一种提高路用水泥混凝土抗弯拉强度的配合比设计方法

摘要

本发明公开了一种提高路用水泥混凝土抗弯拉强度的配合比设计方法，改变了常规的沿用抗压混凝土的理论和方法，根据路用混凝土的施工特点及对抗弯拉强度指标的要求，提出了固态内流理论和胶砂与空隙相匹配的设计方法，以大幅减少工作性胶砂，使混凝土由常规的液态特性改变为固态特性，克服“浮力效应”，增强界面过渡区的强度，提高石料和胶砂的握裹力，让更多的石料参与强度贡献，从而提高了抗弯拉强度，其施工的工作性由胶砂在粗集料骨架的空隙内部流动来满足。具有强度高、节约水泥、施工方便、节约外加剂等优点，能显著提高水泥混凝土路面的耐久性，经济效益和社会效益较高。

说明书

技术领域

本发明涉及混凝土技术领域，具体涉及一种提高路用水泥混凝土抗弯 拉强度的配合比设计方法。

背景技术

随着我国国民经济和公路交通运输事业的高速发展，公路运输出现了 “重载、大流量和渠化交通”的特点，重型货车及超载车辆急剧上升，引 起实际累计标准轴次的急剧增加，导致路面过早破坏，因而对公路路面的 结构强度和使用性能提出了更高的要求。水泥混凝土路面具有刚度大、强 度高、稳定性好、耐久性好、使用寿命长及养护费用少等优点。且随着交 通事业的发展，国产优质重交通路用沥青逐渐变得短缺，价格不断上涨。 这样，水泥混凝土路面在重交通公路中就处于愈加重要的地位。

值得注意的是，许多地区运输车辆的轴重远远大于国家规定的单轴 100KN、双轴180KN的限载标准，大型货车和汽车超载形成了重载交通。重 载交通已不单单是某个地方、某个省的特有现象，而是全国性的、普遍性 的。根据河北、河南、山西等一些重要矿区的调查，10吨以上重型货车的 超载比例在40％以上，某些路段达到80％，最大超载率达300％。如此严重的 重载交通，使水泥混凝土路面产生的过早损坏变得越来越明显，许多地区 的路面达不到设计使用年限，在使用初期即出现断裂、唧泥、脱空、错台 等损坏，有些路段面板甚至完全碎裂，使路面使用寿命大大缩短，路面使 用性能衰减加快，养护费用不断攀升，给社会及运输部门造成较大的经济 损失。如晋煤外运的主要通道之一，郑(州)常(平)公路焦作境内路段， 1991年建成通车，设计寿命30年，但开放交通不到三年已是满目疮痍，特 别是从山西方向来车的半幅路面，断板、下沉、坑沟尤甚，车辆行进已相 当困难。几年来，有关部门投入该路段维修费用达4000多万元，超过建设 投资的近一半。

水泥混凝土路面具有较强的抗重载能力，但对超负荷重载的敏感性远 远超出沥青路面。随着车辆轴载的增大，除了使混凝土路面内部产生的荷 载应力增大，更造成实际累计标准轴载远远大于设计轴载，使水泥混凝土 路面产生疲劳损坏。有些情况下大吨位重载很可能造成水泥混凝土路面的 一次性极限破坏，而非疲劳破坏。在超、重载比例较大的路线上，由于实 际载重远远超出设计及修筑时所规定的标准轴载，甚至出现了“当年修， 来年坏”的现象。重载交通已成为水泥混凝土路面大范围早期损坏的最关 键的外部因素。水泥混凝土路面疲劳损坏的直接后果是路面通行能力降低， 维修量急剧增长，且维修困难、维修费用高。

我国现行水泥混凝土路面设计理论和方法、施工技术对重载交通考虑 不足，而我国运力紧张，国民经济急需大量能源及时运出能源基地，货物 装载量朝着重载化方向发展，作为货物运输重要组成部分的公路运输，对 重载交通道路的研究是很有必要的。重载交通道路的研究是多方面的，包 括路面面层、基层材料、结构设计和施工方法，不少机构和学者对重载交 通水泥混凝土路面进行了研究和探索，但大都集中在后三个方面，对面层 材料的研究还相对较少。目前混凝土路面的使用状况表明，普通路面混凝 土材料很难满足重载交通的需要。高强、高性能混凝土，具有“高抗弯拉 强度”、“高耐久性”和“优良工作性”的特点，在建筑上已得到广泛的应 用，但在道路工程尤其是路面方面的研究和应用还较少。若用于重载交通 作用下的水泥混凝土路面，不仅可以提高路面抵抗重载交通破坏的能力， 还可以用于减薄路面厚度。

同时，随着国家进一步加强新农村建设，公路路网建设和农村公路建 设进入到了蓬勃发展的新时期。水泥混凝土路面具有承载能力高，抗灾能 力强，造价低，养护简便，可充分利用当地砂石材料等优点，在我国普通 公路特别是县乡村公路建设中越来越被广泛运用。2005年以来，滁州市新 改建和大修工程中共完成水泥混凝土路面超过154公里，农村公路1380多公 里基本都采用水泥混凝土路面。因此，研究开发高抗弯拉强度且高性能的 路面混凝土以满足水泥混凝土路面发展的要求就显得极为迫切并具有重要 的现实意义。

现有的水泥混凝土路面设计抗弯拉强度一般为4.5-5MPa,对当前重交 通而言，从耐久性和使用年限来看，安全储备相对不足。如能将抗弯拉强 度提高到6-7MPa，安全储备将从现有的1.5-2倍提高到2-3.5倍。当安全储 备达到2倍以上时，方可达到设计基准期20年以上的要求，如果有3倍以上， 将能够达到路面使用30年以上的长寿命路面的要求。

但现行规范存在以下问题：

现行《公路水泥混凝土路面施工技术规范JTGF30-2003》中，路面混 凝土虽以抗弯拉强度作为一项重要的技术指标，但配合比仍沿用了抗压混 凝土的设计思路，并无明显区别。

抗压混凝土广泛用于建筑、大坝、桥梁等，为保证构件的浇筑形状及 运输泵送，需整体流动，混凝土呈液态特点，其工作性是衡量整体流动性 的重要指标。

混凝土中胶砂体积分为填充粗集料空隙胶砂和工作性胶砂，工作性胶 砂是指混凝土中除填满粗集料空隙外，满足工作性所需的胶砂。呈液态特 性的混凝土，胶砂在填满粗集料空隙前提下，必须有足够多的工作性胶砂。 实际中，工作性胶砂体积一般比填充空隙胶砂体积略多，粗集料悬浮在胶 砂中，以保证其整体流动性。

粗集料悬浮在胶砂中，使混凝土在振捣完成后，初凝之前，呈液态特 性。由于水的比重最轻，在重力作用下，集料及水泥颗粒下沉，水则不可 避免地向上浮。水在上浮过程中，如果遇到集料，一部分水就聚集在集料 的底部和侧面，形成界面过渡区，造成胶砂对粗集料握裹力丧失，破坏粗 集料对混凝土抗弯拉强度的贡献。这种因水分子上浮而引起的连锁反应称 之为“浮力效应”。

界面过渡区：是指在集料界面一定范围内的区域，这一区域的结构与 性能不同于硬化水泥石本体。微观上，集料界面处有一层1-3微米的接触层， 在接触层外有一层大约5-10微米早期高孔隙层，这些多孔疏松的网状结构， 形成了界面过渡区。

由于“浮力效应”产生的界面过渡区，直接影响胶砂对石料的握裹力， 在混凝土受到拉应力作用时，胶砂和石料很容易在界面过渡区产生剥离， 造成石料参与抗弯拉强度的“贡献率”不高。因而，界面过渡区对抗弯拉 强度的影响是致命的。

我们按《规范》配合比对胶砂、石料参与强度“贡献率”进行测算， 混凝土中胶砂抗弯拉强度一般在7-8MPa，取中值7.5MPa。按混凝土中胶砂 体积占53％计算，则胶砂参与混凝土强度贡献在4.0MPa，如配置出的混凝土 抗弯拉强度为5MPa的话，则石料参与强度贡献为1.0MPa，石料强度“贡献 率”仅在20％左右。

由此可见，水泥混凝土抗弯拉强度在界面过渡区产生“短板效应”。如 何减少界面过渡区，提高石料和胶砂的握裹力，让更多的石料参与强度贡 献是我们解决抗弯拉强度的关键点。

按现行规范配制的水泥混凝土，由于“浮力效应”，形成界面过渡区， 影响抗弯拉强度。国内外常规的解决办法是添加减水剂，但添加减水剂只 能提高混凝土中胶砂自身强度，进而适度提高混凝土的抗弯拉强度，由于 没有根本改变因呈液态特点产生的“浮力效应”，只是量变，没有质变，并 不能从根本解决界面过渡区的问题，因此，提高抗弯拉强度有限，且成本 高，效果差。

由于抗压混凝土需要整体流动性，“浮力效应”产生的界面过渡区对抗 压强度影响较小，设计理论成熟，应用广泛。然而，在现有的路用混凝土 配合比设计规范中，沿用抗压混凝土设计方法产生的界面过渡区，对抗弯 拉强度的影响是致命的。

路用混凝土施工时直接在路面上摊铺，工艺简单，其整体流动性通过 机械摊铺等方式解决，这样，新拌混凝土可以由液态特性变为固态特性， 以克服“浮力效应”，从根本上增强界面过渡区的强度。为此，需要根据路 用混凝土的施工特点及对抗弯拉强度指标的要求，研究路用混凝土配合比 设计新的理论和方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中路用混凝土沿用抗压混凝土配合比设 计理论和方法，造成抗弯拉强度难以提高，本发明提出了符合路用混凝土 特点的配合比设计新的理论和方法。

技术方案：为解决上述问题，提高路用混凝土抗弯拉强度，必须克服 “浮力效应”，增强界面过渡区，将工作性胶砂大幅减少，改变原有的液态 特性，使混凝土呈固态特性，其工作性胶砂作用主要保证施工中粗集料空 隙能完全充满。本发明提出了固态内流理论和胶砂与空隙相匹配的设计方 法。

固态内流理论：新拌的混凝土由粗集料形成框架，呈现固态特性，粗 集料的重力通过框架传递给地面，包裹在胶砂里面的水将不受粗集料的重 力挤压，以达到克服“浮力效应”。为了保证振捣的工作性，在粗集料框架 内部要提供足够胶砂流动的连通空隙，以便胶砂在固态内部通畅流动，确 保易于振捣密实。

胶砂与空隙相匹配的设计方法：

1、填充粗集料的振实空隙率确定胶砂基本用量；

2、表面磨耗层的厚度需要的胶砂数量；

3、细集料对粗集料的轻微干涉空隙增加的胶砂数量，与细度模数成正 比。上述初步计算的胶砂体积，再通过试配确定，以达到混凝土固态和工 作性的综合平衡。

本发明所要解决的技术问题在于提供一种方法简单，便于实际应用的 提高路用水泥混凝土抗弯拉强度的方法。本发明所要解决的技术问题采用 以下技术方案来实现：

1)一般选用9.5mm-31.5mm(方孔筛)进行碎石试配，由最大容重法 确定级配，测得最小振实空隙率，确定粗集料级配比例；

2)根据设计强度，拟定单位水泥用量及水灰比；

3)根据振实空隙率，计算粗、细集料体积；

①选定工作性胶砂占填充振实空隙胶砂比例：根据经验，考虑到表面 磨耗层厚度、细集料对粗集料的轻微干涉及胶砂充满保证系数三个因素， 一般取40％左右。

②计算每方胶砂体积

每方胶砂体积＝(填充振实空隙胶砂体积+工作性胶砂体积)/(粗集料 体积+填充振实空隙胶砂体积+工作性胶砂体积)

③计算粗、细集料体积

每方粗集料体积＝1-胶砂体积

每方细集料体积＝每方胶砂体积-水泥体积-水体积

4)根据粗、细集料密度，计算每方粗、细集料重量；

5)确定水泥混凝土初步配合比，结合试拌试验和强度试验，最后得出 满足施工工作性和强度要求的设计配合比；

设计抗弯拉强度为5MPa的混凝土参数范围：使用9.5mm以上的碎石作为 粗集料，砂的细度模数以2.7-3.0为宜；推荐砂率为29-32％；单方混凝土水 泥用量在300-340kg/m³；单方混凝土用水量为130-150kg/m³。

所述碎石粒径为7.5mm-37.5mm。

进一步地，所述碎石粒径为9.5mm-31.5mm。

优选的，工作性胶砂体积为填充空隙胶砂体积的10～80％或者20～60％， 特别优选40％。

粗集料将原规范中采用逐级填充的4.75mm-9.5mm一级剔除，其目的是 为了增加空隙通道，减少阻尼作用，使胶砂在空隙内部流动顺畅，便于振 捣密实。实际操作中，级配范围可根据砂的细度模数以及原材料粒径不同 做适当调整。

通过找到界面过渡区存在的源由，自行研究发现一套固态内流理论， 彻底颠覆了现有路用水泥混凝土抗弯拉强度的配合比设计方法和理论，为 了保证碎石形成框架，不产生浮力效应，必须保证填充空隙胶砂和工作性 胶砂的体积比值在1以上，克服了技术偏见。通过固态内流理论，确定碎石 合适的最小粒径，保证胶砂在碎石框架结构内通畅流动，再配合合适的填 充空隙胶砂和工作性胶砂的体积比，克服了因碎石重力下沉产生的薄弱界 面过渡区，且能保证胶砂的流动性，彻底消除薄弱的界面过渡区。

有益效果：本发明相对于现有技术而言，具有以下优点：

1)提高强度。由于解决了因“浮力效应”形成薄弱的界面过渡区这一 根本性问题，抗弯拉强度较常规混凝土提高15％以上。

2)节约水泥。一方面，由于更多粗集料参与混凝土整体强度贡献，不 是单一依靠砂胶强度，较常规能够节约水泥；另一方面，由于砂率相对较 小，混凝土中胶砂总量较常规少，从而间接节约了水泥。

3)施工方便。由于克服了“浮力效应”，水灰比敏感性下降明显，施 工过程中基本无泌水现象，质量控制简单方便。

4)节约外加剂。采用新型配合比设计的混凝土抗弯拉强度，已完全满 足一般道路设计标准，并有一定富余；如添加减水、引气剂等外加剂，抗 弯拉强度还能有一定提升。

附图说明

图1为本发明路面混凝土骨料形成框架结构示意图。

图2为传统路面混凝土骨料内部动态示意图。

具体实施方式

施工工艺

施工工艺与常规水泥混凝土相比，有两处略有不同，一是采用小型机 具施工时，需增加一台小型挖掘机进行机械布料；二是需加强振捣。人工 振捣时，一般按每米宽度内不少于1根规格为75mm插入式振捣棒布设，且振 捣时间较常规水泥混凝土路面增加50％以上。其它施工工艺与常规的水泥混 凝土路面无区别。

道路试验

根据室内试验研究结果，依托省道311定远段大修工程做了对比试验， 2007年和2008年分别施工了5公里，路面宽12米，混凝土面板厚度25cm， 在人员、设备和原材料产地均不变的情况下，2008年与2007年相比，只调 整了配合比，即：取消4.75-9.5mm一级粗集料，砂率由35％降为30％，将水 泥用量的370公斤降为330公斤。经检测，尽管水泥用量减少，但抗弯拉强 度却明显提高。

2008年试验路原材料

水泥：采用滁州产珍珠P.O42.5级水泥，密度为3100kg/m³；

粗集料：采用定远产粒径为9.5mm—31.5mm石灰岩碎石，密度为2700 kg/m³；

细集料：采用明光池河中粗砂，细度模数为2.9，密度为2650kg/m³，

拌和用水：采用一般饮用水。

本实施例配合比设计步骤

1)选用粒径为9.5mm-19mm和19mm-31.5mm两种级配粗集料，按照最大 容重法，确定最小振实空隙率及两种材料的级配。

方法：选用30L圆柱状容量桶，将两种粗集料按照3:7、2:8、4:6等不 同比例混合后，装入容量桶，放置振动台振动密实，测得最大容重下对应 的9.5mm-19mm和19mm-31.5mm粗集料最佳级配为28:72，同时计算出最小振 实空隙率为39.2％。

2)根据JTG/TF30—2014《公路水泥混凝土路面施工技术细则》中规定 最低水泥(PO42.5级)用量不得低于300kg/m³为基数，结合路面设计抗弯 拉强度5.0MPa,初步选定水泥用量320kg，水灰比取常规值0.43，确定单位 用水量为137.6公斤。

3)确定粗、细集料体积

①选定工作性胶砂占填充振实空隙胶砂比例：根据经验，考虑到表面 磨耗层厚度、细集料对粗集料的轻微干涉及胶砂充满保证系数三个因素， 一般取40％左右。

②计算每方胶砂体积

混凝土中胶砂体积由填充振实空隙胶砂和工作性胶砂两部分组成。其 中：填充振实空隙胶砂与最小振实空隙率相等，为39.2％；工作性胶砂占填 充振实空隙胶砂的40％，通过换算，得出每方混凝土中胶砂体积。

每方胶砂体积＝(填充振实空隙胶砂体积+工作性胶砂体积)/(粗集料 体积+填充振实空隙胶砂体积+工作性胶砂体积)

每方胶砂体积＝(39.2+39.2×40％)/(60.8+39.2+39.2×40％)

＝0.4744(m³)

③计算粗、细集料体积

每方细集料体积＝每方胶砂体积-水泥体积-水体积

＝0.4744-320/3100-137.6/1000＝0.2336(m³)

每方粗集料体积＝1-胶砂体积＝1-0.4744＝0.5256(m³)

4)计算每方粗、细集料重量

每方粗集料重量＝0.5256×2.7＝1419kg；

每方细集料重量＝0.2336×2.65＝619kg；

砂率＝619/(1419+619)＝30.4％。

5)根据各种材料数量比例，采用每方310kg、320kg、330kg三种不同 水泥用量，经试验室试配混凝土强度，均满足设计要求，考虑实际施工， 确定每方330kg的水泥用量。

6)结合现场试拌，在满足施工工作性的前提下，做适当调整。

表12008年新型配合比设计一览表

2007年按现行规范施工的配合比，粗集料为4.75mm-31.5mm连续级配， 经计算，工作性胶砂占填充振实空隙胶砂的125％。

表22007年普通配合比设计一览表

2008年新配合比与2007年相比，工作性胶砂占填充振实空隙胶砂由原 来的125％变成40％，新拌混凝土由液态特性变成固态特性，从而提高混凝土 抗弯拉强度。

试验检测数据

混凝土抗弯拉强度

表3道路取芯平均强度试验结果汇总

试验结果分析

①试验结果表明，新型水泥混凝土平均抗弯拉强度较普通型水泥混凝 土提高了16.4％。

②从配合比组成上可以看出，新型水泥混凝土较普通型水泥混凝土可 大量节约水泥，试验路较普通配合比可节约水泥15％左右。

③由于新型水泥混凝土中粗集料占的比例大，砂率较小，集料表面积 小，使混凝土密度得到了提高，混凝土单位重由2400kg/m3提高到 2500-2550kg/m3，其强度相应得到了提高，对提高混凝土耐久性非常有利。

④由于水泥和水用量少使混凝土板干缩性小，可减少路面微裂和断板 的机率。

本项目还开展了新型与普通型水泥混凝土耐磨性试验、干缩性试验、 抗渗性试验进行对比，结果表明，新型较普通型水泥混凝土耐磨性、抗渗 性均有一定程度的提高，干缩性能较普通型水泥混凝土也有很显著的改善。 道路试验

道路试用

1.滁州市路网改建工程

经过室内试验研究和试验路工程检验，证明本发明所提出的新型水泥 混凝土配合比设计方法，不仅能够降低工程造价，而且还能有效改善水泥 混凝土路用性能指标。2008年，按上述配合比设计方法实施滁州市路网改 建、大修工程76.3公里，主要路段的混凝土配合比、力学性能试验结果列 于表4中。

表4滁州市路网改建工程主要路段水泥混凝土配合比与力学性能

经过理论分析和室内试验之后，本发明所得到的研究成果在实际工程 中进行了试用。

(1)依托省道311滁定路大修工程铺筑试验路。通过现场制样及实体 工程取芯并测试性能，与普通配合比对照，验证了新型配合比混凝土的抗 弯拉强度得到了显著改善。对运行一段时间后试验路的强度、平整度、构 造深度等指标进行检测，得到的结果显示试验路运营效果较好。

(2)将本发明成果在滁州市路网工程中进行了试用。经过一段时间的 跟踪检测发现所铺筑各标段路面运营效果均比较良好。从而证明本发明所 提出的新型配合比设计方法，不仅能够降低工程造价，而且还能有效改善 水泥混凝土路用性能指标。

经济效益分析

2008年，滁州市路网改建、大修工程共计8个水泥混凝土路面项目，总 里程76.3km。与2007年同类工程相比，单方混凝土水泥用量由370-380kg减 少至330kg，单方混凝土工程造价下降15元左右，共计节约水泥9500余吨， 节约工程建设资金约360万元。对各项目抗弯拉强度进行取芯检测，检测结 果表明，芯样强度合格率100％，平均值在6.0MPa以上，所有芯样换算抗弯 拉强度全部高于设计强度0.5MPa。

同时，本研究成果配制的路面混凝土，能延长工程使用寿命，从而减 少后期维修费用，如延长10-20年，或减少1-2次维修，其经济效益十分显 著。

由于采用新型配合比施工的水泥混凝土路面固态特性明显，坍落度小， 更加适合于滑膜摊铺机大面积施工。另外，本发明成果将对其它工程(如 市政工程、厂矿建设)产生影响并可能得到应用，都将产生更大的经济效 益。

不同比例工作性胶砂混凝土强度见表5：

表5不同比例工作性胶砂混凝土强度试验表

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本 行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和 说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前 提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的 本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。