道路混凝土原材料的选用与抗折强度影响因素的探讨

    摘　要：从原材料、掺合料、外加剂及配合比设计等方面，综合分析探讨了道路混凝土抗折强度的影响因素，并在原材料的选用和配合比设计上，为配制道路混凝土提供了参考。

    关键词：道路混凝土，抗折强度，配合比

    1 　前　言

    众所周知，混凝土是一种脆性材料，抗折强度远低于抗压强度(约为抗压强度的1/ 6～1/ 10) 。提高以抗折强度为主要技术指标的道路混凝土性能，在水泥混凝土路面广泛应用的今天，具有很重要的意义。

    本文在阅读有关文献的基础上，结合自己的研究，从原材料、掺合料、外加剂及配合比设计等方面，综合分析探讨了道路混凝土抗折强度的影响因素。

    2 　原材料

    组成道路混凝土的原材料，与普通混凝土基本相同，主要有胶凝材料(水泥) 、粗细集料(砂、石) 等。由于道路混凝土的某些特殊性，对普通混凝土性能影响不大的原材料，对道路混凝土却影响显著。因此，对原材料的性能有一定的要求。

    2. 1 　水泥

    2. 1. 1 　水泥品种

    水泥作为混凝土胶凝材料，其质量的好坏在很大程度上决定了混凝土性能的优劣。为提高道路利用率，增强混凝土耐久性，应选用早期强度高、耐磨性强、抗冻性好的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或专用道路水泥，对中等或轻交通路面(设计抗折强度等级4. 5 MPa 以下) ，也可采用矿渣水泥。

    2. 1. 2 　水泥强度等级

    水泥强度等级的选用，应从混凝土试配强度、和易性、耐久性及经济性等方面考虑。不宜用低标号水泥配制高强度等级混凝土，否则水泥用量大，混凝土收缩大，耐久性差;也不宜用高标号水泥配制低强度等级混凝土，否则水泥用量少，混凝土和易性和耐久性差，而要增加水泥用量，会造成水泥浪费，成本提高。按照路面交通等级，道路混凝土设计的抗折强度一般在4. 0～5. 5 MPa 之间。根据经验，抗折强度设计等级为4. 0～4. 5 MPa 时，应选用32. 5 级水泥(相当于原国家标准425 # 水泥)； 设计等级为5. 0～5. 5 MPa 时，应选用42. 5 级水泥(相当于原国家标准525 # 水泥) 。

    2. 2 　粗集料

    2. 2. 1 　粗集料品种

    与普通混凝土相同，道路混凝土所用粗集料通常为卵石或碎石。卵石混凝土拌合物和易性比碎石好，在相同的水灰比下，单位用水量和水泥用量较少，但抗折强度低。资料表明^[1] ，碎石混凝土抗折强度要比卵石混凝土高30 %左右。这是因为卵石表面光滑，与胶砂粘结面的粘结力低于表面粗糙的碎石与胶砂的粘结力，形成了混凝土中最为薄弱的抗拉粘结面。从混凝土折断面也可看出，卵石从砂浆中被“干净”地剥离出来，表面几乎没有粘结砂浆。

    笔者从有关研究^[2]结果分析，不宜用卵石配制高抗折强度等级( ≥5. 0 MPa) 的道路混凝土，否则，强度保证率不高。

    2. 2. 2 　粗集料最大粒径

    粗集料最大粒径直接影响着混凝土拌合物和易性。粒径增大，拌合物易离析泌水，与砂浆界面的粘结强度下降，抗折强度降低。资料报道^[3] ，粒径76mm 集料的粘结强度仅是13 mm 集料颗粒粘结强度的1/ 10 。研究表明^[4] ，在相同的水灰比下，混凝土抗折强度随最大粒径增大而降低，粗集料最大粒径从20 mm 增至63 mm ，混凝土抗折强度下降了30 %左右。减小粗集料最大粒径，有助于提高混凝土抗折强度，但过小的粒径会使比表面积增大，需要润湿的水量和包裹其表面的水泥浆量增加，不仅不经济，也会引起混凝土干缩变大。综合混凝土质量和成本两方面考虑，最大粒径取40 mm 较为理想。

    2. 2. 3 　粗集料级配

    粗集料级配对混凝土抗折强度的影响主要体现在两个方面：

    (1) 良好的级配可使粗集料获得较大的堆积密度，集料空隙少，需要填充空隙的浆体少，在相同的水泥浆量下，使混凝土拌合物获得更好的工作性和更大的密实度，进而提高混凝土抗折强度。

    (2) 良好的级配能使粗集料通过砂浆的粘结作用，相互之间保持较好的机械咬合状态，有利于提高混凝土抗折强度。研究表明^{[4 ]} ，在相同的水灰比下，单粒级碎石混凝土抗折强度比连续级配碎石混凝土的低。不宜用单粒级粗集料配制道路混凝土，无连续级配粗集料，也可用多种单粒级按适当比例混合使用。

    2. 3 　细集料

    细集料对混凝土抗折强度的影响，也是体现在对混凝土工作性影响上。用砂偏粗(如Ⅰ区砂) ，混凝土拌合物缺浆离析，保水性差;用砂偏细(如Ⅲ区砂) ，单位用水量和水泥用量大，拌合物易泌水，混凝土干缩大。选用细集料应同时考虑级配和细度模数两项指标，应采用级配处于Ⅱ区的中砂。实践证明^[5] ，道路混凝土用砂的细度模数宜在2. 6～2. 8 之间。

    3 　掺合料

    3. 1 　粉煤灰

    粉煤灰是混凝土中最常用的较廉价的掺合料。大量试验证明，掺加优质粉煤灰( Ⅱ级以上) ，可极大地改善混凝土拌合物的和易性，较细的粉煤灰颗粒，能很好地填充到混凝土的细微孔隙中，硬化混凝土更加致密。由于粉煤灰含有大量的活性SiO₂ 和Al₂O₃，能与水泥水化产物Ca(OH)₂ 二次作用，生成稳定的水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶，使混凝土后期强度(28d以后) 增长较快。但对道路混凝土而言，因早期强度低，不利于提高道路利用率，且耐磨性下降。可以说，粉煤灰道路混凝土，尤其是大掺量粉煤灰混凝土，仍是人们目前正在研究和开发的领域。

    3. 2 　钢纤维

    道路混凝土也可掺加钢纤维。据报道^[5] ，在混凝土中掺加大约2 %(体积比) 的钢纤维，可使混凝土抗折强度提高1.5～1.8倍，甚至高达2.5～3.0倍，混凝土韧性提高10 倍以上。但钢纤维混凝土成本高，限制了其推广应用。

    为提高混凝土耐久性，常在混凝土中掺外加剂。道路混凝土常用的外加剂有引气剂、减水剂等。文献报道^[6，7] ，只要在道路混凝土中正确使用引气剂，引气量适中，混凝土抗折强度不但不降低，还会有所提高，并在含气量4%～4.5%处有峰值存在。相关研究也表明^[8] ，混凝土抗折强度随含气量的增加，呈先增后减的变化趋势，在含气量4%～5%之间有最大值。这说明，使用引气剂，并不一定带来抗折强度的降低。阮炯正等^[6]研制的NJH高效引气减水剂；陈拴发等^[9]自配的复合减水剂，都较好地改善了混凝土的抗弯曲性能，提高了混凝土的抗折强度。积极开发研制降低混凝土脆性的道路专用外加剂，是一个大有作为的领域。

    5 　配合比设计

    在了解了原材料性能对混凝土抗折强度的影响，并合理选材的基础上，配合比设计的科学与否，是影响混凝土抗折强度的又一大因素。设计配合比，主要是确定好3 个参数，即水灰比、单位用水量和砂率。

    5. 1 　水灰比

    水灰比是配合比中的重要参数，是影响混凝土强度的关键因素。笔者研究发现(图1)，水灰比由0.40增大至0.55 ，混凝土抗折强度下降了近21 %。为保证混凝土富余强度和耐久性，水灰比不能大；为节约成本，并防止混凝土产生收缩裂缝和温度裂缝，水灰比也不能小(单位水泥用量不能大)。强度富余系数按1.10～1.15 计，水灰比可参考表1 选取。

    水灰比也可根据下列经验公式计算得出，但从混凝土耐久性、经济性等考虑， 水灰比应控制在0.40～0.50 ，单位水泥用量不低于300kg/ m³。

    碎石混凝土：

    C/W = (fc + 1.0079 – 0.3485fce)/1.5684

    卵石混凝土：

    C/W = (fc + 1.5492 – 0.4565fce)/1.2618

    式中C/W 为水灰比；fc为混凝土试配强度；fce为水泥胶砂28d 抗折强度。

    5. 2 　单位用水量

    笔者研究发现(图2) ，即使在相同的水灰比下(水灰比0.45) ，随着单位用水量的增加，混凝土抗折强度也呈下降趋势。用水量由160kg/m³ 增至190kg/m³ ，抗折强度下降了7%左右。这是因为用水量增加，拌合物泌水增多，并有部分上升的水聚集在粗集料的下方，形式水囊，硬化后成为空隙。这些空隙和贯穿的泌水通道，不仅降低了混凝土抗折强度，也影响了混凝土的抗冻性等。所以，在满足混凝土工作性的前提下，应减少单位用水量。确定了粗集料的品种粒径，单位用水量主要是由施工要求的混凝土拌合物稠度决定的。道路混凝土一般为低塑性混凝土，坍落度10～30 mm ，以碎石配制混凝土，用水量取160～170kg/m³为宜；卵石混凝土用水量相应减少10～15kg/m³。

    5. 3 　砂率

    砂率的大小对混凝土拌合物工作性影响很大，进而影响抗折强度。笔者研究发现(图3) ，抗折强度随砂率增大，呈先增后减的变化趋势，说明有一个最佳砂率值，且水灰比由0.40变至0.50时，最佳砂率值也由32%变至34%。

    抗折强度随砂率的增大为什么会有先增后减的变化？笔者分析认为：

    (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3 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，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，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。

    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，卵石混凝土相应减少2%～3%的砂率。

    6 　结　语

    合理选用原材料，慎重掺加掺合料，适量引入外加剂和科学设计配合比，是改善道路混凝土性能，提高其抗折强度的内在保证因素。当然，施工过程中的质量管理同样重要，不能顾此失彼，要综合考虑各种影响因素，在保证混凝土质量的前提下，力求经济合理。

    参考文献：

    [1]重庆建筑工程学院· 混凝土学[M] 。北京：中国建筑工业出版社，1981。

    [2]莫林辉， 浅析粗集料粒径级配对水泥混凝土抗弯拉强度的影响[J]。湖南交通科技，2001，27(4) 。

    [3]陈建奎，混凝土外加剂的原理与应用[M]。 北京：中国计划出版社，1997。

    [4]陈素梅，粗集料性能对路面混凝土抗折强度的影响[J]。混凝土，2002，(12) 。 

    [6]阮炯正等，NJ H 高效引气减水剂的研制与开发[J]。公路交通科技(增刊) ，2000。

    [7]陈应钦，引气剂的，作用及高性能混凝土引气剂的研究[J].化学建材，2002，(2)。

    [8]聂　鹏，混凝土含气量对其力学性能的影响[J]。东北公路，2000，23(2) 。