公路混凝土配合比优化设计研究

公路混凝土配合比优化设计研究

张迎宾

陕西海嵘工程试验检测股份有限公司  陕西西安710086

摘要：对混凝土配合比进行调整，既能够改善施工质量，又可以赋予施工项目更加理想的经济性。近几年，该项工作逐渐引起了业内人士的重视，文章便以某公路项目为例，首先介绍了可能影响混凝土性能的因素，包括骨料、掺合料、水胶比等，其次总结了砼配合比的设计原则与注意事项，再次围绕优化配合比的策略展开了讨论，内容主要涉及改用混合砂、调整混合砂配比、优化砼配合比等方面，最后说明了配合比优化实效，希望能给人以启发，为日后公路施工的有序推进提供理论参考。

关键词：公路项目；施工用砼；配合比设计；优化策略

引言：混凝土质量、性能主要取决于配合比设计是否科学，要想使所配制混凝土具有良好实效性，关键是要对其配合比进行优化，在此期间应重视三方面内容，首先是保证配合比与现行规程相符，其次是配合比能够达到公路项目所制定性能标准，最后是按照该配合比所配制混凝土的经济性可满足施工预期水平。只有严格遵守上述原则开展配制混凝土的工作，才能使混凝土的优点得到充分发挥，在保证公路施工质量的同时缩短工期，促使公路尽快投入使用。

1研究背景

新时期，具有生态环保、计量准确和质量稳定等优势的混凝土已成为公路施工的主要材料，诸多单位均选择将配制混凝土的工作全权委托给专业厂商，先由厂商提前按照要求配制混凝土，待混凝土进场后，再由施工方使用混凝土完成施工。为保证预制混凝土能够直接用于公路施工，需对其配合比进行优化，在改善混凝土流动性、坍落度的同时，对配制成本加以控制，鉴于此，本文选择从配制混凝土的角度出发，围绕配合比展开讨论，希望能够通过改善混凝土质量与成本的方式，为项目方带来更为可观的社会、经济效益。

2砼性能影响因素

2.1骨料

在混凝土中，骨料通常作为骨架而存在。配制混凝土期间，应重点关注以下几点：首先，保证碎石粒径、洁净程度、压碎值符合要求，以免混凝土强度、耐久性受到影响。其次，明确骨料黏结性会直接影响混凝土对外力的抵抗能力，只有科学选用骨料，在保证骨料强度符合要求的前提下，加入适量胶凝材料，才能降低外力所产生影响，将混凝土变形的概率维持在较低水平。通常用压碎值代表骨料强度，碎石压碎值指标符合粗骨料三类分级的要求，卵石压碎值≤12%的骨料，才能用于公路施工用砼的配制[1]。最后，酌情选用细集料，灵活搭配不同种类砂料及小孔隙集料，使混凝土所表现出抗压能力达到预期。

2.2掺合料

混凝土可用矿物混合料的种类并不唯一，常用混合料包括矿渣、硅灰及粉煤灰等，上述混合料均具有改善混凝土密实度的作用。一般情况下，公路施工用砼均可选用双掺，简单来说，就是根据项目需求掺入适量混合料、外加剂，通过控制水泥用量的方式，降低项目成本，并解决混凝土常见的干裂问题。

2.3水胶比

研究指出，水胶比会给混凝土强度、耐久性产生直接影响，砼抗渗透性、整体强度及抗冻性均会随着水胶比的降低而增强，水化状态下，水泥需水量将大幅减少。由此可见，配制混凝土时，应重点关注水胶比给其性能的影响，既要避免水胶比过高，导致混凝土性能不理想，还要避免水胶比偏低，致使混凝土出现干裂或无法流动的问题，可通过掺入外加剂的方式，对混凝土流动性进行优化。

2.4其他因素

除上文所提及因素外，养护等环节的施工效果同样会给混凝土性能产生影响。养护期间，施工方应严格控制外界温度、空气湿度，一方面要避免温度过高，使混凝土内部水分大量蒸发，导致混凝土表面出现裂缝，另一方面要避免湿度不理想，使得水化速度、放热量与要求不符，进而影响混凝土整体强度。

3砼配合比设计原则与注意事项

实践经验表明，只有保证混凝土配合比科学，才能避免公路路面短时间内出现磨损、断板或其他问题。与静载结构砼相比，路面用砼对配合比所提出要求更为严格，因此，应准确掌握设计原则与注意事项，由此保证所设计配合比合理且具有实际意义。

3.1设计原则

3.1.1符合规程要求

近几年，有关部门先后颁布多项与混凝土设计相关的规程条例，为设计、优化配合比的工作提供了理论依据。要想使所配制商品砼强度达到预期，关键是要以抗压强度为参考，综合考虑现行规程所提出要求，对配合比加以调整[2]。

3.1.2达到性能标准

在设计配合比时，有关人员既要考虑设计标准，同时还要考虑性能标准，严格按照项目需求调整配合比，确保所配制商品砼具有良好的耐久性、和易性以及力学属性。其中，耐久性可以细分为抗腐蚀性、抗碳化性，和易性是指混凝土粘聚性、保水性、棍度，力学属性则涉及抗拉性、抗裂性、抗折性等方面。

3.1.3具有良好经济性

项目施工期间，施工方应做到以下几点：一是以现场情况为依据，合理选用配制施工用砼的原料，在先进理念的指导下，对原料配合比加以确定，控制项目成本，将项目施工给环境所产生影响降至最低。二是严格遵守就地取材、就近取材的原则，酌情掺入适量人工砂。三是以施工用砼等级为依据，对水泥类型加以确定，并根据水泥类型选用外加剂。

3.1.4科学选定原材料

项目使用的细骨料，则应优先选用中砂，这是因为细砂极易造成混凝土开裂的问题（如图1所示），影响项目质量。细砂+粗骨料的组合，通常要加入大量水泥，在提高造价的同时加剧混凝土干缩程度。如果项目计划使用掺和料，则需要设计方以现场情况、市场价格为依据，对掺和料种类进行选择，目前，公路施工常用掺和料种类有两种，分别是粉煤灰、粒化高炉矿渣粉，其中，粉煤灰具有良好的形态效应，可改善混凝土黏聚性，粒化高炉矿渣粉的优点包括流动性强、增强效果明显，应酌情加以应用。关于混凝土外加剂，公路项目通常需要用到缓凝减水剂，设计方应保证所选用外加剂减水率在15%~20%之间，且拐点减水率达标，只有这样才能保证外加剂与水泥兼容[3]。待选定材料的工作告一段落，便可以结合项目情况、施工需求，灵活使用既有工艺、方法对材料进行组合，确保所配置施工用混凝土具有良好的实效性与经济性。

图 1 砼路面开裂

3.2注意事项

3.2.1避免盲目设计

一方面，以设计图纸为依据，根据钢筋布局、构件规格确定石子粒径、水利种类，保证所配制混凝土强度、耐久性符合要求。另一方面，综合考虑项目机械化水平、施工方案和凝结要求，科学选用外加剂并对其用量加以调整。

3.2.2保证计算正确

设计配合比时，为保证计算结果正确，有关人员应深入剖析各项指标的关系，结合项目情况、施工用混凝土强度，对强度配比加以保证系数。

3.2.3重视试拌及调整

利用强制搅拌机试拌混凝土，确保搅拌量、拌合物性能、强度测试与行业现行规定相符。调整配合比的要点如下：首先是根据强度、水胶比之间存在的关系，对混凝土原材料初始用量进行确定；其次是结合基准配合比、试验强度，优化试验方案；最后是参考现场情况，对试验配合比进行转化，从而获得施工配合比。

4砼配合比优化策略

某公路全长50km，沿线共建有30座桥梁，桥梁总长度为10km，施工方将本项目划分成五部分，其中，路段①~③C20、C30及C50砼的用量分别在13万m³、25万m³、10万m³左右，隧道使用C25砼，用量在25万m²左右。出于提高施工质量、降低项目成本的考虑，设计方决定对砼配合比加以调整。

4.1优选原料

4.1.1水

不得直接使用未经处理的废水，既要保证水酸碱值合理，还要保证水所含硫酸盐、可溶/不溶物和氯化物、碱含量浓度达标。

4.1.2水泥

公路施工用砼对水泥所提出要求相对宽松，普通/中热硅酸盐水泥均可。

4.1.3骨料

混凝土所用骨料主要分为细骨料、粗骨料两种，针对不同种类骨料所提出要求往往有所不同，细骨料应满足以下要求：①级配科学、质地坚硬且表面洁净；②颗粒呈方圆形，除特殊情况外，均不应含活性骨料；③细度模数处于2.5~3.0之间[4]。粗骨料则应达到以下标准：①级配科学、质地坚硬且洁净；②针、片状颗粒含量不超过规范要求；③连续级配。

4.1.4掺合料

公路施工用砼可按照一定比例掺入粉煤灰、粒化高炉矿渣粉等，掺合料的掺量不得超过规范要求。

4.1.5外加剂

优选具有缓凝、引气和减水作用的外加剂，例如，DH9引气剂、DH3G聚羧酸减水剂。随后，根据减水率、现场环境和工期，确定外加剂用量。

4.2改用混合砂

实践经验表明，天然砂具有颗粒摩擦力小、圆润，需水量少，细颗粒占比小等优点，且和易性能够达到施工要求，但也存在单价高、抗压强度不理想等不足。人工砂在抗压强度、和易性方面的优势较为突出，此外，其还具有颗粒摩擦力大、表面尖锐、粗糙，需水量大，石粉占比较大等特点。本项目中，为确保施工用砼具有理想的施工性，在优化施工质量和效果的前提下，对施工成本加以控制，设计方决定放弃常规天然砂方案，改用人工砂与天然砂混合的做法。原方案规定项目施工用砼使用某厂家所提供中级人工砂，检测发现，该批人工砂石粉含量、级配均不符合项目要求，故决定优化制砂工艺，确保人工砂质量、级配达标。检测结果表明，混合砂中粒径≥4.75mm的颗粒占比约为1.9%~5.8%，该类颗粒占比过大，将给浆体包裹性产生不利影响，导致拌合物内部空隙无法得到充分填充。此外，粒径≤0.3mm的颗粒占比将给坍落度偏大的施工用砼的可泵性产生影响，本项目计划使用混合砂中，粒径≤0.3mm的颗粒占比约为24.7%~10.1%，出于保证骨料级配满足要求的考虑，设计方将人工砂、天然砂占比定为7:3[5]。

4.3调整混合砂配比

传统观念往往将设计配合比、计算配合比画上等号，实则不然，要想保证所设计配合比科学，关键是要先计算配合比，再结合检测结果对已确定配合比进行调整，确保原料占比科学，从而获得耐久度、经济性、工作性和整体强度达标的混凝土。由此可见，设计配合比的工作应分两步展开，第一步是粗算配合比，第二步是验证、调整配合比。对本项目而言，确定混合砂配合比后，技术人员应尽快着手试拌人工砂、天然砂、混合砂，并对三者所表现出性能、质量加以分析，相关参数见表1：

表 1 人工砂/天然砂/混合砂性能参数

现将分析所得出结论汇总如下：其一，水胶比为0.3时，三者的工作性存在明显区别，其中，天然砂所表现出工作性最为理想，混合砂次之，人工砂再次之。其二，等待1h后，人工砂的坍落度损失达到25mm左右，天然砂、混合砂的坍落度损失为0，由此可见，石粉会给混凝土黏聚性产生影响，混凝土可泵性、坍落度均会随着石粉占比的加大而发生变化。按照7:3的比例混合人工砂、天然砂，可获得颗粒形状给为理性的混合砂，并且随着石粉占比的减小，混合砂将表现出较单一人工砂更小的颗粒摩擦力和更低的需水量，水泥用量随之减少。与天然砂相比，混合砂的优点则主要表现为细颗粒占比加大、颗粒摩擦力增强以及整体抗压强度有所提高。综上，放弃仅使用天然砂的常规做法，改用混合砂，可最大程度满足公路施工要求。

4.4优化施工用砼配合比

本项目中，设计方计划使用聚羧酸减水剂对施工用砼的坍落度加以控制，将配制外加剂的工作全权交由专业厂家负责，要求厂家严格按照要求配制符合混合砂特点、项目情况的外加剂，确保1h内施工用砼的坍落度最大程度接近0。针对水胶比不同的情况，设计人员决定通过更改砂率的方式，对混凝土空隙率加以控制。最终检测结果表明，聚羧酸减水剂可直接用于水泥、混合砂的配制，在优化混凝土工作性的同时，降低项目施工难度。

5优化效果

在本项目中，设计方决定使用混合砂配制施工用砼，制梁环节，以经过优化调整的配合比为依据，对混凝土进行拌和，从而获得具有良好流动性、和易性的施工用砼。拆除梁体外侧模板后观察混凝土能够发现，混凝土表面较为光滑，未出现蜂窝麻面及其他常见问题，抗压强度能够达到施工技术要求。综上，按照优化后配合比所配制施工用砼，其强度较原方案所配制混凝土更为理想，质量波动处于可控范围，可以在公路施工领域大范围推广。

项目施工期间，应对以下几方面内容引起重视：一是严把原料质量关，通过随机抽检的方式，剔除不达标原料，以免不达标原料进场，给项目施工造成负面影响。如果条件允许，施工方可采购专业检测设备，对细集料所含氯离子浓度进行检测，避免由于集料含有大量海砂，致使施工用砼强度、耐久性受到影响。二是委派专人前往拌和站，对预拌混凝土的全过程进行实时监管，以设计混凝土配合比依据，根据集料含水率，调整用水量，确保混凝土具有符合项目要求的和易性、坍落度。三是有关人员应遵循称重原则，在该原则的指导下完成设计配合比的工作，灵活运用既有设备进行计量与拌和，确保计重误差始终处于可控范围，为商品砼质量提供有力保障。

结束语：综上，近几年，混凝土已在公路、建筑等领域得到广泛运用，要想使其所具有优点得到充分发挥，关键是要保证配合比设计合理。本项目中设计方以行业规程、性能标准为依据，彻底打破传统观念所带来桎梏，从解决公路施工所面临问题的角度出发，对施工用砼的配合比进行了调整，通过改用人工砂+天然砂的方式，在保证施工用砼质量、性能的前提下，使项目成本得到有力控制，具有一定的参考及借鉴意义。

参考文献：

[1]郑文元.基于最少浆体理论的地铁车站主体混凝土配合比优化及抗裂性能研究[J].福建建材,2022(10):12-16.

[2]万家瑞,李兆恒,谢亮,等.水工隧洞二次衬砌自密实混凝土配合比优化及其性能研究[J].广东建材,2022,38(09):1-5.

[3]吴贤国,陈虹宇,冯宗宝,等.基于随机森林-NSGA Ⅱ高性能混凝土耐久性配合比的多目标优化研究[J].材料导报,2022,36(17):115-121.

[4]刘郁,于兵华.东溪河特大桥钢管拱C60微膨胀自密实混凝土配合比设计数字量化与应用[J].江西建材,2022(08):33-35+38.

[5]王玉乾,刘磊,王进春,等.不同机制砂对混凝土工作性能的影响及改善措施[J].科技风,2022(20):76-78+124.