水泥混凝土材料特性与水泥混凝土路面结构材料组成设计1

水泥混凝土材料特性与

水泥混凝土路面结构材料组成设计交通运输工程

大纲水泥混凝土材料特性强度永久变形性能水泥混凝土路面结构材料组成设计原材料性能要求配合比设计的三大参数

路面混凝土的配合比设计配合比设计算例1.水泥混凝土材料特性水泥混凝土质量指标：a.强度指标

通常用的是龄期为7d的无侧限抗压强度。b.耐久性指标干湿循环试验或冻融循环试验测定。1.1强度特性影响水泥混凝土强度的因素有：

试件形状和尺寸龄期抗压和抗拉强度的经验关系（1）试件形状和尺寸抗压试件：150mm的立方体或直径150mm、高300mm的圆柱体抗弯拉试件：小梁试件15cm×15cm×55cm劈裂强度试件：150mm的立方体标准试件。标准弯拉试件采用三分点加荷，如果采用中点加荷，测定结果约比三分点加荷大154%≈200%。路面水泥混凝土弯拉强度标准值及相应抗压强度交通量分级分级特重重中等轻弯拉强度标准值（MPa）相应抗压强度（MPa）533.85384.533428混凝土劈裂抗拉强度F——破坏荷载，N；A——试件劈裂面面积，㎜²注：关于劈裂抗拉强度与标准试件抗压强度间的关系道路水泥混凝土的抗折强度是以梁标准试件，在标准养护28d后，按三分点加荷方式测定其抗折强度，F——破坏荷载，N；

——支座间距，mm；

b——试件宽度，mm；

h——试件高度，mm。注：如果为跨中单点加荷方式，换算系数为0.85（2）龄期混凝土的强度随龄期而增长，通常采用的28d龄期强度约为其最终强度的70%左右。普通水泥制成的混凝土，标准养护下，混凝土强度与龄期的对数成正比关系。（注：n≧3）（3）抗压和抗拉强度的经验关系当混凝土组成材料一定时，混凝土各强度之间有一定的关系。当无法直接测定时可参照下表。强度种类符号混凝土强度等级C7.5C10C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60轴心抗压抗拉抗折fcpftsfcs50.75—6.70.9—101.2—13.51.5—171.754.02024.523.52.255.0272.455.529.52.6—322.75—342.75—362.95—1.2永久变形性能水泥混凝土的变形可分为非荷载型变形和荷载型变形。非荷载型变形主要是由混凝土内部及环境因素引起的各种物理化学变化产生的变化；荷载型变形是混凝土构件在受力过程中，根据自身特定的结构关系产生的变形。非荷载型变形a）塑性收缩

拌合物成型后，固体颗粒下沉，表面产生沁水而使混凝土体积减小。可能收缩值为1%，在大体积混凝土中，有可能产生收缩裂缝。b）化学收缩化学收缩量是随混凝土硬化龄期的延长而增加，大致与时间对数成正比，一般在混凝土成型40d内增长较快，以后趋于稳定。c）干缩变形

混凝土的干缩变形与水泥品种、水泥用量和用水量有关。采用矿渣水泥、高强度水泥收缩量较大，水泥用量多或水灰比大者收缩量也比较大。

荷载型变形

包括短期荷载作用下的变形，长期荷载作用下的变形。在恒定荷载的长期作用下，塑性变形不断增加，一般要延续2~3年才趋向稳定。混凝土在受拉、受压、受弯时都会产生徐变。影响徐变值的因素有荷载大小及持续时间、材料组成、混凝土受荷龄期、环境条件（温度和湿度）等许多因素。混凝土的弹性模量较大时徐变较小。2.水泥混凝土路面结构材料组成设计定义：混凝土以水泥为胶结材料，用普通砂石为集料，按设计的配合比，加水经搅拌、成型、养护而得到的复合材料。

为了改善工艺或力学性能，可掺入各种外加剂或比较细的矿质掺合料。2.1路面混凝土的原材料性能要求路面混凝土混合料主要由水泥、粗集料、细集料、水和外加剂组成。（1）水泥

水泥是混凝土的胶结材料。混凝土性能也在很大程度上取决于水泥的质量。水泥强度等级和品种的选择应根据交通等级所要求的设计抗折强度来确定。各交通等级路面的水泥强度等级水泥的品种可采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和道路硅酸盐水泥，中等及轻交通路面也可采用矿渣硅酸盐水泥。交通等级水泥强度等级（MPa）特重52.5重、中等、轻42.5（2）粗集料混凝土的粗集料应由质地坚硬、耐久、洁净、符合规定级配的碎石或砾石组成。

粗集料一定的强度足够的坚固性良好的级配碎石的强度可用岩石的抗压强度和压碎值表示。坚固性可用硫酸钠溶液法检验，按现行规定，在严寒、寒冷地区室外使用，并经常处于潮湿或干湿交替状态下的混凝土，经5次循环后质量损失应≦12%。（3）细集料

混凝土用细集料是由质地坚硬、耐久洁净、符合规定级配、细度模数在2.5以上的天然砂、石屑组成；在条件不足的情况下也可使用特细砂或机制砂。注：细集料级配应与所用的粗集料级配所组成的矿质混合料一并考虑。细集料标准级配范围级配分区筛孔尺寸（mm）圆孔方孔1052.51.250.600.300.15通过百分率（以质量计）（%)Ⅰ区10090~10065~9535~6515~295~200~10Ⅱ区10090~10075~10050~9030~598~300~10Ⅲ区10090~10090~10075~9060~8415~450~10Ⅰ区砂：粗砂Ⅱ区：中砂和部分较粗细砂Ⅲ区：细砂和部分偏细中砂（4）水

用于拌合混凝土及养生所用的水，不应含影响混凝土质量的油、酸、碱、盐类及有机物等。饮用水；非饮用水必须符合下列要求：1、硫酸盐含量（按SO4-2计）小于2.7mg/cm3；2、含盐量不超过5mg/cm3；3、PH值大于4。2.2混凝土配合比设计的三大参数三大主要参数：

水灰比砂率单位用水量水灰比

水灰比是决定混凝土强度和密实性的主要因素，同时还影响着混凝土的抗渗性、抗冻性、抗蚀性、抗碳化性能。

在水泥用量一定的条件下，用水量越少，混凝土强度越高，密实性和耐久性越好。注：水灰比一般通过建立强度与水灰比关系曲线的方法求得，条件不足时可采用相关经验公式求算水灰比。

砂率

定义：混凝土中砂的质量占砂石总质量的百分率。混凝土中砂率的变化可导致集料的空隙率和总表面积的变化，混凝土拌合物的工作性亦随之变化。

定义：混凝土在一定的用水量和水泥用量的条件下，能使拌合物获得最大的流动性，并能保护良好的粘聚性和保水性的砂率。

测定：按选定的水灰比，保持水泥用量不变，在其他条件相同的情况下拌制数种不同砂率的拌合物，并测定其坍落度（应在2-10cm范围内），其中坍落度最大的拌合物所用的砂率即为最佳砂率。最佳砂率单位用水量单位用水量决定了混凝土的水泥用量，直接影响着混凝土的经济性。单位用水量可根据所用砂石情况和坍落度值等并结合水灰比的大小参照有关表格或经验值选用。混凝土四组分之间的关系及确定原则水水泥砂石水泥浆集料满足各项技术并符合经济原则确定水灰比原则：在满足强度、和易性要求下取较大值确定砂率原则：在满足和易性要求下取最小值确定单位用量原则：在符合坍落度要求下取较小值三参数对混凝土技术性能的影响水灰比用水量砂率强度耐久性工作性2.3

普通路面混凝土的配合比设计混凝土配合比设计前应确定的参数混凝土配合比设计原则及步骤混凝土配合比设计方法

混凝土配合比前应确定的参数（1）混凝土的强度要求——强度等级；（2）所设计混凝土的稠度要求—坍落度或维勃稠度值；（3）所使用的水泥品种、强度等级及其质量水平，即强度等级富余系数；（4）粗细集料的品种、最大粒径、细度以及级配情况；（5）可能掺用的外加剂或掺合料（6）除强度及稠度以外的其他性能要求。维勃稠度的测试方法：将混凝土拌合物按一定方法装入坍落度筒内，按一定方法捣实，装满刮平后，将坍落度筒垂直向上提起，把透明圆盘转到混凝土截头圆锥体顶面，开启振动台，同时计时，记录当圆盘底面布满水泥浆时所用时间，超过所读秒数即为该混凝土拌合物的维勃稠度值。

此方法适用于骨料最大粒径不超过40mm，维勃稠度在5～30s之间的混凝土拌合物的稠度测定。混凝土配合比设计原则

按所采用的材料定出既满足强度、稠度和其他技术要求，又能获得经济合理的混凝土各组成部分的用量比例。普通混凝土的配合比设计步骤a.按强度要求确定水灰比值；b.按稠度要求及集料情况确定用水量值，并计算出每立方米混凝土的水泥用量；c.按原材料情况及所算出的水灰比值，经试验或经验选取合理砂率值；d.按假定容重法或绝对体积法计算出每立方米混凝土中的粗细集料含量；e.以算得的混凝土配合比为基础进行试拌及试验，并根据试验结果调整配合比。对于掺用外加剂的混凝土配合比设计，则必须注意以下问题：

（1）外加剂能改变混凝土的流动性，故应相应调整水及水泥用量；（2）混凝土掺外加剂后28d龄期必须满足试配强度；（3）有些外加剂有缓凝作用，早期强度发展比较缓慢，对有早期强度要求的混凝土在选择外加剂时应作考虑。路面混凝土的配合比设计方法（1）计算初步配合比①确定配制强度

k—系数，施工水平较好者k=1.10，一般者取1.15.

为混凝土设计抗弯拉强度。②计算水灰比（w/c）根据已知的混凝土配制抗弯拉度和水泥的实际抗弯拉强度就可得到灰水比，然后可计算为水灰比，即为混凝土拌合物的水灰比。fcef—水泥实际抗弯拉强度，MPac/w—灰水比。注：路面混凝土水灰比一般为0.40—0.50.③计算单位用水量（mwo)

混凝土拌合物每1m3的用水量（kg）：H—混凝土拌合物坍落度，cmβs—砂率，%；参照下表来决定。水灰比碎石最大粒径卵石最大粒径204020400.4029~3427~3225~3124~300.5032~3730~3529~3428~33④计算单位水泥用量（mco）混凝土拌合物每1m3的用水量（kg）按下式计算：⑤计算砂石材料单位用量（mso、mco）（2）试拌调整，提出基准配合比试拌：取施工现场实际材料配制0.03m3混凝土拌合物；测工作性：测定坍落度（维勃稠度），并观察粘聚性和保水性；调整配比：若流动性不符合要求，在水灰比不变情况下，增减水泥浆用量；若粘聚性和保水性不符要求，调整砂率；提出基准配合比。（3）强度测定，确定试验室配合比制备抗弯拉强度试件，进行抗弯拉强度测定，确定符合要求、经济合理的试验室配合比。（4）换算工地配合比根据现场材料材质、砂石材料颗粒表面含水率，对理论配合比进行换算，最后得出施工配合比。2.4配合比设计算例已知某道路交通等级属中等交通，根据混凝土路面设计规范，混凝土的设计弯拉强度fcf,k为4.5MPa；要求施工坍落度H=10~30mm。组成材料的性质如下：（1）水泥：42.5级普通硅酸盐水泥，实测水泥胶砂抗弯强度，密度（2）碎石：原岩为石灰岩,属一级石料，碎石最大粒径dmax=40mm，饱和面干密度（3）砂：河砂，粗度属中砂，饱和面干密度试设计混凝土配合比。解：（1）确定抗弯拉强度（混凝土配制抗弯拉强度）（2）计算水灰比（碎石混凝土）故w/c=0.45，（规定路面混凝土水灰比不大于0.5，符合要求）(3)确定砂率水灰比为0.45，碎石最大粒径为40mm，故查表取砂率（4）计算