综合分析探讨道路混凝土抗折强度的影响因素

来源:中国混凝土与水泥制品网 2012/4/16 14:36:14 0


 

    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着。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 ,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,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,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,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。

  4  外加剂

  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,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,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。阮炯正等研制的NJH高效引气减水剂;陈拴发等自配的复合减水剂,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。

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