大体积混凝土配合比设计书：路用超早强水泥混凝土配合比设计研究

邓攀 王楚达 朱晓琳 翁晓波广东清连公路发展有限公司 重庆交通大学土木工程学院

摘 要：为满足水泥混凝土路面尽早开放交通的要求，需设计配置出一种1d龄期强度即达到通车要求，且坍落度经时损失较小、施工性好的超早强混凝土。为此，通过室内试验研究，运用多种减水剂、保坍剂等外加剂相互配合，研究出强度、施工性均满足要求的超早强混凝土配合比。同时，为了增强混凝土的韧性等路用性能，在超早强混凝土中加入混杂钢纤维和聚丙烯纤维，基于早期强度和施工性能对混杂纤维混凝土的配合比进行了研究。最终研究配制出素混凝土和混杂纤维混凝土两种混凝土配合比，其施工性好，1d抗折强度满足通车要求，后期强度趋于稳定且符合设计要求。

关键词：超早强混凝土;配合比;坍落度;抗折强度;抗压强度;

重、特重交通等级公路水泥混凝土路面的设计标准抗折强度为5MPa，通车时应不低于设计强度的80%，即4MPa。传统水泥混凝土路面通常需要28d养护才能通车，为了尽快达到规范通车要求，可以在混凝土内加入合适的超早强减水剂，以提高混凝土的早期抗折强度。但是，超早强混凝土可能存在三方面的主要问题:一是早期强度虽然高，但后期强度可能会衰减较多且难以趋于稳定，或趋于稳定后不能满足路面设计强度要求，从而影响路面耐久性;二是超早强混凝土的施工性与早强性能之间可能存在难以协调的问题，即虽可加入超早强剂提高早期强度，但混凝土的施工性不理想，尤其是坍落度经时损失可能会很大，如果通过加入缓凝剂等来改善，又可能延缓混凝土的强度形成，从而导致混凝土在规定时间内的早强强度不符合要求;三是经济性问题，目前市场上也有1d强度符合要求的超早强混凝土材料或外加剂，但其价格昂贵，工程大面积应用时因造价过高难以接受。对于超早强混凝土来说，如果不能较好地解决早期强度、强度稳定性、施工性和经济性等问题，就无法大范围推广应用。

综上所述，研究一种1d龄期强度符合通车要求(1d开放交通)、后期强度稳定、坍落度经时损失小且经济性好的路用混凝土，对于新建水泥混凝土路面或是路面快速修复工程而言，具有重要的工程实用价值。为此，本文开展了超早强混凝土的配合比设计研究工作，通过多种外加剂的比选和优化组合配置，旨在提供一种强度、施工性、经济性都较好的路用超早强混凝土配合比。同时，为了增强混凝土的韧性，提高混凝土的抗冲击、抗疲劳等路用性能，本文还对掺入混杂纤维(钢纤维、聚丙烯纤维混杂)混凝土的配合比进行了研究。

水泥采用拉法基水泥有限公司生产的P·O42.5R普通硅酸盐水泥;石子为石灰石，最大公称粒径31.5mm;砂采用中砂，细度模数为2.80，表观密度2.6g/cm3，颗粒级配良好。外加剂采用多种减水剂、保坍剂(价格便宜，经济性好)，减水剂具有减水早强效果，保坍剂则具有改善、保持混凝土工作性能的作用。

在前期研究的基础上，选用普通钢纤维和聚丙烯单丝纤维混杂的方式来提升混凝土的力学性能，钢纤维长度为35mm，直径0.8mm，拉伸强度426MPa;聚丙烯纤维长度19mm，直径25-40μm，拉伸强度270MPa，断裂延伸率>15%。混杂纤维混凝土中，钢纤维体积掺量为0.7%，聚丙烯纤维体积掺量为0.15%。素混凝土基准配合比如表1，混杂纤维混凝土是在素混凝土配合比基础上直接掺入纤维，为解决纤维掺入对拌和坍落度的影响，混杂纤维混凝土的水灰比提高至0.38。在基准配合比基础上，研究素混凝土和混杂纤维混凝土的外加剂掺入类型和用量。

表1 混凝土基准配合比(kg/m3) 下载原图

早强减水剂有减水、早强的作用，在混凝土中加入适量的早强减水剂有助于提高早期强度。本次配合比试验中，早强减水剂有A、B两种，掺量为水泥质量的1.2%、1.5%。

首先对掺入A早强减水剂的素混凝土进行坍落度和早期抗折强度对比试验，试验结果如图1和图2。

图1 减水剂A混凝土坍落度 下载原图

图2 减水剂A混凝土抗折强度 下载原图

两种掺量的减水剂A混凝土，虽然初始坍落度都较大，经时损失也较小，但其1d和1.5d早期抗折强度较低，不能满足快速通车要求。因此，将减水剂更换为减水剂B，根据厂家建议，减水剂B里掺加少量消泡剂可以提高混凝土强度，减水剂B掺量为水泥质量的1.2%，消泡剂占减水剂B总量的0.6%。素混凝土对比试验结果如图3和图4。

图3 减水剂B混凝土坍落度 下载原图

图4 减水剂B混凝土抗折强度 下载原图

混凝土里掺加减水剂B后，早期抗折强度明显提升，1.5d龄期的强度为4.41MPa，达到了规范通车的强度要求，但是，混凝土工作性很差，初始坍落度不大且经过约30分钟后坍落度降低趋于零。在减水剂B中加入少量消泡剂后，其强度有一定的提高，1d龄期的抗折强度即可满足通车要求。然而，其初始坍落度虽然有150mm，但经时损失很大，1h坍落度下降到25mm左右，如考虑到混凝土较长的运输距离和运输时间，其工作性仍然较差。

对比A、B两种早强减水剂可知，任何一种都不能同时满足早期强度高且施工性好的要求。为解决这一问题，本文采取在早强减水剂B的基础上，通过掺入保坍剂的手段，来克服其坍落度经时损失问题。

保坍剂可在一定时间内维持混凝土的良好工作性能，缓解坍落度经时损失大的现象。市场上不同保坍剂产品之间性能差异较大，有的虽可很好解决混凝土经时损失大的问题，但却会导致混凝土早强强度的降低，甚至降低十分显著。本文选取A、B两种保坍剂进行比选，将其与早强减水剂B复配使用，考察其施工性和早期抗折强度。

鉴于混杂纤维混凝土配合比也是本文的研究内容之一，而混杂纤维的掺入无疑会进一步影响混凝土的施工性，如果通过保坍剂能够解决混杂纤维混凝土的坍落度及坍落度损失问题，则素混凝土施工性也可得到有效解决。因此，本节直接以混杂纤维混凝土为对象，考察保坍剂对其施工性的改善及强度的影响。首先选用保坍剂A与减水剂B(下文所述减水剂B均已包含0.6%消泡剂)进行不同比例复配试验，得到混杂纤维混凝土的坍落度和强度结果如图5和图6。

图5 减水剂B与保坍剂A复配时混凝土坍落度 下载原图

试验结果表明，保坍剂A掺量提高对施工性和强度增长均有一定作用，但坍落度仍较小，难以保证混凝土的良好施工。纤维的加入会使混凝土的工作性能明显变差，坍落度随时间损失很快，1h后坍落度下降至零。此时各配比混凝土的抗折强度已经满足规范通车要求的4MPa。因此，有效提高坍落度、改善混凝土和易性是配合比探索试验的重点。为此，引入另一种保坍剂B，鉴于保坍剂A对强度的贡献，拟采用保坍剂B复配保坍剂A的方式，进一步对混杂纤维混凝土进行研究，即在混杂纤维混凝土中掺入3种外加剂:减水剂B、保坍剂A、保坍剂B。依据厂家建议，保坍剂B虽然有较好保持工作性的作用，但用量过多可能会影响混凝土强度。经调试，确定三种外加剂的掺入质量比为减水剂B∶保坍剂A∶保坍剂B=7∶5∶3(减水剂B掺量为水泥质量的1.2%)，试验结果如图7和图8。

图6 减水剂B与保坍剂A复配时混凝土抗折强度 下载原图

图7 B减、A保、B保时混凝土坍落度 下载原图

图8 B减、A保和B保混凝土抗折强度 下载原图

由上图结果可知，经过多次优化配置改善后，由三种不同外加剂复配而成的混凝土，无论在早期强度还是施工性上都已经达到预期，其中1d抗折强度大于4.0MPa，可实现1d快速开放交通的目标。《水泥混凝土路面施工技术细则》中指出，常温状态下，混凝土拌合物出料到运抵现场允许时长为1h，混杂纤维混凝土在正常情况下，由于纤维的加入会使混凝土搅拌较为困难，且施工性及其保持上均效果不佳。而本论文试验研究提供的混杂纤维混凝土配合比，初始坍落度大(相比无保坍剂B时大幅提高)，坍落度经时损失较小，1.5h后坍落度仍有75mm，施工性好，说明保坍剂B不仅能够大幅提高混凝土的拌和施工性，还能有效解决混凝土坍落度经时损失大的问题。

根据相关文献，早强混凝土在后期强度会有不同程度的下降，因此，本文对经外加剂优化配置后的素混凝土和混杂纤维混凝土进行了1d,3d,7d,14d,28d及10个月共六个龄期的强度试验，以考察由上述配合比所配置出的混凝土各龄期强度是否满足要求，以及后期强度是否趋于稳定。

相比于混杂纤维混凝土，素混凝土因无纤维影响故其施工性更好，为保证其强度，外加剂配合比为减水剂B∶保坍剂A∶保坍剂B=7∶5∶1.5;混杂纤维混凝土为保证施工性良好，其外加剂配合比为减水剂B∶保坍剂A∶保坍剂B=7∶5∶3(同2.2节试验)，试验结果如图9-图13。

图9 素混凝土坍落度 下载原图

图1 0 素混凝土抗折强度 下载原图

图1 1 素混凝土抗压强度 下载原图

图1 2 混杂纤维混凝土抗折强度 下载原图

图1 3 混杂纤维混凝土抗压强度 下载原图

从施工性角度来看，素混凝土和易性好，无泌水、离析现象，初始坍落度大(170mm)、坍落度经时损失较小，1.5h后的坍落度仍然可达130mm。混杂纤维混凝土的施工性，已在本文2.2节中有介绍，本节不再赘述。从强度来看，无论是素混凝土还是混杂纤维混凝土，1d龄期抗折强度都接近5MPa，均达到了通车强度要求，且1d之后的各龄期下，混凝土抗折强度都大于5MPa，完全满足路面设计强度要求。

对素混凝土来说，抗折强度在1到14d龄期呈上升趋势，28d龄期强度虽然有所回落，但10个月龄期强度又有回升。总体而言，素混凝土早期抗折强度高，后期抗折强度满足设计要求且趋于稳定。另一方面，素混凝土的抗压强度随龄期增长较少，但也较稳定。

对混杂纤维混凝土来说，抗折强度在7d和28d龄期时也出现小幅下降，但10个月龄期强度同样回升并维持在5MPa以上。抗压强度方面，混杂纤维混凝土在7d龄期时达到峰值，后期强度趋于稳定。与素混凝土相比，混杂纤维混凝土抗折、抗压强度相对略偏低，一方面是其水灰比略高于素混凝土，另一方面也是因为其配合比中保坍剂B掺量较高，保坍剂B在改善施工性的同时，会对混凝土的强度有一定降低作用。

(1)早强减水剂类型比选表明，减水剂A的增强效果不理想，配制出的混凝土早期强度低于4MPa，减水剂B虽然增强效果较好，但施工性不佳。

(2)保坍剂A能进一步提升混凝土的抗折强度，但混凝土施工性仍然不理想，坍落度损失较大。复配保坍剂B后，在改善混凝土工作性能方面起到了较好的效果，能提升纤维混凝土的和易性，减小坍落度经时损失，但用量应控制在合理范围，若超量使用可能会导致混凝土强度下降。

(3)为使混凝土1d抗折强度满足通车要求、后期强度稳定，且拌和施工性好、坍落度经时损失较小，建议素混凝土外加剂掺入量为减水剂B(水泥质量的1.2%)∶保坍剂A∶保坍剂B=7∶5∶1.5，混杂纤维混凝土外加剂掺入量为减水剂B (水泥质量的1.2%)∶保坍剂A∶保坍剂B=7∶5∶3。

[1] JTG_D40-2014，水泥混凝土路面施工技术细则．

[2] 胡凯．混杂纤维高性能混凝土及热养生技术研究．重庆:重庆交通大学，2016.

[3] 任俊杰．混杂纤维超早期混凝土的路用性能研究．重庆:重庆交通大学，2017.

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