机场、道路干硬性道面砼配合比设计

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机场、道路干硬性道面砼配合比设计
杨路廷
日照市公路管理局，山东日照 276826
   
摘要：本文以上海浦东国际机场道面砼为例，详细介绍了道面砼配合比设计的方法，文中提出的干硬性砼配合比设计与以往普通砼配合比设计方法有所不同，后者首先确定水灰比，而干硬性砼配合比设计首先确定集料的理想级配及砂率。由于干硬性砼用水量及水泥用量都较小，均比一般砼少10%--20%，粗集料占比例大，这使砼密度得到了提高，同时提高了砼的强度及耐久性。又由于干硬性砼干缩性小，因此减少了道面砼微裂和断板。
    
 关键词：干硬性砼    配合比设计   集料   砂率  
    目前我国砼道面广泛应用于机场及城市道路和广场，高速公路收费处、服务区场区以及部分省道、县乡道路也应用砼硬化，本文以浦东国际机场干硬性道面砼成功的配合比设计为例，论述一下适用于道面的干硬性砼配合比设计。
1、道面干硬性砼的技术要求及特点
    1.1干硬性砼要求维勃度20S--40S，以抗折强度为设计特征值，保证道面砼设计强度在２８天龄期抗折强度达到5.0MPa。
    1.2 干硬性砼之物理性质及力学性质的内在规律与普通砼不尽相同，特别是由于水灰比变化较小，因此，水灰比对干硬性砼抗折强度影响不大。而影响干硬性砼抗折强度的主要因素除水泥强度外，便是砼集料（主要指粗细骨料）的理想级配和质量。对干硬性砼配合比设计尤其要重视砂石集料理想级配及材质的选择，使之有良好的嵌锁能力，确保砼质量。
    1.3  干硬性砼要求胀缩率小，抗折强度高， 耐久性好，耐磨，道面表面平整度要求高，并且要有一定的粗糙度。因此要求砼拌和物要有一定的流动性，粗集料要有一定的嵌锁能力，水泥用量较少，表面还要形成3mm--5mm之砂浆保护层。道面干硬性砼的级配应该满足上述又矛盾又统一的砼特征，最大限度的节约水泥，提高砼的抗折强度。
    2、干硬性砼集料选取的理论依据及材料的实际选用
    2.1、碎石的理想级配选择及碎石的实际选用
    (1)最大粒径的选择
     道面砼主要承受抗弯应力，以抗折强度为设计标准。以往在表面理论的影响下，对道面砼尽量选取较大粒径。实践表明集料粒径大，虽然能节省水泥，但并不能提高砼的抗折强度，而且强度均方差Sn较大，还容易产生离析，影响砼质量。经过对４种不同粒径石子试拌抗折强度为5MPa的砼，试验结果如下表：
                    表１：不同粒径石子拌制的砼指标
粒径mm 70（卵石） 50（碎石） 40（碎石） 30（碎石）
试件组数n 24 30 44 30
抗折强度 5.34 5.75 5.95 5.58
均方差Sn 1.26 0.63 0.32 0.3
从表中可以看出，道面砼碎石最大粒径选40mm为宜。
(2)碎石理想级配选择
适宜干硬性道面砼粗集料理想级配的经验公式如下：
Ｐ＝（d/D）2×100
式中：p--石子通过百分率  d/D--筛孔尺寸与石子粒径之比
绘制成级配曲线，如下图所示：





从图中可以看出，干硬性砼粗集料的理想级配为采用两种单粒级配搭配的连续级配：
5--20mm碎石占比例25%--30%，20--40mm碎石占比例75%--70%
在本次砼配合比设计时，参阅上述曲线。并将5--20mm与20 --40mm两种碎石按曲线范围内不同比例混合，用30L 的容积进行容重试验，然后计算空隙率，选取空隙率较小，且符合上述级配曲线要求的级配。经试验，本次配合比设计选用如下理想级配：
5--20mm碎石占比例30%，20--40mm碎石占比例70%。
(3)材料实际选取：
实际选用浙江德清产碎石，经检验含泥量0.6%＜1%，针片状含量为3%＜15%,压碎值为5.6%＜13%,表观密度为2.66g/cm3。 其级配及材质等指标均符合要求。
2.2、砂的理想级配选择及砂的实际选取
(1)砂的理想级配选择
实践证明：提高砼的强度，只靠提高砂本身质地的坚固性还不够，砂的级配也是影响混凝土强度的重要因素。砂的理想级配按照如下集料连续级配经验公式确定：
P=k(d/D)n
式中k－系数，k＝0.8--1.1；
n－指数，n＝0.25--0.5
取上下限值，绘成理想级配曲线图表如下：

筛孔（mm）% 5 2.5 1.2 0.6 0.3 0.15
P=K(d/D)n K=0.8n=0.5 100  40.5  12.6 0
 K=1.1n=0.25 100  52.7  17.2 0









以上两曲线所包容的范围均属于砂的理想级配，选取砂的级配应尽量控制在本范围内。
(2)材料实际选取
级配试验采用湖北巴河砂，细度模数为2.9，含泥量为1.2%＜3%，属非碱活性细骨料，表观密度为2.60g/cm3. 其级配及材质等指标符合要求。
2.3、砂的理想用量－－砂率Ｐｒ
道面砼用砂，除了要具有良好的级配以外，砂的用量对砼的强度影响也较大，砂的用量可用砂占全部集料的百分比或称砂率来表示，公式如下：
Ｐｒ＝５０（５／Ｄ＋  √５／Ｄ）＋ｋ
式中Ｐｒ--砂率
Ｄ--集料最大粒径，Ｄ＝４０ｍｍ
Ｋ--砂子富余系数（因道面砼表面要求有3-5mm 砂浆保护层）
Ｋ＝2--5，对本道面砼，由于厚度较大取Ｋ＝５。
对于本道面干硬性砼的配合比设计，首先要确定砂率Ｐｒ,然后才能计算其它参数。
2.4、组成砼其它材料的选取
(1)水泥：水泥采用ＰⅡ525硅酸盐水泥，碱含量小于0.6%，氧化镁小于3%，实测２８天抗压强度为64.5MPa，抗折强度为8.1MPa。
(2)水：采用饮用水，容重1g/cm3
3、干硬性砼配合比设计计算
3.1、确定砼配合比设计参数：
(1)首先确定砂率值Ｐｒ
Pr=[50(5/D + √5/D) + K]×100%
对本工程D=40mm，Ｋ=5
则Pr=50(5/40+ √5/40)+5=29%
(2)碎石级配的确定：
由上述知：5--20mm碎石占30%，20--40mm碎石占70%
(3)确定每立方米砼水泥用量
由于干硬性砼配合比十分注重砼粗细骨料的合理的级配质量，困此水泥用量比普通砼少，参照设计技术规格书之要求，每立方米砼水泥用量不少于300kg，本次初定310kg/m3。
(4)确定每立方米砼水的用量
用水量的大小根据原材料质量及砼拌和物情况，满足维勃度        20--40s，用维勃稠度仪测定。这里水灰比为0.44，则用量为310×0.44=136kg/m3。
3.2、用绝

对体积法计算每立方米砼砂石用量
(1)砂石体积＝1000-水泥体积-水体积＝1000-310/3.1-136/1.0=764(L)
(2)砂石混合相对密度 = 砂相对密度×Pr + 石相对密度(1－Pr)
=2.60×0.29+2.66(1-0.29)= 2. 643 (kg/L)
(3)砂石重：2.643×764=2018.9kg
(4)砂  重：2018.9×0.29=585.5kg
(5)碎石重：2018.9-585.5=1433.4kg
其中碎石5-20mm占30%:即1433.4×0.30=430kg
20-40mm占70%:即1433.4×0.70=1003kg
3.3、初定砼配合比(每立方米混凝土)：
水：水泥：砂：小石：大石＝136:310:585.5:430:1003
理论配合比为：      0.44:1:1.89:1.39:3.24
3.4、试配调整
据以上计算的混凝土基准配合比取样试配，保证水泥量不变，选用三个不同的水灰比值，通过调整用水量及砂率值满足拌和物稠度要求，确定合理的试配强度值；保证拌和物的稠度及水灰比不变，通过调整用水量及砂率值，确定比较经济的用水泥量，直到满足要求为止，最终确定砼配合比。
3.5、试验结果
每立方米混凝土材料配合比如下表所示：
表2:干硬性砼配合比
材料配合比 水 水泥 砂 5-20碎石 20-40碎石
每m3材料用量 136 310 606 424 989
理论配合比 0.44 1 1.95 1.37 3.19
混凝土拌和物维勃稠度值32s；
混凝土标样试件强度值fb7a=5.62Mpa；
fb28d=6.57MPa ＞ 1.15f= 5.75Mpa。
以上配合比确定了混凝土级配的主要参数，仅限于常温施工，如施工气温较高时，应掺加缓凝型减水型，改善砼的可操作性。
将配合比投入到施工中去，在施工过程中，据现场砂石含水量进行配合比调整。实践证明，按该配合比拌和出的砼指标均超过设计要求。
                      
作者简介：杨路廷，男，1964年4月生人，山东日照人，高级工程师，曾参入过上海浦东国际机场道面砼的施工。

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