（道路与铁道工程专业论文）高抗折强度路面混凝土材料组成与路用性能研究.pdf

摘要 随着我国国民经济和公路运输事业的告诉发展，公路运输出现了“重载、大流量和 渠化交通”的特点，重型货车及超载车辆急剧上升，引起实际累计标准轴次的急剧增加。 从目前的使用状况看，普通混凝土路面很难满足重载交通的需要，导致路面早期破坏严 重。本文主要针对目前普通路面混凝土的不足，在其基础上研究开发了高抗折强度路面 混凝土，并对其配合比设计方法、主要性能、施工技术等进行了系统研究，以适应重载 交通的需要。主要内容归纳如下： ( 1 ) 高抗折强度路面混凝土的配合比设计方法研究。 根据h b s p c 的使用性能、应用特点，结合试验研究及相关规范，提出h b s p c 用原材 料的技术要求，明确了利用不同品种、不同质量的掺合料等量或超量取代混凝土中的部 分水泥，是提高混凝土强度和耐久性的主要技术途径。在普通路面混凝土配合比设计方 法的基础上，通过理论分析和试验研究，提出适合于h b s p c 的半经验半理论的配合比设 计方法。 ( 2 ) 高抗折强度路面混凝土强度特性研究。 研究不同类型、不同掺量和不同龄期h b s p c 的抗折强度、抗压强度和劈裂强度特性， 并分析h b s p c 不同强度之间的关系。研究分析了高抗折强度混凝土抗折弹性模量的特性， 得出了高抗折强度路面混凝土抗折弹性模量与抗折强度的关系及规律； ( 3 ) 高抗折强度路面混凝土体积稳定性研究与脆性研究。 通过系统地进行h b s p c 的温度收缩和干燥收缩试验，首次全面研究了h b s p c 的体积 稳定性。根据研究结果，分析了h b s p c 路面施工中裂缝的成因和影响因素，提出了相应 的防治措施。研究h b s p c 的脆性特征，并分析了h b s p c 脆性的影响因素和低脆性的实现 途径。 ( 4 ) 高抗折强度路面混凝土耐久性研究。 根据疲劳试验研究了h b s p c 的疲劳特性和疲劳规律，并通过大量的耐磨性、抗冻性 试验，系统研究了其耐久性，并与普通路面混凝土耐久性进行了对比分析。 ( 5 ) 高抗折强度路面混凝土的组成、结构及其与性能的关系研究。 深入研究了不同类型高抗折强度路面混凝土的微观结构、界面特征及宏观行为，通 过对比分析揭示了结构一性能之间的关系。 ( 6 ) 高抗折强度混凝土路面施工关键技术 结合试验路工程，认真总结了试验路施工从基层检测修整到新修路面养护整个高抗 折路面施工过程中的问题和经验，提出适合华北地区的高抗折强度混凝土路面的施工关 键技术；总结了试验路检测结果，为今后高抗折强度路面混凝土进一步研究提供了参考 资料。 ( 7 ) 高抗折强度混凝土路面结构设计与寿命分析 研究重载高抗折强度水泥混凝土路面结构组合设计方法和运用重载水泥混凝土路 面轴载计算方法对高抗折强度水泥混凝土路面进行寿命分析。 关键词：重载，高抗折强度，水泥混凝土，设计方法，配合比，结构，弹性模量，脆性， 体积稳定性，耐久性，施工，关键技术 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y sn a t i o n a le c o n o m ya n dt h eh i g h w a yt r a n s p o r t a t i o n b u s i n e s s ，t h eh i g h w a yt r a n s p o r t a t i o na p p e a r e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f ”h e a v yl o a d ，g r e a tf l o w a n dc a n a l i z a t i o nt r a f f i c ”h e a v yt r u c k sa n do v e r l o a dv e h i c l e s n u m b e ra r er i s i n g ，i tc a u s e da s h a r p l yi n c r e a s ei nt h et i m e so fa c t u a lt o t a la m o u n to fs t a n d a r da x l el o a d s e e i n gf r o mt h e c u r r e n tc o n d i t i o n ，t h ec o m m o nc o n c r e t ep a v e m e n tc a nh a r d l ys a t i s f yt h ed e m a n do fh e a v y l o a dt r a n s p o r t a t i o n ，i tc a u s e dt h es e v e r ee a r l yd a m a g eo fp a v e m e n t t h i sr e s e a r c hm a i n l ya i m s a tt h es h o r t a g eo fc u r r e n t l yc o m m o np a v e m e n t c o n c r e t e ，d e v e l o p p e dt h eh i g hb e n d i n g s t r e n g t hp a v e m e n tc o n c r e t eo ni t sf o u n d a t i o n ，a n dd i das y s t e mr e s e a r c ho no t h e rd e s i g n m e t h o d ，m a i nf u n c t i o n ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y ，t om e e t t h en e e do fh e a v yl o a d t r a n s p o r t a t i o n t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e s e a r c ho fg r a d i n gr a t i od e s i g nm e t h o df o rh i g hb e n d i n gs t r e n g t hp a v e m e n t c o n c r e t e a c c o r d i n gt ot h eu s a g ef u n c t i o na n da p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh b s p c ，c o m b i n e do nt e s t o ft h i sr e s e a r c ha n dr e l a t e ds p e c i f i c a t i o n ，w ep r e s e n tt h et e c h n i q u er e q u e s to fo r i g i n a lm a t e r i a l f o rt h eh b s p c ，i ti st h em a i nt e c h n i q u ew a yt or a i s ec o n c r e t es t r e n g t ha n dd u r a b i l i t yb y m a k i n gu s eo fd if f e r e n ts p e c i e s ，d if f e r e n ta m o u n ta n da d m i xo fq u a l i t yt o c i p a t ew i t hs a m e q u a n t i t yo rt h es u p e rq u a n t i t yr e p l a c ep a r t so fc e m e n t si nt h ec o n c r e t e o nt h ef o u n d a t i o no f g r a d i n gr a t i od e s i g nm e t h o df o rc o m m o np a v e m e n tc o n c r e t e ，w i t ht h et h e o r i e sa n a l y s i sa n d e x p e r i m e n tr e s e a r c h ，w ep r e s e n tt h eh a l fe x p e r i e n c eh a l fo r i e sg r a d i n gr a t i od e s i g nm e t h o d s u i t a b l ef o rh b s p c ( 2 ) r e s e a r c ho fs t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i cf o rh i g hb e n d i n gc o n c r e t e w er e s e a r c h e dt h eb e n d i n gs t r e n g t h c o m p r e s s i o ns t e n g t ha n dc l e a v a g es t r e n g t h c h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tt y p e ，d i f f e r e n td e s i g ns t r e n g t ha n dd i f f e r e n ta g eh b s p c ，a n d a n a l y z e dt h er e l a t i o n so fo ft h es t r e n g t ho fd i f f e r e n th b s p c ，w ea l s oa n a l y s i s e dt h ei n f l u e n c e r e g u l a t i o nf o rh b s p cs t r e n g t hb yt h et h ea d m i xa m o u n ta n df e e d i n gs e q u e n c e ( 3 ) r e s e a r c ho nb e n d i n ge l a s t i cm o d u l a ra n db r i t t l e n e s sf o rh i g hb e n d i n gs t r e n g t h p a v e m e n tc o n c r e t e b yt h eb e n d i n gs t r e n g t ha n db e n d i n ge l a s t i cm o d u l a re x p e r i m e n to fd if f e r e n t h b s p c ，w ea n a l y z e dt h eb e n d i n ge l a s t i cm o d u l a rc h a r a c t e r i s t i co fi t ，g o tt h er e l a t i o na n d r e g u l a t i o no fb e n d i n ge l a s t i cm o d u l a ra n db e n d i n gs t r e n g t h f o rh i 曲b e n d i n gs t r e n g t h p a v e m e n tc o n c r e t e ，a n da n a l y z e di m p a c tf a c t o r so fh b s p c b r i t t l e n e s sa n dt h em e t h o dt og e t l o wb r i t t l e n e s s ( 4 ) r e s e a r c ho nv o l u m es t a b i l i t yo ft h eh i g hb e n d i n gs t r e n g t hp a v e m e n t c o n c r e t e b yt h et e m p e r a t u r ec o n s t r i n g e n c yt e s ta n dd r yc o n s t r i n g e n c yt e s to nh b s p c ，w e c o m p l e t e l ys t u d i e dt h eh b s p c sv o l u m es t a b i l i t yf o rt h ef i r s tt i m e a c c o r d i n gt o r e s e a r c h r e s u l t ，w ea n a l y z e dt h eo r i g i na n di m p a c tf a c t o r so fc r a c kd u r i n gc o n s t r u c t i o n ，a n dp r e s e n t e d t h ep r e v e n t i o n c u r em e a s u r e ( 5 ) r e s e a r c ho nt h ed u r a b i l i t yo fh i g hb e n d i n gs t r e n g t hp a v e m e n tc o n c r e t e w es t u d i e dh b s p c sf a t i g u ec h a r a c t e r i s t i ca n df a t i g u er e g u l a t i o na c c o r d i n gt ot h ef a t i g u et e s t ， s t u d i e di t sd u r a b i l i t yb yg r e a tq u a n t i t i e so fb e a r i n ga n da n t i - j e l l ye x p e r i m e n t ，a n dc o n t r a s t e di t w i t hc o m m o np a v e m e n tc o n c r e t ed u r a b il i t y ( 6 ) r e s e a r c ho nt h ec o m p o s i t i o n ，s t r u c t u r ea n dt h e i rr e l a t i o n sw i t hf u n c t i o nf o r h i g hb e n d i n gs t r e n g t hp a v e m e n tc o n c r e t e w et h o r o u g h l ys t u d i e do nt h et i n yv i e ws t r u c t u r e ，i n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i ca n dm a c r o s c o p i c b e h a v i o ro fd i f f e r e n t h i g hb e n d i n gs t r e n g t hp a v e m e n tc o n c r e t e ，b yc o n t r a s ta n a l y s i s t o a n n o u n c et op u b l i ct h er e l a t i o no f o fs t r u c t u r ea n df u n c t i o n ( 7 ) c o m m i t t e dt e c h n o l o g yo fc o n s t r u c t i o nf o rh i g hb e n d i n gs t r e n g t hc o n c r e t e p a v e m e n t c o m b i n et oe x p e r i m e n th i g h w a ye n g i n e e r i n g ，w eg e n e r a l i z e dt h ep r o m b l e ma n d e x p e r i e n c ed u r i n g t h e p r o c e s s o f h i g h b e n d i n gs t r e n g t h c o n c r e t e p a v e m e n t c o n s t r u c t i o n ，p r e s e n t e d c o n s t r u c t i o n k e yt e c h n i q u ea d a p t e t o n o r t hc h i n a ；t a l l i e d u p e x a m i n a t i o nar e s u l to ft r i a lr o a d ，t op r o v i d ear e f e r e n c ef o rf u r t h e rr e s e a r c hi nt h ef u t u r e ( 8 ) t h el i f es p a na n a l y s i so fh i g hb e n d i n gs t r e n g t hc o n c r e t ep a v e m e n t t oc a r r yo nl i f es p a na n a l y s i sf o rh i g hb e n d i n gs t r e n g t hc o n c r e t ep a v e m e n tb yr e s e a r c h i nh e a v yl o a dc e m e n tc o n c r e t eh i g h w a ya n di t sa x l el o a dc a l c u l a t i o nm e t h o d k e y w o r d s ：h e a v yl o a d ，h i g hb e n d i n gs t r e n g t h ，c e m e n tc o n c r e t e ，d e s i g nm e t h o d ，g r a d i n gr a t i o ， s t r u c t u r e ，e l a s t i cm o d u l a r ，b r i t t l e n e s s ，v o l u m e s t a b i l i t y ，d u r a b i l i t y ， c o n s t r u c t i o n ，k e y t e c h n o l o g y i v 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： 响意垃 ) 彻方年月日 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：p 南去芝羔 2 刀沪年厂月日 导师签名： 玉列埠石月1 1 日 k 安人学搏 学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 随着我国国民经济和公路交通运输事业的高速发展，公路运输出现了“重载、大流 量和渠化交通”的特点，重型货车及超载车辆急剧上升，引起实际累计标准轴次的急剧 增加，导致路面过早破坏，因而对公路路面的结构强度和使用性能提出了更高的要求。 水泥混凝土路面具有刚度大、强度高、稳定性好、耐久性好、使用寿命长及养护费用少 等优点。随着交通事业的发展，国产优质重交通路用沥青逐渐变得短缺，价格不断上涨。 这样，水泥混凝土路面在重交通公路中就处于愈加重要的地位。 根据交通部公路司2 0 0 2 年底的统计资料，我国水泥路面和沥青路面两种高等级路 面的建设总里程为2 8 8 6 4 4 万公里，其中水泥路面1 6 7 5 1 7 万公里，占总里程的5 8 。在 高速公路上大约占2 5 ，主要的水泥路面罩程在二级国道上，约占6 7 。在我国水泥路 面具有明显的资源和造价优势，发展势头相当迅猛。特别是近几年，交通部启动了通县 公路和县乡公路建设，在可预见的将来，水泥路面将会更加迅速地发展。 值得注意的是，许多地区运输车辆的轴重远远大于国家规定的单轴i o o k n 、双轴 1 8 0 k n 的限载标准，大型货车和汽车超载形成了重载交通。重载交通已不单单是某个地 方、某个省的特有现象，而是全国性的、普遍性的。根据河北、河南、山西等一些重要 矿区的调查，1 0 吨以上重型货车的超载比例在4 0 以上，某些路段达到8 0 ，最大超载 率达3 0 0 。如此严重的重载交通，使水泥混凝土路面产生的过早损坏变得越来越明显， 许多地区的路面达不到设计使用年限，在使用初期即出现断裂、唧泥、脱空、错台等损 坏，有些路段面板甚至完全碎裂，使路面使用寿命大大缩短，路面使用性能衰减加快， 养护费用不断攀升，给社会及运输部门造成较大的经济损失。如晋煤外运的主要通道之 一，郑( 州) 常( 平) 公路焦作境内路段，1 9 9 1 年建成通车，设计寿命3 0 年，但开放 交通不到三年已是满目疮痍，特别是从山西方向来车的半幅路面，断板、下沉、坑沟尤 甚，车辆行进已相当困难。几年来，有关部门投入该路段维修费用达4 0 0 0 多万，超过 建设投资的近一半。 水泥混凝土路面具有较强的抗重载能力，但对超负荷重载的敏感性远远超出沥青路 面。随着车辆轴载的增大，不仅混凝土路面内部产生的荷载应力增大，尤其是实际累计 标准轴载远远大于设计轴载，使水泥混凝土路面产生疲劳损坏。有些情况下大吨位重载 很可能造成水泥混凝土路面的一次性极限破坏，而非疲劳破坏。在超、重载比例较大的 第一章绪论 路线上，由于实际载重远远超出设计及修筑时所规定的标准轴载，甚至出现了“当年修， 来年坏”的现象。重载交通己成为水泥混凝土路面大范围早期损坏的最关键的外部因素。 水泥混凝土路面疲劳损坏的直接后果是路面通行能力降低，维修量急剧增长，且维修困 难、维修费用高。 我国现行水泥混凝土路面设计理论和方法、施工技术对重载交通考虑不足，而我国 运力紧张，国民经济急需大量能源及时运出能源基地，货物装载量朝着重载化方向发展， 作为货物运输重要组成部分的公路运输，对重载交通道路的研究是很有必要的。重载交 通道路的研究是多方面的，包括路面面层、基层材料、结构设计和施工方法，不少机构 、 和学者对重载交通水泥混凝土路面进行了研究和探索，但大都集中在后三个方面，对面 层材料的研究还相对较少。目前混凝土路面的使用状况表明，普通路面混凝土材料很难 满足重载交通的需要。高抗折强度路面混凝土是一种新型路面材料，属于高强、高性能 混凝土，其特点是“高抗折强度”、“高耐久性 和“优良工作性”，用于重载交通作用 下的水泥混凝土路面，不仅可以提高路面抵抗重载交通破坏的能力，当重载混凝土面板 很厚、材料用量很大时还可以用于减薄路面厚度。虽然高强、高性能混凝土在我国建筑 上已得到广泛的应用，但其在道路工程尤其是路面方面的研究和应用还较少。因此，研 究开发高抗折强度且高性能的路面混凝土以满足重载交通水泥混凝土路面的要求就显 得极为迫切并具有重要的现实意义。 高抗折强度路面混凝土( h i g hb e n d i n gs t r e n g t hp a v e m e n tc o n c r e t e ，后文不说 明均简称h b s p c ) 是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通路面混凝土性能的基 础上采用现代混凝土技术制作的混凝土。根据其“高抗折强度”、“高耐久性”和“优良 工作性”的特点，高抗折强度路面混凝土应该是高强、高性能混凝土。 混凝土的强度类别，在不同的时代和不同的国家有不同的概念和划分。现在5 0 m p a 一- 6 0 m p a 的高强混凝土开始普遍应用于高层建筑和桥梁工程，同时8 0 m p a 以上的高强混凝 土已开始使用。在我国，通常将强度等级等于和超过5 0 m p a 的混凝土称为高强混凝土。 高抗折强度路面混凝土的高强特性，不仅要求抗压强度高，更重要的是要求具有很高的 抗折强度，以提高抵抗重载破坏的能力。 不同国家、不同学者依照各自的认识、实践、应用范围和目的要求的差异，对高性 能混凝土有不同的定义和解释。不同的工程和应用部门对高性能混凝土的要求也不同， 会有不同的性能指标。如美国战略公路研究计划( s h r p ) 提出高性能混凝土用于公路工 程应满足：水胶比不大于0 3 5 ；耐久性指数大于8 0 ；4 h 抗压强度高于1 7 2 m p a ，或2 4 h 2 k 安人学博 j 学位论文 抗压强度高于3 4 5 m p a ，或2 8 d 抗压强度高于6 8 9 m p a 。目前国内外许多学者多数还认 为高性能混凝土必须是高强混凝土，但从目前己取得的效果以及从工程安全性与安全使 用期来看，高强混凝土必须是高性能混凝土，而高性能混凝土不只是高强的，而是包括 各种强度等级的混凝土。因此，高抗折强度路面混凝土也应该根据路面的使用要求实现 高性能化。 本文提出的高抗折强度路面混凝土定义如下： 混凝土的设计2 8 d 抗折强度在5 5 m p a 以上( 5 5 m p a 、6 0m p a 、6 5m p a ) ，施工抗 折强度不低于6 o m p a ，抗压强度不低于4 5 m p a ，新拌混凝土具有良好的工作性且坍落 度损失小，同时混凝土要具有较强的抗冻性、耐磨性和耐疲劳性能。 1 2 国内外研究现状 国内外对水泥混凝土路面的应用都非常重视，特别是在高等级重载交通道路上，水 泥混凝土路面得到广泛的应用，同时用于路面的混凝土也不断趋于高强、高性能化。 高强混凝土是在7 0 年代初期丌始在国际范围内得到推广应用的，以后又在其组分 中加入硅粉、超细矿渣、优质粉煤灰等矿物掺合料而使其性能更趋完善。高性能混凝土 是继高强混凝土之后，在高强混凝土的研究和应用达到较高水平的基础上发展起来的一 项新技术产品。高性能混凝土是在8 0 年代末9 0 年代初才出现的，至今也只有十多年的 时间。多年来，很多国家都对高性能混凝土进行了大量的研究丌发工作，高性能混凝土 的研究开发受到了各国政府的高度重视。 1 9 8 6 , - , 一1 9 9 3 年，法国由政府组织包括政府研究机构、高等院校、建筑公司等2 3 个 单位开展了“混凝土新方法”的研究项目，进行高强高性能混凝土的研究。1 9 9 6 年，法 国公共工程部、教育与研究部又组织了为期4 年的国家研究项目“高性能混凝土2 0 0 0 ”， 投入研究经费5 5 0 万美元。同本建设省于1 9 8 8 - - 1 9 9 3 年进行了一项综合开发计划“钢 筋混凝土结构建筑物的超轻质、超高层化技术的开发”。挪威皇家科技研究院的科学与 工程研究基金( s i n e f ) 持续资助高强混凝土和高性能混凝土的研究。1 9 9 4 年，美国联 邦政府1 6 个机构联合提出了一个在基础设施工程建设中应用高性能混凝土的建议，并 决定在1 0 年内投资2 亿美元进行研究开发。1 9 9 9 年，美国联邦公路局( f h w a ) 与美国 公路改革研究基金会( i p r f ) 签订一项协议，目的在于研究出路用性能更优、性价比更 高的路面混凝土，并且将其上升到法律高度，规定每年至少投入5 0 0 万美元来支持此项 研究船1 。瑞典1 9 9 1 - - 1 9 9 7 年由政府和企业联合出资5 2 0 0 万克朗，实施高性能混凝土研 第一章绪论 究的国家计划。 近年来，我国高强混凝土和高性能混凝土的研究、应用在有限的经费支持下发展较 快，但缺少统一规划和计划，并由于经费不足而缺乏系统研究。我国对高强混凝土的研 究是从7 0 年代后期丌始b 1 ，有许多研究机构、高等院校和施工单位在研究与应用高强混 凝土上做了大量的工作，“七五”期间建设部与国家自然科学基金委员会联合资助的重 点科研项目高强混凝土的结构性能、设计方法和施工工艺研究，取得了较全面的成 果，高强混凝土委员会已于1 9 9 5 年编制出版了高强混凝土结构设计与施工指南，为 高强混凝土结构设计提供了理论依据。我国开展高性能混凝土的研究工作虽然较欧美发 达国家有所滞后，但也得到了足够的重视和迅速发展。1 9 9 4 年国家自然科学基金项目“高 强与高性能混凝土材料的结构与力学性态研究”，由清华大学主持进行并己完成；1 9 9 6 年北京市科委、市建材研究院、北京市建筑工程研究院等四单位实施“高强与高性能混 凝土”重点科研项目，从外加剂、砂石料、复合水泥及掺合料，乃至包括标准和试验方 法等多方位联合攻关；1 9 9 9 年建设部将“高性能混凝土外加剂应用技术”列入建筑业重 点推广应用的第二批新技术项目。 我国对高强混凝土和高性能混凝土的研究与应用已经取得了一定的成果，但多用于 建筑工程和桥梁工程，高强、高性能混凝土在公路水泥混凝土路面中的研究与应用还相 对较少。长安大学曾对掺硅粉的高性能路面混凝土配合比设计及路用性能进行研究。 1 9 9 9 年，山西宣大高速公路( 超重轴载) 全线水泥混凝土路面设计中使用了抗折强度 5 5 m p a ，要求施工抗折强度为6 3 5 m p a 。在宣大高速公路河北段设计了高抗折强度水泥 混凝土路面试验路段，设计抗折强度6 o m p a ，施工抗折强度不小于7 o m p a 。采用的主 要技术手段是双掺高效减水剂和i 级粉煤灰。 综上所述，国内外对于高强混凝土和高性能混凝土的研究已取得了一定的成果，但 目前为止，多致力于高抗压强度的研究与应用，对于道路路面用高抗折强度混凝土的原 材料、配合比设计、力学特性、路用性能及施工特点缺乏系统的研究。 1 3 主要研究内容和研究方法 目前对重载道路的研究主要集中在路面设计方法上，对适合重载交通的水泥混凝土 研究较少。普通路面混凝土，一方面抗折强度低，一般2 8 d 设计抗折强度小于5 o m p a ， 难以承受超重轴载的破坏；另一方面耐久性差，尤其是耐疲劳性能差，难以承受重载增 加的累计标准轴载，使路面使用寿命大大缩短。本文主要针对普通路面混凝土的不足， 4 长安人学博i j 学位论文 在其基础上研究开发了高抗折强度路面混凝土，并对其材料组成和路用性能进行了系统 的研究。 1 3 1 主要研究内容 作为种目前在我国应用很少的新型路面材料，高抗折强度路面混凝土有许多方面 内容需进行深入研究，如原材料技术要求、材料组成、配合比设计方法，以及适应重载 交通要求的物理力学性能、耐久性等。本文的主要研究内容包括以下几方面： 1 高抗折强度路面混凝土的原材料。根据h b s p c 的使用性能、应用特点，结合所 进行的试验研究及相关规范，提出h b s p c 用原材料的技术要求。 2 高抗折强度路面混凝土的配合比设计方法研究。在普通路面混凝土配合比设计 方法的基础上，通过试验研究，提出适合于h b s p c 的半经验半理论的配合比设计方法。 3 高抗折强度路面混凝土强度特性研究。研究不同类型、不同掺量和不同龄期h b s p c 的抗折强度、抗压强度和劈裂强度特性，并分析h b s p c 不同强度之间的关系。研究分析 了高抗折强度混凝土抗折弹性模量的特性，得出了高抗折强度路面混凝土抗折弹性模量 与抗折强度的关系及规律； 4 高抗折强度路面混凝土体积稳定性与脆性研究。研究h b s p c 的干缩特性和温缩 特性，并分析h b s p c 路面施工中裂缝的成因，提出防止措施。研究h b s p c 的脆性，并分 析脆性的影响因素和低脆性的实现途径。 5 高抗折强度路面混凝土耐久性研究。通过室内试验，研究h b s p c 的耐磨性、抗 冻性和耐疲劳特性。 - ： 6 高抗折强度路面混凝土的组成、结构及其与性能的关系研究。研究h b s p c 的水 泥石和界面过渡区的微结构，并分析h b s p c 结构特点与其性能的关系。 7 结合试验路工程分析研究高抗折强度混凝土路面施工工艺，总结h b s p c 路面的 施工关键技术。 8 研究重载水泥混凝土路面结构组合设计和运用重载水泥混凝土路面轴载计算方 法对高抗折强度水泥混凝土路面进行寿命分析。 1 3 2 研究方法 本文以解决公路建设过程中普通混凝土路面混凝土抗折强度低、耐久性差的问题为 宗旨，以秦皇岛交通局和长安大学先进的试验技术为依托，紧密结合工程实际，采用理 论分析与现场检测相结合，现场检测与室内试验相结合的方法，通过高抗折强度路面混 凝土的原材料研究、力学性能和路用性能研究，开展对高抗折强度路面混凝土系统研究 第一章绪论 工作，具体研究技术路线见图1 1 。 图1 1 技术路线示意图 6 k 安人学博f ：学位论文 第二章高抗折强度路面混凝土配合比设计方法研究 目前国内外尚无一个关于高强和高性能水泥混凝土配合比设计公认的程式化的方 法。现有的方法多是建立在经验以及试验的基础上发展起来的定性的配合比设计方法。 本文认为高抗折强度路面混凝土配合比设计方法可以建立在普通路面混凝土配合比方 法的基础上，并加以完善，得到适合于高抗折强度路面混凝土的半经验半理论的设计方 法。 2 1 高抗折强度路面混凝土原材料 高抗折强度路面混凝土使用和普通混凝土基本相同的原材料( 如水泥、砂、石) ， 同时必须使用外加剂和矿物掺合料。但是由于高抗折强度路面混凝土有其要求和配制特 点，原材料中对普通混凝土影响不显著的因素，对高抗折强度路面混凝土可能有显著影 响，因此高抗折强度路面混凝土对原材料技术要求比普通混凝土有所提高。为配制高抗 折强度及优良性能的路面混凝土，应该首先研究原材料的技术要求。 2 1 1 一般原材料 一、水泥 水泥的质量将直接影响混凝土路面的强度、体积稳定性和耐久性等关键性质。配制 高抗折强度路面混凝土所用水泥的性能应具有更高的要求，除了水泥的活性( 标号) 以 外，应考虑其化学成分、细度、粒径分布甚至微量成分的影响，以及水泥早期水化性能。 1 、水泥的品种和强度 配制高抗折强度路面混凝土应采用抗折强度高、收缩小、耐磨性强、抗冻性好且质 量均匀的旋窑水泥，不得使用立窑水泥。立窑水泥的游离氧化钙和氧化镁含量较高、水 泥稳定性较差，且矿物成分、抗折强度和质量变异性均较大，这些因素对高抗折强度路 面混凝土均有显著影响。应优先采用道路硅酸盐水泥，也可采用硅酸盐水泥或普通硅酸 盐水泥。 关于r 型水泥的使用问题。在低温季节施工或有提早通车要求时，可采用r 型水泥； 在正常施工条件下，尤其在高温季节，不宜使用r 型水泥。因为r 型水泥铝酸三钙含量 较高，不仅收缩很大，而且水化热大，凝结时间短，容易引起温度开裂。夏季环境温度 很高，若使用r 型水泥，混凝土温度很高，再加上使用高效减水剂，导致坍落度损失很 大，凝结时间缩短，不仅不利于路面施工，而且会产生严重的温度裂缝。在试验时还发 现，采用r 型水泥时，单掺高效减水剂h b s p c 7 d 抗压强度可以平均达到2 8 d 抗压强度的 7 第一二章高抗折强度路面混凝十配合比设计方法研究 9 5 ，而7 d 抗折强度仅平均达到2 8 d 抗折强度的7 8 0 ，说明试验所用r 型水泥，抗压 强度的早期增长率大于抗折强度的早期增长率，从而使混凝土的早期脆性大大增加；因 此，使用r 型水泥时，应选择抗折强度早期增长率较大的水泥，或加入掺合料，降低混 凝土的早期脆性，防止发生早期脆性破坏。 配制高抗折强度路面混凝土首先应当选择高抗折强度的水泥。h b s p c 的水灰比在 0 3 5 - 0 4 6 之间，此时水泥的抗折强度是混凝土抗折强度不可逾越的极限。若水泥抗折 强度不高，将很难配出高抗折强度的水泥混凝土。大量的试验研究和施工实践表明h 1 ， 水泥的抗折强度一般比相同水灰比的混凝土抗折强度高1 5 2 0 m p a 左右，因此，要配 制设计抗折强度大于5 5 m p a ，试配抗折强度大于6 0 m p a 的h b s p c ，就要求水泥的抗折 强度大于8 0 m p a 。从我国近些年高等级公路水泥混凝土路面的建设情况来看，目前使用 的旋窑4 2 5 级普通硅酸盐水泥，绝大部分抗折强度不小于8 0 m p a 。 因此，规定h b s p c 使用水泥的标号在4 2 5 级以上，并且水泥的抗折强度大于8 0 m p a ， 抗压强度大于5 2 5 m p a 。 2 、水泥的化学成分和物理指标 高抗折强度路面混凝土主要应用于重载交通水泥混凝土路面，其所用水泥的化学成 分和物理指标应满足公路水泥混凝土路面施工技术规范( j t gf 3 0 - - 2 0 0 3 ) 对特重、 重交通路面水泥性能的使用要求，见表2 1 0 表2 1高抗折强度路面混凝土用水泥的化学成分和物理指标 水泥性能规定水泥性能规定 铝酸j 钙 不宜 7 0 标准稠度需水苗不宜 2 8 铁铝酸四钙不宜 3 o 宜在3 0 0 游离氧化钙不得 1 o 比表面积 1 4 5 0 m 2 k g 氧化镁 不得 5 0 细度( 8 0 1 a m ) 筛余苗 3 5 初凝时间不早y - 1 5 h 碱含量 n a 2 0 + 0 6 5 8 k 2 0 郢6 终凝时间不迟于1 0 h 不得掺窑灰、煤矸石、火山灰和粘十， 雷氏夹或蒸煮法检 混合材种类出磨时安定性 有抗盐冻要求时不得掺石灰、石粉验必须合格 2 8 d 干缩率不得 o 0 9 耐磨性 不得 3 6 k g m 2 注：2 8 d 干缩率和耐磨性试验方法采用道路硅酸盐水泥( g b1 3 6 9 3 ) 标准。 水泥矿物中影响抗折强度最重要的是硅酸三钙和铁铝酸四钙，应保证高抗折强度路 面混凝土所用水泥的硅酸三钙含量不小于5 0 ，铁铝酸四钙含量不小于1 5 ( 道路水泥 不小于1 6 ) ，铝酸三钙含量不大于5 。铁铝酸四钙对抗折强度的贡献率最大，提高其 8 长安人学博士学位论文 含量，有利于得到高抗折强度的水泥。但其含量过高时不仅水泥的烧成温度提高较多， 而且在低水灰比时增大水泥的粘聚性，再加上h b s p c 使用高效减水剂使混凝土拌合物的 粘聚性大大增加，不利于路面的抹面施工，所以其含量不宜过高。铝酸三钙的含量对混 凝土的水化热、早期强度和外加剂的适应性有较大的影响。铝酸三钙含量较高的水泥， 尽管早期强度很高，但水化热大而集中，温峰值较高，容易产生温度裂缝和断板，还与 石膏反应生成过多的钙钒石，引起后期缓慢膨胀开裂，而且由于其强大的吸附作用，几 乎与所有的外加剂都有剂量上的不适应问题，会使水泥同外加剂的相容性变差。 3 、其它要求 摊铺高抗折强度混凝土路面时，宜选用散装水泥。为防止温度裂缝，应限制水泥的 温度。散装水泥的夏季出厂温度：南方不宜高于6 5 。c ，北方不宜高于5 5 。c ；混凝土拌 和时的水泥温度：南方不宜高于6 0 。c ，北方不宜高于5 0 。c ，且不宜低于i o 。c 。水泥使 用前l 必须经过试配检验。 二、集料 集料是混凝土中含量最大的组成材料，粗细集料在混凝土中约占8 0 ，所以混凝土 中集料的重要性是不言而喻的。 1 、粗集料 ( 1 ) 粗集料的技术要求 碎石混凝土的抗折强度高于破口石和砾石，更易配制出6 o m p a 以上的高抗折强度 路面混凝土，因此配制h b s p c 宜使用碎石。碎石的技术指标应满足公路水泥混凝土路 面施工技术规范( j t gf 3 0 - - 2 0 0 3 ) 中i i 级以上集料的技术要求，不得使用i i i 级碎石。 有抗( 盐) 冻要求时，i 级碎石的吸水率不应大于1 o ，l i 级碎石吸水率不应大于2 o 。 ( 2 ) 粗集料的最大公称粒径与级配 与普通混凝土相比，高抗折强度路面混凝土的抗折强度对界面更敏感。用小粒径石 子时，水泥浆体和单个石子界面的过渡层周长和厚度都小，难以形成大的缺陷，有利于 界面强度的提高。粒径越小，石子本身的缺陷的几率越小，同时，提供强度的主界面面 积增大。因此，减小粗集料的最大公称粒径，有利于提高混凝土的抗折强度、增大疲劳 极限、改善拌合物的匀质性、提高耐久性和平整度等性能。 粗集料的级配直接影响到混凝土的抗折强度，良好的级配是保证混凝土形成具有嵌 锁力的骨架密实结构的关键。连续级配碎石配制的混凝土抗折强度高于间断级配的。配 制h b s p c 用粗集料的级配范围应满足公路水泥混凝土路面施工技术规范( j t gf 3 0 9 第二章高抗折强度路面混凝土配合比设计方法研究 2 0 0 3 ) 中规定的级配范围，该级配是国家0 2 5 课题按照级配理论计算过的已在水泥混凝 土路面上使用了1 0 多年的级配，有坚实的理论和实践基础，对高抗折强度路面混凝土 同样适用。 高抗折强度路面混凝土不得使用不分级的统料，应按照最大公称粒径不同分为2 - 4 级级配。 2 、细集料 常用的细集料有天然河砂、湖砂、山砂、淡化海砂、机制砂和混合砂。河砂经过长 期水流冲洗，粒形较圆、较洁净，质量最好，高抗折强度路面混凝土宜采用质地峰硬、 耐久、洁净的天然河砂。山砂的含泥量和软弱颗粒较多，机制破碎砂的粒形很差，石粉 含量高，高抗折强度路面混凝土不宜采用。试验时曾用细度相近，含泥量不同的山砂 ( 3 4 ) 和河砂( 0 8 ) 拌制混凝土，山砂混凝土的坍落度为2 0 m m ，河砂的为l o o m m ， 可见山砂的含泥量过大明显降低了混凝土拌合物的工作性，达到相同稠度时还会增加水 泥用量，这