摘 要:抗折强度是道路水泥混凝土的主要技术指标。通过研究配合比中三个重要参数:水灰比(质量分数) 、单位用水量及砂率对道路水泥混凝土抗折强度的影响,进而确定道路混凝土的合理配比。研究方法是固定其中两个参数不变,分别研究另一参数对抗折强度的影响。结果表明适当的水灰比、较少的单位用水量和适宜的砂率,对提高混凝土抗折强度是有利的。对配制一般的道路混凝土(坍落度10～30 mm,抗折强度设计值4. 0～5. 5MPa) ,给出了水灰比、单位用水量和砂率的参考值,即水灰比0. 40～0. 50;单位用水量160～170 kg/m3 ,砂率32%～34%。
关键词:道路水泥混凝土;配合比;抗折强度;水灰比;砂率
中图分类号: TU528; U41 文献标识码: A 文章编号: 1008 - 3707 (2007) 02 - 0050 - 03
我国公路建设方兴未艾,交通干道正日趋四通八达。水泥混凝土路面作为一种刚性路面,以其良好的稳定性和耐磨性,逐步取代了传统的柔性沥青路面而得到广泛应用。水泥混凝土路面主要承受行车荷载,在车辆荷载的作用下,混凝土路面发生弯曲,下部承受拉应力,当混凝土拉应力无法承受上部的压应力时,混凝土便开裂产生裂缝。因此增强混凝土抗弯曲性能,提高其抗折强度具有十分重要的意义。
混凝土是一种脆性材料,其抗压强度往往较高,但抗折强度却不尽人意(约为抗压强度的1 /6～1 /10)。如何提高道路混凝土抗折强度? 相关资料和研究[ 1 - 4 ]表明,合适的粗集料品种、粒径和级配有利于提高道路混凝土抗折强度。也有文献报道[ 5 - 8 ] ,适量掺入引气剂或复合减水剂,可提高混凝土抗折强度。排除原材料因素和施工质量因素,笔者认为,科学合理地设计混凝土配合比至关重要。
设计道路混凝土配合比要考虑的主要技术指标是抗折强度。本着这样的思想,通过对比实验,笔者研究分析了配合比中几个重要的参数,即水灰比、单位用水量及砂率对道路水泥混凝土抗折强度的影响。
1 原材料
原材料的性质对混凝土的性能影响很大,在配制混凝土前,对水泥、粗细集料等主要原材料都做了必要的检验,主要品质指标均合格。其中,水泥为白马山42. 5级普通水泥;细集料为江砂(中砂) ,细度模数2. 5;粗集料为5～40连续级配碎石。
2 试验方法
按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准(GB /T 5008022002) 》,《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB /T 5008122002) 》和《普通混凝土配合比设计规程( JGJ 5522000) 》中有关规定进行试验。抗折试件尺寸: 150 ×150 ×550。
3 结果与讨论
3. 1 水灰比对混凝土抗折强度的影响
水灰比是影响混凝土强度的关键因素。理论上讲,水灰比越小,混凝土强度越高。但过小的水灰比势必会带来较大的单位水泥用量,这不仅不经济,还会造成混凝土干缩变大,产生收缩裂缝;而且还会因水泥水化热增加引起混凝土内外温差过大,产生温度裂缝,影响混凝土质量。所以本次试验水灰比的起点定在0. 40。为保证试验的可比性,在相同的单位用水量和砂率条件下,采用不同的水灰比配制混凝土,混凝土28 d 抗折强度结果如表1 和图1所示。
表1 水灰比对混凝土抗折强度的影响
由表1和图1知,随着水灰比的增大,混凝土抗折强度降低。水灰比由0. 40增至0. 55,抗折强度下降了近21%。很显然这是因为单位水泥用量减少了。为保证混凝土富余强度和耐久性,水灰比不能过大;为节约成本,并防止混凝土产生收缩裂缝和温度裂缝,水灰比也不能过小(单位水泥用量不能过大) 。对一般道路混凝土而言,抗折强度设计值在4. 0～5. 5MPa间。按富余系数1. 10 ～1. 15计,当抗折强度设计值为4. 0～4. 5MPa时,应取水灰比0. 45～0. 50;设计值为5. 0～5. 5MPa时,应取水灰比0. 40～0. 45。大于0. 50的水灰比对抗折强度的保证率不高。
3. 2 单位用水量对混凝土抗折强度的影响
在相同的水灰比和砂率下,研究单位用水量对混凝土抗折强度的影响。考虑到单位用水量太少混凝土拌合物会过于粘稠,工作性差。所以试验时单位用水量的最小取值为160 kg/m3 ,结果见表2和图2。
表2 单位用水量对混凝土抗折强度的影响
由表2和图2可以看出,即使在相同的水灰比下,随着单位用水量的增加抗折强度也呈下降趋势。单位用水量由160 kg/m3 增至190 kg/m3 ,混凝土抗折强度下降了7%左右。分析原因认为是: ①用水量增加了,混凝土泌水增多,产生许多连通的泌水通道,使混凝土内部孔隙增多,抗折强度下降。②部分水在泌出时,遇到粗集料的阻碍,会积聚在粗集料的下方形成水囊,混凝土硬化后便是空穴,削弱了集料与水泥石的界面粘结力使抗折强度下降。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浆层,严重影响水泥混凝土路面的耐磨性。
另外,过多的水量在引起混凝土强度下降的同时,也因泌水贯穿的毛细孔通道影响混凝土的抗渗性、抗冻性等。所以,在满足混凝土工作性能的前提下,应尽量减少单位用水量。道路混凝土通常为低塑性混凝土,要求坍落度为10～30 mm,因此单位用水量取160～170 kg/m3 为宜。
3. 3 砂率对混凝土抗折强度的影响
砂率的微小变化往往会引起混凝土拌合物工作性能的较大改变。过小的砂率会使混凝土拌合物缺浆离析;过大的砂率又会使拌合物粘稠干涩,不易振实成型。这种工作性能不良的混凝土是很难保证强度要求的。为此,笔者固定水灰比和单位用水量,研究了砂率对混凝土抗折强度的影响。结果见表3和图3。
表3 砂率对混凝土抗折强度的影响
由表3和图3 可以看出,随着砂率的增大,混凝土28 d抗折强度呈现先增大后减小的变化趋势,说明存在一个最佳砂率值。而且随着水灰比的不同,最佳砂率值也有变化。0. 40的水灰比时最佳砂率值为32% , 0. 50的水灰比时最佳砂率值为34%。
当然,随着石子品种粒径和砂子粗细的不同,最佳砂率值也有相应变化。对于水灰比一般变动于0. 40～0. 50之间,用中砂配制的道路混凝土来说,碎石混凝土取32%～34%砂率为宜,卵石混凝土则相应减少2%～3%的砂率。
抗折强度随砂率的增大为什么会有先增后减的变化?
笔者认为: ①当砂率较小时(如28% ～30% ) ,混凝土拌合物缺浆,粗集料间的空隙得不到浆体的有效填充,内部空隙较多,故抗折强度低。②当砂率过高时(如36% ) ,对混凝土抗折强度至少有三个方面的副作用: 第一,细集料总表面积过分增加,需要的润湿水分增大,而在一定单位用水量情况下,浆体过于干涩粘稠,流动性显著降低,和易性极差,不易振实,混凝土成型后在内部形成许多蜂窝和空洞而影响抗折强度。第二,细集料表面积增加,需要包裹其表面的水泥浆量增加。而对于高水灰比(如0. 50)低水泥用量的混凝土来说,水泥浆量显得不足,会使粘结力下降、抗折强度降低。第三,由于细集料的增多,混凝土中级配良好的粗集料的含量相对减少,从而破坏了混凝土内粗集料之间交错有致的机械咬合状态,造成抗折强度下降。
4 结 语
(1)适当的水灰比能保证混凝土抗折强度。
(2)在满足混凝土工作性的前提下,较少的单位用水量有利于提高混凝土抗折强度。
(3)适宜的砂率能改善混凝土的和易性,增加混凝土密实度,进而提高混凝土抗折强度。
(4)配制一般的道路水泥混凝土(坍落度10～30 mm,抗折强度设计值4. 0～5. 5 MPa) ,较为科学合理的配合比是:水灰比0. 40～0. 50,单位用水量160～170 kg/m3 ,砂率32%～34%。
参考文献
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