 2 0 0 5 3 金柏芳 水泥混凝土抗折强度影响因素的试验分析 J 公 路 ， 2 0 0 5， ( 5 ) ： 1 5 81 6 0 4 邓初首 道路混凝 土原材料的选用与抗折 强度影响 因素的探 讨 J 四川建筑科学研究 ， 2 0 0 4 ， 3 1 ( 2 ) ： 1 0 71 0 9 5 沈超 影响道路混凝土强度的相关因素探讨 J 安徽建筑， 2 0 0 8 ， 1 6 1 ( 4 ) ： 9 2 9 4 6 蒋广京 混凝土路面抗折强度和疲劳极限的影响因素分析 J 交通科技， 2 0 0 4 ， ( 1 ) ： 4 4 4 6 7 D U L i a n x i a n g， F O L L I A R D K J M e c h a n i s m s o f a i r e n t r a i n m e n t i n c o n c r e t e J C e me n t a n d c o n c r e t e r e s e a l c h ， 2 0 0 5 ， 3 5( 8 ) ： 1 4 7 4 6 3 8 D O D S O N V I- L C o n c r e t e a d m i x tu re s M N e w Y o r k：V a n N o s t r an d Re i n h o l d ，1 9 9 0 收稿 日期】 2 0 1 2 0 41 0 作者简介】 黄国华( 1 9 6 9一 ) 男， 山西翼城人， 高级工程师， 从 事路基 、 桥隧的施工组织管理。 日 皇 、 吾 5 撼 芑醚