WO2016078522A1 - 一种提高路用水泥混凝土抗弯拉强度的配合比设计方法 - Google Patents

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蒋新明
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南京明程贝路桥工程有限公司
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E01C—CONSTRUCTION OF, OR SURFACES FOR, ROADS, SPORTS GROUNDS, OR THE LIKE; MACHINES OR AUXILIARY TOOLS FOR CONSTRUCTION OR REPAIR
    • E01C7/00—Coherent pavings made in situ
    • E01C7/08—Coherent pavings made in situ made of road-metal and binders
    • E01C7/10—Coherent pavings made in situ made of road-metal and binders of road-metal and cement or like binders
    • E01C7/14—Concrete paving
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E01C7/10—Coherent pavings made in situ made of road-metal and binders of road-metal and cement or like binders
    • E01C7/14—Concrete paving

Definitions

  • the invention relates to the technical field of concrete, in particular to a mixing ratio design method for improving the bending and tensile strength of road cement concrete.
  • cement concrete pavement has the advantages of high rigidity, high strength, good stability, good durability, long service life and low maintenance cost.
  • Cement concrete pavement has strong anti-heavy load capacity, but its sensitivity to overload and heavy load far exceeds asphalt pavement.
  • the actual accumulated standard axle load is much larger than the designed axle load, which causes fatigue damage on the cement concrete pavement.
  • heavy tonnage heavy loads are likely to cause one-time ultimate damage to cement concrete pavements rather than fatigue damage.
  • the actual load exceeds the standard axle load specified in the design and construction, and even the phenomenon of “repairing in the current year and bad in the coming year” has appeared.
  • Heavy-duty traffic has become the most critical external factor for large-scale early damage to cement concrete pavements. The direct consequence of fatigue damage of cement concrete pavement is that the pavement capacity is reduced, the maintenance volume is sharply increased, and the maintenance is difficult and the maintenance cost is high.
  • High-strength, high-performance concrete with the characteristics of “high bending strength”, “high durability” and “excellent workability” has been widely used in construction, but research and application in road engineering, especially road surface. Still less. If it is used for cement concrete pavement under heavy traffic, it can not only improve the road's ability to resist heavy traffic damage, but also reduce the thickness of the pavement.
  • cement concrete pavement has the advantages of high carrying capacity, strong disaster resistance, low cost, simple maintenance, and full utilization of local sand and gravel materials. It is widely used in the construction of ordinary roads in China, especially in rural roads. Since 2005, the cement concrete pavement has completed more than 154 kilometers in the new reconstruction and overhaul projects in Chenzhou City, and cement concrete pavements have been basically used in rural roads over 1,380 kilometers. Therefore, it is extremely urgent and important to study and develop high-resistance tensile strength and high-performance pavement concrete to meet the requirements of cement concrete pavement development.
  • the existing cement concrete pavement design has a flexural tensile strength of 4.5-5 MPa.
  • the safety reserve is relatively insufficient in terms of durability and service life. If the bending strength can be increased to 6-7 MPa, the safety reserve will be increased from the existing 1.5-2 times to 2-3.5 times.
  • the design base period can be more than 20 years. If it is more than 3 times, it will be able to reach the long-life road surface with the road surface used for more than 30 years.
  • Compressive concrete is widely used in buildings, dams, bridges, etc. In order to ensure the pouring shape and transportation of the components, the whole flow is required, and the concrete is liquid. The workability is an important indicator to measure the overall fluidity.
  • the volume of the rubber in the concrete is divided into the coarse aggregate voids and the working mortar.
  • the working mortar refers to the rubber sand required to meet the workability except for filling the coarse aggregate voids.
  • the mortar For concrete with liquid properties, the mortar must have enough working mortar to fill the gap of the coarse aggregate.
  • the working mortar In practice, the working mortar is generally slightly larger than the filled void mortar, and the coarse aggregate is suspended in the mortar to ensure its overall fluidity.
  • the coarse aggregate is suspended in the rubber sand, so that the concrete has a liquid characteristic after the vibration is completed and before the initial setting. Because the proportion of water is the lightest, under the action of gravity, the aggregate and cement particles sink, and the water will inevitably float upward. In the process of floating in the water, if the aggregate is encountered, a part of the water will accumulate at the bottom and the side of the aggregate, forming an interface transition zone, causing the loss of the grip strength of the coarse aggregate, and destroying the coarse aggregate to resist the bending of the concrete. The contribution of strength. This chain reaction caused by the floating of water molecules is called the "buoyancy effect.”
  • Interface transition zone refers to the area within a certain range of the aggregate interface. The structure and performance of this zone is different from that of the hardened cement stone body. Microscopically, there is a layer of 1-3 micron contact layer at the aggregate interface, and a layer of early 5-10 micron high porosity layer outside the contact layer. These porous and loose network structures form an interfacial transition zone.
  • the interface transition zone directly affects the binding force of the sand to the stone.
  • the rubber sand and the stone material are easily peeled off at the interface transition zone, and the "contribution rate" of the stone material participating in the bending strength is not high.
  • the effect of the interface transition zone against the bending strength is fatal.
  • the ratio of contribution to the strength of contribution of mortar and stone is measured.
  • the tensile strength of concrete in concrete is generally 7-8MPa, taking a median value of 7.5MPa. According to the 53% of the volume of the rubber in the concrete, the contribution of the sand to the concrete strength is 4.0 MPa. If the tensile strength of the concrete is 5 MPa, the contribution of the stone is 1.0 MPa, and the contribution rate of the stone is “contribution rate”. Only around 20%.
  • Cement concrete prepared according to the current specifications due to the "buoyancy effect", forms an interface transition zone, which affects the bending strength.
  • the conventional solution at home and abroad is to add a water reducing agent, but adding a water reducing agent can only improve the strength of the rubber sand in the concrete, and then moderately increase the bending strength of the concrete, because there is no fundamental change in the buoyancy effect due to the liquid characteristics. "It is only a quantitative change, there is no qualitative change, and it cannot solve the problem of the transition zone of the interface fundamentally. Therefore, the bending strength is increased, the cost is high, and the effect is poor.
  • Road concrete is paved directly on the road during construction.
  • the process is simple, and its overall fluidity is solved by mechanical paving.
  • the fresh concrete can change from liquid to solid to overcome the “buoyancy effect”. Enhance the strength of the interface transition zone.
  • it is necessary to study the new theory and method of road concrete mix ratio design according to the construction characteristics of road concrete and the requirements of resistance to bending strength.
  • Solid-state internal flow theory fresh concrete forms a frame from coarse aggregates and exhibits solid-state characteristics.
  • the gravity of the coarse aggregate is transmitted to the ground through the frame, and the water wrapped in the rubber sand will not be squeezed by the gravity of the coarse aggregate. Achieve overcoming the "buoyancy effect.”
  • a sufficient gap of adhesive sand flow is provided inside the coarse aggregate frame so that the grit can flow smoothly inside the solid state, ensuring easy vibrating and compacting.
  • the vibrating void ratio of the coarse aggregate is determined to determine the basic amount of the mortar
  • the slight interference of the fine aggregate to the coarse aggregate increases the amount of the sand, which is proportional to the fineness modulus.
  • the above-mentioned preliminary calculated grit volume is determined by trial matching to achieve a comprehensive balance of concrete solidity and workability.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for improving the bending strength of road cement concrete by using a simple method and being convenient for practical application.
  • the technical problem to be solved by the present invention is implemented by the following technical solutions:
  • Each square of mortar volume (filled vibrating void mortar volume + working mortar volume) / (coarse aggregate volume + filled vibrating void mortar volume + working mortar volume)
  • Each aggregate coarse aggregate volume 1 - mortar volume
  • Fine aggregate volume per square volume of each mortar - cement volume - water volume
  • Design parameters of concrete with bending strength of 5 MPa use coarse stone of 9.5 mm or more as coarse aggregate, sand fineness modulus is 2.7-3.0; recommended sand rate is 29-32%; single concrete cement dosage At 300-340 kg/m 3 ; the water consumption of the single concrete is 130-150 kg/m 3 .
  • the crushed stone has a particle size of 7.5 mm to 37.5 mm.
  • the crushed stone has a particle diameter of 9.5 mm to 31.5 mm.
  • the working grit volume is from 10 to 80% or from 20 to 60%, particularly preferably 40%, of the volume of the void-filled grit.
  • the coarse aggregate is removed from the 4.75mm-9.5mm level in the original specification.
  • the purpose is to increase the gap passage and reduce the damping effect, so that the sand flows smoothly inside the gap and is easy to vibrate and compact.
  • the grading range can be appropriately adjusted according to the fineness modulus of the sand and the particle size of the raw material.
  • the present invention has the following advantages over the prior art:
  • FIG. 1 is a schematic view showing the structure of a pavement concrete aggregate forming frame according to the present invention.
  • Figure 2 is a schematic diagram of the internal dynamics of a conventional pavement concrete aggregate.
  • Coarse aggregate The limestone crushed stone with a diameter of 9.5mm-31.5mm is used, and the density is 2700kg/m 3 ;
  • Fine aggregate using coarse sand in Mingguangchi River, the fineness modulus is 2.9, and the density is 2650kg/m 3 .
  • the minimum cement (PO42.5 grade) should not be less than 300kg/m 3 as the base, combined with the pavement design bending strength 5.0MPa, preliminary selection
  • the amount of cement is 320kg
  • the water-cement ratio is 0.43
  • the unit water consumption is 137.6kg.
  • the volume of the mortar in the concrete consists of two parts: filled with vibrating voids and working mortar. Among them: the filled vibrating void mortar is equal to the minimum vibrating void ratio, which is 39.2%; the working colloid accounts for 40% of the filled vibrating colloidal sand, and the volume of the colloid in each concrete is obtained by conversion.
  • Each square of mortar volume (filled vibrating void mortar volume + working mortar volume) / (coarse aggregate volume + filled vibrating void mortar volume + working mortar volume)
  • Fine aggregate volume per square volume of each mortar - cement volume - water volume
  • the coarse aggregate was 4.75mm-31.5mm continuous grading.
  • the working rubber sand accounted for 125% of the filled vibrating sand.
  • the concrete slab Due to the small amount of cement and water, the concrete slab has a small shrinkage, which can reduce the probability of micro-cracking and broken boards.
  • the project also carried out a comparison of the wear resistance test, dry shrinkage test and impermeability test of new and common cement concrete.
  • the results show that the wear resistance and impermeability of the new type of cement concrete are improved to some extent.
  • the dry shrinkage performance is also significantly improved compared to ordinary cement concrete.
  • the pavement concrete prepared by the research results can extend the service life of the project, thereby reducing the maintenance cost in the later period. For example, the extension of 10-20 years, or the reduction of 1-2 repairs, the economic benefits are very significant.
  • the slump is small, which is more suitable for large-area construction of the slipper paver.
  • the results of the present invention will have an impact on other projects (such as municipal engineering, plant and mine construction) and may be applied, and will produce greater economic benefits.

Abstract

一种提高路用水泥混凝土抗弯拉强度的配合比设计方法，包括以下步骤：选用7.5mm-37.5mm碎石进行试配，由最大容重法确定级配，测得最小振实空隙率，确定粗集料级配比例；根据设计强度，拟定单位水泥用量及水灰比；根据振实空隙率，确定填充空隙胶砂和工作性胶砂的体积；确定水泥混凝土初步配合比，结合试拌试验和强度试验，得出设计配合比。该配合比设计方法适用于重载路面设计，节约水泥并提高路面强度。

Description

一种提高路用水泥混凝土抗弯拉强度的配合比设计方法 技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，具体涉及一种提高路用水泥混凝土抗弯拉强度的配合比设计方法。
背景技术
随着我国国民经济和公路交通运输事业的高速发展，公路运输出现了“重载、大流量和渠化交通”的特点，重型货车及超载车辆急剧上升，引起实际累计标准轴次的急剧增加，导致路面过早破坏，因而对公路路面的结构强度和使用性能提出了更高的要求。水泥混凝土路面具有刚度大、强度高、稳定性好、耐久性好、使用寿命长及养护费用少等优点。且随着交通事业的发展，国产优质重交通路用沥青逐渐变得短缺，价格不断上涨。这样，水泥混凝土路面在重交通公路中就处于愈加重要的地位。
值得注意的是，许多地区运输车辆的轴重远远大于国家规定的单轴100KN、双轴180KN的限载标准，大型货车和汽车超载形成了重载交通。重载交通已不单单是某个地方、某个省的特有现象，而是全国性的、普遍性的。根据河北、河南、山西等一些重要矿区的调查，10吨以上重型货车的超载比例在40％以上，某些路段达到80％，最大超载率达300％。如此严重的重载交通，使水泥混凝土路面产生的过早损坏变得越来越明显，许多地区的路面达不到设计使用年限，在使用初期即出现断裂、唧泥、脱空、错台等损坏，有些路段面板甚至完全碎裂，使路面使用寿命大大缩短，路面使 用性能衰减加快，养护费用不断攀升，给社会及运输部门造成较大的经济损失。如晋煤外运的主要通道之一，郑(州)常(平)公路焦作境内路段，1991年建成通车，设计寿命30年，但开放交通不到三年已是满目疮痍，特别是从山西方向来车的半幅路面，断板、下沉、坑沟尤甚，车辆行进已相当困难。几年来，有关部门投入该路段维修费用达4000多万元，超过建设投资的近一半。
水泥混凝土路面具有较强的抗重载能力，但对超负荷重载的敏感性远远超出沥青路面。随着车辆轴载的增大，除了使混凝土路面内部产生的荷载应力增大，更造成实际累计标准轴载远远大于设计轴载，使水泥混凝土路面产生疲劳损坏。有些情况下大吨位重载很可能造成水泥混凝土路面的一次性极限破坏，而非疲劳破坏。在超、重载比例较大的路线上，由于实际载重远远超出设计及修筑时所规定的标准轴载，甚至出现了“当年修，来年坏”的现象。重载交通已成为水泥混凝土路面大范围早期损坏的最关键的外部因素。水泥混凝土路面疲劳损坏的直接后果是路面通行能力降低，维修量急剧增长，且维修困难、维修费用高。
我国现行水泥混凝土路面设计理论和方法、施工技术对重载交通考虑不足，而我国运力紧张，国民经济急需大量能源及时运出能源基地，货物装载量朝着重载化方向发展，作为货物运输重要组成部分的公路运输，对重载交通道路的研究是很有必要的。重载交通道路的研究是多方面的，包括路面面层、基层材料、结构设计和施工方法，不少机构和学者对重载交通水泥混凝土路面进行了研究和探索，但大都集中在后三个方面，对面层 材料的研究还相对较少。目前混凝土路面的使用状况表明，普通路面混凝土材料很难满足重载交通的需要。高强、高性能混凝土，具有“高抗弯拉强度”、“高耐久性”和“优良工作性”的特点，在建筑上已得到广泛的应用，但在道路工程尤其是路面方面的研究和应用还较少。若用于重载交通作用下的水泥混凝土路面，不仅可以提高路面抵抗重载交通破坏的能力，还可以用于减薄路面厚度。
同时，随着国家进一步加强新农村建设，公路路网建设和农村公路建设进入到了蓬勃发展的新时期。水泥混凝土路面具有承载能力高，抗灾能力强，造价低，养护简便，可充分利用当地砂石材料等优点，在我国普通公路特别是县乡村公路建设中越来越被广泛运用。2005年以来，滁州市新改建和大修工程中共完成水泥混凝土路面超过154公里，农村公路1380多公里基本都采用水泥混凝土路面。因此，研究开发高抗弯拉强度且高性能的路面混凝土以满足水泥混凝土路面发展的要求就显得极为迫切并具有重要的现实意义。
现有的水泥混凝土路面设计抗弯拉强度一般为4.5-5MPa,对当前重交通而言，从耐久性和使用年限来看，安全储备相对不足。如能将抗弯拉强度提高到6-7MPa，安全储备将从现有的1.5-2倍提高到2-3.5倍。当安全储备达到2倍以上时，方可达到设计基准期20年以上的要求，如果有3倍以上，将能够达到路面使用30年以上的长寿命路面的要求。
但现行规范存在以下问题：
现行《公路水泥混凝土路面施工技术规范JTG F30-2003》中，路面混 凝土虽以抗弯拉强度作为一项重要的技术指标，但配合比仍沿用了抗压混凝土的设计思路，并无明显区别。
抗压混凝土广泛用于建筑、大坝、桥梁等，为保证构件的浇筑形状及运输泵送，需整体流动，混凝土呈液态特点，其工作性是衡量整体流动性的重要指标。
混凝土中胶砂体积分为填充粗集料空隙胶砂和工作性胶砂，工作性胶砂是指混凝土中除填满粗集料空隙外，满足工作性所需的胶砂。呈液态特性的混凝土，胶砂在填满粗集料空隙前提下，必须有足够多的工作性胶砂。实际中，工作性胶砂体积一般比填充空隙胶砂体积略多，粗集料悬浮在胶砂中，以保证其整体流动性。
粗集料悬浮在胶砂中，使混凝土在振捣完成后，初凝之前，呈液态特性。由于水的比重最轻，在重力作用下，集料及水泥颗粒下沉，水则不可避免地向上浮。水在上浮过程中，如果遇到集料，一部分水就聚集在集料的底部和侧面，形成界面过渡区，造成胶砂对粗集料握裹力丧失，破坏粗集料对混凝土抗弯拉强度的贡献。这种因水分子上浮而引起的连锁反应称之为“浮力效应”。
界面过渡区：是指在集料界面一定范围内的区域，这一区域的结构与性能不同于硬化水泥石本体。微观上，集料界面处有一层1-3微米的接触层，在接触层外有一层大约5-10微米早期高孔隙层，这些多孔疏松的网状结构，形成了界面过渡区。
由于“浮力效应”产生的界面过渡区，直接影响胶砂对石料的握裹力， 在混凝土受到拉应力作用时，胶砂和石料很容易在界面过渡区产生剥离，造成石料参与抗弯拉强度的“贡献率”不高。因而，界面过渡区对抗弯拉强度的影响是致命的。
我们按《规范》配合比对胶砂、石料参与强度“贡献率”进行测算，混凝土中胶砂抗弯拉强度一般在7-8MPa，取中值7.5MPa。按混凝土中胶砂体积占53％计算，则胶砂参与混凝土强度贡献在4.0MPa，如配置出的混凝土抗弯拉强度为5MPa的话，则石料参与强度贡献为1.0MPa，石料强度“贡献率”仅在20％左右。
由此可见，水泥混凝土抗弯拉强度在界面过渡区产生“短板效应”。如何减少界面过渡区，提高石料和胶砂的握裹力，让更多的石料参与强度贡献是我们解决抗弯拉强度的关键点。
按现行规范配制的水泥混凝土，由于“浮力效应”，形成界面过渡区，影响抗弯拉强度。国内外常规的解决办法是添加减水剂，但添加减水剂只能提高混凝土中胶砂自身强度，进而适度提高混凝土的抗弯拉强度，由于没有根本改变因呈液态特点产生的“浮力效应”，只是量变，没有质变，并不能从根本解决界面过渡区的问题，因此，提高抗弯拉强度有限，且成本高，效果差。
由于抗压混凝土需要整体流动性，“浮力效应”产生的界面过渡区对抗压强度影响较小，设计理论成熟，应用广泛。然而，在现有的路用混凝土配合比设计规范中，沿用抗压混凝土设计方法产生的界面过渡区，对抗弯拉强度的影响是致命的。
路用混凝土施工时直接在路面上摊铺，工艺简单，其整体流动性通过机械摊铺等方式解决，这样，新拌混凝土可以由液态特性变为固态特性，以克服“浮力效应”，从根本上增强界面过渡区的强度。为此，需要根据路用混凝土的施工特点及对抗弯拉强度指标的要求，研究路用混凝土配合比设计新的理论和方法。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中路用混凝土沿用抗压混凝土配合比设计理论和方法，造成抗弯拉强度难以提高，本发明提出了符合路用混凝土特点的配合比设计新的理论和方法。
技术方案：为解决上述问题，提高路用混凝土抗弯拉强度，必须克服“浮力效应”，增强界面过渡区，将工作性胶砂大幅减少，改变原有的液态特性，使混凝土呈固态特性，其工作性胶砂作用主要保证施工中粗集料空隙能完全充满。本发明提出了固态内流理论和胶砂与空隙相匹配的设计方法。
固态内流理论：新拌的混凝土由粗集料形成框架，呈现固态特性，粗集料的重力通过框架传递给地面，包裹在胶砂里面的水将不受粗集料的重力挤压，以达到克服“浮力效应”。为了保证振捣的工作性，在粗集料框架内部要提供足够胶砂流动的连通空隙，以便胶砂在固态内部通畅流动，确保易于振捣密实。
胶砂与空隙相匹配的设计方法：
1、填充粗集料的振实空隙率确定胶砂基本用量；
2、表面磨耗层的厚度需要的胶砂数量；
3、细集料对粗集料的轻微干涉空隙增加的胶砂数量，与细度模数成正比。上述初步计算的胶砂体积，再通过试配确定，以达到混凝土固态和工作性的综合平衡。
本发明所要解决的技术问题在于提供一种方法简单，便于实际应用的提高路用水泥混凝土抗弯拉强度的方法。本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
1)一般选用9.5mm-31.5mm(方孔筛)进行碎石试配，由最大容重法确定级配，测得最小振实空隙率，确定粗集料级配比例；
2)根据设计强度，拟定单位水泥用量及水灰比；
3)根据振实空隙率，计算粗、细集料体积；
①选定工作性胶砂占填充振实空隙胶砂比例：根据经验，考虑到表面磨耗层厚度、细集料对粗集料的轻微干涉及胶砂充满保证系数三个因素，一般取40％左右。
②计算每方胶砂体积
每方胶砂体积＝(填充振实空隙胶砂体积+工作性胶砂体积)/(粗集料体积+填充振实空隙胶砂体积+工作性胶砂体积)
③计算粗、细集料体积
每方粗集料体积＝1-胶砂体积
每方细集料体积＝每方胶砂体积-水泥体积-水体积
4)根据粗、细集料密度，计算每方粗、细集料重量；
5)确定水泥混凝土初步配合比，结合试拌试验和强度试验，最后得出满足施工工作性和强度要求的设计配合比；
设计抗弯拉强度为5MPa的混凝土参数范围：使用9.5mm以上的碎石作为粗集料，砂的细度模数以2.7-3.0为宜；推荐砂率为29-32％；单方混凝土水泥用量在300-340kg/m3；单方混凝土用水量为130-150kg/m3。
所述碎石粒径为7.5mm-37.5mm。
进一步地，所述碎石粒径为9.5mm-31.5mm。
优选的，工作性胶砂体积为填充空隙胶砂体积的10～80％或者20～60％，特别优选40％。
粗集料将原规范中采用逐级填充的4.75mm-9.5mm一级剔除，其目的是为了增加空隙通道，减少阻尼作用，使胶砂在空隙内部流动顺畅，便于振捣密实。实际操作中，级配范围可根据砂的细度模数以及原材料粒径不同做适当调整。
通过找到界面过渡区存在的源由，自行研究发现一套固态内流理论，彻底颠覆了现有路用水泥混凝土抗弯拉强度的配合比设计方法和理论，为了保证碎石形成框架，不产生浮力效应，必须保证填充空隙胶砂和工作性胶砂的体积比值在1以上，克服了技术偏见。通过固态内流理论，确定碎石合适的最小粒径，保证胶砂在碎石框架结构内通畅流动，再配合合适的填充空隙胶砂和工作性胶砂的体积比，克服了因碎石重力下沉产生的薄弱界面过渡区，且能保证胶砂的流动性，彻底消除薄弱的界面过渡区。
有益效果：本发明相对于现有技术而言，具有以下优点：
1)提高强度。由于解决了因“浮力效应”形成薄弱的界面过渡区这一 根本性问题，抗弯拉强度较常规混凝土提高15％以上。
2)节约水泥。一方面，由于更多粗集料参与混凝土整体强度贡献，不是单一依靠砂胶强度，较常规能够节约水泥；另一方面，由于砂率相对较小，混凝土中胶砂总量较常规少，从而间接节约了水泥。
3)施工方便。由于克服了“浮力效应”，水灰比敏感性下降明显，施工过程中基本无泌水现象，质量控制简单方便。
4)节约外加剂。采用新型配合比设计的混凝土抗弯拉强度，已完全满足一般道路设计标准，并有一定富余；如添加减水、引气剂等外加剂，抗弯拉强度还能有一定提升。
附图说明
图1为本发明路面混凝土骨料形成框架结构示意图。
图2为传统路面混凝土骨料内部动态示意图。
具体实施方式
施工工艺
施工工艺与常规水泥混凝土相比，有两处略有不同，一是采用小型机具施工时，需增加一台小型挖掘机进行机械布料；二是需加强振捣。人工振捣时，一般按每米宽度内不少于1根规格为75mm插入式振捣棒布设，且振捣时间较常规水泥混凝土路面增加50％以上。其它施工工艺与常规的水泥混凝土路面无区别。
道路试验
根据室内试验研究结果，依托省道311定远段大修工程做了对比试验， 2007年和2008年分别施工了5公里，路面宽12米，混凝土面板厚度25cm，在人员、设备和原材料产地均不变的情况下，2008年与2007年相比，只调整了配合比，即：取消4.75-9.5mm一级粗集料，砂率由35％降为30％，将水泥用量的370公斤降为330公斤。经检测，尽管水泥用量减少，但抗弯拉强度却明显提高。
2008年试验路原材料
水泥：采用滁州产珍珠P.O42.5级水泥，密度为3100kg/m3；
粗集料：采用定远产粒径为9.5mm—31.5mm石灰岩碎石，密度为2700kg/m3；
细集料：采用明光池河中粗砂，细度模数为2.9，密度为2650kg/m3，
拌和用水：采用一般饮用水。
本实施例配合比设计步骤
1)选用粒径为9.5mm-19mm和19mm-31.5mm两种级配粗集料，按照最大容重法，确定最小振实空隙率及两种材料的级配。
方法：选用30L圆柱状容量桶，将两种粗集料按照3:7、2:8、4:6等不同比例混合后，装入容量桶，放置振动台振动密实，测得最大容重下对应的9.5mm-19mm和19mm-31.5mm粗集料最佳级配为28:72，同时计算出最小振实空隙率为39.2％。
2)根据JTG/TF30—2014《公路水泥混凝土路面施工技术细则》中规定最低水泥(PO42.5级)用量不得低于300kg/m3为基数，结合路面设计抗弯拉强度5.0MPa,初步选定水泥用量320kg，水灰比取常规值0.43，确定单位 用水量为137.6公斤。
3)确定粗、细集料体积
①选定工作性胶砂占填充振实空隙胶砂比例：根据经验，考虑到表面磨耗层厚度、细集料对粗集料的轻微干涉及胶砂充满保证系数三个因素，一般取40％左右。
②计算每方胶砂体积
混凝土中胶砂体积由填充振实空隙胶砂和工作性胶砂两部分组成。其中：填充振实空隙胶砂与最小振实空隙率相等，为39.2％；工作性胶砂占填充振实空隙胶砂的40％，通过换算，得出每方混凝土中胶砂体积。
每方胶砂体积＝(填充振实空隙胶砂体积+工作性胶砂体积)/(粗集料体积+填充振实空隙胶砂体积+工作性胶砂体积)
每方胶砂体积＝(39.2+39.2×40％)/(60.8+39.2+39.2×40％)
＝0.4744(m3)
③计算粗、细集料体积
每方细集料体积＝每方胶砂体积-水泥体积-水体积
＝0.4744-320/3100-137.6/1000＝0.2336(m3)
每方粗集料体积＝1-胶砂体积＝1-0.4744＝0.5256(m3)
4)计算每方粗、细集料重量
每方粗集料重量＝0.5256×2.7＝1419kg；
每方细集料重量＝0.2336×2.65＝619kg；
砂率＝619/(1419+619)＝30.4％。
5)根据各种材料数量比例，采用每方310kg、320kg、330kg三种不同水泥用量，经试验室试配混凝土强度，均满足设计要求，考虑实际施工，确定每方330kg的水泥用量。
6)结合现场试拌，在满足施工工作性的前提下，做适当调整。
表1 2008年新型配合比设计一览表
Figure PCTCN2015094283-appb-000001
2007年按现行规范施工的配合比，粗集料为4.75mm-31.5mm连续级配，经计算，工作性胶砂占填充振实空隙胶砂的125％。
表2 2007年普通配合比设计一览表
Figure PCTCN2015094283-appb-000002
2008年新配合比与2007年相比，工作性胶砂占填充振实空隙胶砂由原来的125％变成40％，新拌混凝土由液态特性变成固态特性，从而提高混凝土抗弯拉强度。
试验检测数据
混凝土抗弯拉强度
表3道路取芯平均强度试验结果汇总
Figure PCTCN2015094283-appb-000003
试验结果分析
①试验结果表明，新型水泥混凝土平均抗弯拉强度较普通型水泥混凝土提高了16.4％。
②从配合比组成上可以看出，新型水泥混凝土较普通型水泥混凝土可大量节约水泥，试验路较普通配合比可节约水泥15％左右。
③由于新型水泥混凝土中粗集料占的比例大，砂率较小，集料表面积小，使混凝土密度得到了提高，混凝土单位重由2400kg/m3提高到2500-2550kg/m3，其强度相应得到了提高，对提高混凝土耐久性非常有利。
④由于水泥和水用量少使混凝土板干缩性小，可减少路面微裂和断板的机率。
本项目还开展了新型与普通型水泥混凝土耐磨性试验、干缩性试验、抗渗性试验进行对比，结果表明，新型较普通型水泥混凝土耐磨性、抗渗性均有一定程度的提高，干缩性能较普通型水泥混凝土也有很显著的改善。道路试验
道路试用
1.滁州市路网改建工程
经过室内试验研究和试验路工程检验，证明本发明所提出的新型水泥混凝土配合比设计方法，不仅能够降低工程造价，而且还能有效改善水泥混凝土路用性能指标。2008年，按上述配合比设计方法实施滁州市路网改 建、大修工程76.3公里，主要路段的混凝土配合比、力学性能试验结果列于表4中。
表4滁州市路网改建工程主要路段水泥混凝土配合比与力学性能
Figure PCTCN2015094283-appb-000004
经过理论分析和室内试验之后，本发明所得到的研究成果在实际工程中进行了试用。
(1)依托省道311滁定路大修工程铺筑试验路。通过现场制样及实体工程取芯并测试性能，与普通配合比对照，验证了新型配合比混凝土的抗弯拉强度得到了显著改善。对运行一段时间后试验路的强度、平整度、构造深度等指标进行检测，得到的结果显示试验路运营效果较好。
(2)将本发明成果在滁州市路网工程中进行了试用。经过一段时间的跟踪检测发现所铺筑各标段路面运营效果均比较良好。从而证明本发明所提出的新型配合比设计方法，不仅能够降低工程造价，而且还能有效改善水泥混凝土路用性能指标。
经济效益分析
2008年，滁州市路网改建、大修工程共计8个水泥混凝土路面项目，总里程76.3km。与2007年同类工程相比，单方混凝土水泥用量由370-380kg减少至330kg，单方混凝土工程造价下降15元左右，共计节约水泥9500余吨， 节约工程建设资金约360万元。对各项目抗弯拉强度进行取芯检测，检测结果表明，芯样强度合格率100％，平均值在6.0MPa以上，所有芯样换算抗弯拉强度全部高于设计强度0.5MPa。
同时，本研究成果配制的路面混凝土，能延长工程使用寿命，从而减少后期维修费用，如延长10-20年，或减少1-2次维修，其经济效益十分显著。
由于采用新型配合比施工的水泥混凝土路面固态特性明显，坍落度小，更加适合于滑膜摊铺机大面积施工。另外，本发明成果将对其它工程(如市政工程、厂矿建设)产生影响并可能得到应用，都将产生更大的经济效益。
不同比例工作性胶砂混凝土强度见表5：
表5不同比例工作性胶砂混凝土强度试验表
Figure PCTCN2015094283-appb-000005
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

  1. 一种提高路用水泥混凝土抗弯拉强度的配合比设计方法，其特征在于：其方法依次包括以下步骤：
    1)选用粒径为7.5mm—37.5mm碎石进行试配，由最大容重法确定级配，测得最小振实空隙率，确定粗集料级配比例；
    2)根据设计强度，拟定单位水泥用量及水灰比；
    3)根据振实空隙率，确定填充空隙胶砂和工作性胶砂的体积，填充空隙胶砂是填充到粗集料振实空隙中的胶砂，工作性胶砂体积不超过填充空隙胶砂体积的80％；按照体积法确定砂率；
    4)确定水泥混凝土初步配合比，结合试拌试验和强度试验，最后得出满足施工工作性和强度要求的设计配合比。
  2. 根据权利要求1所述的提高路用水泥混凝土抗弯拉强度的配合比设计方法，其特征在于：所述碎石粒径为7.5mm-37.5mm。
  3. 根据权利要求2所述的提高路用水泥混凝土抗弯拉强度的配合比设计方法，其特征在于：所述碎石粒径为9.5mm-31.5mm。
  4. 根据权利要求1所述的提高路用水泥混凝土抗弯拉强度的配合比设计方法，其特征在于：工作性胶砂体积为填充空隙胶砂体积的10～80％。
  5. 根据权利要求4所述的提高路用水泥混凝土抗弯拉强度的配合比设计方法，其特征在于：工作性胶砂体积为填充空隙胶砂体积的20～60％。
  6. 根据权利要求1所述的提高路用水泥混凝土抗弯拉强度的配合比设计方法，其特征在于：设计抗弯拉强度为5MPa的混凝土参数范围：使用9.5mm以上的碎石作为粗集料，砂的细度模数为2.7-3.1；推荐砂率为29-33％；单方混凝土水泥用量在300-340kg/m3；单方混凝土用水量为130-150kg/m3。
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