早强复掺水泥混凝土配合比设计及应用.pdf

R0AD CONS TRUCTI ON AND M ACHI NE RY 文章编 号： 1 0 0 0 0 3 3 X( 2 0 1 5 ) 0 7 0 0 5 1 - 0 4 0 早强复掺水泥混凝土配合 比设计及应用 符 策科 ， 姜 守东。 ， 许 达俊 ， 连 城。 ， 程德金。 ( 1 海南省 国有资产监督委员会 ， 海南 海 口 5 7 0 1 0 0 ；2 海南高速公路股份有 限公 司 ， 海南 海 口 5 7 0 2 0 3 ； 3 长安大学 材料科学 与工程学院 ， 陕西 西安7 1 0 0 6 1 ) 摘 要： 针对普通水泥混凝土存在早期强度低、 养护时间长、 影响道路正常通行的问题， 通过研 究胶 凝 材料 、 水胶 比 、 砂 率 、 外加 剂及粉 煤 灰和 聚 丙烯 纤维 对 复掺 水 泥 混凝 土 工作 性 能和 力 学 强度 的影 响， 提 出了合适配合 比设计参数， 并应 用到 实际工程 中。结果表 明， 该复掺 水泥混凝土性能 良好 ， 1 d抗 折 强度超 过 3 7 5 MP a ， 能 够满足 路 面快 速 开放 交通 的要 求。 关键 词 ： 混凝 土 ； 复掺 ； 配合 比设 计 ； 抗 折 强度 中 图分 类号 ： U4 1 8 6 文 献标 志码 ： B De s i g n a nd App l i c a t i o n o f M i x Pr o po r t i o n o f Ea r l y St r e n g t h e ne d Ce m e nt Co nc r e t e F U Ce k e ，J I ANG S h o u d o n g 。 ，XU Da j u n 。 ，LI AN Ch e n g 。 ，CHENG De j i n 。 ( 1 Sa t e o wn e d As s e t s Sup e r v i s i o n a n d Ad mi n i s t r a t i on Commi s s i on of Ha i n a n Pr o vi nc e ，Ha i k ou 5 7 01 00， Ha i n a n Ch i n a ；2 Ha i n a n Ex p r e s s wa y Co Lt d ，Ha i k o u 5 7 0 2 0 3 ，Ha i n a n，Ch i n a ；3 S c h o o l o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g，Ch a n g a n Un i v e r s i t y，Xi a n 7 1 0 0 6 1 ，S h a a n x i ，Ch i n a ) Ab s t r a c t：Ai me d a t t h e p r ob l e m s of o r di na r y c e m e nt c o nc r e t e t h a t t he e a r l y s t r e n gt h i s we a k a nd m a i nt e na n c e t i me i s l o ng，whi c h m i g ht a f f e c t t he r o a d t r a f f i c ，pr o pe r mi x pr o po r t i on de s i g n wa s p u t f o r wa r d a n d v e r i f i e d b y p r o j e c t s i n t e r ms o f t h e r e s e a r c h o f t h e i mp a c t o f c e me n t i n g ma t e r i a l ， wa t e r bi n de r r a t i o， a d m i xt u r e ， c oa l a s h a n d p ol y pr o py l e ne f i be r on t he pe r f o r m a n c e a nd me c h a n i c a 1 s t r e n g t h o f t h e c e me n t c o n c r e t e Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c e me n t c o n c r e t e p e r f o r ms we l l ，wi t h o ne d a y f r a c t u r e s t r e ng t h o f 3 7 5 M Pa Ke y wor d s：c on c r e t e；c ombi n e d a d mi xt u r e；mi x pr op o r t i o n d e s i g n；f r a c t u r e s t r e n gt h 引 口 水泥混凝土路面作为高级路面， 虽然具有寿命 长 、 养护工作量小、 耐久性好等特点 ， 但在荷载 、 温度 和环境综合作用下 ， 仍会 出现各种不同程度的损坏 ； 而且 一旦 路 面开始 破 坏 ， 其 破损 就会 迅速 发展 ， 且 修 补也 比其他路面困难_ 】 。当前水泥混凝 土路面的修 补材料多样瞳 ， 常用的有两种即普通混凝土和快硬 超 早 强混凝 土 ， 但 各 有 优 缺 点 。普 通 混 凝 土 用 于 水 泥混 凝 土道 面修补 ， 养 护时 间长 ， 难 以满 足快 速通 车 的要求 ； 而快硬超早强混凝 土修补材料施工时间太 短， 且对原材 料要求很高 ， 与 旧混凝 土路面协调 性 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 2 2 2 差 ， 难以保证大面积修补操作 ， 并且修补料成本相对 较高， 短期使用后就需要二次修复 ， 其耐久性有待深 入 研究 。 本文通过试验研究确定 了一种早强 、 快速复掺 水泥混凝土的配合 比， 该材料成本低廉 、 性能优越 ， 并 在广 西桂 林 至柳 州 高 速公 路 进 行 了 实 际应 用 ， 能 够 缓解 由于 长 时 间封 闭交 通 而 带 来 的 运 营 管 理 压 力 ， 具有较高的应用价值与经济效益 。 1 试验 用原材料 水 泥采用强度 等级为 4 2 5的普 通硅酸 盐水泥 和 强 度等级 为 4 2 5的早 强快 硬硫 铝 酸 盐水 泥 ( S A C ) ； 5 1 固图固虱围圃圈 l R O A D C O N S T R U C T I O N A N D M A C H I N E R Y 粗集 料采 用 9 5 2 6 5 mm 连续 级 配 碎 石 ， 细 集 料 采用 质地 优 良的天 然 河 沙 ； 外 加 剂采 用 萘 系 高 效 减 水剂 F D N、 早 强 剂 L S和 缓凝 剂 RT 8 ； 粉 煤 灰 采 用 灞桥 电厂生产的 F类 级粉煤灰； 纤维采用聚丙烯 纤维 ， 规格为 6 mm； 试验用水为符合混凝 土拌和用 水要 求 的 自来 水 。 2 配合 比设计参数的确 定 2 1 胶 凝材 料用量 的确 定 胶凝 材料 的选择 和 用量是 控制 拌 和物硬 化速 度 和力 学强 度 的重要 因素 ， 也 是 拌 和物 配 制 的主要 参 数之一。通过成型砂浆试件 ， 研究胶凝材料 中 S AC 和 4 2 5 号 普通 硅酸 盐 水 泥 之 间 的掺 配 比对 复 掺 混 凝土工作性和力学强度的影 响规律， 从 而找 出 S AC 掺量 的适 宜范 围 。 从图 1 和 图 2可 以看 出， 随着 S AC掺量 的增 加 ， 砂 浆初 、 终凝 时 间均逐 渐变 短 。从 图 3和 图 4可 以看 出， 随着 S AC掺量 的增加 ， 砂浆抗压强度和抗 折强度具有 同样 的变化规律 ， 即先增加、 后减小。当 S AC掺量 在 2 O 左右 时 ， 强 度 达到峰 值 ； 在 S AC掺 量为 1 5 9 6 时 ， 砂浆 的 1 d抗 压强 度 为 2 5 2 MP a ， 抗 折强度为 4 6 MP a ， 已经满足 1 d通车的强度要求。 5 2 S AC掺量， 图 1 S A C掺量 与砂浆初凝时间 的关系 图 2 S AC掺量 与砂浆终凝时 间的关系 综上所 述 ， 为拌 制凝 结时 间和早 期强 度合 适 、 经 室 噬 +1 d 抗压 +3 d抗 压 一a 2 8 d 抗压 图 4 SAC掺 量 与 砂 浆抗 折 强度 的关 系 济性 好 的修 复砂浆 ， S AC的用量 宜在 5 1 5 。 2 2 水 胶 比的确 定 水胶比的大小直接影响早强修补材料的强度和流 动性 ， 也 会影 响拌 和物 的密 实 程度 。在 室温 为 2 3 时， 采用胶凝材料为 4 0 0 k g ， 骨料为 1 8 0 0 k g ， 水胶 比分 别 为 0 2 9 、 0 3 1 、 0 3 3 、 0 3 5 、 0 3 7 、 0 3 9拌 制混 合料 ， 测试各组拌和物的坍落度和 1 d抗折强度。 由图 5可知 ， 坍 落度 随着 水 胶 比的 增加 而 增加 。 水胶比由 0 2 9增加到到 0 3 9时， 坍落度从 8 4增加 到 1 4 3 ， 增幅为 7 O ； 而复掺混凝土的 1 d 抗折强度则 从 5 9 MP a 下 降到 3 6 MP a ， 降幅 为 3 9 。这说 明在 胶凝材料用量一定的前提下 ， 为了使拌和物既有良好 的工作性 ， 又有较高的早期强度 ， 就需要选择合适 的 水胶 比。由图可看出， 水胶 比在 0 3 4左右时拌和物 既能满足施工流动性要求， 又能满足力学性能要求。 +坍 落度 +1 d 抗折强度 量 垂 图 5 水胶 比与混凝土坍落度和抗折强度的关系 如 如 加 2 1 O 9 8 7 6 5 4 3 2 R O A D C O N S T R U C T I O N A N D MA C H I N E R Y 1 匿固匿国营圆圈 2 3 砂 率 的确定 砂 率对 混凝 土拌 和物 的 流动性 和 粘聚性 有 很大 的影响。砂率过小 ， 则混合料的流动性 和保水性较 差 ； 砂率 过 大 ， 则 骨 料 的 总 表 面 积 增 大 ， 粘 聚 性 较 差 。试 验采 用 胶 凝 材 料 为 4 0 0 k g ， 砂 石 总 量 为 1 8 0 0 k g的 比例 拌 制 混凝 土 ， 观 察 了各 组拌 和物 的 工作性能并辅以 1 d抗折强度作为选择标准确定最 佳砂率 。 从 表 1可知 ， 当砂率 为 3 6 9 6 时 ， 1 d的抗 折 强度 达到 4 6 MP a ， 满足快速通车要求 ， 因此最佳砂率为 36 表 1 砂率对工作性和强度的影响 试验 砂率 坍落度 1 d抗折 拌 和物状态描述 组号 mm 强度 MP a 1 3 O 8 9 粘聚性差 、 骨料外露 3 8 2 3 2 1 O 4 粘聚性差并伴有离析现象 4 2 3 3 4 1 1 3 粘聚性好 4 4 4 3 6 1 2 5 粘聚性好 、 无离析泌水现象 4 6 5 3 8 9 2 粘聚性好 、 无离析现象 、 不宜搅拌 4 3 6 4 0 7 4 粘聚性好 、 无离析现象 、 搅拌难 4 0 2 4外加 剂 的选择 及掺 量确 定 为使修补材料达到合适的使用性能 ， 需 引入一 些外加剂对其性能进行优化调 整， 使其符合设计要 求 。通 过 试 验 研 究 萘 系 高 效 减 水 剂 F D N、 早 强 剂 ( E H5 、 Z QT、 L S ) 和 缓 凝 剂 ( R T4 、 R T 8 、 R T9 ) 对 混 凝 土性 能 的影 响 ， 从 而确 定各 组分 的最佳 掺量 。 由表 2可以看出， 随着减水剂掺量增加 ， 复掺混 凝土的坍落度逐渐增加 。在减水剂掺量从 1 3 增 加至 1 9 时， 坍落度增加 3 2 mm， 若减水剂掺量继 续增加 ， 坍落度基本趋于不变。而混凝 土的 1 d抗 折强度呈现增加趋势 ， 这是 由于萘系减水剂对拌 和 物 的早 期 强度有 一 定 的提 高作 用 ， 但 对坍 落 度 有 不 利 影 响 。 表 2 减水剂对工作性和强度的影响 试验编号 减水 剂掺量 坍落度 ram 1 d抗折强度 MP a 1 1 3 9 O 3 6 2 1 5 9 8 3 7 3 1 7 1 1 2 4 1 4 1 9 1 2 2 4 5 5 2 1 1 2 4 4 8 6 2 3 1 2 5 4 9 7 2 5 1 2 7 5 0 综合考虑工作性 和 1 d抗折强度， 减水剂 的掺 量宜 控制 在 1 9 2 1 的范 围 内 。 由表 3可 以看 出 ， 增 强 剂 EH5 对 早强 复掺 拌和 物的坍落度影响不 大， 但对强度 的提高没有 明显作 用 ； 随着 Z QT 掺 量 的增 加 ， 拌 和 物 的 粘 聚 性 变 大 ， 坍落度逐渐变小 ， 强度有小幅提高 ； L S对拌 和物坍 落度影响不大 ， 同时能提高早期强度。综合来看 ， 选 用 L S是 可 行 的 ， 掺 量为 1 5 较 为合 适 ， 但 需 选 用 对工 作性 影 响不大 的调 凝成 份来 控制 初凝 时间 。 表 3 早强剂对复掺混凝土工作性和强度的影响 早 强剂 掺量 坍落度 ram 初凝时间 mi n 1 d抗折强度 MP a O 1 0 5 1 3 0 2 6 0 05 9 5 1 1 8 2 8 EH 5 0 1 1 1 O 1 1 O 3 0 0 1 5 1 O 0 1 0 4 3 1 0 6 1 1 0 1 2 5 3 6 Z QT 0 8 8 8 1 1 6 4 2 1 0 6 7 1 0 3 4 6 1 0 1 O 2 1 0 7 3 7 LS 1 5 1 l 0 8 8 4 4 2 O 1 0 4 7 6 4 8 由表 4可 以看 出 ， 随着 R T4的掺 量 增 加 ， 拌 和 物坍落度和强度迅速降低 ， 但凝结时间无明显变化 ； R T9的加入对坍落度和凝结时间影响均不大 ， 且强 度大幅度降低 ； RT 8对坍落度影 响不大 ， 拌和物强 度有所降低 ， 但初凝时间明显变长。因此 ， 调凝组分 采用 R T 8 ， 其 掺量控 制 在 0 0 5 左 右 。 表 4缓凝剂对复掺 混凝土工作性和强度的影响 缓凝 剂 掺量 坍落度 ram 初凝时间 rai n 1 d抗折强度 MP a 0 07 1 0 5 9 5 4 2 RT4 0 1 4 8 0 1 0 2 3 0 0 28 7 2 1 0 O 1 3 0 03 11 O 9 2 4 1 RT8 0 05 11 5 1 1 7 3 9 0 0 8 11 3 l 4 9 3 8 0 0 6 1 O O 1 1 O 4 6 RT9 0 1 2 1 1 0 1 O 8 3 4 0 2 4 1 O 3 1 1 5 1 8 2 5其他 为提高修补材料 的工作性 和抗折能力， 配制时 加入粉煤灰和聚丙烯纤维。混凝土中掺加适量的粉 煤灰 ， 能 改善 混凝 土 的工 作 性 能嘲 ， 降 低 工 程 成本 。 5 3 R oAD CONS TR UCTI ON AND M ACHI NER Y 通过改变粉煤灰掺量 ， 观察拌和物工作 性和强度 的 变化 ， 进 而确 定粉 煤灰最 佳 用量范 围为 5 1 0 。 聚丙烯纤维l 7 属于低模量合成纤维 。通过改变 纤 维 的掺量 ， 分析 拌和 物工 作性 和力 学性 的变化 ， 当 所掺加 的纤维为 0 4 时， 对混凝 土坍落度和抗压 强度 的影响不大 ， 而且能提高试样 的抗折强度。 3 工 程 应 用 根据表 5所示 的复掺混凝土配合 比， 将研究 出 的早强复掺混凝土用于广西桂柳高速公路进行破损 路面修复， 保证 了 2 h罐车运输 ， 铺筑压实 1 d后即 可开放交通， 实现了快速通车 。经过跟踪观察， 发现 后期 的耐久性 能 良好 ， 取 得 了较好 的效 果 ， 具有较 高 的应用价值与经济效益 。 4 结 语 ( 1 )为配制性能优异 的修补材料 ， 对原材料的 选择 一定 要严 格 ， 并 根据 实 际情况 提 出工作 性 、 力 学 性 和耐久 性设 计要 求 。 ( 2 )研 究 了胶 凝 材 料 用 量 、 水 胶 比 、 砂 率 、 外 加 剂等配合 比设计参数对复掺混凝土工作性和力学性 的影响规律 ， 确定 了设计参 数的取值范 围。另外分 析了粉煤灰和纤维对复掺混凝土工作性和力学性能 提高 的影 响程 度 。由这些 设计 参数 配制 出的修补 混 凝 土 ， 坍落 度为 8 0 1 2 0 mm， 施 工时 间在 2 h左右 ， 1 d抗 折 强度 超 过 3 7 5 MP a ， 具 有 良好 的流 动 性 ， 便于浇筑运输 ， 力学性能也较佳 ， 可用于混凝土路面 的快 速修 复 。 ( 3 )将研究 的复掺混凝土尝试用于桂柳高速破 碎板的修复 ， 解决了快速通车的要求和耐久性差 的 问题 ， 得到 了 良好 的应 用效 果 ， 并 计 划今后 大 面积推 广 使用 。 参 考 文献 ： 1 尹健 高性能快速修 补混凝 土的研究 与应用 D 长 沙 ： 中 南 大 学 ， 2 0 0 3 傅 智 ，金 志强 水 泥混 凝土路 面施工 与养护 技术 M 北 京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 3 温伟标 水泥路面病害维修 关键技 术研 究 D 广 州 ： 华南 理 工 大 学 ， 2 0 0 9 山宏宇 早强型水泥乳化 沥青混凝 土研 究与应 用 D 西安 ： 长安大学 ， 2 0 1 2 李立寒 ， 张南鹭 道路建 筑材料 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 8 李益进 ， 周士琼 ， 尹健 ， 等 超 细粉煤灰 高性能混凝土 的力学 性能 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 5 ， 8 ( 1 ) ： 2 3 2 9 陈枫 聚丙烯纤维在增强混凝 土材料 中的应用 J 现代塑 料加工应用 ， 2 0 0 2 ， 1 4 ( 2 ) ： 5 8 6 0 责任编辑 ： 杜敏浩 ( 上 接 第 5 O页 ) 要 略高 于低 幅 。 3 结 语 本文利用数据拟合的方法将振动压路机钢轮的 振动 加速 度与 路 面压实 过程 中的压实度 间接地联 系 起来 ， 建 立 了振动 加速 度与 压实度 的相 关关 系 ， 从而 反馈 出振动压 路 机振 幅对 道 路 压 实度 的影 响程 度 ， 经 分析 后 ， 得 出 以下结论 。 ( 1 )在施工现场没有其他 因素干扰时 ， 振动压 路机高幅作业 比低幅作业会产生更大的能量及作用 深度 。 ( 2 )根据高 幅和低 幅的实时显示趋势可知 ， 在 振动压路机 4遍的压实过程 中， 压实度随压实遍数 的增 加 而增加 ； 而 比较 每一遍 的压 实结 果 可知 ， 高 幅 5 4 的压实效果 比低幅的压实效果更好 。 参考 文献 ： 徐秀维 振动压路机的压实施工参 数对路基压 实度 的影响 因 素研究 J 建设机械技术与管理 ， 2 0 1 2 ( 4 ) ： 7 5 7 8 汤振周 振动压路机技术参数对压 实效果 的影响分 析 J 机 电技术 ， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 3 0 3 1 杨枫 压实设备与工艺对沥青 路面压 实度 的影 响 J 交 通 标准化 ， 2 0 0 3 ( 8 ) ： 4 5 4 8 郭军卫 ， 李军 ， 周志立 振 动压路机压 实度检 测及分析 _ J 建筑机械 ， 2 0 0 7 ( 8 ) ： 8 6 8 9 李庆扬 ， 数值分析 M 第 四版 北京 ： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 1 颜庆津 数值分析 M 第 三版 北京 ： 北京航空航天大学 出版 社 ， 2 0 0 6 李立寒 ， 李新军 ， 钟陟鑫 沥青混 合料压 实特性 的影 响 因素分 析 J 中国公路学 报， 2 0 0 1 ， 1 4 ( S 1 ) ： 3 卜3 4 责任 编辑 ： 王 玉玲