（道路与铁道工程专业论文）陡坡路段露石水泥混凝土路面施工技术研究.pdf

摘要 陡坡路段路面的修筑技术一直是困扰道路工作者的一大难题。陡坡路段沥青路面容 易产生推移、拥包等病害；而普通水泥混凝土路面抗滑耐久性差，经两三年的运营后， 传统的抗滑构造即被磨损，故这两种路面在陡坡路段的应用均不尽人意。研究高性能沥 青混合料或新的路面结构形式是陡坡路段路面修筑技术发展的趋势。 本文系统研究了陡坡路段露石水泥混凝土路面( e a c c p ) 施工关键技术，通过对 比不同级配下的露石效果，提出了陡坡路段e a c c p 级配控制筛孔；针对内蒙古地区气 候特点，对传统露石工艺存在的不足进行了改进，并提出了内蒙古中部地区e a c c p 刷 洗工艺控制指标的取值范围：运用均匀设计试验方法，分析了喷洒时间、露石剂喷洒剂 量及外界环境温度对刷洗工艺控制指标的影响，通过回归分析手段，用关系式揭示了影 响因素与刷洗工艺控制指标间的内在联系，这些关系式可以用来指导工程实践。 关键词：露石水泥混凝土路面；陡坡路段；抗滑耐久性；露石效果； 均匀设计；刷洗工艺；影响因素；控制指标：回归分析 a b s t r a c t t oc i v i le n g i n e e r s ，t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e sf o rp a v e m e n ti ns t e e ps l o p er o a d sh a v e b e i n gac o n f u s e dp r o b l e m a s p h a l tp a v e m e n ti ns t e e ps l o p er o a d si sa l w a y ss u b j e c tt om a n y f a i l u r e s ，s u c ha st r a c t i o na n df o l d i n g a tt h es a m et i m e ，a f t e ro p e r a t i o nf o rt w oo rt h r e ey e a r s c o n v e n t i o n a ls k i d r e s i s t a n c es t r u c t u r e s w i l lb ew o r n d u et ot h e p o o rd u r a b i l i t y o f s k i d r e s i s t a n c eo fp o r t l a n dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t s ot h ea p p l i c a t i o no ft w ot y p e so f p a v e m e n t si ns t e e ps l o pr o a d s i sn o ts a t i s f i e d s t u d yo fh i g hp e r f o r m a n c ea s p h a l tm i x t u r ea n d n e w t y p eo fp a v e m e n t s t r u c t u r ew i l lb et h ed e v e l o p m e n t st r e n do fc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ef o r p a v e m e n ti ns t e e ps l o pr o a d s t h i st h e s i ss t u d i e sc o n s t r u c t i o nk e yt e c h n i q u ef o re x p o s e d - a g g r e g a t ec e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n t ( e a c c p ) i ns t e e ps l o pr o a d s b a s e do nc o m p a r i s o no fe x p o s e d a g g r e g a t ee f f e c t w i t hd i f f e r e n tg r a d a t i o n ，c o n t r o l l e ds i e v ep o r ef o rt h eg r a d a t i o ni ss u g g e s t e d c o n s i d e r i n g c l i m a t i cc h a r a c t e r i s t i co fi n n e rm o n g o l i a , s h o r t a g e si nc o n s t r u c t i o np r o c e s s o fe a c c p a r e i m p r o v e d ，a n dt h ec o n t r o li n d e xv a l u er a n g eo fw a s hp r o c e s si nm i d d l eo fi n n e rm o n g o l i a i s p r o v i d e d e m p l o y i n gu n i f o r md e s i g nm e t h o d ，t h i st h e s i sa n a l y z e si n f l u e n c eo ft i m ea n d a m o u n to fe x p o s e r ss p r a y i n g ，e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r eo nc o n t r o li n d e xo fw a s hp r o c e s s t h r o u g hr e g r e s s i o na n a l y s i s ，s o m e r e l a t i o n a l e x p r e s s i o n s a r ed e f i n e dt or e f l e c tt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dc o n t r o li n d e x ，a n dt h e s er e l a t i o n a le x p r e s s i o n s c a nb eu s e dt og u i d ep r o je c tc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：e x p o s e d a g g r e g a t ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ；s t e e ps l o pr o a d ；d u r a b i l i t y o f s k i d r e s i s t a n c e ；e x p o s e d a g g r e g a t ee f f e c t ；u n i f o r md e s i g n ；w a s hp r o c e s s ；i n f l u e n c i n gf a c t o r s ； c o n t r o li n d e x ；r e g r e s s i o na n a l y s i s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：帝昃州浩醇年厂月p 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：秒员1 鹇 铷签名：姊 硝年j 月2 - 日 8 年f 月；e l 长安大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 问题的提出及研究意义 我国是一个多山区的国家，随着社会与经济的发展，在我国公路建设蓬勃发展的今 天，公路逐渐走入山区，长陡坡路段的出现将不可避免。目前，陡坡路段路面的结构形 式以沥青路面为主导。许多调查结果发现，陡坡路段沥青路面容易产生推移、车辙等病 害，其整体服务质量往往不尽人意，特别是在一些自然环境恶劣、交通量大，重载、超 载车辆多的地方更是显而易见。因此，研究高性能沥青混合料或新的路面结构形式是陡 坡路段路面修筑技术发展的趋势。 水泥路面具有强度高、稳定性好、无车辙、耐久性好、造价适中、夜间行车可视性 好等诸多优点，受到各国道路部门的重视。而我国国情也注定了水泥路面在我国将有广 阔的应用前景。这是因为水泥路面在我国的原材料资源可谓得天独厚，我国连续1 0 年 是全球最大的水泥生产与出1 ：3 国，2 0 0 2 年水泥产量为6 3 亿吨，而2 0 0 5 年全国水泥产 量竞超过1 0 亿吨，增长幅度很大【l 】；相比日益增长的沥青价格，水泥价格稳中有降， 2 0 0 5 年普通硅酸盐4 2 5 4 水泥市场批发成交价平均在3 0 0 元吨左右1 2 1 。所以研究水泥路 面在陡坡路段的应用，具有十分重要的现实意义，和巨大的经济效益与社会效益。 然而，如何改善普通水泥混凝土路面抗滑性能一直是困扰道路工作者的一大难题。 随着经济建设的发展、公路等级的不断提高以及交通量和载重量的增大、车速的加快， 普通水泥混凝土路面的抗滑问题更加突出。国内外许多道路工作者经过不断试验、总结， 也曾提出一些抗滑技术，如拉毛、压纹、刻槽、铣刨，即所谓的“传统抗滑技术 。长 期使用表明，经拉毛的路面混凝土表面纹理极易磨光，抗滑性能衰减很快；压纹、刻槽 路面对抗滑性能增加较小，且嵌入槽内的石子易使路面表面破碎，从而引起扬尘，同时 抗滑功能的衰减也比较快：洗刨工艺虽然可改善混凝土表面宏观构造深度，但由于其构 造深度不均，混凝土厚度损失过大，表面粗糙度不匀，微观构造不足，抗滑性能损失快 等原因，很难作为提高路面抗滑性能的工艺手段。另外，铣刨后的混凝土表面纹理均匀 性受施工技术局限，甚至影响平整度及路面排水( 仅适用于桥面铺装或复合式路面，但 成本高) 。因此，采用这些传统方法处理的水泥混凝土路面的抗滑性能及其长期使用性 能均不尽人意。 第一章概述 露石水泥混凝土路面( 简称e a c c p ) 是一种新型的水泥路面，它是以适当方式清 除水泥混凝土表面砂浆、露出优质粗集料从而形成优良的宏观与微观结构，得到良好的 抗滑表面。e a c c p 不仅具有高抗滑性，同时具有高抗滑持久性，其抗滑性能衰减速度 很慢，能使路面长期保持优异的抗滑性能；e a c c p 还具有良好的降噪性、表面排水性、 高耐磨性等特点。因此，e a c c p 在保持普通水泥混凝土路面优点并克服缺陷的同时， 使水泥混凝土路面使用功能在多方面得到改善与提高。 为了大大提高陡坡路段水泥路面的抗滑性能，本文以内蒙1 1 0 国道兴和至呼和浩 特段二级公路改建工程为依托，研究e a c c p 在陡坡路段的应用。该研究不仅对于改善 现有的陡坡路段路面修筑技术具有十分重要的现实意义，而且对内蒙古地区水泥混凝土 路面的发展，对先进的水泥混凝土路面技术推广和发展都将产生积极而深远的影响。 1 2 国内外研究现状及分析 从上世纪八十年代末以来，西欧发达国家如荷兰、比利时、英国、德国等开始e a c c p 的研究和应用。e a c c p 作为新型抗滑降噪路面，在一些新建水泥混凝土路面得到研究 应用。英国、比利时、德国等欧洲国家的研究表明：e a c c p 使沿线交通噪声降低，路 面舒适性提高，比刻槽路面的抗滑性能好、维持时间长，且e a c c p 比刻槽路面摩擦系 数损失少。由于e a c c p 抗滑性高、降噪效果明显，因而e a c c p 在西欧、日本得到推 广应用，许多新建水泥混凝土路面采用e a c c p 形式，使路面服务水平得到很大提高。 由于e a c c p 具有良好的路表性能，在目前和未来一定时间内，仍然是作为抗滑低 噪声水泥混凝土路面的主要形式。英国计划在2 0 1 0 年前，对国内6 0 的主干道实施“安 静表面”路面处理，对日交通量大于7 5 0 0 0 辆的道路必须采用e a c c p 。这也说明，e a c c p 除具有抗滑低噪声特性外，仍保持了普通水泥混凝土路面承载能力大的特点，可承受繁 重交通负荷。国际道路会议常设委员会( p i a r c ) 2 0 0 4 - - 2 0 0 7 年战略计划中提出，在 未来2 0 , - - - , 3 0 年道路路面特性发展研究中，把降低道路噪声作为其中一个重要目标【删。 这亦表明，e a c c p 无疑在今后的应用将更为广泛。 国内e a c c p 的研究和应用，始于2 0 0 0 年初。长安大学在对e a c c p 形成工艺、 工艺性能指标、路用性能、路用性能评价方法、e a c c p 所需混合料配合比、材料要求 等方面进行大量研究基础上，研制了e a c c p 铺筑工艺所需的露石剂，提出了e a c c p 施工工艺过程的控制指标及指标变化规律与控制范围，并分别成功地在2 0 0 0 年至2 0 0 1 年铺筑了三处( 累计近2 公里) 试验路段；2 0 0 4 年上半年在陕西省某隧道中，又成功 2 长安大学硕士学位论文 地铺筑了第一条抗滑低噪声水泥混凝土隧道路面，2 0 0 4 年底至2 0 0 5 年初由长安大学技 术支持，分别在西藏铺筑了2 5 k m 长隧道e a c c p ，在厦门铺筑了3 k m 长抗滑e a c c p 。 这些试验路或实际应用路段的使用均获得满意效剁8 a1 0 1 引。发达国家e a c c p 的研究 应用现状及国内e a c c p 所表现出的优良路用性能表明，e a c c p 应成为我国水泥混凝 土路面值得研究、应用的路面形式之一。 1 3 内蒙古地区气候特点 内蒙古自治区疆域辽阔，地跨“三北 ( 中国东北、西北、华北) 地区，东起东经 1 2 6 度2 9 分，西起东经9 7 度1 0 分，东西直线距离为4 0 0 多公里。内蒙古东部与黑龙 江、吉林、辽宁三省毗邻，南部、西南部与河北、山西、陕西、宁夏四省区接壤，西部 与甘肃省相连，北部与蒙古国为邻，东北部与俄罗斯交界，国界线长达4 2 2 1 公里。土 地总面积1 1 8 3 万平方公里，占全国总面积1 2 3 t 3 1 。 内蒙古的地形以高原为主，高原从东北向西南延伸3 0 0 0 公里，地势由南向北、由 西向东缓缓倾斜。一般地区海拔1 0 0 0 米一1 5 0 0 米。内蒙古高原可划分为呼伦贝尔高原、 锡林郭勒高原、乌兰察布高原和巴彦淖尔、阿拉善及鄂尔多斯高原四部分。高原上分布 着辽阔的草原，是我国著名的天然牧场，还分布着一部分沙漠。高原边缘的山峦，主要 有大兴安岭、阴山、贺兰山等。这些山脉的位置和走向，构成一条牧业区与农业区的分 界线。高原的外沿，分布着河套平原、鄂尔多斯高原和辽嫩平原。这三个地区，除鄂尔 多斯高原土质较差和比较干旱以外，其他两个地区均为肥土沃野，是自治区的主要农耕 地带。 内蒙古属典型的中温带季风气候，具有降水量少而不匀、寒暑变化剧烈的显著特点。 冬季漫长而寒冷，多数地区冷季长达5 个月到半年之久。其中1 月份最冷，月平均气温 从南向北由零下1 0 递减到零下3 2 ，夏季温热而短暂，多数地区仅有一至两个月， 部分地区无夏季。最热月份在7 月，月平均气温1 6 。c 一2 7 之间，最高气温为3 6 一4 3 。 气温变化剧烈，冷暖悬殊甚大。降水量受地形和海洋远近的影响，自东向西由5 0 0 毫米 递减为5 0 毫米左右。蒸发量则相反，自西向东由3 0 0 0 毫米递减到1 0 0 0 毫米左右。与 之相应的气候带呈带状分布，从东向西由湿润、半湿润区逐步过渡到半干旱、干旱区。 这里晴天多，阴天少，日照时数普遍都在2 7 0 0 小时以上，长时达3 4 0 0 小时。冬春季风 多风大，年平均风速在3 米秒以上，蕴藏着丰富的光热、风能资源。 1 1 0 国道兴和呼和浩特段是内蒙古中部、西部地区重要的对外通道和经济干线， 3 第一章概述 是自治区首府呼和浩特及西部五省区通往首都北京及华北地区的必经之路。路线所经地 区位于内蒙古中部，按公路自然区划属v i i 区，气候属中温带干旱半干旱大陆性气候， 其特征表现为冬季漫长寒冷，夏季短暂炎热，日昼夜温差大，空气干燥，多风，降雨量 少，各种灾害性天气频繁，主要降雨集中在每年的7 、8 、9 三个月，属季节性冰冻地区， 主要气象资料如下表： 表1 1 气象资料表 项目及单位呼和浩特卓资山集宁 北纬4 0 0 4 9 北纬4 0 0 5 2 北纬4 1 0 0 2 地理位置 东经1 1 1 0 4 1 东经1 1 2 0 3 4 东经1 1 3 0 0 4 平均气压毫巴 8 9 68 5 88 5 4 年平均气温 6 0 3 62 5 年最高气温 3 7 33 63 3 1 年最低气温 3 2 83 3 8 3 5 1 历年最冷月平均气温 1 3 11 4 o1 6 o 历年最热月平均气温 2 1 o1 9 11 8 3 年蒸发量毫米 1 7 5 42 1 8 01 7 5 1 年降水量毫米 4 1 83 7 94 1 5 一小时最大降雨量毫米 6 4 33 9 43 5 1 一日最大降雨量毫米 2 1 0 16 3 98 5 0 雨季月份 6 96 86 8 最大冻结深度厘米 1 4 31 9 12 4 2 冰冻期月份 1 1 3 1 1 3 1 1 3 最大积雪深度厘米 3 03 01 5 平均风速米秒1 83 7 2 8 风向西北风西北风 西北风 海拔高度米 1 0 6 51 4 1 71 4 5 2 自然区划 区 v i tv i iv i i 从上表中可看出，路线所经地区最冷月平均气温低于一i o * c ，属于严寒地区，砼配 合比设计过程中应考虑抗冻性；水泥混凝土路面应用于陡坡路段和爬坡车道( 纵坡均大 于5 ) ，设计过程中要充分考虑抗滑性能以确保行车安全。综上所述，本项目水泥路面 4 长安大学硕士学位论文 应以抗冻性及抗滑性作为设计要点。 1 4 主要研究内容 本研究项目结合内蒙古1 1 0 国道兴和呼和浩特段改扩建工程，通过室内试验及 实体工程的实施，系统研究e a c c p 在陡坡路段的应用，主要研究内容可归纳为以下几 个方面： ( 1 ) 内蒙古地区e a c c p 施工气候特点调查研究； ( 2 ) 内蒙古地区e a c c p 原材料调查与性能试验分析； ( 3 ) 陡坡路段抗冻e a c c p 配合比设计方法研究； ( 4 ) 陡坡e a c c p 施工工艺关键技术研究： ( 5 ) 基于均匀设计方法的e a c c p 刷洗工艺影响因素分析； ( 6 ) 陡坡路段抗滑e a c c p 试验路研究； 长安大学硕士学位论文 第二章陡坡路段抗冻e a c c p 配合比设计方法研究 强度和耐久性是混凝土的两大基本特征，随着混凝土构造物使用年限的延长，混凝 土的劣化、病害问题日益突出，甚至危及结构的安全。为了确保安全，延长混凝土构造 物的使用年限，发挥更大的经济效益和社会效益，混凝土耐久性问题引起人们普遍关注 和研究。混凝土抗冻性作为耐久性的一个重要指标，是指饱水混凝土抵抗反复冻融作用 的性能，必须采取措施以保证其耐久性。 内蒙古位于我国北部边疆，西北紧邻蒙古和俄罗斯，是寒潮进入我国首当其冲的地 方，因而冬季严寒、夏季温暖，且冬季漫长而寒冷，多数地区冷季长达5 个月到半年之 久。其中1 月份最冷，月平均气温从南向北由零下1 0 递减到零下3 2 。基于以上原 因，内蒙地区混凝土路面设计、施工中必须考虑混凝土的抗冻性要求。 2 1 冻融破坏的原因分析 对于寒区混凝土路面而言，冻融破坏是影响混凝土耐久性的主要因素。如何有效地 预防和抵抗这种因素的破坏力，是解决混凝土路面耐久性问题的关键。影响混凝土冻融 破坏的原因很多，主要原因有以下几点： ( 1 ) 原材料的原因水泥生产竞相向高强度和快硬发展，而优质甚至合格的集料却 有日益枯竭之势，常采用质次或者不满足规范要求的集料，对集料的质量缺乏重视。 ( 2 ) 设计原因配合比设计中没有考虑抗冻要求。 ( 3 ) 施工原因施工盲目追求进度，而忽略了工程质量。 从微观解释混凝土冻融剥蚀的主要原因：混凝土是一种多孔性材料，在拌制混凝土 时为了得到必要的和易性，加入的拌合水往往多于水泥的水化水，这部分多余的水便以 游离水的形式滞留于混凝土中，或者水分挥发后形成连通的占有一定体积的毛细孔，遇 水时毛细孔极易吸饱水。这些游离水或孔隙中的水在温度正负交替作用下，形成冻胀压 力和渗透压力联合作用的疲劳应力。在这种应力作用下，混凝土产生由表及里的剥蚀破 坏，从而降低混凝土强度，导致路面破坏。由此可以看到，混凝土产生冻融破坏有两个 必要条件：一个是混凝土必须接触水或混凝土中有一定的含水量；另一个必要条件是混 凝土所处的自然条件必须存在反复交替的正负温度。 从混凝土冻融剥蚀机理的微观分析可以看出，混凝土的渗透性是影响抗冻性能的主 7 第二章陡坡路段抗冻e a c c p 配合比设计方法研究 要原因。而混凝土渗透性与孔结构及孔隙率有直接关系【2 0 1 。通常，孔结构学研究中将混 凝土的孔径大小分为：大孔( 1 0 3 n m ) 、毛细孔( 1 0 2 1 0 3 n m ) 、过渡孔( 1 0 1 0 0 n m ) 、 凝胶孔( 3 5 抗折强度( m p a ) 2 8 d7 17 3 巧5 该水泥各项指标符合g b l 7 5 1 9 9 9 标准要求 通过对两种水泥的试验结果对比，可以看出，两种水泥的品质均完全满足重载路 面的要求。根据室内试验，将成型的e a c c p 进行效果对比( 见图2 1 、图2 2 ) ，大同 水泥颜色与集料颜色反差大，影响e a c c p 外观效果；而乌兰水泥颜色与集料色泽相匹 配，e a c c p 试件效果与沥青混凝土接近。在此，本项目考虑颜色影响，e a c c p 统一采 用乌兰总厂生产的p o 4 2 5 普通硅酸盐水泥。 9 第二章陡坡路段抗冻e a c c p 配台比设计方法研究 霹愿 图 l 乌兰水泥的露石效果图2 2 大同水泥的露石效果 2 22 粗集料 2 22i 粗集料技术性质要求 作为混凝土重要组成部分的粗集料占混凝土体积的7 0 以上，其几何特性、物理性 能、化学成分对混凝土早期工作性能、硬化后的力学性质以及耐久性有重要影响。而集 料的含泥量及吸水率对砼的抗冻性能有显著影响。 不掺泥和掺泥1 的情况下，试块经过1 0 0 次冻融循环均达到破坏，而掺泥5 和 1 0 的情况只经过7 5 次循环就完全破坏了，这充分说明随含泥量增加，混凝土的抗冻 耐久性变差【2 5 】；在同样的水灰比和养护条件下，选择的集料不用，其抗冻性能有着很大 的差别。集料孔隙大、吸水率高，其内部的水分容易充满，冻融频繁，集料可能破裂， 即使不为冰冻所破损，但由集料中压出的水也会引起周围水泥浆体的破坏【”l 。 故有抗冻要求的混凝土，含泥量不能大于1 ，且吸水率不能大应大于2 。此外， 鉴于e a c c p 集料外露特性，集料选择还应满足如下要求。 i 、一般要求 e a c c p 是一种新型、特殊的混凝土路面，它通过露出部分粗集料来形成优良的宏 观结构及微观结构，粗集料在e a c c p 中发挥着不同寻常的独特的作用，所以粗集料的 选择是e a c c p 材料选择中最重要的环节之一。粗集料的选择不仅要符合普通道路混凝 土的要求，而且要满足e a c c p 对粗集料的力学性能、粒径大小、颗粒表面特性、几何 特性等方面的特殊要求。一般说来，粗集料对e a c c p 有下述影响。 ( 1 ) 集料强度影响混凝土强度 与普通混凝土一样集料强度的不同，使混凝土的破坏机理相差很大。如果集料 强度大于水泥石强度，则混凝土的强度取决于水泥石强度、水泥石和集料之间的粘结强 度混凝土的破坏产生于水泥石以及集料与水泥石粘结而的破坏，在此情况下粗集料强 长安大学硕士学位论文 度对混凝土强度影响较小。但在高强度混凝土中，粗集料强度增大，混凝土的强度也随 之增大，但这不等于说集料的强度越高越好，因为过硬的粗集料可能在混凝土因温度或 湿度变化发生体积变化时，使水泥石产生较大内应力而开裂，对混凝土的强度不利。 对于普通混凝土而言，粗集料强度一般大于混凝土强度，所以对于混凝土强度的 影响无需考虑集料的强度。但e a c c p 的粗集料直接承受行车的磨耗，对石料的耐磨性 要求很高，所以这就要求石料要有足够的综合力学强度以抵抗车轮荷载冲击、剪切、磨 耗等综合作用。 ( 2 ) 粗集料颗粒形状、表面特征影响e a c c p 的粘结力与抗滑力 首先，为了抗滑，路面表面应具备两种构造：一个是微观构造，它是影响车辆低 速行驶时( 时速在5 0 k m h 以内) 路面抗滑能力的主要因素：另一个是由路面集料间的 开放空间、孔隙和沟槽组成的宏观构造，它是影响高速行车时路面抗滑能力的主要因素。 一般来说，采用天然砂都能满足抗磨光的要求，使路面保持一定的微观构造，所以水泥 混凝土路面提高并保持抗滑能力的关键在于形成和保持良好的宏观结构； 其次，要使e a c c p 在使用年限中保证良好的使用品质，则所设计的e a c c p 必须 有良好的耐磨性，水泥砂浆与粗集料应有较高的粘结强度，保证粗集料在行车荷载作用 下不易被磨平、在外力作用下不脱落。所以带有棱角、近似立方体的粗集料颗粒不易脱 落并有利于形成摩阻力很大的宏观构造。而扁平、针状的粗集料颗粒，不仅会影响新拌 混凝土的工作性，而且会增加混凝土的薄弱环节使混凝土强度降低，也易引起表面露出 颗粒的脱落。因此，需控制粗集料中针、片状颗粒含量。表面粗糙的粗集料有利于构成 路表面丰富的微观构造，提高抗滑力。表面粗糙、洁净的粗集料也有助于提高水泥浆与 集料界面的粘结力，这不仅能提高混凝土的强度，而且对防止e a c c p 表层露出的集料 的剥落也是至关重要的。 ( 3 ) 集料的综合力学性能影响e a c c p 的抗滑性与表面特性的持久性 对于普通的水泥混凝土路面，由于砂浆层的覆盖，粗集料露出路表所占比例一般不 超过1 2 ，因此粗集料对水泥混凝土路面抗滑力的影响很小。英国的一项研究表明，当 石料磨光值从3 5 增加到7 2 时，路面抗滑值( s r v ) 的增加还不到5 个单位，但在e a c c p 中，粗集料完全露在大气当中，直接承受行车荷载的冲击、剪切、磨耗、磨光等综合力 学作用，直接承受各种环境条件的变化作用。因此粗集料的抗磨光和耐磨耗性及坚固性 对路面抗滑力的大小及抗滑力的耐久性起着决定性的作用。鉴于这种直接的影响作用， e a c c p 所用粗集料的综合力学性能应优子普通混凝土所用粗集料的性能。我国沥青混 第二章陡坡路段抗冻e a c c p 配合比设计方法研究 凝土规范中对用于抗滑表层的集料有着专门的指标规定，如表2 3 。因为e a c c p 表面 形式和沥青抗滑表层有着相似性，故借鉴沥青混合料抗滑表层对粗集料的指标规定j 对 e a c c p 的粗集料推荐提出相应的要求。 表2 3e a c c p 粗集料技术要求 抗滑表层粗集料要求 e a c c p 技术标准 高速、一级公路其他公路 推荐指标 石料磨光值( p s v ) 不小于，p b n 4 23 64 5 压碎值不大于，2 63 01 5 洛杉矶磨耗损失不大于，2 83 52 0 坚固性不大于， 1 21 0 针片状含量不大于， 1 52 05 选择集料种类时，上述指标最为关键是集料的磨光值，此指标直接决定了本工艺 施工后路面抗滑性的使用寿命。根据比利时的足尺试验，只要采用高磨光值的集料 ( p s v 5 0 ) ，通车十年后，其使用性能仍能保持良好。在其他性能同样满足要求的情况 下，要优先选用磨光值高、坚硬的集料类型。 2 、粗集料粒径及级配的选择 集料的粒径大小对e a c c p 的路用性能有着很大的影响。粒径过大的集料，露出要 求高度时与水泥石的粘结力强而不易剥落，但它会增加行车的噪声，同时也会增加行车 的不舒适性，并导致路面表层的匀质性下降，加速轮胎的磨耗；粒径过小的集料则容易 剥落影响到混凝土路面的耐久性。 良好级配的碎石所配制的混凝土较为密实，具有优良的工作性，不易产生离析， 而且对混凝土强度有利，但因为级配碎石的粒径大小不一致，就远不如单一粒径所铺筑 的e a c c p 看起来整齐、规则和美观。 不同集料的粒径和不同集料的级配类型各有利弊。粒径大小的选择与很多因素有 关。例如对于城市道路和郊区道路来说，偏重于环保和美观的考虑，这时小粒径单一碎 石是最佳选择；对于陡坡、急转弯等比较危险的地段，大粒径碎石是合适的选择。关于 粒径及级配的选择详见本章第二节。 3 、粗集料颜色的选择 由于e a c c p 在很大程度上追求的是露石效果，所露石料的颜色理所当然成为集料 选择时应考虑的因素。随着人类社会的发展和进步，人们对路面使用品质也提出了更高 1 2 长安大学硕士学位论文 的要求，就如同人们对生活的要求不仅仅是吃饱穿暖。路不仅要能行车，而且应使司乘 人员感到舒适，许多景观路面出现的原因就在于此。颜色各异的碎石会创造出迥然不同 的路面效果，色泽艳丽的石子路面能与彩色路面相媲美。因此，在选择粗集料时，在其 它条件允许的前提下，应优先选用能形成道路表面光线柔和、路面颜色赏心悦目的碎石。 在选择粗集料时，除以上要考虑的因素外，还必须考虑经济因素，选择集料实际 上是从可供应的集料来源中选择一种即符合工程技术要求又经济的集料。 2 2 2 2 实体工程粗集料技术指标 实体工程全线长2 1 3 公里，东西两侧共1 4 个标段，沿线共有9 个料场，所有料场 均盛产玄武岩。e a c p p 分布于5 个标段，其中陡坡路段6 9 6 公里，爬坡车道2 7 7 公里。 鉴于各标段所用粗集料来源于不同料场，技术指标大同小异，这里不一一列举。以呼集 四标为代表，按现行规范公路工程集料试验规程j t j0 5 8 2 0 0 0 对所采用粗集料进行 技术性能和综合力学性能试验，试验结果分别见表2 4 和表2 5 。 表2 4 呼集四标粗集料的技术性能 试验项目试验结果质量标准 粗集料的针片状含量( ) 4 7 9 粗集料的泥块含量( )0 1 d 2 粗集料的含泥量( )0 4 5 1 0 粗集料吸水率( )0 9q 0 堆积密度( g e m 3 ) 1 6 0 1 3 5 表观密度( g c m 3 ) 2 8 7 7 2 5 0 空隙率( ) 4 3 9 4 7 累计筛余( ) 筛孔尺寸( m m )3 1 5 2 6 5 1 9 o 1 6 9 54 7 5 2 3 6 四标合成级配2 5 2 6 5 5 4 4 7 0 08 9 09 9 9 9 8 规范范围0 - 52 0 3 54 0 - 6 06 0 7 57 5 9 09 0 1 0 09 5 - - 1 0 0 电 表2 5 粗集料的综合力学性能 集料磨耗值 试验项目集料磨光值( b p n ) 集料坚固性集料的压碎值( ) ( ) 试验结果 5 6 6 81 3 91 2 9 第二章陡坡路段抗冻e a c c p 配合比设计方法研究 从以上数据看，玄武岩无论从技术性能还是从综合力学性能来说都符合普通水泥 混凝土规范要求，也符合e a c c p 用粗集料技术性质推荐值，且色泽鲜亮，为本项目的 实施提供很好的资源优势。通过现场铺筑的效果看，成品e a c c p 外观可以与沥青路面 相媲美，见图2 , 3 。 考虑到适宜于e a c c p 的玄武岩资源分布有限，个别标段缺乏玄武岩或材质不符合 要求需长距离远运，造成造价提高的实际情况，采用两层铺筑露石混凝土路面的施工工 艺，即在表层4 5 c m 厚度采用优质玄武岩，其下部分园地制宣采用当地符合要求且经 济的粗集料。这样既保持e a c c p 的优越性，又可使材料成本增加幅度不大，同时避免 因材料短缺而影响正常施工。 圉2 , 3 优良的露石教果圈 2 23 细集料 2 231 细集料技术性质 细集料应质地坚硬、耐久、洁净，符合规定级配。集料中含有泥土( 包括尘屑和粘 土) 、云母、有机质、硫化物和硫酸盐、轻物质( 如煤和褐煤) 等杂质时，会在集料表 面形成包裹层而妨碍集料同水泥石的粘附，妨碍水泥水化，以及同水泥水化产物产生不 良的化学反应等。因此对细集料中有害杂质的含量应做出限制，见表2 6 。 表2 - 6 细集料技术要求 1项目 技术要求 i含泥量( 刷洗法) ( )9 i硫化物和硫酸盐含量( 折算为s q ) ( ) ( 1 l有机物含摄( 比色法) 颜色不深于标准溶液的颜色 长安大学硕士学位论文 砂按细度模数分为粗砂( 3l 3 7 ) 、中砂( 2 j 3 30 ) 和细砂( 16 22 ) 。粗砂配 制混凝土时，拌和物泌水性较严重，静态平整度不佳，因此路面和桥面普通混凝土用天 然砂宜为中砂，也可使用细度模数在2o 35 之间的砂。 路面施工中砂源不同时，如果砂的细度模数变化过大，会导致混凝土拌和物的稠度 变异性较大，有时会达到失控的程度，经常出现振捣不密实、麻面或水泥浆薄厚不均及 坍边现象。因此，路面混撮土同一配合比用砂的细度模数变化范围不应超过0 3 ，否则 应调整配合比中的砂率。细度模数变化范围超过0 3 的不同来源或产地的砂应分别堆放， 按不同砂率配合比分别拌和使用。 2 232 实体工程细集料技术指标 相比粗集料，砂石材料来源更丰富，全线有1 0 个料场。室内配合比设计阶段，根 据各标段的储料情况，同时成型了露石效果图，见图2 4 。其中，图1 ) 中混凝土用砂 为已筛除23 6 n u n 粒级以上颗粒，图2 ) 中混凝土用砂为未筛除2 3 6 m m 粒级以上颗粒。 1 ) 筛除超粒径砂于2 ) 未筛除超粒径砂于 圈2 4 不同级配砂子对应的露石效果 对比两图可看出，混凝土用砂23 6 m m 以上粒径的颗粒与集料颜色反差甚大，影响 整体外观。另外，一方面23 6 m m 以上粒径的颗粒形状呈椭圆，表面平滑，与砂浆的粘 结性不好，在道路投入使用后易脱落；另一方面，砂石中超粒径颗粒一般为为风化石， 强度较低，极易破碎或被磨耗，进而污染路面。故本项目决定全线同一将砂中23 6 r a m 粒级以上的颗粒进行筛除。 以呼集四标为代表，按现行规范公路工程集料试验规程u t j0 5 8 2 0 0 0 ) 对e a c c p 所采用细集料进行性能指标的试验，试验结果如表27 。 第二章陡坡路段抗冻e a c c p 配合比设计方法研究 表2 7 呼集四标e a c c p 所用砂技术指标 试验项目试验结果质量标准 集料的含泥量 1 8 2 5 空隙率( ) 4 4 7 3 04 5 初凝 + 8 2 凝结时间之差一9 0 + 1 2 0 终凝+ 6 2 1 d 抗压 3 d 兰1 1 5 1 3 0 强度比 7 d芝1 1 01 2 2 ( ) 2 8 d 芝1 0 0 1 1 3 对钢筋锈蚀作用应说明对钢筋有无锈蚀作用无 2 3 抗冻e a c c p 配合比设计 2 3 1 设计指标的选取 抗冻混凝土的设计指标应由两部分组成，一是强度等级，二是抗冻标号。一般来说 混凝土的强度主要是通过路面的承载计算要求设计的，而抗冻标号由路面所处位置的气 候条件来确定，具体要求见表2 1 0 。 表2 1 0 抗冻标号与气候条件的关系 气候条件抗冻标号 严寒气候条件( 最冷月) f 2 5 0 月平均气温低于1 0 寒冷地区气候条件( 最冷月) f 2 0 0 月平均气温在一3 1 0 c 之间 由第一章的气候调查可知，项目所在区域最冷月的月平均气温低于1 0 。c ，属于严 寒气候，故抗冻标号选f 2 5 0 ；考虑到重载的作用，水泥路面的设计强度为c 3 5 ，设计 弯拉强度为5 5 m p a 。 2 3 2 配合比设计要求 e a c c p 配合比设计的内容，一是选择合适的原材料，二是确定满足技术性能要求 1 7 第二章陡坡路段抗冻e a c c p 配合比设计方法研究 的各组成材料用量。在进行e a c c p 配合比设计时，既要考虑普通混凝土的设计原则， 又要考虑e a c c p 的特殊技术要求。 对普通混凝土进行配合比设计时，总的原则是要满足强度、耐久性、工作性和经 济性要求。除此之外，作为一种特殊的混凝土，e a c c p 还需考虑如下因素： 1 ) 水泥砂浆与粗集料的粘结。 为防止表层露出集料的剥落，原则上水泥砂浆一集料界面间的粘结强度越高越好。 提高界面粘结强度的主要措施是提高水泥标号、减小水灰比、增大水泥用量，同时选择 表面粗糙、颗粒有棱角、近似立方体的粗集料。 2 ) e a c c p 的耐磨性。 e a c c p 的耐磨性主要依赖于集料的耐磨性，故应选择磨光值高、冲击值小的粗集 料。其次，由于e a c c p 表面仍有一部分水泥砂浆表面会受到交通荷载作用，所以水泥 砂浆的耐磨性不能忽视，而这部分的耐磨性影响因素与普通混凝土相同。 2 3 3 粗集料级配选择 粗集料级配优劣影响新拌混凝土的工作性、粘聚性、均匀性和振动密实度，直接关 系到弯拉强度大小和单位水泥用量多寡，还影响水灰比和单位用水量，同时决定着塑性 收缩和硬化混凝土的干缩变形性能和抗冻耐久性。所以，级配优良是优质水泥混凝土路 面的先决条件之一。 鉴于e a c c p 特殊性，其优良的路用性能更是与表面露出的粗集料性能息息相关。 集料级配不同，路用特性也不相同本项目结合施工段落长、标段多等特点，要求每个标 段按照目前自身储料状况，集中送料并全面开展露石效果成型试验，见表2 9 、图2 5 和图2 6 。这样，一方面，可对各标段进行e a c c p 施工工艺培训；另一方面，可根据 不同级配对应的露石效果，合理确定粗集料良好的级配范围，并让施工单位按要求补充 优化备料。 1 8 长安大学硕士学位论文 表2 9 粗集料不同合成级配 方筛孔尺寸( n a n ) 级配2 3 64 7 59 5 01 6 o1 9 o2 6 53 1 5 累计筛余( 以质量计) ( ) 级配1 1 0 01 0 09 3 03 7 72 7 82 70 研 级配2 1 0 09 7 56 45 90 究 所 级配31 0 09 6 95 6 2 2 1 0o 8 用 级配4 9 7 59 06 7 53 7 52 50 级 配 级配5 1 0 09 8 98 6 46 4 15 1 82 8 21 级配69 9 89 6 7 8 4 86 7 4 5 5 5 2 2 83 2 规 4 7 5 1 69 5 1 0 08 5 1 0 04 0 6 0o 1 0 范 级 4 7 5 1 99 5 1 0 0 8 5 9 56 0 7 53 0 4 50 - 5o 配 4 7 5 2 6 59 5 - 1 0 09 0 1 0 07 0 9 05 0 7 02 5 4 00 - 50 范 围 4 7 5 3 1 59 5 1 0 0 9 0 1 0 07 5 - - 9 06 0 - 7 54 0 - - - 6 02 0 3 50 5 图2 5 合成级配曲线图 1 9 第二章陡坡路段抗冻e a c c p 配台比设计方法研究 5 ) 级配56 ) 级配6 圈2 6 租集料不同级配对应的露石赦果图 长安大学硕士学位论文 对比以上表格及图，可以得出以下结论： 1 ) 级配1 为断级配，最大公称粒径为2 6 5 ，除9 5 m m 筛孔外，其余筛孔均在相应 粒级规范级配范围，然而相比其他级配，级配1 的露石效果欠佳，离析现象严重，表面 纹理不够丰富，不足以满足抗滑设计要求，且强度难以满足强度设计要求。由此可见， 必须采用连续级配，以达设计要求。 2 ) 级配2 、级配3 及级配4 表面纹理都比较丰富，但从构造上看，级配2 粒径偏 小，构造深度不足，且从级配2 到级配4 ，1 0 - - - 2 0 m m 比例明显增大，表面的构造深度 也随之增大。对比三者级配曲线，我们不难发现三种级配的主要区别即是1 6 m m 粒级以 上集料含量，故本项目决定将1 6 m m 作为控制筛孔，其累计筛余必须达到规范中值以上。 3 ) 相比其他级配，级配4 和级配5 表面纹理及构造深度都比较理想。级配4 为最 大公称粒径为1 9 m m 相应粒级规范中值；级配5 则靠近最大粒径为3 1 5 m m 相应粒级的 规范中值。本项目决定级配应尽量靠近中值，因此时的料不论表面纹理还是构造深度均 最佳，且颗粒大小的变化不大，显得均匀。 j 4 ) 从级配曲线图上看，级配5 与级配6 比较接近，然而两者的露石效果相差较大。 究其原因，由成型方法及装料时的变异性所致。可见，室内配合比设计与现场施工控制 同样重要，只有严格控制每个细节，才能获得良好的露石效果。 5 ) 考虑到施工存在差异性，且振捣棒的作用导致粗集料下沉等影响，建议级配靠 近规范中值的同时，可适当提高1 6 m m 粒级以上颗粒的含量。 ： 2 3 4e a c c p 配合比设计 寒带地区水泥混凝土路面配合比设计方法与普通水泥混凝土设计方法基本相同，但 是须在水泥混凝土中掺；o r i e l 气剂，以提高其抗冻性。由