基于极差法的路面混凝土配合比优化设计

常 虹，陶子程

(吉林建筑大学 测绘与勘查学院，长春 130118)

基于极差法的路面混凝土配合比优化设计

常 虹，陶子程

(吉林建筑大学 测绘与勘查学院，长春 130118)

合理的大流动度混凝土配合比设计，对在连续冲击荷载下提高其韧性和抗冲击性能起重要的作用.从水胶比、粉煤灰掺量、砂率三个因素进行正交试验来对大流动度路面混凝土配合比进行设计，用极差法分析其坍落度、抗折、抗压强度，得出最佳配合比.

大流动度路面混凝土；配合比；水胶比；砂率；极差法

1 配合比设计要求

大流动度路面混凝土的配合比设计需要满足《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30-2014)[1]的设计要求，具体如下.

1.1抗折强度

本次试验设计混凝土强度等级C35、抗弯拉强度5.0 MPa.

1.2最小单位用水量

为了提高路面混凝土的抗压、抗折强度和抗冲击性能，适当加入一定量的高性能减水剂，在符合坍落度、和易性等要求的前提下，用最小单位用水量能达到稳定体积、经济性可行混凝土的配制要求.

1.3最小水泥用量定律

水泥用量过多混凝土早起水化放热大、混凝土内外形成的温度差就会变大，从而导致混凝土收缩开裂现象比较严重，并且混凝土的密实性也会降低.所以在保证强度和抗冲击性能达到要求的情况下，尽量的减少水泥的用量.

1.4运输性能

混凝土在搅拌站搅拌好之后运送到施工现场进行路面成型，在运输途中可能会出现离析、表面硬化的现象，因此要选择用罐车对大流动度混凝土进行运输来避免以上病害的出现.

1.5保证坍落度

为减少单位用水量，提高抗压、抗折强度，掺加一定量的高性能减水剂，由于它的吸附、分散和润滑作用，使路面混凝土拌合物的稠度增加，流动性能得到了一定的提升，随之混凝土拌合物的坍落度也增大：但是随着时间的推移，水泥颗粒逐渐的水化，水泥熟料矿物吸附减水剂分子，从而使坍落度变小，称为坍落度[2]损失.

1.6经济性能

现代混凝土最需要考虑的因素就是成本，本着节约资源、减少成本的态度、遵循可持续发展观念，使大流动度路面混凝土更加高效的运用到社会建设中去.

2 配合比计算

本文探讨内容是通过一般混凝土配合比的基础上，通过实验、经验和理论对一些数据参数分析研究补充得到的.

2.1 28d配制强度

根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)[3]中规定混凝土设计强度小于C60，配制强度按照式(1)计算：

fcu ,0≥fcu,k+1.645σ

(1)

2.2水胶比(W/B)的确定

过大的水胶比会是混凝土水化后残余的游离水挥发会使混凝土强度不足和抗冲击性能不强，空隙率增加，密实度随之减小.相反过小的水胶比，水泥颗粒不能完全的水化，残留的水泥颗粒会在混凝土中继续水化影响混凝土构件的体积稳定性.因此，水胶比的确定是大流动度路面混凝土配合比设计的关键.

按照《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30-2014)，水泥混凝土路面的水胶比可按式(2)计算：

(2)

根据《公路水泥混凝土路面施工技术细则》 各级公路面层水泥混凝土的最小水泥用量和最大水胶比的要求，最大单位水泥用量不宜大于420 kg/m3，使用掺合料时，最大胶凝材料总量应不大于450 kg/m3.

2.3砂率

通过石子最大粒径、设计坍落度、砂的细度模数等来选择砂率，并且参照表1规定，并结合混凝土的工作性要求选取.

表1路面水泥混凝土的砂率取值范围

砂的细度模数2.2～2.52.5～2.82.8～3.13.1～3.43.4～3.7砂率/%30～3432～3634～3836～4038～42

3 正交试验

随着大流动度混凝土的广泛运用，影响大流动度混凝土配合比的因素有很多，本文选择水胶比、矿物掺合料粉煤灰的加入量及砂率这三个因素进行试验分析研究.

3.1正交试验设计方案

在查阅大量文献后本文选择影响大流动度路面混凝土的三个因素是水胶比、矿物掺合料粉煤灰的加入量和砂率(砂在砂石中的比例)这三个因素[4]，再选择三个水平来进行正交试验研究.

3.1.1 水胶比

根据28天配置弯拉强度和28 天水泥抗折强度来计算水胶比，并根据《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30-2014)路面混凝土对水胶比的要求，确定水胶比的三个水平：0.40、 0.42、 0.44.

3.1.2 粉煤灰掺量

根据《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30-2014)对粉煤灰掺量的规定，并查阅相关资料，为使试验具有对比性，选择最终的粉煤灰掺量： 0、10%、20%.

3.1.3 砂率

根据混凝土设计坍落度、碎石最大公称粒径、混凝土设计强度、砂的细度模数等[5]最终确定砂率的三个水平：37%、40%、43%.

表2大流动度路面混凝土正交试验因素水平表

因素水胶比粉煤灰掺量/%砂率/%ABC10.4003720.42104030.442043

根据正交试验安排的正交表将试验因素组合得到表3.

表3正交试验表

序号水胶比粉煤灰掺量/%砂率/%ABC1(A1B1C1)0.400372(A1B2C2)0.4010403(A1B3C3)0.4020434(A2B1C2)0.420405(A2B2C3)0.4210436(A2B3C1)0.4220377(A3B1C3)0.440438(A3B2C1)0.4410379(A3B3C2)0.442040

根据正交试验安排表对九组混凝土进行拌和并测试拌合物坍落度、坍落度拓展度、3天、28天抗折、抗压强度，其试验结果见表4.

表4正交试验结果

因素水胶比粉煤灰掺量/%砂率/%坍落度/mm坍落拓展/cm抗折强度/MPa抗压强度/MPa3d28d3d28d10.40037155355.907.2132.2942.8320.401040182475.266.9329.3948.5930.402043171385.327.0129.0145.1040.42040164385.116.5628.2642.6250.421043162354.967.1130.1244.5560.422037176424.666.9627.4245.0370.44043179494.115.6626.4440.2180.441037192533.965.5024.3239.2590.442040188523.075.3921.2336.31

采用极差分析法分析以上数据，结果见表5.图1

表5坍落度极差分析表

序号坍落度分析/mm水胶比粉煤灰掺量/%砂率/%ABCK1508498523K2502536534K3559535512K1均值169.33166174.33K2均值167.33178.67178K3均值186.3178.33170.67R1912.677.33

图1 坍落度分析图

图2 3天抗弯拉强度分析图

通过对正交试验结果和塌落度极差比较可以看出R1>R2>R3，从而得到坍落度影响程度大小排序分别是:水胶比>粉煤灰掺量>砂率.

通过对3天抗压抗折强度极差和强度图对比分析，见图2、3表6.得出对抗压抗折强度影响大小排序是：水胶比>粉煤灰掺量>砂率，由于粉煤灰的三大效应，粉煤灰提供强度是由于与水泥水化后的氢氧化钙作用生成絮凝状的物质填充空隙，从

表63天抗压抗折强度极差分析表

序号3天抗折强度/MPa3天抗压强度/MPa水胶比粉煤灰掺量/%砂率/%水胶比粉煤灰掺量/%砂率/%ABCABCK116.4815.1214.5290.6986.9984.03K214.7314.1813.4485.883.8378.88K311.1413.0514.3971.9977.6385.57K1均值5.495.044.8430.2329.0028.01K2均值4.914.734.4828.627.9426.29K3均值3.714.354.8024.0125.8828.52R1.780.690.366.223.122.23

图3 3天抗压强度分析图

而提高混凝土的密实结构，但在初期粉煤灰水化过程缓慢，其在早期强度上的影响不大[4].

图4 28天抗弯拉强度分析图

表728天抗折抗压极差分析表

组数因素28天抗弯拉强度(MPa)28天抗压强度(MPa)水胶比粉煤灰掺量/%砂率/%水胶比粉煤灰掺量/%砂率/%ABCABCK121.1519.4319.67136.43125.66127.11K220.6319.5918.88132.2132.39127.52K316.5518.5419.78115.77126.35129.77K1均值7.056.486.5645.4841.8942.37K2均值6.886.536.2944.0744.1342.51K3均值5.526.186.5938.5942.1243.26R1.530.350.36.892.240.89

图5 28天抗压强度分析图

通过对28天抗压抗折强度极差和强度图对比分析，得到28天抗弯拉、抗压强度的影响程度大小排序是：水胶比>粉煤灰掺量>砂率.见图4、5、表7.

4 试验结果分析

综合水胶比、粉煤灰掺量、砂率这三个因素对

坍落度、3天、28天抗折、压强度的影响，得出对大流动度路面抗弯拉、抗压强度的影响程度大小排序是：水胶比>粉煤灰掺量>砂率.

[1] 中国建筑科学研究院. JTG/T F30-2014公路水泥混凝土路面施工技术细则[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2014.

[2] 王 飞. 基于水下灌注用混凝土坍落度损失成因及解决措施分析[J].江西建材，2014(4): 69.

[3] 中国建筑科学研究院. JGJ55-2011普通混凝土配合比设计规程[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2011.

[4] 宋少民, 王 林. 混凝土学[M]. 武汉: 武汉理工大学出版社, 2013.

[5] 郝成伟，钱红梅. 60～80MPa大流动度混凝土配合比试验研究[J].工业建筑, 2003, 33(8): 19-20.

Mixproportiondesignofconcretepavementbasedonrangemethod

CHANG Hong, TAO Zi-cheng

(School of Surveying & Prospecting Enggineering, Jinlin University of Architecture, Changchun 130118, China)

The reasonable design of lagre flow concrete mix proportion contributes to improving its toughness and impact resilience under the continuous impact load.In this paper,the orthogonal tests were conducted through water to binder ratio,fly ash mixed and sand ratio to design the concrete mix ratio of pavement with high fluidity,so the optimum mixing ratio will be obtained through the analysis of its slump,flexural strength,compressive strength with the range method.

large flow pavement concrete; mix proportion; water binder ratio; sand coarse aggregate ratio; range method

2016-11-02.

常 虹(1973-)，女，博士，副教授，研究方向：岩土工程.

TU528

A

1672-0946(2017)05-0599-04