坍落度對(duì)混凝土路面性能的影響分析

朱傳新

摘要：更換破碎板是高速公路養(yǎng)護(hù)中較為常見的大中修工程，不同坍落度下混凝土性能存在著差異。文章主要通過理論分析和對(duì)近兩年合山段更換破碎板的數(shù)據(jù)整理研究，驗(yàn)證坍落度對(duì)混凝土路面性能的影響。

關(guān)鍵詞：高速公路混凝土路面;更換破碎板;坍落度;路面性能

0 引言

蘭海高速合山段K2171+500～K2225+892位于廣西合浦縣境內(nèi)，西起廣西合浦縣石灣鎮(zhèn)，途經(jīng)合浦縣十字路鎮(zhèn)、閘口鎮(zhèn)、公館鎮(zhèn)、白沙鎮(zhèn)和山口鎮(zhèn)，與呼北高速公路相交，與湛江市相連，全線設(shè)置十字路、白沙、山口三個(gè)匝道收費(fèi)站以及桂海一個(gè)主線收費(fèi)站（省界收費(fèi)站），于2004年全線建成通車。該路段采用雙向四車道，設(shè)計(jì)時(shí)速為120km/h，全線均為水泥混凝土路面，面層厚度為260mm，作為廣西最早建設(shè)的一批高速公路，且處于兩廣交界處，成為廣西交通量最大最復(fù)雜的高速公路。過多的超限車輛行駛和長年累月超負(fù)荷服役，使該路段路面病害頻發(fā)，最為常見的當(dāng)屬坑洞和裂縫。此類路面病害會(huì)讓地表水輕易滲入地基影響基層強(qiáng)度和穩(wěn)定性，日積月累導(dǎo)致基層破壞，縮短路面板的使用壽命。雖然經(jīng)過及時(shí)修補(bǔ)能夠有效抑制病害繼續(xù)發(fā)展，但是當(dāng)修補(bǔ)材料老化失效后路面病害還是會(huì)持續(xù)發(fā)展擴(kuò)大最終導(dǎo)致路面板的破碎，嚴(yán)重影響到行車安全。因此每年在該路段都會(huì)進(jìn)行更換破碎板等中修保養(yǎng)工程來保證路面的完整性和連續(xù)性，確保路面行駛質(zhì)量和行車安全。本文主要通過理論分析和試驗(yàn)對(duì)比，以合山段更換破碎板中修工程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和通車后路面質(zhì)量的跟蹤調(diào)查，來研究坍落度對(duì)水泥混凝土路面性能的影響，主要包括混凝土強(qiáng)度，路面平整度、抗滑系數(shù)及外觀情況等。

1 理論分析

混凝土是由膠結(jié)材料、粗細(xì)骨料及其他材料，按適當(dāng)比例配制經(jīng)硬化而成的具有所需形體、強(qiáng)度和其他性能的復(fù)合材料，也叫人造石材?；炷练N類有很多，一般公路路面都采用瀝青混凝土或水泥混凝土，本文主要講述一般水泥混凝土路面坍落度對(duì)其性能的影響。混凝土坍落度主要是指混凝土的[KG（0.07mm]塑化性能和可泵性能。影響混凝土坍落度的因素主要有級(jí)配變化、含水量、衡器的稱量偏差、外加劑的用量及容易被忽視的水泥溫度等幾個(gè)方面。和易性是指混凝土拌和物在各個(gè)施工工序（攪拌、運(yùn)輸、澆筑、搗實(shí)）中易于操作，不發(fā)生分層、離析、沁水等現(xiàn)象，并能獲得質(zhì)量均勻、成型密實(shí)的混凝土的性能。實(shí)際上，混凝土拌和物的和易性是一項(xiàng)綜合技術(shù)性質(zhì)，包括流動(dòng)性、粘聚性和保水性等三方面的含義。坍落度主要體現(xiàn)的是混凝土拌和物的流動(dòng)性，輔以直觀經(jīng)驗(yàn)來評(píng)定粘聚性和保水性，以評(píng)定和易性。

混凝土抗壓強(qiáng)度是由試驗(yàn)得出的，我國最新標(biāo)準(zhǔn)C60強(qiáng)度以下的采用邊長為150mm的立方體試件作為混凝土抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件，在溫度為20±2℃、相對(duì)濕度在95%以上的條件下養(yǎng)護(hù)至28d齡期，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的極限抗壓強(qiáng)度稱為混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度?；炷翉?qiáng)度試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，正常配比的混凝土破壞主要是骨料與水泥石的粘結(jié)界面發(fā)生破壞，所以混凝土的強(qiáng)度主要取決于水泥石強(qiáng)度及其與骨料的粘結(jié)強(qiáng)度，而粘結(jié)強(qiáng)度又與水泥強(qiáng)度等級(jí)、水灰比及骨料的性質(zhì)有密切關(guān)系。此外，混凝土的強(qiáng)度還受施工質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)條件及齡期的影響，而坍落度的主要影響因素是容重和屈服剪切應(yīng)力，因此坍落度對(duì)于混凝土強(qiáng)度并無直接影響。

水泥路面的平整度指標(biāo)直接影響著路面的使用品質(zhì)，平整度好的路面行車舒適性、安全性及速度都會(huì)大大提升，能夠充分發(fā)揮出高速公路的功能。影響水泥混凝土路面平整度的主要因素有施工質(zhì)量、混凝土材料、碾壓工藝及人工機(jī)械設(shè)備等外界因素，而坍落度主要是指混凝土的塑化性能和可泵性能，因此對(duì)平整度無直接影響。

路面摩擦系數(shù)能夠直接反映出路面的抗滑性能，是路面行車安全的重要保障。影響水泥路面板抗滑性能的因素主要是路表的粗糙度，路表的粗糙度則由路表的粗紋理和細(xì)紋理兩方面構(gòu)成。粗紋理主要指的是路面的構(gòu)造深度，即后期刻紋形成的;細(xì)紋理主要是指混凝土本身表面紋理，取決于混凝土的材料、施工質(zhì)量等，因此與坍落度無直接關(guān)系。

路面外觀主要由施工質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)條件所決定，與坍落度無直接關(guān)系。

2 坍落度試驗(yàn)

坍落度主要指混凝土的塑化性能和可泵性能，是混凝土和易性的測(cè)定方法與指標(biāo)。工地與實(shí)驗(yàn)室中，通常是做坍落度試驗(yàn)測(cè)定拌和物的流動(dòng)性，并輔以直觀經(jīng)驗(yàn)評(píng)定粘聚性和保水性。坍落度是用一個(gè)量化指標(biāo)來衡量其程度的高低，用于判斷施工能否正常進(jìn)行。根據(jù)坍落度值可以將混凝土分為低塑性混凝土、塑性混凝土、流動(dòng)性混凝土和大流動(dòng)性混凝土，如表1所示。

塑性混凝土施工時(shí)，選擇混凝土拌和物的坍落度要根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、構(gòu)件截面大小、配筋疏密、輸送方式和施工搗實(shí)方法等因素來確定。當(dāng)構(gòu)件截面較小或鋼筋較密，或采用人工插搗時(shí)，坍落度可選大些。反之，如構(gòu)件截面尺寸較大或鋼筋較疏，或采用機(jī)械振搗時(shí)，坍落度選擇可小些。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50204-92）規(guī)定，混凝土澆筑的坍落度宜按表2選用。

坍落度試驗(yàn)是1923年美國學(xué)者阿布拉姆斯（D.A.Ablams）借鑒查波曼（C.M.Chapman）于1913年的砂漿試驗(yàn)首次提出的，是目前測(cè)定混凝土和易性較為普遍的方法。各國的試驗(yàn)各有不同，主要是坍落筒的尺寸差異。我國使用的坍落筒是一個(gè)300mm高的截頭圓錐筒，上口內(nèi)徑為100mm，下口內(nèi)徑為200mm，如圖1所示。

坍落度具體試驗(yàn)步驟如下：將坍落筒放置在用水濕潤過的平板上，分三層把混凝土試樣放入坍落筒內(nèi)，用搗棒在每層的橫截面上插搗25次，以螺旋線的方式從邊緣到中心進(jìn)行插搗，插搗要垂直向下不得沖擊，插搗底層時(shí)插至底部，插搗另外兩層時(shí)應(yīng)插透本層并伸入下層約20mm。在插搗頂層時(shí)裝入的拌和物應(yīng)稍高于坍落筒，并在插搗時(shí)隨時(shí)加入拌和物，當(dāng)頂層插搗完畢后消除多余的拌和物，用鏝刀刮平筒口，清除干凈灑落在筒底的拌和物;隨后垂直提起坍落筒，將坍落筒放在椎體拌和物一旁，筒頂平放目標(biāo)尺，用小鋼尺量出目標(biāo)尺至試樣坍落后最高點(diǎn)的垂直距離，用mm計(jì)量，即為該試樣的坍落度（如圖2所示）。

采用擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀檢測(cè)路面抗滑性能，BM-III型擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀是動(dòng)力擺沖擊型儀器，它是根據(jù)“擺的位能損失等于擺臂末端橡膠片在路面上滑動(dòng)時(shí)克服摩擦力所做的功”這一工作原理換算得出具體讀數(shù)的。該儀器調(diào)試方便、操作簡(jiǎn)單、測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定性大大提高，并且室內(nèi)外均可使用，是目前國內(nèi)外高等級(jí)公路檢測(cè)路面抗滑性能比較流行的檢測(cè)儀器之一。

3 數(shù)據(jù)分析

蘭海高速公路合山段通車時(shí)間久，車流量大，超載貨車多，導(dǎo)致該路段路面病害較嚴(yán)重，每年都會(huì)更換較嚴(yán)重的路面破碎板，2018年累計(jì)更換破碎板13070.73m2，2019年累計(jì)更換破碎板3876.26m2。通過對(duì)2018年和2019年合山段更換破碎板工程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和通車后路面質(zhì)量的跟蹤調(diào)查，利用坍落度試驗(yàn)和摩擦系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)以及試件報(bào)告單等，得出混凝土坍落度與混凝土強(qiáng)度、路面平整度、摩擦系數(shù)、外觀情況的關(guān)系，如表3～4所示。

從表中可以明顯地看到，混凝土出廠坍落度與到場(chǎng)坍落度有比較明顯的出入。坍落度變大的原因主要是換板工程基本在炎熱的夏季進(jìn)行施工，混凝土罐車在運(yùn)輸途中擔(dān)心坍落度損失過大影響質(zhì)量從而私自加水確保坍落度，但是加水量得不到精確控制導(dǎo)致坍落度變大;坍落度變小的原因主要是天氣炎熱干燥，混凝土罐車運(yùn)輸距離、時(shí)間太長導(dǎo)致坍落度損失較大。路面外觀會(huì)隨著到場(chǎng)坍落度的增大而變壞，主要是私自加水后增大了水膠比，使混凝土流動(dòng)性提高，在澆筑、振搗、凝結(jié)、硬化的過程中，伴隨著粒狀材料的下沉，出現(xiàn)部分拌和水或砂漿上浮至混凝土表層產(chǎn)生沁水或浮漿現(xiàn)象，使混凝土塊體頂面區(qū)域聚集了過多的水和砂漿，增大該區(qū)域的水灰比，混凝土強(qiáng)度隨著水灰比增加而減小，導(dǎo)致該區(qū)域成為明顯的薄弱帶，隨著車輛荷載的反復(fù)作用，使薄弱帶出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，影響路面整體性，嚴(yán)重還會(huì)導(dǎo)致路面板的開裂和坑洞。從表中還反映出一個(gè)問題，現(xiàn)行換板工程采用的混凝土坍落度并不是使混凝土路面性能最優(yōu)的，可以看出混凝土坍落度越小，混凝土路面性能越優(yōu)，這是因?yàn)槁访媸┕げ恍枰盟突炷?，路面板塊配筋也較稀疏，可以采用機(jī)械振搗，混凝土坍落度宜選取表2中的10～30mm坍落度，但是考慮到商用混凝土運(yùn)輸時(shí)間和距離的長短問題以及高速公路現(xiàn)場(chǎng)施工的難易程度，現(xiàn)階段更換破碎板工程的坍落度選取需要更加大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)去驗(yàn)證以及更加先進(jìn)的施工技術(shù)來支持。

以2019年更換破碎板工程為例，根據(jù)表3可以得到三個(gè)更為直觀的表示混凝土性能與坍落度關(guān)系的曲線圖，如圖3、圖4、圖5所示。

從圖3中可以看出，隨著混凝土坍落度的增加強(qiáng)度會(huì)減小，這里的坍落度指的是實(shí)際到場(chǎng)的坍落度。通過前面的分析知道混凝土出廠坍落度不會(huì)直接影響到場(chǎng)混凝土的強(qiáng)度，但從圖3中明顯看到強(qiáng)度隨著坍落度增加而減小，主要原因是混凝土罐車運(yùn)輸途中私自加水，導(dǎo)致混凝土水灰比增大，而影響混凝土強(qiáng)度最主要的兩個(gè)原因就是水泥強(qiáng)度和水灰比，在其他條件不變的情況下水灰比增大肯定會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的減小。從圖4中看到，混凝土坍落度變化對(duì)路面平整度的影響并無直觀的體現(xiàn)，平整度只有明顯的跳動(dòng)，說明坍落度對(duì)平整度無直接影響，平整度變化的主要原因還是由于施工質(zhì)量把控不到位和施工工序紊亂導(dǎo)致的。從圖5中看出，隨著到場(chǎng)坍落度的增加路面摩擦系數(shù)會(huì)減小，前面分析中提到摩擦系數(shù)的決定因素是路面的粗糙度，坍落度增加導(dǎo)致混凝土表面薄弱帶的產(chǎn)生，在刻紋和后期通車行駛后都會(huì)使路面出現(xiàn)脫落、崩邊現(xiàn)象，從而影響到路面的摩擦系數(shù)。

4 結(jié)語

本文通過混凝土坍落度的原理分析與合山段更換破碎板的工程實(shí)例，得出了坍落度對(duì)混凝土路面性能的影響。理論分析可以得出按配合比的坍落度對(duì)混凝土的強(qiáng)度、路面平整度及摩擦系數(shù)沒有直接影響，工程實(shí)例表現(xiàn)出來的混凝土強(qiáng)度和路面摩擦系數(shù)隨著到場(chǎng)坍落度的增加均有一定程度的減小，路面整體性也會(huì)下降，出現(xiàn)剝落和崩邊現(xiàn)象，大部分是由于私自加水影響混凝土質(zhì)量和施工質(zhì)量導(dǎo)致的，不能作為常規(guī)判定。因此，在以后更換破碎板工程中，要注意以下幾個(gè)方面：（1）嚴(yán)格把控混凝土質(zhì)量，杜絕私自加水現(xiàn)象;（2）加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)管控，優(yōu)化施工工序，提高施工質(zhì)量;（3）重新制定配合比，應(yīng)通過大量實(shí)例確定混凝土坍落度的最優(yōu)值，最大化保證混凝土路面質(zhì)量。

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