重載交通及耐重載水泥混凝土路面材料的研究

林娜

（湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410015）

0 引言

交通運(yùn)輸部《2021年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》指出，截至2020年底，我國(guó)公路里程已達(dá)到519.81 萬(wàn)km，二級(jí)以上等級(jí)公路里程70 余萬(wàn)km，高速公路里程近15 萬(wàn)km。作為高等級(jí)公路的主要路面結(jié)構(gòu)形式之一的水泥混凝土路面在這個(gè)數(shù)據(jù)中占有相當(dāng)大比重。交通運(yùn)輸部發(fā)布的《2015年公路里程(按路面類型分)》顯示，早在2015年，我國(guó)高速公路及水泥混凝土路面里程就雙雙達(dá)到世界第一。同瀝青路面相比，水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、耐久性好、利于夜間行車、施工簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。

然而，有研究表明車輛軸載、路面重載程度過(guò)高與混凝土本身彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置偏小之間的矛盾，是造成混凝土早期破壞、后期病害的重要原因之一，是限制水泥混凝土路面使用壽命和快速發(fā)展的關(guān)鍵。由此可見(jiàn)，在我國(guó)重載交通現(xiàn)象普遍存在的基礎(chǔ)上，耐重載水泥混凝土路面材料的研究意義重大，并且將其研究重點(diǎn)和主要特點(diǎn)定義為高抗折、低脆性、高耐磨是科學(xué)合理的。

1 重載交通下混凝土彎拉強(qiáng)度目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的確定

根據(jù)混凝土路面極限狀態(tài)設(shè)計(jì)公式（1）、公式（2）分析可知，

除去溫度梯度疲勞應(yīng)力σ這個(gè)主要由于自然環(huán)境影響的控制因素外，水泥混凝土路面早期破壞的主要因素有三個(gè)：σ、σ和f。其中臨界荷位處產(chǎn)生的行車荷載疲勞應(yīng)力σ與道路的重載交通息息相關(guān)，σ主要與P（水泥混凝土路面上的最重軸載）有關(guān)。由此可見(jiàn)，欲提高水泥混凝土路面對(duì)重載交通及路面重載程度的承受能力，提高路面材料的抗折強(qiáng)度是最直接且最有效的方法。

對(duì)于重載交通和耐重載混凝土而言，規(guī)范規(guī)定5.0MPa 抗折強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了要求。早在20 世紀(jì)末，我國(guó)礦山地區(qū)重載路段就已經(jīng)將設(shè)計(jì)抗折強(qiáng)度提高到6.0MPa，施工抗折強(qiáng)度不小于7.0MPa。本文設(shè)計(jì)耐重載混凝土彎拉強(qiáng)度目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值通過(guò)計(jì)算得出。具體計(jì)算如下：

假設(shè)一條高速公路，擬設(shè)計(jì)厚度0.26m，設(shè)計(jì)軸載P=100kN，最終軸載P=250kN，設(shè)計(jì)車道初期標(biāo)準(zhǔn)軸載日作用次數(shù)（N）為75000 次，年交通增長(zhǎng)量（g）為6%（基層為低液限土，地下水位1.0m，水穩(wěn)砂礫基層，地基綜合回彈模量E取125MPa）。

1.1 交通分析

高速公路設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為30年，安全等級(jí)為一級(jí)，查表得臨界荷位處的車輛輪跡橫向分布系數(shù)?取0.22。

依據(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D40—2011）中規(guī)定，屬于特重交通荷載分級(jí)。然而，諸如“上海運(yùn)煤路段路面”“天津超載車輛調(diào)查”“107 國(guó)道郴州段、鄭州黃河橋等路段”“109 國(guó)道山西段”等研究表明大部分重載交通道路車輛軸重100kN 以上的重型貨車占整個(gè)交通量的60%左右，重車超載率一般在70%～200%之間，這些數(shù)據(jù)均影響了設(shè)計(jì)軸載作用次數(shù)N，使之大幅提高，從而導(dǎo)致N的大幅提升。2011年頒布的規(guī)范，對(duì)交通荷載分級(jí)也相應(yīng)大幅提高標(biāo)準(zhǔn)。因此本文的N數(shù)值屬于特重交通荷載的分級(jí)仍需商榷，下降為重載交通分級(jí)較為科學(xué)合理，但用于本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究是可行的。

1.2 路面參數(shù)的計(jì)算

由混凝土面層的彎曲剛度D及半剛性基層板的彎曲剛度D及地基綜合回彈模量E計(jì)算路面結(jié)構(gòu)總相對(duì)剛度半徑。

1.3 荷載應(yīng)力計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)軸載和極限荷載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力為：

計(jì)算面層荷載疲勞應(yīng)力及面層最大荷載應(yīng)力為：

其中，應(yīng)力系數(shù)K=0.87（查表得）；K=1.10（查表得）；疲勞應(yīng)力系數(shù)

1.4 溫度應(yīng)力

有研究計(jì)算了大量路面的溫度應(yīng)力，結(jié)果表明溫度應(yīng)力的波動(dòng)范圍，一般在1.0～1.3 之間，本文σ取最不利值1.3MPa。

1.5 水泥混凝土彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fr 的確定

將上述結(jié)果帶入表達(dá)式（1）：1.13（4.340+1.3）=6.37MPa≤f，可得f可初步確定為6.5MPa。

然而，重載交通水泥混凝土路面的設(shè)計(jì)思路不僅應(yīng)將軸載及重載交通情況與應(yīng)力關(guān)聯(lián)起來(lái)，還應(yīng)考慮應(yīng)力水平的因素，早在1988年同濟(jì)大學(xué)就開(kāi)展了相應(yīng)試驗(yàn)，得出應(yīng)力水平為0.55～0.65。但是隨著重載交通及超載日益嚴(yán)重，該應(yīng)力水平可超過(guò)0.85，甚至達(dá)到1。長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)者用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析并建立了分段擬合的雙對(duì)數(shù)方程，研究結(jié)果（見(jiàn)圖1）表明規(guī)范和網(wǎng)絡(luò)擬合的曲線整體走向是一致的，但在應(yīng)力水平S=0.75 處，擬合曲線產(chǎn)生了拐點(diǎn)，且曲線趨于平緩，說(shuō)明應(yīng)力水平很小幅的上升都會(huì)引起N 的大幅上升，可能會(huì)造成路面的早期破壞。因此對(duì)于重載混凝土路面材料來(lái)講，長(zhǎng)期處于重載交通和超重運(yùn)輸環(huán)境下，應(yīng)力水平長(zhǎng)期處于高位，這個(gè)拐點(diǎn)的意義至關(guān)重要。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合雙對(duì)數(shù)方程曲線

本文選取S=0.75。因此極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式應(yīng)改寫為：

最終，本文將耐重載混凝土彎拉強(qiáng)度目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值確定為8.50MPa。

2 摻和料的配伍研究

高性能混凝土中優(yōu)質(zhì)的礦物摻和料是不可缺少的組成部分，本文采用正交試驗(yàn)優(yōu)選粉煤灰、硅灰、礦渣最佳復(fù)合比例，見(jiàn)表1。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用直觀分析法，可知：其一，抗折強(qiáng)度方面：各水平抗折強(qiáng)度均值（ Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）均高于未復(fù)合礦物摻和料試樣（8.9MPa），說(shuō)明礦物摻和料的填充效應(yīng)、流化效應(yīng)、二次水化效應(yīng)等有助于提高材料的抗折強(qiáng)度。且三因素中，粉煤灰Ⅰ（10.04MPa）、礦渣Ⅲ（9.96MPa）、硅灰Ⅲ（9.74MPa）的抗折強(qiáng)度均值最高，因此，三者優(yōu)選比例暫定5%、20%、3%較為合適。極差分析中，粉煤灰的極差數(shù)據(jù)最大（0.69），由此可知影響材料抗折強(qiáng)度的主要因素為粉煤灰摻量，因此初步確定粉煤灰的摻量宜選用5%。其二，壓折比方面：壓折比反應(yīng)材料的脆性（抗變形能力），壓折比越小，材料抗變形能力越好。三因素中，粉煤灰Ⅲ（5.28MPa）、礦渣Ⅲ（5.19MPa）、硅灰Ⅰ（5.27MPa）的壓折比均值最低，因此，三者優(yōu)選比例暫定15%、20%、3%較為合適。極差分析中，礦渣的極差數(shù)據(jù)最大（0.50），由此可知影響材料脆性的主要因素為礦渣摻量，因此初步確定礦渣摻量宜選用20%。

表1 水泥膠砂強(qiáng)度正交試驗(yàn)結(jié)果分析表

表1 顯示硅灰最優(yōu)摻量分別是最小值3%和最大值7%，且由極差分析可知硅灰對(duì)材料抗折強(qiáng)度和壓折比的影響甚微，因此為兼顧抗折強(qiáng)度和壓折比兩項(xiàng)指標(biāo)，將硅灰的摻量折中為5%。

綜上所述，礦物摻和料優(yōu)選比例為1∶4∶1，將其按該比例混合制備成耐重載混凝土“專用礦物摻和料”。

3 混凝土重要參數(shù)的確定

《公路路面水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》指出“宜根據(jù)過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)資料求得公式推算水灰比，得到水灰比與強(qiáng)度的關(guān)系可靠關(guān)系式”，并給出推薦水灰比（抗彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)6.0MPa，0.32～0.42），因本文目標(biāo)抗折強(qiáng)度8.5MPa 以上，所以配制耐重載混凝土水膠比范圍至少應(yīng)選取0.32～0.42 之間。因此，本文暫選取水膠比0.32～0.42 開(kāi)展試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。結(jié)果表明水膠比對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度影響顯著，隨著水膠比的減小，抗折強(qiáng)度明顯提高，當(dāng)水膠比減小到0.32 時(shí)，抗折強(qiáng)度達(dá)到8.7MPa，符合本文要求。

圖2 水膠比對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度影響曲線

出于方便道路混凝土施工方面的考慮，該規(guī)程采用滑模施工的道路混凝土坍落度宜控制在10～30mm之間。然而為降低混凝土脆性，減少混凝土干縮開(kāi)裂程度，后續(xù)試驗(yàn)還需摻入一定數(shù)量的纖維增強(qiáng)材料，纖維材料的摻入必然會(huì)影響混凝土拌和物的和易性，并且高效減水劑（摻量0.8%）的摻入也會(huì)使坍落度損失加大。綜合考慮以上因素，本文配制的耐重載混凝土的坍落度擬設(shè)計(jì)在10～60mm 之間。

依據(jù)已有研究和經(jīng)驗(yàn)，“專用礦物摻和料”摻量選取30%，為提高混凝土耐磨性能并進(jìn)一步降低脆性，選用長(zhǎng)度9mm 的聚丙烯纖維摻入混凝土，摻量1.2kg/m，見(jiàn)表2。

表2 耐重載混凝土配合比設(shè)計(jì)表

4 耐重載混凝土力學(xué)性能及耐磨性能的研究

耐磨性作為耐久性能的重要指標(biāo)之一，對(duì)于混凝土路面的使用壽命至關(guān)重要，因此其耐磨性能也需相應(yīng)提高，本文目標(biāo)擬達(dá)到28 天磨損量小于等于2.0kg/m。由表3 可得，其一，5 號(hào)組抗折強(qiáng)度為8.9MPa（≥8.5MPa），壓折比最小，磨損量0.43kg/m（≤2.0kg/m），達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，說(shuō)明水膠比的選取、“專用礦物摻和料”及聚丙烯纖維的摻量均合適，配合比合理。其二，對(duì)比分析：相較于2 號(hào)組，5 號(hào)組抗折強(qiáng)度提高了35%，壓折比降低了21%，磨損量降低了80%，說(shuō)明“專用礦物摻和料”和纖維的摻入充分發(fā)揮了超細(xì)粉末的超疊加效應(yīng)和纖維增韌作用，有效地提高了混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)。相較于1 號(hào)組，體現(xiàn)出耐重載道路混凝土相較于普通混凝土在各項(xiàng)道路混凝土關(guān)鍵性指標(biāo)中均具有相當(dāng)優(yōu)越性。2 號(hào)、3 號(hào)組相比，單摻“專用礦物摻和料”組的指標(biāo)優(yōu)于單摻聚丙烯纖維組，進(jìn)一步說(shuō)明“專用礦物摻和料”在混凝土各項(xiàng)性能的提高中起主導(dǎo)作用。

表3 耐重載混凝土性能分析表

5 結(jié)論

其一，考慮到應(yīng)力水平及重載交通和重載程度對(duì)道路混凝土路面應(yīng)力的影響，將耐重載混凝土的彎拉強(qiáng)度目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值確定為8.5MPa。

礦物摻和料中，粉煤灰是影響材料抗折強(qiáng)度的主要因素，礦渣是影響材料脆性的主要因素，粉煤灰、礦渣、硅灰的最佳配比為1∶4∶1。

其二，道路混凝土的配制具有高抗折、低脆性、高耐磨等特點(diǎn)，符合耐重載混凝土路面材料的特征。