路面普通水泥混凝土配合比设计

1、路面普通水泥砼 配合比设计霍曼琳 教授兰州交通大学土木工程学院知识培训9/29/20221第一部分 概 述9/29/20222砼的分类、特性与应用补充知识9/29/202239/29/202249/29/202259/29/202269/29/202279/29/20228路面普通水泥砼配合比基础知识配合比设计的适用范围1.滑模摊铺机2.轨道摊铺机3.三辊轴机组4.小型机具适用于四种施工方式：9/29/20229配合比设计的任务 包括两个方面：选料按照道路工程的设计要求和施工条件，以及原材料的技术性能，选择适合制备所需砼的原材料；配料根据道路设计中指定的砼性能（包括弯拉强度、工作性、耐久性等）

2、和经济的原则，确定砼各组成材料的最佳比例关系和用料量。9/29/202210砼配合比设计的基本要求满足砼结构设计弯拉强度的要求；满足砼施工工作性的要求；满足工程所处环境耐久性的要求；符合经济原则少用水泥（价高），尽可能采用当地材料和工业废料（如粉煤灰等）。9/29/202211（1）（1）（2）见表（1）。9/29/202212（1）JTG D40-2002公路水泥砼路面设计规范9/29/202213（2）9/29/202214（3）（3）9/29/202215砼强度的波动规律正态分布在正常施工条件下，对同一种砼进行系统的随机抽样测试，结果表明，其试件强度的波动规律符合正态分布。试件砼强度横坐

3、标，某一强度出现的概率纵坐标 强度概率分布曲线（补图1）。曲线特点：补充知识9/29/202216补图1 砼强度的正态分布曲线 9/29/202217曲线呈钟形，最高峰为砼平均强度的概率。以平均强度为对称轴，左右两边曲线对称。试件强度愈接近平均强度，出现的概率愈大；离对称轴愈远，出现的概率愈小，并逐渐趋于零。曲线和横轴之间的面积为概率的总和，等于100%。在对称轴两侧的曲线上各有一个拐点。两拐点之间的曲线向下弯曲，拐点以外的曲线向上弯曲。并以横坐标为渐近线。 强度概率分布曲线窄而高，表明强度测定值比较集中，波动小，砼的均匀性好，施工水平较高。曲线矮而宽，表明强度测定值离散程度大，砼的均匀性差，

4、施工水平较低。见补图2。 9/29/202218 补图2离散程度不同的两条强度概率分布曲线 9/29/202219砼强度的统计参数及质量均匀性 用强度平均值 cu和强度标准差两个统计参数描述呈正态分布的强度概率。强度平均值反映砼总体强度的平均水平，但不能反映砼强度的波动情况。强度标准差是强度概率分布曲线上拐点与强度平均值的距离。愈大，曲线又矮又宽，说明强度离散程度愈大，砼的均匀性愈差。补充知识9/29/202220对同一批砼，在某一统计期内连续取样制作 n 组试件（n25，每组 3 块），测得第 i 组试件的立方体抗压强度代表值为fcu,i。 强度平均值为n 组试件抗压强度的算术平均值，计算式

5、： （补1）9/29/202221n 组试件抗压强度的标准差 （又称均方差）。计算式：（补2）9/29/202222由于在相同生产管理水平下，砼的强度标准差会随平均强度水平的提高而增大，故平均强度水平不同的砼之间质量稳定性的比较，可用统计参数变异系数Cv表示。Cv值愈小，说明砼质量愈均匀。Cv 计算式： 从生产和使用的角度考虑，希望砼强度的波动较小，质量较均匀，故要求或Cv较小。反之，则表明砼质量较差。在施工质量控制中，可用或Cv作为评定砼质量均匀性的指标。（补3）9/29/202223说明： 因为水泥砼路面要求的抗折强度高，所以水泥的强度等级要求不低于级。9/29/202224（4）（4）9

6、/29/202225（5）（5）9/29/202226（6）（6）9/29/202227（7）9/29/202228（7）9/29/202229 水泥砼路面耐久性改善措施耐久性是水泥砼路面需重点考虑的性能。包括路面在长期使用过程中能否抵抗水压力、温度变化以及各种侵蚀性介质的作用，保持其强度和表面完好性等。路面破损有水的渗透、冻融循环造成的表面剥落、收缩开裂、碱骨料反应引起的裂缝以及钢筋砼中的钢筋生锈造成的表面剥落、开裂等破坏形式。补充知识9/29/202230砼本身的密实程度、孔结构是影响耐久性的重要因素。砼是多孔、多相、非均质复合材料，内部存在着许多连通孔隙、微裂缝等结构缺陷，这种缺陷数量越

7、多，水分和各种侵蚀性介质越容易渗透到内部，将对水泥凝胶体造成溶蚀及其它化学侵蚀，同时，对抗冻性也不利。 提高水泥砼的密实程度是提高路面耐久性的重要措施。9/29/202231水泥砼路面变形性能和抗冻性的改善方法加入引气剂，使砼中微小、独立、封闭的孔隙含量大约达到4%6%，可在某种程度上降低砼的脆性。各国大多加入粉煤灰，掺量为胶结材料的20%40%。优质的粉煤灰是球形的微粒，可改善砼的和易性，使砼干燥收缩小，并可降低早期水化热，减小温度裂缝，有抑制碱骨料反应的效果，可改善路面砼的不透水性和化学稳定性。虽然掺粉煤灰后可能降低砼早强，但其火山灰反应可使长期强度增加。 粉煤灰是一种理想的路面砼矿物外加

8、剂。补充知识9/29/202232配合比设计参数及其确定原则砼配合比设计表面上是通过计算来确定各项基本组成材料的用量，实质上是根据组成材料的情况，确定水泥、水、砂和石子用量之间的比例关系配合比的三个参数。三个参数与砼各项性能密切相关。正确地确定，能使砼满足对其质量的基本要求。9/29/202233配合比参数的确定原则水灰比 水与水泥间的比例关系。当组成材料一定时，对砼强度和耐久性起关键性作用。在满足强度与耐久性要求的前提下，尽量取较大值。单位用水量 指1 m3砼的用水量，反映水泥浆与骨料间的比例关系（浆集比）。当W/C一定时，是控制砼拌合物流动性的主要因素。在满足流动性的前提下尽量取较小值。砂

9、率 砂与石子间的比例关系。对砼拌合物的和易性，特别是黏聚性和保水性有很大影响。在满足黏聚性要求的前提下尽量取较小值。9/29/202234配合比设计的算料基准计算1 m3砼中各材料的用量，以质量计。计算时，骨料以自然风干状态质量为基准。 自然风干状态：细骨料含水率1.0%， 粗骨料含水率 0.5%。9/29/202235配合比的表示方法方法一 按1 m3砼中各项材料的质量表示，如：水泥336 kg，砂654 kg，石子1 215 kg，水195 kg；FDN 1.0%。方法二 按各项材料间的质量比（以水泥质量为1）表示。将上例配合比换算成质量比即为：水泥砂石子，水灰比。 ；FDN 1.0%。9

10、/29/202236砼配合比设计的资料准备了解路面工程不同结构部位设计要求的砼强度等级确定砼配制强度。了解工程所处环境对砼耐久性的要求，如抗渗等级、抗冻等级、耐磨性、耐腐蚀性等确定砼的最大水灰比和最小水泥用量。 了解结构构件断面尺寸及配筋情况，在工程中所处部位、施工条件等确定砼骨料的最大粒径。了解砼施工单位的施工方法及管理质量水平选择砼拌合物坍落度及砼强度的标准差。9/29/202237掌握原材料的性能指标。 水泥品种，强度等级及实测强度，密度； 砂、石骨料种类，视密度，级配，含水率，石子的最大粒径等，砂的细度模数等； 拌和与养护用水来源与水质情况； 外加剂品种、性能、适宜掺量； 掺合料粉煤灰

11、、矿渣、硅粉等。9/29/202238砼配合比的设计步骤 实验室配合比初步配合比 基准配合比 施工配合比调整坍落度校核强度、耐久性扣减工地砂石含水量9/29/202239第二部分 选 料9/29/202240水泥品种与品质（8） 水泥是砼中最重要的组分，既要把骨料粘结在一起，还必须自身硬化后具有足够的强度以承受荷载。骨料能否发挥作用，与胶凝材料本身强度和粘结力有很大关系。9/29/202241（9）（8）（9）9/29/202242（8）9/29/202243（9）9/29/202244续表（9）9/29/202245关于小水泥的使用地方小水泥在凝结硬化过程中可能出现体积安定性不良，会使水泥砼

12、路面板产生危险的裂缝，所以对小水泥的利用应持慎重态度。特别是在不能保证施工质量的情况下，用小水泥修建砼路面，更易出现问题。采用复合式水泥砼路面结构，即面层采用优质水泥，下层采用安定性较差的水泥，按结合式施工方法进行，这样既可利用当地水泥，同时也能保证水泥砼路面的强度。 补充知识9/29/202246矿物掺合料砼掺合料是为改善砼拌合物以及硬化砼的性能、同时节约水泥而加入的天然的、人造的或工业废渣矿物细粉材料。分为活性及非活性两种，活性矿物掺合料多用。活性矿物掺合料绝大多数来自工业固体废渣，主要成分为SiO2和A12O3，在碱性或兼有硫酸盐成分存在的液相条件下，可发生水化反应，生成具有固化特性的胶

13、凝物质。被称为砼的“第二胶凝材料”或辅助胶凝材料。 补充知识9/29/202247活性矿物掺合料用于砼中不仅可以取代水泥，节约成本，而且可以改善砼拌合物的和易性和抗离析性，提高硬化砼的密实性、抗渗性、耐腐蚀性和强度。目前，在调配砼性能以及配制大体积砼、高强砼和高性能砼等方面，掺合料已成为不可缺少的组成材料。同时，掺合料的应用，对改善环境、减少二次污染，推动可持续发展的绿色砼，具有重要的意义。常用的砼掺合料有粉煤灰、粒化高炉矿渣粉和硅灰。9/29/202248矿物掺合料对砼的改性机理三个方面：火山灰效应 矿物外加剂具有很大的细度和无定形SiO2，化学活性很高，掺入水泥中可迅速与水泥水化物Ca(O

14、H)2起二次反应，生成强度更高、耐久性更好的低钙硅比的C-S-H，从而使水泥石中的游离Ca(OH)2数量减少、尺寸缩小，分散度提高，同时C-S-H凝胶大大增加。 补充知识9/29/202249改善了水泥石的孔结构 超细的矿物外加剂颗粒可填充到水泥颗粒间的空隙中，大大提高砼的密实度，而二次反应物C-S-H凝胶可沉积在矿物超细粉巨大的表面上并伸入进细小孔隙中，使水泥石的孔结构发生较大变化，水泥石的密实度显著提高。 9/29/202250改善了水泥浆体和骨料界面结构 浆-骨界面是砼内孔隙最多、 结合最薄弱的区域，也是受力时应力最集中区及外来介质渗透的通道。由于超细粉颗粒细小，可吸附大量自由水，减少了

15、砼的泌水，也就减少了自由水在界面上的聚集，使界面区结构密实化。另外由于Ca(OH)2被大量消耗，减弱了其定向排列，难以形成大孔网状结构，使浆骨界面过渡区变薄，硅粉与Ca(OH)2反应的水化产物填充界面区孔隙，因而界面结构得到改善，水泥浆和骨料粘接力增强。9/29/202251粉煤灰磨细矿渣、硅灰（10）（10）9/29/202252（10）需水量比指水泥粉煤灰7030的水泥粉煤灰砂浆与纯水泥砂浆在达到相同流动度时需水量之比。9/29/202253粉煤灰的分类 收尘方法静电收尘灰颗粒细、质量好机械收尘灰颗粒粗、质量差干排灰湿排灰含水量大，活性降低较多，质量不如干排灰 排放方式再加工形式（为改善粉

16、煤灰品质）磨细灰干燥后经粉磨达到规定细度的产品分选灰采用风选处理的原状灰未经加工的粉煤灰煤的品质（CaO含量）低钙灰由烟煤和无烟煤燃烧形成，呈灰色或深 灰色。氧化钙含量10%。一般具有火 山灰活性。 高钙灰由褐煤燃烧形成，呈褐黄色。氧化钙， （CaO）含量10%。具有一定水硬性。补充知识9/29/202254粗骨料（11）技术指标 用碎石配制的水泥砼比卵石配制的水泥砼，抗折强度高出8%左右。有条件时，可选用石灰岩碎石作为粗集料。石灰岩碎石，表面为方解石晶面，能与水泥石牢固结合，有较高的抗折强度。9/29/202255（11）9/29/2022569/29/202257（12）颗粒级配9/29/

17、202258（12）9/29/202259细骨料（13）技术指标9/29/202260（13）9/29/202261续表（13）9/29/202262颗粒级配（14）（14）9/29/202263（13）（14）9/29/202264机制砂与耐磨性的研究结果与河砂砼相比较，机制砂砼的耐磨性与强度密切相关，强度越高，耐磨性越好；同等水灰比下，机制砂砼的耐磨性优于河砂砼；机制砂石粉含量在20%范围对砼的强度与耐磨性无不利影响。随着石粉含量的增加，机制砂砼的强度呈先增大后降低的趋势，磨损量减小；机制砂适当大的细度模数有利于砼的耐磨性；耐磨性越好的机制砂配制的砼磨耗值越小。补充知识9/29/20226

18、5砼的细集料多采用天然砂，并要求砂颗粒耐磨粗糙。若天然砂质量不能满足要求，则需加工，或远运。对石灰岩储量丰富的地区，可考虑就地加工石灰岩石屑代替普通砂，既可降低造价，又能保证质量。石灰岩石屑的特征：化学稳定性可靠；杂质少，含泥量小；与水泥的黏结力比中砂强，表面积比砂子大且表面粗糙。吸水率低、用水量少，对提高强度有利；级配连续，粒径的搭配有利于填充微小空隙，使其达到最大密实度。 石屑为配制砼提供了其他料源，也可带来好的经济效益。关于石灰岩石屑的应用补充知识9/29/202266水9/29/202267外加剂（15）9/29/202268（15）9/29/202269续表（15）9/29/2022

19、70引气剂减水剂阻锈剂9/29/202271引气剂憎水性表面活性剂。表面活性作用与减水剂基本相同，减水剂的表面活性作用主要发生在液固界面，引气剂的在液气界面。在砼搅拌过程中引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡，改善砼和易性、提高砼抗渗性、抗冻性等耐久性。引气剂同时具有一定减水作用，减水率为6%9%。当减水率10%时，称之为引气减水剂。主要品种有松香树脂类、烷基苯磺酸盐类、脂肪醇磺酸盐、三萜皂甙类等。te，有机化合物的一类，多为有香味的液体补充知识9/29/202272引气剂的作用机理在砼搅拌过程中，空气被引入并剪切碎散成气泡。引气剂分子加入后溶于液相中，非极性基伸入气相，极性基留于水中，在气

20、泡界面上定向排布，降低了气泡面上水的表面张力及界面能，也即使溶液形成众多新表面时所需的功减少；增加了泡膜厚度和强度，气泡坚固而不易破裂。这样搅拌中被引入的空气易于形成微小气泡并能防止气泡兼并增大、上浮破灭，可以保持稳定、均匀地分布在砼中。水泥等微细颗粒吸附在泡膜上，还有水泥浆中的氢氧化钙与引气剂作用生成的皂钙沉积在泡壁上，也提高了泡膜稳定性。9/29/202273引气剂对砼性能的影响改善砼拌合物的和易性 引入的大量微小封闭气泡对水泥颗粒及骨料颗粒具有浮托、隔离及“滚珠”作用，减少了拌合物组成材料间的摩擦，从而提高了流动性；气泡的存在，阻滞了固体颗粒的沉降和水分的上升，砼拌合物分层、离析和泌水现

21、象明显减轻；同时，气泡薄膜的形成也起到了保水作用。引气剂作用示意图 9/29/202274提高抗渗性和抗冻性 引入的封闭气孔可缓解冰胀压力，有效阻塞、隔断渗水通道，且由于水分被均匀分布在大量气泡表面，拌合物中能自由移动的水量减少，相应减少了泌水造成的孔缝。憎水性的表面活性剂使砼中的毛细管孔壁憎水化，阻碍了砼的吸水和渗水作用，因而可提高抗渗性和抗冻性。强度、弹性模量降低，耐磨性变差 掺量必须严格控制。砼中含气量每增加1%， f压损失46%，f折损失23%。还使弹性模量降低、干缩增大。但引气剂有一定的减水作用，水灰比的降低可使强度得到一定补偿；弹性模量的降低对砼抗裂性也有利。 9/29/20227

22、5引气剂的使用引气剂掺量极微小，通常为0.002%0.01%，以控制砼含气量为3%6%为宜。含气量超过6%以后，随着含气量的增加，耐久性反而降低。含气量的限值可由粗骨料最大粒径来控制。最大粒径愈大，相应的适宜含气量愈小。气泡形成的数量和尺寸与引气剂品种、掺量有关。气泡直径在1.25 mm之间。9/29/202276第三部分 配 料9/29/202277初步配合比计算步骤：第1步：确定砼配制弯拉强度 fc第2步：确定水灰比 W/C第3步：确定单位用水量 W0 第4步：确定水泥用量 C0第5步：确定合理砂率Sp第6步：确定砂石用量 S0,G09/29/202278第1步：砼配制弯拉强度的确定从结构

23、的安全出发，根据设计荷载得到的砼强度，应作为最低强度要求。砼的配制强度不仅要在试验室中能满足设计强度等级，还应考虑到实际施工条件与试验室条件的差异。实际施工中，由于受各种因素（如原材料质量的波动、施工配料精度、拌制成型条件、环境温、湿度变化等）的影响，砼强度难免发生波动。为保证砼满足规定要求的强度保证率，必须使砼的配制强度高于设计强度等级。9/29/202279第2步：初步确定水灰比（W/C）式中：（2）（3）9/29/202280 在满足砼强度和耐久性的基础上，确定砼的水灰比。（7）9/29/202281超量取代水泥法粉煤灰的掺入量大于所取代的水泥量，多出的粉煤灰取代同体积的砂，砼内用水量及

24、石子用量基本不变。取代砂子的粉煤灰所获得的强度增加效应，可以补偿粉煤灰取代水泥所降低的早期强度，从而保持粉煤灰掺入前后的砼强度效应。同时砼中胶凝材料数量增多会影响拌合物的和易性，但可以由粉煤灰掺入后使拌合物的和易性改善的效应来弥补。因此，超量取代法是一种既能保持砼28 d强度及和易性不变，又能节约水泥用量的常用办法。补充知识9/29/202282第3步：选取1 m3砼的用水量（wo)（4）（4）（5）（5）9/29/202283（4）（5）（6）（6）9/29/202284第4步：计算1 m3砼的水泥用量（C0）计算根据确定的水灰比（W/C）和选用的单位用水量（W0），计算水泥用量（C0）。

25、W/C= W0 / C0 C0 = W0 /(W/C)校核为保证砼的耐久性，由计算得出的水泥用量还应满足表（7）规定的最小水泥用量的要求。两者取大值。但从耐久性考虑，水泥用量也不宜过大，有最大值的限制。（7）9/29/202285第5步：确定合理砂率(Sp)（16）（16）（16）9/29/202286说明：砂率获得方法有3种：计算依据填充理论（砂在骨料中的数量应以填充石子空隙后略有富余）的原则和砂石状态参数，计算砂率；试验根据砼拌合物的和易性，通过试验求出合理砂率，如补图（3）、（4）所示；查表如无试验资料，可根据骨料品种、规格和水灰比，按表（16）选用。补充知识9/29/202287补图（

26、3） 含砂率与坍落度的关系 补图（4） 含砂率与水泥用量的关系（水和水灰比一定) （水灰比一定，等坍落度)9/29/202288第6步：计算粗细骨料的用量（G0）及（S0）9/29/202289视密度（质量）法若原材料情况较稳定，所配制的砼拌合物的视密度将接近一个固定值。假设1 m3砼拌合物的质量为某一确定值mcp，则可列方程：C0G0S0W0mcp式中：C0（G0、S0、W0 ）1 m3砼的水泥（石子、砂 子、水）用量，kg； Sp 砂率（）； mcp1m3砼拌合物的假定质量,其值可取2 400 2 450 kg。（8）（9）9/29/202290体积法假定砼拌合物的体积等于各组成材料绝对体

27、积与砼拌合物中所含空气体积之总和：式中： c（g、s；w）水泥密度,可取2 900 3 100（石子、砂子视密度；水的密度，可取 1 000 ），kg/m3； 砼的含气量百分数，在不使用引气型外加剂 时，可取1。（10）9/29/202291基准配合比试拌调整工作性 初步配合比的各项材料用量，或借助于经验公式和数据计算所得，或利用经验资料查得，因而不一定能完全符合具体的工程实际情况，所以必须在实验室内按以下步骤进行试拌调整，提出工作性满足要求的基准配合比。9/29/202292试拌 取施工现场实际材料，配制0.03 m3砼拌合物。测定工作性 是否满足不同摊铺方式的最佳工作性要求。检验项目：含气

28、量；坍落度（或维勃稠度）及其损失、黏聚性和保水性；振动黏度系数等。调整配比 工作性不符合要求时 坍落度或含气量：在水灰（胶）比不变情况下，调整单位用水量（增减水泥浆数量），不得减小满足弯拉强度和耐久性的单位水泥用量； 黏聚性和保水性： 调整砂率。 调整后，提出的基准配合比，其流动性、黏聚性、保水性均符合要求。 9/29/202293试拌用量的确定试配用拌合物的数量，主要应根据骨料最大粒径，以及考虑混凝土检验项目、搅拌机容量等确定。拌合量见补表1。当采用机械搅拌时，搅拌量应不小于搅拌机额定量的1/4。补充知识补表19/29/202294实验室配合比强度、耐久性校验抗弯拉强度试件制备 采用3个不同

29、的配合比，其一为基准配合比，另2个配合比的W/C较基准配合比分别。其用水量、砂用量、石子用量应与基准配合比相同，即运用固定用水量定则，以保证另外两组配合比的工作性基本满足要求（必要时，砂率可分别增减1%）。 每种配合比至少制作一组（3块）试件。 9/29/202295强度（或耐久性）测试 试件标养到7d、28d时，分别检验抗弯拉强度或耐久性指标（有抗冻性要求的地区，抗冻性为必测项目，耐磨性及干缩为选测项目）。实验室配合比确定 根据抗弯拉强度和耐久性指标，确定工作性、强度、耐久性均符合要求，且最经济合理的实验室配合比（或称理论配合比）。9/29/202296说明：9/29/202297实验室配合比的确定根据试验得出的砼强度与其相对应的灰水比（C/W）关系，用作图法或计算法求出与砼配制强度（fcf,0）相对应的灰水比（C/W），按下列原则确定1 m3砼的各