道路混凝土強(qiáng)度空間變異性試驗(yàn)評價

岳愛軍，李中漢，徐夢舟

(1．廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)試驗(yàn)室，廣西　南寧　530007；2．廣西金城高速公路有限公司，廣西　南寧　530021)

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道路混凝土強(qiáng)度空間變異性試驗(yàn)評價

岳愛軍1，李中漢2，徐夢舟1

(1．廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)試驗(yàn)室，廣西南寧530007；2．廣西金城高速公路有限公司，廣西南寧530021)

岳愛軍(1971—)，博士，主要從事道路結(jié)構(gòu)與材料研究；

李中漢(1971—)，高級工程師，從事高速公路運(yùn)營管理工作；

徐夢舟(1988—)，助理工程師，主要從事合同評審及管理工作。

摘要：道路混凝土具有明顯的內(nèi)分層、外分層結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度在表面、底面和厚度方向均有變化，是混凝土強(qiáng)度變異性的主要原因。為評價混凝土空間強(qiáng)度變異性，文章對不同工藝的道路混凝土路面進(jìn)行現(xiàn)場取芯，并采用回彈強(qiáng)度試驗(yàn)方法測定芯樣頂面、底面及側(cè)面的回彈強(qiáng)度，評價混凝土強(qiáng)度的空間分布特征。試驗(yàn)結(jié)果表明：可采用正態(tài)分布模型評價分層強(qiáng)度的變異性；混凝土表面強(qiáng)度一般低于試件平均強(qiáng)度，底面強(qiáng)度一般高于試件平均強(qiáng)度，在深度為100～200 mm時強(qiáng)度達(dá)到最佳。

關(guān)鍵詞：道路混凝土；空間結(jié)構(gòu)；變異性；回彈強(qiáng)度；正態(tài)分布；試驗(yàn)評價

0引言

道路混凝土路面為彈性地基上的薄板結(jié)構(gòu)，其工作狀態(tài)是承受行車荷載和溫度疲勞綜合作用，因此彎拉疲勞強(qiáng)度是道路混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)[1]。

道路混凝土路面施工工藝主要有滑模攤鋪施工和三輥軸機(jī)組施工兩種工藝。為達(dá)到結(jié)構(gòu)和功能要求，道路混凝土普遍采用內(nèi)部振搗和表面提漿的施工方式，這形成了密實(shí)與成型之間尖銳的工藝矛盾，其彎拉強(qiáng)度受施工過程影響顯著[2]。由于基層表面吸水、施工過程中混凝土表面提漿，以及密實(shí)過程中工藝參數(shù)變化的影響，混凝土強(qiáng)度在表面、底面和厚度方向均有變化，這種變化使混凝土面板強(qiáng)度在空間分布上存在差異。根據(jù)試驗(yàn)方法的不同，混凝土強(qiáng)度可以采用抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、混凝土與鋼筋的握裹強(qiáng)度等進(jìn)行評價。Tournon[3]提出利用重心位置的變化判斷混凝土試樣的離析方向和離析程度的大小。張艷聰?shù)萚4]提出采用離析度來表征道路混凝土內(nèi)部顆粒離析程度。梁軍林[5]等采用密度和吸水率變異性指標(biāo)來評價道路混凝土外分層、內(nèi)分層結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)?zāi)M研究了基層類型、處理方式及隔離層類型等因素對含外分層結(jié)構(gòu)混凝土彎拉強(qiáng)度的影響，研究了不同性質(zhì)和厚度的表面砂漿對混凝土彎拉強(qiáng)度的影響。張哲[6]分析了道路混凝土材料組成與含水量變異性對路面攤鋪中施工變異性的影響。已有研究主要是在實(shí)驗(yàn)室條件和標(biāo)準(zhǔn)工藝條件下進(jìn)行，材料組成變化不大，工藝參數(shù)控制準(zhǔn)確，工藝穩(wěn)定，不考慮環(huán)境的影響，但根據(jù)室內(nèi)材料組成及性能的關(guān)系評價現(xiàn)場混凝土的性能將存在一定的偏差。

本文在現(xiàn)場鉆取不同施工工藝的道路混凝土路面芯樣，采用回彈強(qiáng)度試驗(yàn)方法評價混凝土強(qiáng)度的空間分布特征，通過大量的試驗(yàn)，提出采用正態(tài)分布模型評價分層強(qiáng)度的變異性，采用回彈強(qiáng)度的變異系數(shù)作為評價混凝土密實(shí)成型過程的勻質(zhì)性參數(shù)，作為路面鉆芯劈裂強(qiáng)度補(bǔ)充，為結(jié)構(gòu)設(shè)計確定可靠度系數(shù)提供依據(jù)。

1道路混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變異性測試原理與方法

路面混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變異性研究采用回彈強(qiáng)度試驗(yàn)方法。對不同施工工藝的水泥混凝土路面進(jìn)行現(xiàn)場取芯，芯樣直徑為150 mm，將芯樣底面和頂面磨平，然后在壓力試驗(yàn)機(jī)上壓緊，先測定頂面及底面的回彈強(qiáng)度，然后將芯樣立起，再用壓機(jī)試驗(yàn)機(jī)壓緊，以每40~50 mm為一層，分層測定芯樣側(cè)面的回彈強(qiáng)度，通過研究回彈強(qiáng)度的分布，得出混凝土強(qiáng)度變異性及分布情況。

回彈試驗(yàn)中，回彈儀的沖擊能量為：

E=kL2/2

(1)

式中：E——回彈儀的彈擊總能量，J；

L——彈簧工作時的壓縮長度，mm；

k——回彈儀的彈簧剛度系數(shù)，對中型彈簧k=784.532 N/m。

混凝土表面回彈值為：

H=x/L

(2)

式中：H——混凝土表面回彈值；

x——彈擊錘的回彈距離。

沖擊后能量損耗為：

ΔE=E[1-(x/L)2]

(3)

沖擊產(chǎn)生的能量主要用于對混凝土表面作塑性變形功，形成沖擊凹坑混凝土的塑性變形功為：

Ed=π·r2v0σs

(4)

式中：Ed——塑性變形功；

r——沖擊凹坑的半徑，近似等于沖擊桿的半徑；

m——沖擊錘的質(zhì)量；

σs——混凝土的塑性屈服強(qiáng)度；

v0——沖擊錘的初速度，按下式計算：

(5)

用于作塑性變形功的沖擊能量為：

(6)

令變形功與沖擊功相等，則混凝土抗壓強(qiáng)度與回彈值的關(guān)系為：

(7)

式中：fc——混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；

H——混凝土表面回彈值；

L——彈簧工作時的壓縮長度，mm；

r——沖擊桿的半徑,m；

直流側(cè)接地方式結(jié)構(gòu)簡單易行，通過電容或電阻的箝位作用使直流極線正負(fù)極電壓保持對稱又為直流系統(tǒng)提供電位參考點(diǎn)。在直流側(cè)找不到滿足要求的接地點(diǎn)的情況下將接地點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了交流側(cè)，如人工構(gòu)造一個星形電抗器中性點(diǎn)或直流利用聯(lián)接變壓器接地。

k——為回彈儀的彈簧剛度系數(shù)，對中型彈簧k=784.532 N/m；

m——沖擊錘的質(zhì)量，kg。

根據(jù)回彈法檢測混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)研究，統(tǒng)一測強(qiáng)曲線為：

fc=AHn

(8)

式中，A、n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)混凝土回彈測強(qiáng)曲線回歸，A=0.025，n=2。

統(tǒng)一測強(qiáng)曲線指數(shù)n=2，與式(7)理論分析結(jié)果完全相符。而參數(shù)A主要是儀器性能參數(shù)，由式(7)得：

(9)

回彈值與抗壓強(qiáng)度關(guān)系公式中，抗壓強(qiáng)度為沖擊凹坑混凝土強(qiáng)度，如果表面強(qiáng)度與內(nèi)部強(qiáng)度差異較大，則采用回彈強(qiáng)度評價混凝土強(qiáng)度會造成較大誤差。

由以上推導(dǎo)回彈強(qiáng)度公式過程可知，影響試驗(yàn)結(jié)果的主要因素是沖擊凹坑的半徑，以及沖擊過程中的能量損耗。如果表面有粗集料或其它硬度較高的顆粒，沖擊時不屈服，形不成沖擊凹坑，或沖擊凹坑的半徑比沖擊桿的半徑小，則回彈值會增大很多，造成試驗(yàn)誤差；如果表面有孔洞，沖擊時孔洞吸收部分能量，會降低回彈值。因此回彈強(qiáng)度測試僅適用于強(qiáng)度中等的混凝土，用于比較混凝土的強(qiáng)度。本文用于研究道路混凝土的強(qiáng)度空間分布，可得出不同部位混凝土的強(qiáng)度，分析強(qiáng)度變異性，對道路混凝土路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和評價仍有較大意義。

由于影響回彈強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的因素不完全相同，建立回彈值與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系很難具有普適性，因此研究水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其空間變異性，直接采用回彈值進(jìn)行分析和比較。頂面、底面和每個分層的側(cè)面各測16個點(diǎn)，去掉3個最大值和3個最小值，以10個點(diǎn)的平均值代表該層面混凝土的強(qiáng)度。

2道路混凝土強(qiáng)度空間變異性測試結(jié)果及分析

2.1　三輥軸機(jī)組施工混凝土強(qiáng)度的空間變異性

表1　三輥軸機(jī)組施工混凝土強(qiáng)度分布表

圖1　平桂二級公路三軸施工混凝土強(qiáng)度分布圖

由表1及圖1可以得出以下結(jié)論：

(1)三輥軸施工混凝土表面強(qiáng)度一般低于試件平均強(qiáng)度，回彈值平均低5.6個點(diǎn)，這主要與表面提漿和離心密實(shí)成型有關(guān)。

(2)三輥軸施工混凝土底面強(qiáng)度一般高于試件平均強(qiáng)度，回彈值平均高1.7個點(diǎn)，這主要與基層表面吸水降低水灰比有關(guān)。

(3)隨著深度的增加，混凝土強(qiáng)度逐漸增加，在深度為100~200 mm強(qiáng)度達(dá)到最佳，然后強(qiáng)度又逐漸降低，這主要與三軸機(jī)振動軸的壓力分布和成型混凝土的密度分布有關(guān)。

(4)表面和底面混凝土強(qiáng)度變異性較高，第一層的強(qiáng)度變異性也較高，從第二層起，強(qiáng)度變異性總體隨深度增加而增大，底面強(qiáng)度變異性相對較大，變異系數(shù)達(dá)0.071。

(5)通過分布檢驗(yàn)，混凝土表面、底面和各層強(qiáng)度分布近似服從正態(tài)分布，可采用正態(tài)分布模型評價分層強(qiáng)度的變異性。采用回彈法試驗(yàn)，強(qiáng)度變異性很小，試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)穩(wěn)定。

岑溪至筋竹高速公路三輥軸機(jī)組無振搗施工大厚度水泥混凝土路面，其強(qiáng)度分布規(guī)律與上述規(guī)律相同(見表2及圖2)。

表2　大厚度混凝土路面三輥軸機(jī)組施工混凝土強(qiáng)度分布表

圖2　大厚度混凝土路面三輥軸機(jī)組施工混凝土強(qiáng)度分布圖

從表2及圖2中還可以得知，采用低阻力三輥軸混凝土，攤鋪現(xiàn)場混凝土坍落度為90~120 mm，在不振搗的條件下，混合料的施工性能與施工工藝相適應(yīng)，有效密實(shí)作用深度可達(dá)320 mm以上。經(jīng)抽樣檢測，混凝土路面鉆芯取樣劈裂強(qiáng)度也滿足規(guī)范的技術(shù)要求[2]。

2.2　滑模攤鋪施工混凝土強(qiáng)度的空間變異性

水任至南寧、南寧至壇洛、全州至興安、岑溪至興業(yè)高速公路水泥混凝土路面采用滑模攤鋪施工工藝，其中，水南及南壇高速試驗(yàn)共鉆取芯樣25個、全興高速鉆取芯樣9個、岑興高速鉆取芯樣253個。水南及南壇高速路面設(shè)計厚度26 mm，全興、岑興高速路面設(shè)計厚度32 mm。滑模攤鋪施工混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如表3~5、圖3~5。

表3　滑模攤鋪施工混凝土強(qiáng)度分布表(水南、南壇路)

表4　大厚度混凝土路面滑模攤鋪施工混凝土強(qiáng)度分布表(全興路)

表5　大厚度混凝土路面滑模攤鋪施工混凝土強(qiáng)度分布表(岑興路)

圖3　滑模攤鋪施工26 cm厚混凝土強(qiáng)度分布圖

圖4　全興路滑模攤鋪施工混凝土強(qiáng)度分布圖

圖5　岑興路滑模攤鋪施工混凝土強(qiáng)度分布圖

從表3~5、圖3~5中可得出以下結(jié)論：

(1)滑模攤鋪混凝土表面強(qiáng)度一般低于試件平均強(qiáng)度，標(biāo)準(zhǔn)厚度施工回彈值平均低3.6個點(diǎn)，大厚度(≥30 cm)滑模攤鋪施工回彈值平均低6~9.1個點(diǎn)，這主要與表面提漿成型有關(guān)。振動頻率越高，表面提漿越多，表面強(qiáng)度越低；通常大厚度攤鋪施工速度較慢，振動頻率較高，容易產(chǎn)生過振，因而差異更大。

(2)混凝土底面強(qiáng)度一般高于試件平均強(qiáng)度，標(biāo)準(zhǔn)厚度攤鋪施工回彈值平均高1.5個點(diǎn)，大厚度攤鋪施工平均高2~3.7個點(diǎn)，這主要與基層表面吸水降低水灰比有關(guān)。

(3)隨著深度的增加，混凝土強(qiáng)度逐漸增加，在深度為100~200 mm強(qiáng)度達(dá)到最佳，然后強(qiáng)度又逐漸降低，這主要與滑模攤鋪施工振搗機(jī)振動棒的布置與施工方法有關(guān)，振動棒布置在松鋪厚度內(nèi)振動成型，隨著與振動棒的距離增大，振動波減弱，在最佳振動頻率和振幅下才能獲得最佳強(qiáng)度。

(4)表面和底面混凝土強(qiáng)度變異性較高，第一層的強(qiáng)度變異性也較高，其它層的強(qiáng)度變異性相差不大，底面強(qiáng)度變異性相對較大，變異系數(shù)達(dá)0.093。

(5)通過分布檢驗(yàn)，混凝土表面、底面和各層強(qiáng)度分布近似服從正態(tài)分布，可采用正態(tài)分布模型評價分層強(qiáng)度的變異性。采用回彈法試驗(yàn)，強(qiáng)度變異性很小，試驗(yàn)結(jié)果相對穩(wěn)定。

(6)滑模攤鋪施工大厚度水泥混凝土路面，如果混合料的施工性能與施工工藝相適應(yīng)，有效密實(shí)作用深度可達(dá)320 mm以上，最大可達(dá)350 mm。

3結(jié)語

(1)基于現(xiàn)場條件下路面施工形成復(fù)雜的含有內(nèi)分層和外分層結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度在空間上的分布特征可采用正態(tài)分布模型評價，混凝土表面強(qiáng)度一般低于試件平均強(qiáng)度，底面強(qiáng)度一般高于試件平均強(qiáng)度，在深度為100~200 mm強(qiáng)度達(dá)到最佳。

(2)在混凝土路面鉆芯劈裂強(qiáng)度換算為實(shí)際面板彎拉強(qiáng)度進(jìn)行質(zhì)量評定時，建議增加混凝土空間強(qiáng)度變異系數(shù)的測試，為完善施工質(zhì)量控制實(shí)用技術(shù)和提高結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度系數(shù)提供參考依據(jù)。

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Experimental Evaluation on Spatial Variability of Road Concrete Strength

YUE Ai-jun1，LI Zhong-han2，XU Meng-zhou1

(1.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007； 2.Guangxi Jincheng Expressway Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530021)

Abstract：Road concrete has obvious internal stratification and external stratification structures，and the con-crete strength is changed on the surface，the bottom surface and the thickness direction，which is the main reason for the variability of concrete strength.To evaluate the spatial strength variability of concrete，this arti-cle conducted the on-site coring for road concrete pavement with different technical processes，and deter-mined the rebound strength of core sample top surface，bottom surface and side surface by using the rebound strength test method，so as to evaluate the spatial distribution features of concrete strength.The experimental results showed that：the normal distribution model can be used to evaluate the variability of stratification strength； the strength of concrete surface is generally below the average strength of specimens，and the strength at bottom surface is generally higher than the average strength of specimens，reaching the optimal strength at the depth of 100 ~200 mm.

Keywords：Road concrete； Spatial structure； Variability； Rebound strength； Normal distribution； Experi-mental evaluation

收稿日期：2015-05-02

文章編號：1673-4874(2015)05-0005-04

中圖分類號：U416

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.002

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