CN113205860A - 大坍落度连续配筋混凝土配合比设计优化方法 - Google Patents

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CN113205860A CN202110471712.1A CN202110471712A CN113205860A CN 113205860 A CN113205860 A CN 113205860A CN 202110471712 A CN202110471712 A CN 202110471712A CN 113205860 A CN113205860 A CN 113205860A
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Abstract

本发明公开了一种大坍落度连续配筋混凝土配合比设计优化方法，包括以下步骤：确定连续配筋混凝土路面设计参数取值；计算确定混凝土容许收缩应变；进行混凝土配合比设计试配工作；测量试配混凝土实际干缩应变和温缩系数；计算混凝土实际收缩应变，若实际收缩应变小于等于容许收缩应变，则试配混凝土满足设计要求，若实际收缩应变大于容许收缩应变，则对试配混凝土的配合比进行优化，直至优化后试配混凝土的实际收缩应变小于等于容许收缩应变，试配混凝土满足设计要求。本发明能将配制混凝土的收缩应变控制在容许范围内，保证混凝土质量，避免或减小大坍落度连续配筋混凝土的早期开裂；本发明操作简单、适用性较强，可在城镇道路路面中推广应用。

Description

大坍落度连续配筋混凝土配合比设计优化方法
技术领域
本发明涉及市政道路工程技术领域，具体涉及一种大坍落度连续配筋混凝土配合比设计优化方法。
背景技术
连续配筋混凝土路面是一种在道路纵向设置连续钢筋，横向不设接缝的路面。因其横向不设接缝，所以具有整体性好，行车舒适，养护费用小、周期长，使用寿命长，全寿命周期经济效益好的特点，适用于高等级道路及重载道路。特别是在城市中，交通拥堵现象严重，人们对道路使用品质的要求高，如道路发生损害，维修极易产生交通拥堵，严重影响人们交通出行及社会经济发展。因此，越来越多的城市开始在道路中应用连续配筋混凝土路面。
但是城市道路施工时受环保、用地、经济等条件制约，无法在施工现场建拌和站，通常采用集中厂拌的商品混凝土。商品混凝土单位用水量高、水泥用量大、水灰比大、砂率高、坍落度大，进而导致混凝土水化热较大，干缩温缩现象显著，路面易产生早期严重开裂的问题，这样就造成路面的实际使用年限达不到设计年限的要求。但是商品混凝土也有诸多优点，如：环保、工作量较小，施工进度快。大坍落度水泥混凝土通常是指坍落度在100mm以上的混凝土。已有研究表明，收缩应变较大是导致大坍落度水泥混凝土早期易发生开裂的主要原因。现行道路水泥混凝土配合比设计方法在进行混凝土配合比设计时，仅将混凝土抗折强度作为设计指标，未考虑混凝土收缩应变，因此无法在进行混凝土配合比设计时，就对混凝土收缩应变进行有效控制，从而避免大坍落度水泥混凝土早期严重开裂的问题。对于连续配筋混凝土路面来说，其对混凝土收缩应变的变化更为敏感，如混凝土收缩应变过大，将使路面产生严重早期开裂，最终引起路面发生冲断破坏，降低路面实际使用寿命。在“一种抗冲断的连续配筋混凝土及其制备方法”文献1中，通过在混凝土中掺加硅灰、纳米材料、微钢纤维、微PVA纤维、膨胀剂等配制出了抗冲断的连续配筋混凝土，但该混凝土对原材料要求较高，造价较高，拌和时纤维不易搅拌均匀，在实际工程中应用有限。在“一种连续配筋混凝土路面膨胀剂掺量确定方法”文献2中，计算了不同膨胀剂掺量下，连续配筋混凝土路面的裂缝宽度、应力。再通过裂缝宽度和应力容许值的要求，得到膨胀剂最佳掺量，但该方法仅适用于确定连续配筋混凝土中膨胀剂最佳掺量，缺少从其他方面改善连续配筋混凝土路面性能的技术方法。
随着我国城镇化进程的加快，城镇道路建设里程不断增长。因此，在城镇道路建设中亟需提出一种操作性好、适用性强的大坍落度连续配筋混凝土的配合比设计优化方法，这对于减小大坍落度连续配筋混凝土路面发生早期开裂和冲断破坏的概率，推广大坍落度连续配筋混凝土路面在城市中的应用具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种大坍落度连续配筋混凝土配合比设计优化方法，能将配制混凝土的收缩应变控制在容许范围内，保证混凝土质量，避免或减小大坍落度连续配筋混凝土的早期开裂；本发明操作简单、适用性较强，可在城镇道路路面中推广应用。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种大坍落度连续配筋混凝土配合比设计优化方法，包括以下步骤：
1)确定连续配筋混凝土路面设计参数取值；
2)根据设计参数计算确定混凝土容许收缩应变；
3)进行连续配筋混凝土路面的混凝土配合比设计试配工作；
4)测量试配混凝土实际干缩应变和温缩系数；
5)计算混凝土实际收缩应变，比较实际收缩应变与容许收缩应变的大小；若实际收缩应变小于等于容许收缩应变，则试配混凝土满足设计要求，若实际收缩应变大于容许收缩应变，则对试配混凝土的配合比进行优化，直至优化后试配混凝土的实际收缩应变小于等于容许收缩应变，试配混凝土满足设计要求。
按照上述技术方案，在步骤5)中，对试配混凝土的配合比的具体优化方法包括以下一种或任意几种方式组合使用：(1)选用低热水泥；(2)掺加粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料；(3)减小单位水泥用量和单位用水量；(4)采用线膨胀系数较小的粗集料；(5)掺加适量外加剂；(6)降低砂率，增大粗集料用量。
按照上述技术方案，在具体优化方式(4)中所述的粗集料包括石灰岩、玄武岩和花岗岩中的一种或任意几种的组合；
按照上述技术方案，在具体优化方式(5)中所述的外加剂包括膨胀剂和/或高效减水剂。
按照上述技术方案，在步骤1)中，连续配筋混凝土路面的设计参数包括横向裂缝容许平均宽度、横向裂缝容许平均间距、混凝土弹性模量、混凝土抗拉强度和混凝土抗压强度。
按照上述技术方案，在步骤2)中，混凝土容许收缩应变计算公式为：
Figure BDA0003045683060000021
其中：
Figure BDA0003045683060000022
Figure BDA0003045683060000031
Figure BDA0003045683060000032
式中：Ec为混凝土弹性模量；ft为混凝土抗拉强度；fc为混凝土抗压强度；s为横向裂缝容许平均宽度；L为横向裂缝容许平均间距。
按照上述技术方案，在步骤5)中，混凝土实际收缩应变计算公式为：
εr·＝αTr·ΔT+εhr (2)
式中，εr为混凝土实际收缩应变，αTr为混凝土实际温缩系数，εhr为混凝土实际干缩应变，ΔT为路面施工月份日最高气温的月平均值与一年中最冷月份日最低气温的月平均值之差。
本发明具有以下有益效果：
本发明针对城镇道路大坍落度连续配筋混凝土路面易产生早期开裂的工程痛点，提出了混凝土容许收缩应变计算公式和混凝土配合比设计优化方法，可以在混凝土配合比设计阶段，就将配制混凝土的收缩应变控制在容许范围内，从而在材料源头上保证混凝土质量，避免或减小大坍落度连续配筋混凝土的早期开裂；本发明操作简单、适用性较强，可在城镇道路路面中推广应用。
附图说明
图1是本发明实施例中大坍落度连续配筋混凝土配合比设计优化方法的流程图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1所示，本发明提供的一个实施例中的大坍落度连续配筋混凝土配合比设计优化方法，包括以下步骤：
1)确定连续配筋混凝土路面设计参数取值；
2)根据设计参数计算确定混凝土容许收缩应变；
3)进行连续配筋混凝土路面的混凝土配合比设计试配工作；
4)测量试配混凝土实际干缩应变和温缩系数；
5)计算混凝土实际收缩应变，比较实际收缩应变与步骤2)中容许收缩应变的大小；若实际收缩应变小于等于步骤2)中容许收缩应变，则试配混凝土满足设计要求，若实际收缩应变大于步骤2)中容许收缩应变，则对试配混凝土的配合比进行优化，直至优化后试配混凝土的实际收缩应变小于等于步骤2)中容许收缩应变，试配混凝土满足设计要求。
进一步地，优化混凝土配合比后，重复步骤3)～步骤5)，直到混凝土实际收缩应变小于等于步骤二中容许收缩应变，则试配混凝土满足设计要求。
进一步地，在步骤5)中，对试配混凝土的配合比的具体优化方法包括以下一种或任意几种方式组合使用：(1)选用低热水泥；(2)掺加粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料；(3)减小单位水泥用量和单位用水量；(4)采用线膨胀系数较小的粗集料；(5)掺加适量外加剂；(6)降低砂率，增大粗集料用量；对试配混凝土配合比时，采用以上方法中的一种或者几种同时使用。
进一步地，在具体优化方式(4)中所述的粗集料包括石灰岩、玄武岩和花岗岩中的一种或任意几种的组合；
进一步地，在具体优化方式(5)中所述的外加剂包括膨胀剂和/或高效减水剂。
进一步地，在步骤1)中，连续配筋混凝土路面的设计参数包括横向裂缝容许平均宽度、横向裂缝容许平均间距、混凝土弹性模量、混凝土抗拉强度和混凝土抗压强度。
进一步地，在步骤2)中，混凝土容许收缩应变计算公式为：
Figure BDA0003045683060000041
其中：
Figure BDA0003045683060000042
Figure BDA0003045683060000043
Figure BDA0003045683060000044
式中：Ec为混凝土弹性模量，单位为MPa；ft为混凝土抗拉强度，单位为MPa；fc为混凝土抗压强度，单位为MPa；s为横向裂缝容许平均宽度，单位为mm；L为横向裂缝容许平均间距，单位为m。
进一步地，在步骤3)中，混凝土试配工作根据《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30-2014)相关条文进行；
在步骤4)中，试配混凝土实际干缩应变和实际温缩系数的测量按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 34202020)的相关规定进行。
进一步地，在步骤5)中，混凝土实际收缩应变计算公式为：
εr＝αTrΔT+εhr (2)
式中，εr为混凝土实际收缩应变，αTr为混凝土实际温缩系数，εhr为混凝土实际干缩应变，ΔT为路面施工月份日最高气温的月平均值与一年中最冷月份日最低气温的月平均值之差。
实施例1
参见图1，本发明包括以下步骤：
步骤一，确定连续配筋混凝土路面设计参数取值。某城市道路工程需配制满足抗折强度5.0MPa的连续配筋面层混凝土，该混凝土抗压强度为42MPa，混凝土抗拉强度为3.22MPa，混凝土弹性模量为31000MPa，设计横向裂缝容许平均宽度0.45mm，设计横向裂缝容许平均间距0.72m。
步骤二，将步骤一中连续配筋混凝土设计参数取值代入式(1)，计算得到混凝土容许收缩应变为：ε＝8.36×10-4。
步骤三，根据《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30-2014)，进行混凝土配合比试配，试配混凝土中每立方米混凝土中各原材料的用量(单位为kg)为：水：水泥：砂：石：减水剂＝160：430：700：1090：9，砂率为37％，实测混凝土拌合物的坍落度为180mm，实测混凝土抗压强度为42.3MPa。
步骤四，试配混凝土实际干缩应变和温缩系数的测量按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 34202020)相关规定进行测量，测得的试配混凝土的实际干缩应变为8.4×10-4，温缩系数为12.3×10-6。
步骤五，计算混凝土实际收缩应变，比较混凝土实际收缩应变与步骤二中混凝土容许收缩应变大小。路面施工月份日最高气温的月平均值与一年中最冷月份日最低气温的月平均值之差为35℃，根据式(2)，计算得到混凝土实际收缩应变εr为1.27×10-3,大于步骤二混凝土容许收缩应变ε＝8.36×10-4。可见，需调整优化混凝土配合比，方能使混凝土的实际收缩应变小于混凝土容许收缩应变。
重复步骤三，将粗集料由砾石调整为石灰岩，采用聚羧酸高效减水剂，降低混凝土单位用水量，掺加粉煤灰代替部分水泥，对第一次试配混凝土进行优化，优化后的混凝土配合比为，水：水泥：砂：石：粉煤灰：减水剂＝140：340：660：1100：40：6.8，砂率为38％，实测混凝土拌合物的坍落度为180mm，实测混凝土抗压强度为42.5MPa。
重复步骤四，试配混凝土实际干缩应变和温缩系数的测量按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420 2020)相关规定进行测量，测得的试配混凝土的实际干缩应变为4.86×10-4,温缩系数为8.2×10-6。
重复步骤五，比较重复步骤四测得的混凝土实际收缩应变与步骤二中混凝土容许收缩应变大小。根据式(2)，计算得到混凝土实际收缩应变εr为7.73×10-4,小于步骤二混凝土容许收缩应变ε＝8.36×10-4。可见，通过优化配合比，混凝土的实际收缩应变小于计算容许收缩应变，进而从原材料方面减小大坍落度混凝土早期开裂，避免连续配筋混凝土路面出现间距过小的横向裂缝，降低路面发生冲断破坏的概率。
为验证优化配合比后的混凝土在抗裂性能方面的优异性，将其与第一次试配混凝土进行早期抗裂性对比试验，试验按照《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30-2014)附录E进行。试验方案如下：
混凝土配合比如下表：
Figure BDA0003045683060000061
试验结果如下表：
Figure BDA0003045683060000062
从试验结果可见，2#混凝土的总开裂面积小于1#混凝土总开裂面积，2#混凝土的抗裂性能比1#混凝土提高33％。可见通过此发明中的混凝土配合比设计优化方法，可从混凝土原材料方面限制混凝土收缩应变，提高混凝土抗裂性能。
实施例2
参见图1，本发明包括以下步骤：
步骤一，确定连续配筋混凝土路面设计参数取值。某城市道路工程需配制满足抗折强度5.0MPa的连续配筋面层混凝土，该混凝土抗压强度为42MPa，混凝土抗拉强度为3.22MPa，混凝土弹性模量为31000MPa，设计横向容许裂缝平均宽度0.45mm，设计横向裂缝容许平均间距0.72m。
步骤二，将步骤一中连续配筋混凝土设计参数取值代入式(1)，计算得到混凝土容许收缩应变为：ε＝8.36×10-4。步骤三，根据《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/TF30-2014)，进行混凝土配合比试配，试配混凝土中每立方米混凝土中各原材料的用量(单位为kg)为：水：水泥：矿渣粉：粉煤灰：砂：石：减水剂＝160：270：75：60：746：1060：6，砂率为41％，实测混凝土拌合物的坍落度为200mm，实测混凝土抗压强度为50.5MPa。
步骤四，试配混凝土实际干缩应变和温缩系数的测量按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420 2020)相关规定进行测量，测得的试配混凝土的实际干缩应变为4.32×10-4，温缩系数为10.2×10-6。
步骤五，比较步骤四测得的混凝土实际收缩应变与步骤二中混凝土容许收缩应变大小。路面施工月份日最高气温的月平均值与一年中最冷月份日最低气温的月平均值之差为35℃，根据式(2)，计算得到混凝土实际收缩应变εr为7.89×10-4,小于步骤二混凝土容许收缩应变ε＝8.23×10-4。可见，试配混凝土收缩应变小于混凝土容许收缩应变。
通过试验验证试配混凝土的抗裂性，试验按照《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30-2014)附录E进行。试验方案如下：
混凝土配合比如下表：
Figure BDA0003045683060000071
试验结果如下表：
Figure BDA0003045683060000072
从试验结果可见，3#混凝土的总开裂面积小于1#混凝土总开裂面积，3#混凝土的抗裂性能比1#混凝土提高约24％。可见通过此发明中的混凝土配合比设计优化方法，可从混凝土原材料方面限制混凝土收缩应变，提高混凝土抗裂性能。
实施例3
参见图1，本发明包括以下步骤：
步骤一，确定连续配筋混凝土路面设计参数取值。某城市道路工程需配制满足抗折强度4.5MPa的连续配筋面层混凝土，该混凝土抗压强度为36MPa，混凝土抗拉强度为2.85MPa，混凝土弹性模量为29000MPa，设计横向容许裂缝平均宽度0.6mm，设计横向裂缝容许平均间距1.0m。
步骤二，将步骤一中连续配筋混凝土设计参数取值代入式(1)，计算得到混凝土容许收缩应变为：ε＝8.24×10-4。
步骤三，根据《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30-2014)，进行混凝土配合比试配，试配混凝土中每立方米混凝土中各原材料的用量(单位为kg)为：水：水泥：砂：石：减水剂＝140：400：670：1190：6.8，砂率为36％，实测混凝土拌合物的坍落度为180mm，实测混凝土抗压强度为46MPa。
步骤四，试配混凝土实际干缩应变和温缩系数的测量分别按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)和《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009)相关规定进行测量，测得的试配混凝土的实际干缩应变为10.2×10-4，温缩系数为13.2×10-6。
步骤五，比较步骤四测得的混凝土实际收缩应变与步骤二中混凝土容许收缩应变大小。路面施工月份日最高气温的月平均值与一年中最冷月份日最低气温的月平均值之差为35℃，根据式(2)，计算得到混凝土实际收缩应变εr为1.48×10-3,大于步骤二混凝土容许收缩应变ε＝8.24×10-4。可见，需调整优化混凝土配合比，方能使混凝土的实际收缩应变小于混凝土容许收缩应变。
重复步骤三，掺加粉煤灰代替部分水泥，并掺加适量膨胀剂，对试配混凝土配合比进行优化，优化后的混凝土配合比为，水：水泥：粉煤灰：砂：石：减水剂：膨胀剂＝140：350：70：670：1190：6.3：31，砂率为36％，实测混凝土拌合物的坍落度为180mm，实测混凝土抗压强度为45MPa。
重复步骤四，试配混凝土实际干缩应变和温缩系数的测量按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420 2020)相关规定进行测量，测得的试配混凝土的实际干缩应变为5.1×10-4,温缩系数为8.1×10-6。
重复步骤五，比较重复步骤四测得的混凝土实际收缩应变与步骤二中混凝土容许收缩应变大小。路面施工月份日最高气温的月平均值与一年中最冷月份日最低气温的月平均值之差为35℃，根据式(2)，计算得到混凝土实际收缩应变εr为7.94×10-4,小于步骤二混凝土容许收缩应变ε＝8.36×10-4。可见，通过调整优化配合比，混凝土的实际收缩应变小于计算容许收缩应变，进而从原材料方面减小大坍落度混凝土早期开裂，避免连续配筋混凝土路面出现间距过小或者裂缝过宽的横向裂缝，降低路面发生冲断破坏的概率。
为验证优化配合比后的混凝土在抗裂性能方面的优异性，将其与第一次试配混凝土进行早期抗裂性对比试验，试验按照《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30-2014)附录E进行。试验方案如下：
混凝土配合比如下表：
Figure BDA0003045683060000091
试验结果如下表：
Figure BDA0003045683060000092
从试验结果可见，5#混凝土的总开裂面积小于4#混凝土总开裂面积，5#混凝土的抗裂性能比4#混凝土提高约29％。可见通过此发明中的混凝土配合比设计优化方法，可从混凝土原材料方面限制混凝土收缩应变，提高混凝土抗裂性能。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种大坍落度连续配筋混凝土配合比设计优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定连续配筋混凝土路面设计参数取值；
2)根据设计参数计算确定混凝土容许收缩应变；
3)进行连续配筋混凝土路面的混凝土配合比设计试配工作；
4)测量试配混凝土实际干缩应变和温缩系数；
5)计算混凝土实际收缩应变，比较实际收缩应变与容许收缩应变的大小；若实际收缩应变小于等于容许收缩应变，则试配混凝土满足设计要求，若实际收缩应变大于容许收缩应变，则对试配混凝土的配合比进行优化，直至优化后试配混凝土的实际收缩应变小于等于容许收缩应变，试配混凝土满足设计要求。
2.根据权利要求1所述的大坍落度连续配筋混凝土配合比设计优化方法，其特征在于，在步骤5)中，对试配混凝土的配合比的具体优化方法包括以下一种或任意几种方式组合使用：(1)选用低热水泥；(2)掺加粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料；(3)减小单位水泥用量和单位用水量；(4)采用线膨胀系数较小的粗集料；(5)掺加适量外加剂；(6)降低砂率，增大粗集料用量。
3.根据权利要求2所述的大坍落度连续配筋混凝土配合比设计优化方法，其特征在于，在具体优化方式(4)中所述的粗集料包括石灰岩、玄武岩和花岗岩中的一种或任意几种的组合。
4.根据权利要求2所述的大坍落度连续配筋混凝土配合比设计优化方法，其特征在于，在具体优化方式(5)中所述的外加剂包括膨胀剂和/或高效减水剂。
5.根据权利要求1所述的大坍落度连续配筋混凝土配合比设计优化方法，其特征在于，在步骤1)中，连续配筋混凝土路面的设计参数包括横向裂缝容许平均宽度、横向裂缝容许平均间距、混凝土弹性模量、混凝土抗拉强度和混凝土抗压强度。
6.根据权利要求1所述的大坍落度连续配筋混凝土配合比设计优化方法，其特征在于，在步骤2)中，混凝土容许收缩应变计算公式为：
Figure FDA0003045683050000011
其中：
Figure FDA0003045683050000012
Figure FDA0003045683050000013
Figure FDA0003045683050000021
式中：Ec为混凝土弹性模量；ft为混凝土抗拉强度；fc为混凝土抗压强度；s为横向裂缝容许平均宽度；L为横向裂缝容许平均间距。
7.根据权利要求1所述的大坍落度连续配筋混凝土配合比设计优化方法，其特征在于，在步骤5)中，混凝土实际收缩应变计算公式为：
εr＝αTrΔT+εhr (2)
式中，εr为混凝土实际收缩应变，αTr为混凝土实际温缩系数，εhr为混凝土实际干缩应变，ΔT为路面施工月份日最高气温的月平均值与一年中最冷月份日最低气温的月平均值之差。
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