新型抗彎拉水泥混凝土路面

袁宏成 周緣 廖文濤 張宇峰

A New Type of Flexural Cement Concrete Pavement

摘要： 本文從水泥混凝土微觀結(jié)構(gòu)的角度分析其抗彎拉強(qiáng)度的作用機(jī)理，通過(guò)對(duì)水泥混凝土抗彎拉破壞機(jī)理的分析，表明泌水是引起水泥混凝土抗彎拉強(qiáng)度下降的主要原因。新型抗彎拉水泥混凝土路面以提高抗彎拉強(qiáng)度和耐久性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)增加粗集料用量，改進(jìn)級(jí)配，優(yōu)化水泥膠砂用量，形成骨架密實(shí)水泥混凝土，減少泌水，從而有效提高水泥混凝土的抗彎拉強(qiáng)度。

Abstract： In this paper， the mechanism of flexural tensile strength of cement concrete is analyzed from the point of view of microstructure， and the failure mechanism of flexural tensile strength of cement concrete is analyzed. It is indicated that bleeding is the main reason for the decrease of flexural tensile strength of cement concrete. The new type of flexural tensile cement concrete pavement is designed to improve the flexural tensile strength and durability and improve the gradation by increasing the amount of coarse aggregate. The cement sand content is optimized to form the framework dense cement concrete and reduce bleeding， thus effectively improving the flexural and tensile strength of the cement concrete.

關(guān)鍵詞： 水泥混凝土路面；抗彎拉強(qiáng)度；泌水；粗集料

Key words： cement concrete pavement；flexural strength；bleeding；coarse aggregate

中圖分類號(hào)：U416.216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）15-0101-03

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，公路運(yùn)輸出現(xiàn)了“重載、大流量和渠化交通”的特點(diǎn)，現(xiàn)代交通的重荷載、高速度對(duì)公路路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用性能提出了更高的要求[1]。而水泥混凝土路面由于它的使用環(huán)境和受力特點(diǎn)決定了它的主要強(qiáng)度指標(biāo)是抗彎拉強(qiáng)度，所以提高水泥混凝土路面抗彎拉強(qiáng)度、提高其承載能力是延長(zhǎng)混凝土路面耐久性的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)[2]。由于水泥混凝土路面抗彎拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，而提高抗彎拉強(qiáng)度又比抗壓強(qiáng)度困難的多，所以水泥混凝土路面的抗彎拉強(qiáng)度能否滿足設(shè)計(jì)要求，將直接影響到路面的整體質(zhì)量及使用壽命。

1 抗彎拉強(qiáng)度作用機(jī)理分析

從微觀結(jié)構(gòu)上分析，水泥混凝土是由膠砂、粗集料、界面過(guò)渡區(qū)三相組成的混合體[3]。界面過(guò)渡區(qū)是水泥砂漿和粗集料兩相結(jié)合的區(qū)域，這一區(qū)域的結(jié)構(gòu)與性能不同于硬化水泥石本體。在水化的早期，由于過(guò)渡區(qū)內(nèi)水灰比大，所以它的孔體積與孔徑均比水泥石大。集料表面處水泥石孔隙率為40%左右，離集料表面35-40微米處則為12%左右，接近水泥石本體的數(shù)值[3]。水泥混凝土內(nèi)的界面過(guò)渡區(qū)由于其組成成分和結(jié)構(gòu)的原因內(nèi)部存在孔隙和微裂縫。當(dāng)車輛荷載行駛在混凝土路面上，路面受到彎拉荷載作用出現(xiàn)應(yīng)力集中，基體會(huì)發(fā)生開(kāi)裂，由于界面過(guò)渡區(qū)孔隙的體積和微裂縫的存在，必將沿著混凝土內(nèi)部最薄弱的斷面-界面過(guò)渡區(qū)優(yōu)先斷裂[4]。通過(guò)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)分析可以發(fā)現(xiàn)，混凝土中的界面過(guò)渡區(qū)通常比混凝土的其他兩相組成要弱，是影響混凝土彎拉強(qiáng)度的主要因素。

提高界面過(guò)渡區(qū)的強(qiáng)度是提高水泥混凝土路面抗彎拉強(qiáng)度的主要措施，當(dāng)界面過(guò)渡區(qū)的強(qiáng)度得到較大提高后，相應(yīng)的水泥混凝土路面的抗彎拉強(qiáng)度也會(huì)得到提高。

2 新型抗彎拉水泥混凝土技術(shù)

2.1 分析影響界面過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度的因素

各種內(nèi)外影響因素主要是通過(guò)影響界面過(guò)渡區(qū)組成成分和結(jié)構(gòu)即孔隙和微裂縫的大小和體積等來(lái)影響水泥混凝土路面的抗彎拉強(qiáng)度[4]。

混凝土在拌和、運(yùn)輸和澆筑振搗到凝結(jié)的整個(gè)過(guò)程中，由于骨料和水泥漿下沉、水分上升，在混凝土內(nèi)部和表面析出水分的現(xiàn)象稱之為泌水現(xiàn)象。新拌混凝土泌水如圖2所示。

泌水會(huì)破壞水泥混凝土內(nèi)部的均勻性，一部分泌水上升到混凝土水平表面，一部分泌水滯留在粗集料下面及其與膠結(jié)料的界面上。

當(dāng)拌合水上升到混凝土表面時(shí)，它會(huì)攜帶一部分水泥和集料中的微細(xì)粒子，使混凝土表面形成一層含水量很大的浮漿層，導(dǎo)致混凝土表面疏松多孔，強(qiáng)度降低[5]。當(dāng)浮漿層失水變稠失去流動(dòng)性，其強(qiáng)度的發(fā)展不足以抵抗因收縮引起的拉應(yīng)力時(shí)，混凝土表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

由于泌水現(xiàn)象的發(fā)生，不僅容易導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生裂縫，更不利的是粗集料與膠結(jié)料的界面上形成低強(qiáng)度的水泥石甚至空隙，導(dǎo)致微裂縫的產(chǎn)生，在拉應(yīng)力的作用下，微裂縫的尖端出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中[5]。泌水現(xiàn)象越嚴(yán)重，微裂縫發(fā)展的越快越多，在相同的拉應(yīng)力條件下，破壞的可能性就越大。

由于界面過(guò)渡區(qū)孔隙多，使得受荷載作用時(shí)參與受拉的面積減小，同時(shí)疏松的膠砂單位面積的抵抗能力也較小。當(dāng)混凝土路面受到拉力作用時(shí)，界面過(guò)渡區(qū)孔隙在相當(dāng)?shù)偷睦ψ饔孟卵杆匍_(kāi)展，直接決定抗彎拉強(qiáng)度[6]。

2.2 提高界面過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度

在水泥混凝土中，振搗密實(shí)后的粗集料如能形成框架，該框架可以抵抗一部分由膠體提供給水的浮力，遏制水由下向上的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；常規(guī)配合比下的粗集料在振搗過(guò)后仍然會(huì)有下沉趨勢(shì)，而形成框架后的粗集料穩(wěn)定性更好，能削弱水和粗集料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。粗集料形成框架的另一意義在于，總表面積和孔隙率的雙雙減小，從粘結(jié)和填充兩個(gè)方面對(duì)水泥量的剛性要求都得到下調(diào)[7]。由此可見(jiàn)，適當(dāng)增加粗集料用量，使其在混凝土中形成穩(wěn)定的框架，將有效地減少泌水現(xiàn)象，提高界面過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度，從而達(dá)到提高混凝土抗折強(qiáng)度的目的。

2.3 新型抗彎拉水泥混凝土設(shè)計(jì)

受到浮力現(xiàn)象的啟發(fā)，結(jié)合水泥混凝土級(jí)配設(shè)計(jì)理論，新型抗彎拉水泥混凝土路面設(shè)計(jì)目標(biāo)即為形成骨架密實(shí)型混凝土，從而提高混凝土路面的抗彎拉強(qiáng)度。新型抗彎拉水泥混凝土路面以提高抗折強(qiáng)度和耐久性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，增加粗集料用量、減少膠砂用量，使混凝土由半液態(tài)向半固態(tài)過(guò)渡，骨料不致于懸浮于膠砂中。由于主骨料框架作用，其重力直接作用于基層，弱化了浮力效應(yīng)，減少泌水，進(jìn)而提高界面過(guò)渡區(qū)抗折強(qiáng)度。

在實(shí)際應(yīng)用中，新型抗彎拉混凝土配合比相對(duì)于普通混凝土有3點(diǎn)改進(jìn)：

①相對(duì)現(xiàn)行公路混凝土路面規(guī)范推薦的粗骨料級(jí)配范圍，將集料中4.7-9.5mm一級(jí)抽除，以增加空隙率，相對(duì)減少“富余膠砂”量；

②適當(dāng)減少砂率；

③減少水泥用量，并采用合適的水灰比。

由于增加了粗骨料用量，降低了砂率和水泥用量，新型抗彎拉混凝土的塌落度很小，幾乎為零，因此，在施工過(guò)程中，要加強(qiáng)混凝土的拌合和振搗。

3 工程實(shí)例

新型抗彎拉水泥混凝土應(yīng)用于207國(guó)道公安縣章莊鋪至東岳廟段大修工程，該工程起止樁號(hào)為K2171+764-K2176+764，全長(zhǎng)5000m，路基寬12m（路面寬9m）。該大修工程段因位于城郊結(jié)合部及高速出入口路段，車流量較大，超重載車多，路面出現(xiàn)大量破損，嚴(yán)重影響行車安全。為改善原路面的結(jié)構(gòu)組成，針對(duì)道路現(xiàn)狀和特點(diǎn)，采用破除舊路面，鋪筑新型抗彎拉水泥混凝土面層的方案大修。

3.1 工程概況

①公路等級(jí)：二級(jí)公路；

②設(shè)計(jì)行車速度：60公里/小時(shí)；

③路基路面：路基寬12.0、14.0m，路面寬9.0、12.0m；

④路面結(jié)構(gòu)自上而下依次為28cm水泥混凝土面層+18cm水泥穩(wěn)定碎石基層+舊路基層。

3.2 原材料選擇

①宜昌華新水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5水泥；

②粗集料采用松滋碎石廠碎石，粗集料主要有20-40mm、10-20mm的碎石；

③細(xì)集料采用洞庭湖砂，細(xì)度模數(shù)為3.04。

粗細(xì)集料篩分結(jié)果如表1、表2所示。

4 配合比試驗(yàn)

依據(jù)《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》（JTG TF30-2014）中4.2.10條，對(duì)新型抗彎拉混凝土路面配合比試驗(yàn)設(shè)計(jì)使用正交試驗(yàn)法[8]。選用粗骨料級(jí)配組合、水泥用量、水灰比、砂率等4個(gè)因素三水平進(jìn)行試驗(yàn)。采用L9（34）正交表安排試驗(yàn)組合進(jìn)行配合比試驗(yàn)，在材料一定的前提下，以混凝土28天抗彎拉強(qiáng)度為正交試驗(yàn)主要考察目標(biāo)，確定適合應(yīng)用于荊州地區(qū)的新型抗彎拉混凝土配合比。其中粗集料級(jí)配組合指20-40mm和0-20mm兩種規(guī)格的碎石分別按70：30、80：20和90：10的比例混合；砂率分別取30%、32%和34%三種情況；水泥用量取310kg、340kg和370kg種情況；水灰比取0.41、0.43和0.45種情況。按正交試驗(yàn)方法進(jìn)行9組配合比試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀及回歸分析，以及在經(jīng)濟(jì)性方面的考慮得出適合于荊州地區(qū)的新型抗彎拉混凝土路面的配合比，用于大修工程施工。配合比結(jié)果如表3所示。

在施工結(jié)束運(yùn)營(yíng)近半年時(shí)間后，對(duì)施工路段進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果匯總見(jiàn)表4所示。

從上述檢查結(jié)果來(lái)看：

①?gòu)?qiáng)度。在實(shí)施區(qū)間取代表性芯樣共54處，從表4中數(shù)據(jù)可以看出，檢測(cè)項(xiàng)目中強(qiáng)度全部合格，且新型抗彎拉水泥混凝土路面的抗彎拉強(qiáng)度較普通水泥混凝土路面抗彎拉強(qiáng)度提升18%。

②抽檢的施工面板厚度、路面寬度也全部合格，路面平整度、橫坡度、抗滑構(gòu)造深度等均合格，且滿足規(guī)范要求。從整體上看，試驗(yàn)路段在運(yùn)營(yíng)半年后的效果基本較好。結(jié)果表明新型抗彎拉混凝土路面的抗彎拉強(qiáng)度符合要求，提高了路面使用質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

工程應(yīng)用表明，在公路大修工程中采用新型抗彎拉水泥混凝土技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理，效果良好，可應(yīng)用于各級(jí)公路的建設(shè)和改造，應(yīng)用前景廣闊，推廣價(jià)值巨大，可在湖北全省乃至全國(guó)推廣應(yīng)用。

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