面层水泥混凝土配合比的优化设计

【任务描述】

本任务是在学习面层普通水泥混凝土配合比设计方法步骤的基础上，以28 d弯拉强度为设计指标进行普通水泥混凝土的目标配合比设计。

【学习目标】

①熟悉面层水泥混凝土配合比的设计指标。

②能叙述面层水泥混凝土目标配合比设计的方法和步骤。

1.相关知识

1）设计一般规定

公路面层水泥混凝土配合比设计应满足其弯拉强度、工作性、耐久性要求，兼顾经济性。

2）面层水泥混凝土配合比设计技术要求

（1）弯拉强度要求

①各交通等级路面板的28 d设计弯拉强度标准值fr应符合《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2011)的规定。根据规范，不同交通分级的水泥混凝土弯拉强度标准值见表11.17。

表11.17　水泥混凝土弯拉强度标准值

②应按式(11.16)计算配制28 d弯拉强度均值。

式中　fc——面层水泥混凝土配制28 d抗弯拉强度均值，MPa；

fr——设计抗弯拉强度标准值，MPa；

t——保证率系数，按表11.18取值；

S——抗弯拉强度试验样本的标准差，MPa；有试验数据时应使用试验样本的标准差，无试验数据时可按公路等级及设计弯拉强度，参考表11.19规定范围确定；

Cv——抗弯拉强度变异系数，应按统计数据取值，小于0.05时取0.05；无统计数据时，可在表11.20的规定范围内取值，其中高速公路、一级公路变异水平应为低，二级公路变异水平应不低于中。

表11.18　保证率系数t

表11.19　各级公路水泥混凝土面层弯拉强度试验样本的标准差S

表11.20　变异系数Cv的范围

（2）工作性要求

①碎石混凝土滑模摊铺时的坍落度宜为10～30 mm，卵石混凝土滑模摊铺时的坍落度宜为5～20 mm，振动黏度系数宜为200～500 N·s/m2。

②三辊轴机组摊铺时，拌合物的现场坍落度宜为20～40 mm。

③小型机具摊铺时，拌合物的现场坍落度宜为5～20 mm。

④拌和楼(机)出口拌合物的坍落度值，应根据不同工艺摊铺时的坍落度值加上运输过程中坍落度损失值确定。

（3）耐久性要求

①水灰(胶)比要求。各级公路面层水泥混凝土的最大水灰(胶)比和最小单位水泥用量应符合表11.21的规定。最大单位水泥用量不宜大于420 kg/m3；使用掺合料时，最大单位胶凝材料总量不宜大于450 kg/m3。

表11.21　各级公路面层水泥混凝土最大水灰（胶）比和最小单位水泥用量

注：a.处在除冰盐、海风、酸雨或硫酸盐等腐蚀性环境中或在大纵坡等加减速车道上，最大水灰(胶)比可比表中数值降低0.01～0.02。
b.掺粉煤灰并有抗冰冻、抗盐冻要求时，面层不应使用32.5级水泥。

②抗冻性要求。严寒与寒冷地区面层水泥混凝土的抗冻等级不应低于表11.22的要求。严寒是指当地最冷月平均气温低于-8℃的地区；寒冷是指当地最冷月平均气温在-8～-3℃的地区。

面层水泥混凝土应掺加引气剂，确保其抗冻性，提高工作性；拌和机出口拌合物含气量均值及允许偏差范围宜符合表11.23的规定，钻芯实测水泥混凝土面层最大气泡间距系数宜符合表11.24的要求。

表11.22　严寒与寒冷地区面层水泥混凝土的抗冻等级要求

表11.23　拌和机出口拌合物含气量均值及允许偏差范围

表11.24　水泥混凝土面层最大气泡间距系数单位：μm

③抗盐冻要求。各级公路面层混凝土有抗盐冻要求时，应检测混凝土的抗盐冻性，5块试件经受30次严冬循环后，其平均剥落量小于1.0 kg/m2为合格，大于或等于1.0 kg/m2为不合格。

④磨损量要求。各等级公路面层水泥混凝土磨损量宜符合表11.25的规定。

表11.25　各等级公路面层水泥混凝土磨损量要求

2.面层水泥混凝土目标配合比设计步骤

面层水泥混凝土目标配合比设计可以使用正交试验法，也可以用经验公式法。高速公路、一级公路应采用正交试验法。

1）正交试验法

（1）确定弯拉强度均值

按式(11.16)计算28 d弯拉强度均值。

（2）试验可变因素的确定

试验可变因素应根据混凝土的性能要求和材料变化情况结合经验确定。

①水泥混凝土可选水泥用量、用水量、砂率(或粗集料填充体积率)3个因素。掺粉煤灰的混凝土可选用水量、基准胶材总量、粉煤灰掺量、粗集料填充体积率4个因素。

②每因素选定3个水平，并选用L9(34)正交表安排试验方案。(www.xing528.com)

（3）试验结果的分析考察指标

对正交试验结果进行直观及回归分析，回归分析的考察指标包括坍落度、弯拉强度、磨损量。有抗冰冻、抗盐冻要求的地区，还应包括抗冻等级、抗盐冻性。

（4）目标配合比的确定

满足坍落度、弯拉强度、磨损量、抗冻等级、抗盐冻性等考察指标要求的正交配合比确定为目标配合比。

2）经验公式法

二级及二级以下公路采用经验公式法时，按下列步骤进行：

（1）初步配合比的计算

①确定弯拉强度均值。按式(11.16)计算28 d弯拉强度均值。

②确定水灰(胶)比：

a.计算水灰比。无掺合料时，根据粗集料的类型，水灰比可分别按式(11.17)和式(11.18)统计公式计算：

对碎石或碎卵石混凝土，

对卵石混凝土，

式中　W/C——水灰比；

fc——面层水泥混凝土配制28 d抗弯拉强度的均值，MPa；

fs——水泥实测28 d抗折强度，MPa。

b.计算水胶比。掺用粉煤灰、硅灰、矿渣粉等掺合料时，应按计入超量取代法中代替水泥的那一部分掺合料用量(代替砂的超量部分不计入)计算水胶比。

c.水灰比的校核。应在满足弯拉强度计算值和耐久性(表11.21)两者要求的水灰比(水胶比)中取小值。

③确定砂率。水泥混凝土的砂率宜根据砂的细度模数和粗集料种类，按表11.26选取。

表11.26　水泥混凝土的砂率

注：①相同细度模数时，机制砂的砂率宜偏低限取用。
②破碎卵石可在碎石和卵石之间内插取值。

④确定单位用水量：

a.计算单位用水量。根据粗集料种类和坍落度要求，混凝土拌合物每1 m3的用水量，按式(11.19)和式(11.20)计算；掺外加剂的混凝土单位用水量按式(11.21)计算。按式(11.19)或式(11.20)计算得到的用水量是按集料为自然风干状态计。

对碎石混凝土，

对砾(卵)石混凝土，

式中　W0——不掺外加剂与掺合料混凝土的用水量，kg/m3；

SL——混凝土拌合物坍落度，mm；

SP——砂率，%；

W0w——掺外加剂混凝土单位用水量，kg/m3；

β——所用外加剂量的实测减水率，%。

b.单位用水量的校核。计算单位用水量大于表11.27最大单位用水量规定时，应通过采用减水率更高的外加剂降低单位用水量。

表11.27　面层水泥混凝土最大单位用水量单位：kg/m3

⑤确定单位水泥用量：

a.计算单位水泥用量。混凝土拌合物每1 m3的水泥用量按式(11.22)计算。

式中　C0——单位水泥用量，kg/m3。

b.确定单位水泥用量。混凝土拌合物每1 m3的水泥用量应取计算值和耐久性(表11.21)规定值两者中的大者。

⑥确定砂石材料单位用量：

a.计算砂石材料单位用量。砂石材料单位用量可按前述体积法或质量法(假定表观密度法)确定。按质量法计算时，混凝土单位质量可取2 400～2 450 kg/m3；按体积法计算时，应计入设计含气量。

b.验算砂石材料单位用量。经计算得到的配合比应验算单位粗集料填充体积率，且不宜小于70%。

（2）配合比的检验与调整

①试拌检验。按初步配合比进行试拌，检验拌合物是否满足不同摊铺方式的最佳工作性要求，检验项目包括含气量、坍落度经时损失、振动黏度系数等。

②调整：

a.在工作性不满足相应摊铺方式要求时，可在保持水灰比不变的前提下，调整单位用水量和砂率，不得减小满足计算弯拉强度及耐久性要求的单位水泥用量。

b.实测拌合物表观密度。对于采用质量法计算的配合比，由于在计算砂、石用量时未考虑含气量，故应实测混凝土拌合物捣实后的表观密度，并按表观密度调整配合比，调整时水灰比不得增大，单位水泥用量不得减小，调整后的拌合物表观密度允许偏差为±2.0%。

③强度复核：

以初选水灰比(水胶比)为中心，按0.02增减幅度选定2～4个水灰比(水胶比)，制作试件，检验各种混凝土7 d和28 d配制弯拉强度均值。掺粉煤灰水泥混凝土还应实测56 d配制弯拉强度均值。实测弯拉强度后，宜利用其试件完好部分实测抗压强度与劈裂强度，强度实测结果应符合其质量标准。

④耐久性检验：

a.各级公路面层与桥面混凝土设计配合比应实测耐磨性，并应符合表11.25的要求。

b.有抗冻要求时，应实测拌合物含气量、硬化混凝土最大气泡间距系数和抗冻性，并用符合表11.22、表11.23及表11.24的要求。

c.有抗盐冻要求时，除应检验含气量和最大气泡间距系数外，尚应实测抗盐冻性，并符合要求。

⑤目标配合比的确定。以满足工作性、强度、耐久性同时兼顾经济性的配合比作为实验室基准配合比。