機(jī)場、道路干硬性道面砼配合比設(shè)計(jì)
楊路廷
日照市公路管理局，山東日照276826
摘要：本文以上海浦東國際機(jī)場道面砼為例，詳細(xì)介紹了道面砼配合比設(shè)計(jì)的方法，文中提出的干硬性砼配合比設(shè)計(jì)與以往普通砼配合比設(shè)計(jì)方法有所不同，后者首先確定水灰比，而干硬性砼配合比設(shè)計(jì)首先確定集料的理想級配及砂率。由于干硬性砼用水量及水泥用量都較小，均比一般砼少10%--20%，粗集料占比例大，這使砼密度得到了提高，同時(shí)提高了砼的強(qiáng)度及耐久性。又由于干硬性砼干縮性小，因此減少了道面砼微裂和斷板。
關(guān)鍵詞：干硬性砼配合比設(shè)計(jì)集料砂率
目前我國砼道面廣泛應(yīng)用于機(jī)場及城市道路和廣場，高速公路收費(fèi)處、服務(wù)區(qū)場區(qū)以及部分省道、縣鄉(xiāng)道路也應(yīng)用砼硬化，本文以浦東國際機(jī)場干硬性道面砼成功的配合比設(shè)計(jì)為例，論述一下適用于道面的干硬性砼配合比設(shè)計(jì)。
1、道面干硬性砼的技術(shù)要求及特點(diǎn)
1.1干硬性砼要求維勃度20S--40S，以抗折強(qiáng)度為設(shè)計(jì)特征值，保證道面砼設(shè)計(jì)強(qiáng)度在２８天齡期抗折強(qiáng)度達(dá)到5.0MPa。
1.2干硬性砼之物理性質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)的內(nèi)在規(guī)律與普通砼不盡相同，特別是由于水灰比變化較小，因此，水灰比對干硬性砼抗折強(qiáng)度影響不大。而影響干硬性砼抗折強(qiáng)度的主要因素除水泥強(qiáng)度外，便是砼集料（主要指粗細(xì)骨料）的理想級配和質(zhì)量。對干硬性砼配合比設(shè)計(jì)尤其要重視砂石集料理想級配及材質(zhì)的選擇，使之有良好的嵌鎖能力，確保砼質(zhì)量。
1.3干硬性砼要求脹縮率小，抗折強(qiáng)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動(dòng)性，粗集料要有一定的嵌鎖能力，水泥用量較少，表面還要形成3mm--5mm之砂漿保護(hù)層。道面干硬性砼的級配應(yīng)該滿足上述又矛盾又統(tǒng)一的砼特征，最大限度的節(jié)約水泥，提高砼的抗折強(qiáng)度。
2、干硬性砼集料選取的理論依據(jù)及材料的實(shí)際選用
2.1、碎石的理想級配選擇及碎石的實(shí)際選用
(1)最大粒徑的選擇
道面砼主要承受抗彎應(yīng)力，以抗折強(qiáng)度為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。以往在表面理論的影響下，對道面砼盡量選取較大粒徑。實(shí)踐表明集料粒徑大，雖然能節(jié)省水泥，但并不能提高砼的抗折強(qiáng)度，而且強(qiáng)度均方差Sn較大，還容易產(chǎn)生離析，影響砼質(zhì)量。經(jīng)過對４種不同粒徑石子試拌抗折強(qiáng)度為5MPa的砼，試驗(yàn)結(jié)果如下表：
表１：不同粒徑石子拌制的砼指標(biāo)
粒徑mm70（卵石）50（碎石）40（碎石）30（碎石）
試件組數(shù)n24304430
抗折強(qiáng)度5.345.755.955.58
均方差Sn1.260.630.320.3
從表中可以看出，道面砼碎石最大粒徑選40mm為宜。
(2)碎石理想級配選擇
適宜干硬性道面砼粗集料理想級配的經(jīng)驗(yàn)公式如下：
Ｐ＝（d/D）2×100
式中：p--石子通過百分率d/D--篩孔尺寸與石子粒徑之比
繪制成級配曲線，如下圖所示：
從圖中可以看出，干硬性砼粗集料的理想級配為采用兩種單粒級配搭配的連續(xù)級配：
5--20mm碎石占比例25%--30%，20--40mm碎石占比例75%--70%
在本次砼配合比設(shè)計(jì)時(shí)，參閱上述曲線。并將5--20mm與20--40mm兩種碎石按曲線范圍內(nèi)不同比例混合，用30L的容積進(jìn)行容重試驗(yàn)，然后計(jì)算空隙率，選取空隙率較小，且符合上述級配曲線要求的級配。經(jīng)試驗(yàn)，本次配合比設(shè)計(jì)選用如下理想級配：
5--20mm碎石占比例30%，20--40mm碎石占比例70%。
(3)材料實(shí)際選取：
實(shí)際選用浙江德清產(chǎn)碎石，經(jīng)檢驗(yàn)含泥量0.6%＜1%，針片狀含量為3%＜15%,壓碎值為5.6%＜13%,表觀密度為2.66g/cm3。其級配及材質(zhì)等指標(biāo)均符合要求。
2.2、砂的理想級配選擇及砂的實(shí)際選取
(1)砂的理想級配選擇
實(shí)踐證明：提高砼的強(qiáng)度，只靠提高砂本身質(zhì)地的堅(jiān)固性還不夠，砂的級配也是影響混凝土強(qiáng)度的重要因素。砂的理想級配按照如下集料連續(xù)級配經(jīng)驗(yàn)公式確定：
P=k(d/D)n
式中k－系數(shù)，k＝0.8--1.1；
n－指數(shù)，n＝0.25--0.5
取上下限值，繪成理想級配曲線圖表如下：
篩孔（mm）%52.51.20.60.30.15
P=K(d/D)nK=0.8n=0.510040.512.60
K=1.1n=0.2510052.717.20
以上兩曲線所包容的范圍均屬于砂的理想級配，選取砂的級配應(yīng)盡量控制在本范圍內(nèi)。
(2)材料實(shí)際選取
級配試驗(yàn)采用湖北巴河砂，細(xì)度模數(shù)為2.9，含泥量為1.2%＜3%，屬非堿活性細(xì)骨料，表觀密度為2.60g/cm3.其級配及材質(zhì)等指標(biāo)符合要求。
2.3、砂的理想用量－－砂率Ｐｒ
道面砼用砂，除了要具有良好的級配以外，砂的用量對砼的強(qiáng)度影響也較大，砂的用量可用砂占全部集料的百分比或稱砂率來表示，公式如下：
Ｐｒ＝５０（５／Ｄ＋√５／Ｄ）＋ｋ
式中Ｐｒ--砂率
Ｄ--集料最大粒徑，Ｄ＝４０ｍｍ
Ｋ--砂子富余系數(shù)（因道面砼表面要求有3-5mm砂漿保護(hù)層）
Ｋ＝2--5，對本道面砼，由于厚度較大取Ｋ＝５。
對于本道面干硬性砼的配合比設(shè)計(jì)，首先要確定砂率Ｐｒ,然后才能計(jì)算其它參數(shù)。
2.4、組成砼其它材料的選取
(1)水泥：水泥采用ＰⅡ525硅酸鹽水泥，堿含量小于0.6%，氧化鎂小于3%，實(shí)測２８天抗壓強(qiáng)度為64.5MPa，抗折強(qiáng)度為8.1MPa。
(2)水：采用飲用水，容重1g/cm3
3、干硬性砼配合比設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1、確定砼配合比設(shè)計(jì)參數(shù)：
(1)首先確定砂率值Ｐｒ
Pr=[50(5/D+√5/D)+K]×100%
對本工程D=40mm，Ｋ=5
則Pr=50(5/40+√5/40)+5=29%
(2)碎石級配的確定：
由上述知：5--20mm碎石占30%，20--40mm碎石占70%
(3)確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細(xì)骨料的合理的級配質(zhì)量，困此水泥用量比普通砼少，參照設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)格書之要求，每立方米砼水泥用量不少于300kg，本次初定310kg/m3。
(4)確定每立方米砼水的用量
用水量的大小根據(jù)原材料質(zhì)量及砼拌和物情況，滿足維勃度20--40s，用維勃稠度儀測定。這里水灰比為0.44，則用量為310×0.44=136kg/m3。
3.2、用絕對體積法計(jì)算每立方米砼砂石用量
(1)砂石體積＝1000-水泥體積-水體積＝1000-310/3.1-136/1.0=764(L)
(2)砂石混合相對密度=砂相對密度×Pr+石相對密度(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
理論配合比為：0.44:1:1.89:1.39:3.24
3.4、試配調(diào)整
據(jù)以上計(jì)算的混凝土基準(zhǔn)配合比取樣試配，保證水泥量不變，選用三個(gè)不同的水灰比值，通過調(diào)整用水量及砂率值滿足拌和物稠度要求，確定合理的試配強(qiáng)度值；保證拌和物的稠度及水灰比不變，通過調(diào)整用水量及砂率值，確定比較經(jīng)濟(jì)的用水泥量，直到滿足要求為止，最終確定砼配合比。
3.5、試驗(yàn)結(jié)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136310606424989
理論配合比0.4411.951.373.19
混凝土拌和物維勃稠度值32s；
混凝土標(biāo)樣試件強(qiáng)度值fb7a=5.62Mpa；
fb28d=6.57MPa＞1.15f=5.75Mpa。
以上配合比確定了混凝土級配的主要參數(shù)，僅限于常溫施工，如施工氣溫較高時(shí)，應(yīng)摻加緩凝型減水型，改善砼的可操作性。
將配合比投入到施工中去，在施工過程中，據(jù)現(xiàn)場砂石含水量進(jìn)行配合比調(diào)整。實(shí)踐證明，按該配合比拌和出的砼指標(biāo)均超過設(shè)計(jì)要求。
作者簡介：楊路廷，男，1964年4月生人，山東日照人，高級工程師，曾參入過上海浦東國際機(jī)場道面砼的施工。
楊路廷
日照市公路管理局，山東日照276826
摘要：本文以上海浦東國際機(jī)場道面砼為例，詳細(xì)介紹了道面砼配合比設(shè)計(jì)的方法，文中提出的干硬性砼配合比設(shè)計(jì)與以往普通砼配合比設(shè)計(jì)方法有所不同，后者首先確定水灰比，而干硬性砼配合比設(shè)計(jì)首先確定集料的理想級配及砂率。由于干硬性砼用水量及水泥用量都較小，均比一般砼少10%--20%，粗集料占比例大，這使砼密度得到了提高，同時(shí)提高了砼的強(qiáng)度及耐久性。又由于干硬性砼干縮性小，因此減少了道面砼微裂和斷板。
關(guān)鍵詞：干硬性砼配合比設(shè)計(jì)集料砂率
目前我國砼道面廣泛應(yīng)用于機(jī)場及城市道路和廣場，高速公路收費(fèi)處、服務(wù)區(qū)場區(qū)以及部分省道、縣鄉(xiāng)道路也應(yīng)用砼硬化，本文以浦東國際機(jī)場干硬性道面砼成功的配合比設(shè)計(jì)為例，論述一下適用于道面的干硬性砼配合比設(shè)計(jì)。
1、道面干硬性砼的技術(shù)要求及特點(diǎn)
1.1干硬性砼要求維勃度20S--40S，以抗折強(qiáng)度為設(shè)計(jì)特征值，保證道面砼設(shè)計(jì)強(qiáng)度在２８天齡期抗折強(qiáng)度達(dá)到5.0MPa。
1.2干硬性砼之物理性質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)的內(nèi)在規(guī)律與普通砼不盡相同，特別是由于水灰比變化較小，因此，水灰比對干硬性砼抗折強(qiáng)度影響不大。而影響干硬性砼抗折強(qiáng)度的主要因素除水泥強(qiáng)度外，便是砼集料（主要指粗細(xì)骨料）的理想級配和質(zhì)量。對干硬性砼配合比設(shè)計(jì)尤其要重視砂石集料理想級配及材質(zhì)的選擇，使之有良好的嵌鎖能力，確保砼質(zhì)量。
1.3干硬性砼要求脹縮率小，抗折強(qiáng)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動(dòng)性，粗集料要有一定的嵌鎖能力，水泥用量較少，表面還要形成3mm--5mm之砂漿保護(hù)層。道面干硬性砼的級配應(yīng)該滿足上述又矛盾又統(tǒng)一的砼特征，最大限度的節(jié)約水泥，提高砼的抗折強(qiáng)度。
2、干硬性砼集料選取的理論依據(jù)及材料的實(shí)際選用
2.1、碎石的理想級配選擇及碎石的實(shí)際選用
(1)最大粒徑的選擇
道面砼主要承受抗彎應(yīng)力，以抗折強(qiáng)度為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。以往在表面理論的影響下，對道面砼盡量選取較大粒徑。實(shí)踐表明集料粒徑大，雖然能節(jié)省水泥，但并不能提高砼的抗折強(qiáng)度，而且強(qiáng)度均方差Sn較大，還容易產(chǎn)生離析，影響砼質(zhì)量。經(jīng)過對４種不同粒徑石子試拌抗折強(qiáng)度為5MPa的砼，試驗(yàn)結(jié)果如下表：
表１：不同粒徑石子拌制的砼指標(biāo)
粒徑mm70（卵石）50（碎石）40（碎石）30（碎石）
試件組數(shù)n24304430
抗折強(qiáng)度5.345.755.955.58
均方差Sn1.260.630.320.3
從表中可以看出，道面砼碎石最大粒徑選40mm為宜。
(2)碎石理想級配選擇
適宜干硬性道面砼粗集料理想級配的經(jīng)驗(yàn)公式如下：
Ｐ＝（d/D）2×100
式中：p--石子通過百分率d/D--篩孔尺寸與石子粒徑之比
繪制成級配曲線，如下圖所示：
從圖中可以看出，干硬性砼粗集料的理想級配為采用兩種單粒級配搭配的連續(xù)級配：
5--20mm碎石占比例25%--30%，20--40mm碎石占比例75%--70%
在本次砼配合比設(shè)計(jì)時(shí)，參閱上述曲線。并將5--20mm與20--40mm兩種碎石按曲線范圍內(nèi)不同比例混合，用30L的容積進(jìn)行容重試驗(yàn)，然后計(jì)算空隙率，選取空隙率較小，且符合上述級配曲線要求的級配。經(jīng)試驗(yàn)，本次配合比設(shè)計(jì)選用如下理想級配：
5--20mm碎石占比例30%，20--40mm碎石占比例70%。
(3)材料實(shí)際選取：
實(shí)際選用浙江德清產(chǎn)碎石，經(jīng)檢驗(yàn)含泥量0.6%＜1%，針片狀含量為3%＜15%,壓碎值為5.6%＜13%,表觀密度為2.66g/cm3。其級配及材質(zhì)等指標(biāo)均符合要求。
2.2、砂的理想級配選擇及砂的實(shí)際選取
(1)砂的理想級配選擇
實(shí)踐證明：提高砼的強(qiáng)度，只靠提高砂本身質(zhì)地的堅(jiān)固性還不夠，砂的級配也是影響混凝土強(qiáng)度的重要因素。砂的理想級配按照如下集料連續(xù)級配經(jīng)驗(yàn)公式確定：
P=k(d/D)n
式中k－系數(shù)，k＝0.8--1.1；
n－指數(shù)，n＝0.25--0.5
取上下限值，繪成理想級配曲線圖表如下：
篩孔（mm）%52.51.20.60.30.15
P=K(d/D)nK=0.8n=0.510040.512.60
K=1.1n=0.2510052.717.20
以上兩曲線所包容的范圍均屬于砂的理想級配，選取砂的級配應(yīng)盡量控制在本范圍內(nèi)。
(2)材料實(shí)際選取
級配試驗(yàn)采用湖北巴河砂，細(xì)度模數(shù)為2.9，含泥量為1.2%＜3%，屬非堿活性細(xì)骨料，表觀密度為2.60g/cm3.其級配及材質(zhì)等指標(biāo)符合要求。
2.3、砂的理想用量－－砂率Ｐｒ
道面砼用砂，除了要具有良好的級配以外，砂的用量對砼的強(qiáng)度影響也較大，砂的用量可用砂占全部集料的百分比或稱砂率來表示，公式如下：
Ｐｒ＝５０（５／Ｄ＋√５／Ｄ）＋ｋ
式中Ｐｒ--砂率
Ｄ--集料最大粒徑，Ｄ＝４０ｍｍ
Ｋ--砂子富余系數(shù)（因道面砼表面要求有3-5mm砂漿保護(hù)層）
Ｋ＝2--5，對本道面砼，由于厚度較大取Ｋ＝５。
對于本道面干硬性砼的配合比設(shè)計(jì)，首先要確定砂率Ｐｒ,然后才能計(jì)算其它參數(shù)。
2.4、組成砼其它材料的選取
(1)水泥：水泥采用ＰⅡ525硅酸鹽水泥，堿含量小于0.6%，氧化鎂小于3%，實(shí)測２８天抗壓強(qiáng)度為64.5MPa，抗折強(qiáng)度為8.1MPa。
(2)水：采用飲用水，容重1g/cm3
3、干硬性砼配合比設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1、確定砼配合比設(shè)計(jì)參數(shù)：
(1)首先確定砂率值Ｐｒ
Pr=[50(5/D+√5/D)+K]×100%
對本工程D=40mm，Ｋ=5
則Pr=50(5/40+√5/40)+5=29%
(2)碎石級配的確定：
由上述知：5--20mm碎石占30%，20--40mm碎石占70%
(3)確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細(xì)骨料的合理的級配質(zhì)量，困此水泥用量比普通砼少，參照設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)格書之要求，每立方米砼水泥用量不少于300kg，本次初定310kg/m3。
(4)確定每立方米砼水的用量
用水量的大小根據(jù)原材料質(zhì)量及砼拌和物情況，滿足維勃度20--40s，用維勃稠度儀測定。這里水灰比為0.44，則用量為310×0.44=136kg/m3。
3.2、用絕對體積法計(jì)算每立方米砼砂石用量
(1)砂石體積＝1000-水泥體積-水體積＝1000-310/3.1-136/1.0=764(L)
(2)砂石混合相對密度=砂相對密度×Pr+石相對密度(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
理論配合比為：0.44:1:1.89:1.39:3.24
3.4、試配調(diào)整
據(jù)以上計(jì)算的混凝土基準(zhǔn)配合比取樣試配，保證水泥量不變，選用三個(gè)不同的水灰比值，通過調(diào)整用水量及砂率值滿足拌和物稠度要求，確定合理的試配強(qiáng)度值；保證拌和物的稠度及水灰比不變，通過調(diào)整用水量及砂率值，確定比較經(jīng)濟(jì)的用水泥量，直到滿足要求為止，最終確定砼配合比。
3.5、試驗(yàn)結(jié)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136310606424989
理論配合比0.4411.951.373.19
混凝土拌和物維勃稠度值32s；
混凝土標(biāo)樣試件強(qiáng)度值fb7a=5.62Mpa；
fb28d=6.57MPa＞1.15f=5.75Mpa。
以上配合比確定了混凝土級配的主要參數(shù)，僅限于常溫施工，如施工氣溫較高時(shí)，應(yīng)摻加緩凝型減水型，改善砼的可操作性。
將配合比投入到施工中去，在施工過程中，據(jù)現(xiàn)場砂石含水量進(jìn)行配合比調(diào)整。實(shí)踐證明，按該配合比拌和出的砼指標(biāo)均超過設(shè)計(jì)要求。
作者簡介：楊路廷，男，1964年4月生人，山東日照人，高級工程師，曾參入過上海浦東國際機(jī)場道面砼的施工。