（材料学专业论文）道路水泥混凝土集料级配研究.pdf

摘要 随着西部大丌发战略和交通部“村村通公路”工程的实施，在全面展开的西 部公路特别是市县级公路建设高潮中，水泥混凝土路面将得到更加迅猛的发展。 开展道路水泥混凝土混合料组成设计的研究，是水泥混凝土路面设计与施工的迫 切需要，对水泥混凝土路面的发展具有推动与促进作用。 本文从集料级配入手，对集料构成进行理论模型分析及室内试验研究，确定 适合道路水泥混凝土的理论模型；通过粗集料分档填充、细集料逐级填充与粗细 集料逐级填充试验，提出不同最大公称粒径( n m p s ) 的集料级配，并对其进行评 价与修正，提出骨架密实结构的粗细集料级配范围。 为减少对水泥混凝土施工中集料级配控制的难度，提高施工效率，首次通过 路用性能试验提出了不同n m p s 集料级配的关键筛孔：通过道路混凝土路用性能 试验，首次根据不同地区混凝土使用要求提出了集料级配的适用范围：结合施工 经验与现行公路规范并参考国外先进方法，首次提出了基于骨架密实结构的路用 混凝土配合比设计方法，并进行混凝土路用性能试验验证。 本文成果具有针对性强、系统完整、实用性强的特点，对公路设计、施工具 有重要的指导作用，是道路水泥混凝土组成设计研究的重要部分。 关键词：集料，级配，骨架密实，分档填充，逐级填充，关键筛孔，路用性能， 配合比设计方法 a b s t r a c t a l o n gw i t h a c t u a l i z a t i o no fw e s i e m d e v e l o p m e n ia n dt h em i n i s t r y o f c o m m u n i c a t i o n s p r o j i e c to f v i l l a g e - v i l l a g ec o m m u n i c a t i o n ，l h ea p p l j c a t i o no f t h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tw 川h a v eaf a p i d l yd e v e l o p m e n ti nt h eh i g h w a y c o n s t n l c t i o ni nw e s t e m ， e s p e c i a l l y i nc i t j e sa n dn l r a l t h er e s e a r c ha b o u tc e m e n t c o n c r c t em i x t u r ed e s i g n i n gi sn e e d e df o rc e m e n tc o n c r e t ed e s i g n i n ga n dc o n s t r u c t i o n ， a n di tw i l lp r o m o t et h ea p p l i c a t i o no fr o a dc e m e n tc o n c r e t e t h et e x ti sc o n c e m i n ga b o u tt h ea g g r e g a t eg i a d u a t i o n ，a n dm a k et h e ! h e o r e t j c a l m o d e lb u i l d i n ga n a l y z i n ga n di n d o o rt e s tr e s e a r c ho na g g r e g a t ec o m p o s i t i o n ，a n d d e c i d et h et h e o r ym o d e lf o rm a dc e m e n tc o n c r c t e t 1 l m u g ht h et e s to fb m c k e tf i l l i n g i nc o a r s ea g g f e g a t e ，s t e pf i n i n gi nf i n e a g g r e g a t ea n ds t e pf i l l i n gw i t hc o a r s e a g g r c g a t ea n df j n ea g g r e g a l e p r c s e md j f f e r c n ta g g r e g a t eg r a d u a l i o no fn m p s m e a n w h i l e ，m a k es o m ea p p r a j s a l sa n dc o r r e c t i o n st ot h e m ，a n dp r e s e n tt h ef i n e a g g r e g a t ea n d a r s ea g g r c g a t eg r a d i n gl i m i to ft h et y p eo ff r a m e w o r ka n dd e n s e t bl i g i i t e nt h ed i f f i c u l t yi n n t m l l i n ga g g r c g a t eg r a d u a t i o ni nc o n s t r i l c t i o na n d i m p r o v e n s t 九l c t i o ne f f i c i e n cy ，w ep r e s e n tt h ek e ys i e v eo fd i f f e r e n ta g 孕e g a t e g f a d u a t i o no fn m p st h m u g l ls e n ，i c ep e 渤咖a n c et e s tf o r t h ef i r s tt i m e a n dt h r o u 曲t h e s a m et e s t ，w ep r c s e n tt h e 印p l i c a t i o nr a n g eo fa g g r e g a t eg r a d u a t i o na c c o r d i n gt ob e i n g u s e di nd j f f b r e n ta r e a sf o r t h ef i r s t t i m e ( 0 m b i n i n gw i t hm a ds p c c i f i c a l j o n sa n dr e f e f r i n gt o f o r e i g na d v a n c e dw a y s ，p r e s e n tt h ec o n c r e t em i xd e s i g no ft h et y p co ff f a m e w o r ka n dd e n s ef o r t h ef i r s tt i m e ，a n dv a l i d a t et h e mb yt h ee x a m i n a t i o no fs e r v i c ep e r f 0 加a n c cf o rm a d t 1 l et e x tr e s u l t so fl h j sr e p o nh a v et h ec h a r a c t e f i s t i c ss u c ha sb e t t e fp e n i n e n c e ， w h o l es y s t e ma n dg o o dp r a c t i c a b i l i t y a n dh a v ei m p o n a n tg u i d ef i l n c t i o no nt h e d e s i g na n dc o n s t m c t i o nf o rr o a d a n di ti so n ei m p o n a n tp a no ft h er e s e a r c ho ft h e d e s i g no fm a dc e m e n tc o n c r e t em j x t u r e sc o m p o s i t i o n k e y w o r d s ：a g g r e g a t e ，g r a d u a t i o n ，f r a m ed e n s i t y ，b r a c k e tf i l l i n g ， s t e pf i l l i n g ，k e ys i e v e ，s e r v i c ep e r f o r m a n c ef o rr 0 a d ，c o n c r e t em i xd e s i g n 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。 论文作者虢刁孚移瞎伊e 年后月阳 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) 敝作者躲衡铅堙“年( 月阳 导师签名八耖凌髫彩年6 月伽 1 第一章绪论 1 1 项目的背景及必要性 1 1 1 项目的背景 公路是为国民经济、社会发展和人民生活服务的公共基础设施，也是衡量一 个国家经济实力和现代化水平的重要标志。截止2 0 0 5 年，我国共建成铺装路面 的总里程为5 3 2 6 9 7 公里，其中水泥路面达3 0 6 6 2 2 公里，占铺装路面总里程的 5 8 ，成为世界上拥有水泥混凝土路面里程最多的国家之一。随着西部大开发战 略和交通部“村村通公路”工程的进一步实施，在全面展开的西部地区公路特别 是市县级公路建设高潮中，水泥混凝土路面将会得到更加迅猛的发展。 随着水泥混凝土路面建设的迅速发展，长期以来存在于水泥路面中的各类问 题逐渐凸现出来，不少公路投入使用仅几年便出现了各类早期破坏现象，严重影 响了水泥混凝土路面的使用性能。虽然交通部在以往研究的基础上颁布了公路 水泥混凝土路面施工技术规范( j 1 gf 3 0 _ - 2 0 0 3 ) ( 以后简称“现行规范”) ，系 统全面的总结了近2 0 年来我国水泥混凝土路面建设与养护的经验和教训，为规 范、提高我国水泥混凝土路面建设质量提供了平台，但其中集料技术指标方面的 内容仍基本沿用国标建筑用卵石、碎石( g b 厂r 1 4 6 8 ) 的规定，这并不完全适 用于路面水泥混凝土的技术要求。虽然多年实践证明了集料的级配和技术性质对 道路混凝土的旌工性能和使用性能都有重要影响，但现行规范仅考虑了集料的表 面性质，关于粗集料技术指标对道路混凝土施工性能的影响只在碾压混凝土中研 究较为深入，在普通道路混凝土中研究甚少，而随着机械化施工水平的不断提高， 在现代混凝土路面施工对混凝土的性能提出新的要求的同时，粗集料的级配要求 也应有相应的变化。因此，将粗集料的级配、压碎值、针片状颗粒含量等指标对 混凝土路用性能的影响体现在配合比组成设计中已日渐成为水泥路面设计与施 工的迫切需要。特别是如何选择粗集料的级配，使其形成坚实的骨架结构，将是 道路水泥混凝土组成设计的重要组成内容之。 道路混凝土的配合比设计是水泥路面工程质量控制中极其重要的环节之一。 实践中经常发现即使原材料相同，由于配合比不妥或失控，常常会造成路面磨损、 断板锋m 破损f 见象，这一是配合比重要性的体现。现行规范虽然对配合比漫计 方法进行i 充与完善，强调道路混凝土需要形成骨弛：* 实结构，在混合料发计 中仅追求集料的骨架密实级配，而没有体现整体的骨架密实设计思路，因此集料 级配发计与混合料总体设计存在一定的脱节，相对于现今道路混凝土对骨架密实 结构的使用要求，规范中给出的配合比设计方法难以适应。 1 1 2 项目的必要性 水泥混凝土是由水泥、水与粗细集料按适当比例混合，必要时掺加适量外加 剂，掺合料或其他改性材料配制而成。其中粗细集料虽然没有活性，但构成了混 凝土的主要骨架，如图1 1 1 所示集料通常占混凝土总体积的6 0 以上，其性能 及用量对混凝土的性能影响显著。2 0 世纪8 0 年代以前，由于混凝土强度等级较 低( 一般使用范围是c 1 0 c 2 5 ，c 3 0 以上即为高强度混凝土) ，混凝土的强度主 要与水泥质量和水灰比有关，对骨料要求不高。随着混凝土强度等级的提高( 路 面工程中为c 4 0 c 6 0 ) ，集料的作用日益明显，当水泥用量继续增加对混凝土强 度的提高已无明显作用，特别是路面混凝土中由于耐久性要求而强调限制最大水 泥用量时，集料的级配、粒径、粒形、表面状况等上升为混凝土强度提升的主要 因素，从而使集料选择的合适与否成为混凝土配制成败的关键。 选择集料除了需要考虑集料本身性能及其成本外，应着重考虑级配一一水 泥混凝土组成设计中集料最重要的技术指标。多年实践已证明并不存在一种适 合于所有混凝土的统一集料级配，不同使用条件对集料级配的要求也不一样， 勉强使用级配不好的集料，不但会造成混凝土离析并出现蜂窝与麻面、混凝土 密实性差、抗渗与抗冻等性能降低，而且水泥用量可能超定额，导致其成本过 高，耐久性下降。因此，针对集料的实测指标和混凝土的技术要求，具体情况 具体分析，才能确定集料在混凝土中使用的实际效果，使集料的选择符合实际。 由于集料属于散体结构，粒径形状并不规则且不易控制，因此虽然室内试 验可以确定混凝土所选用的集料级配，但与真正要应用在现实工程中的集料级 配存在很大的差异。在实际工程中，迫切需要一种切实有效的方法来控制集料 级配，有效的方法是确定对混凝土性能影响显著的集料关键筛孔，并在实际施 工时着重控制此筛孔的筛余或通过率，能显著提高施i ：效率并减少混凝土性 能的波动睁。 国内外多年研究已证明，公路等级不同，使用条件不同，混凝土对集料级 配的要求也应该相应调整，以往仅仅凭借强度指标与经验来选取集料级配的传 统方法具有很大的局限性，与目前路面混凝土以耐久性为设计方向的趋势相悖， 因此根据不同路用性能来优化混凝土集料级配是道路混凝二匕组成设计的重要内 容，而能改善路用性能的骨架密实型级配也是主要研究内容之一。 水泥 术空气细垒科相集科 1 5 i 8 8 己8x3 1 “ 拌和物1 拌和4 妇 拌和物3 拌和钧4 1 5x己lx3 3 0 3 l “ f 非引气混凝土 ： 图1 1 1 混凝土中各种原材料所占的绝对体积比翠，1 和3 代表用小 粒径集料配制的富混凝土，2 和4 代表用大粒径集料配制的贫混凝土 综上所述，本研究旨在针对路面水泥混凝土的实际使用要求，对集料级配 与相应的混凝土配合比设计方法进行研究，提出既严格规范又能有效提高混凝 土路用性能的集料级配范围，并对所提出的集料级配做出合理的评价与修正： 通过试验提出集料级配中的关键筛孔，以改善目前水泥路面施工中集料级配控 制难度大与效率低的缺点：同时参考国内外先进的配合比设计理念与方法，结 合对集料骨架密实型级配的要求，分析并提出一种基于骨架密实结构的混凝土 配合比设计方法，从而提高不同使用条件下的道路混凝土的性能。本研究成果 将对解决公路工程中与集料级配有关的问题，提高材料的使用效率，增强现行 路面水泥混凝土中集料的选择与质量控制具有现实而的深远的意义。 1 2 国内外研究现状 为了得到性能优异的道路水泥混凝土，在进行混凝土配合比组成设计与施工 3 时应考虑所川集料的各种性质，包括形状、粒径、纹理、扎隙；誊、棚，汁密度及级 配，其中集料的级酝i 对混凝土的工艺性能、硬化后的力学。阡能一哎经济性最为重 要。 1 2 1 国外集料级配研究状况 由于级配是集料最重要的技术性能之一，国外学者长期以来对其进行了大量 的实验研究，并早在1 4 5 年前就讨论过级配对砂浆性能的影响，并先后提出许多 所谓的理想或最优级配，但至今仍未提出一个获得“理想”或最优级配的方法。 这是因为集料的颗粒形状和表面结构、混凝土的水泥用量和含气量均会对混凝土 的性能产生影响，一个理想的级配不可能适用于各种材料和不同使用要求的混凝 土，单纯强调理想级配会增加工程成本及旌工难度。而实际上即使在很大范围内 变化的集料级配，只要配合比组成设计正确，仍可配成符合要求的混凝土。因此 各国的标准和技术规范只规定了集料的级配范围或级配区，例如美国规范a s i m c 3 3 和a a s h l dm 8 0 、欧洲标准e n9 3 3 一l 、法国标准n e p1 8 5 6 0 和英国标 准b s 8 8 2 等。以上各国标准虽然经过了多年的发展与完善，但对于级配范围的 规定却并没有过大的修改，这也从侧面说明了虽然级配很重要，但是由于集料的 散体特性，在大量使用中不易精确控制，故只是保留了级配范围，供实际施工时 灵活变动。 国外在对集料级配进行要求的同时，对集料级配理论也进行了研究，将其分 为连续级配理论和间断级配理论。在连续级配理论中，比较著名的有富勒氏最大 密度理论、魏格级配理论、鲍洛米级配理论、瑞士标准级配经验式、哥德表面理 论和魏茅斯干涉理论等。这些理论经过大量的混凝土试验，均能体现出较好的实 用价值，但都有一个缺点，因为它们都是无穷级数，没有最小粒径的控制，用于 级配控制时，往往会造成特细集料含量过高，使混凝土稳定性不足。在此基础上 前苏联控制筛余量递减系数k 的方法正好克服了这个缺点，通过世界范围内多年 实践的验证，可证明k 法是迄今较为完善的连续级配组成计算法。 间断级配理论产生于1 9 2 7 年，当时美国“新闻工程纪事报”刊登过用0 1 5 c m 的集料拌制的混凝土和易性较差，而取消o 5 c m 细粒料后，和易性得到 了改善并提高了强度。1 9 4 0 年法国瓦莱特( r v a l l e t c ) 在飞菜字隙哩沦影响下提 出问断级配理论学税。问断级配优点为空隙率小，表嘶微小。骨絮作川饺显著， 4 能节省水泥，提高混凝二匕的性能，但是：j ：作性方面不易控制。 目前各国标准中的级配范围及理论的发展已日趋完善，并能够满足混凝二l 二的 基本要求，但是随着对混凝土性能要求的日趋严格与复杂化，加上水泥路面与其 他大型结构物的发展对混凝土集料级配提出了耐久性的新要求，实际应用中的混 凝土集料级配己不满足于处于一个波动较大的范围或仅仅符合于某种理想级配 理论，目前在国外先进的混凝土配合比设计中，更多的强调按照实际使用条件选 择集料级配，同时由于在研究中发现骨架密实型结构能很好的满足混凝土的各种 性能要求，因此发展骨架密实型集料级配已成为国外发展的新趋势。 1 2 2 国内集料级配研究状况 由于历史原因，国内混凝土组成设计方法在建国前发展有限。新中国成立以 后，我国混凝土集料级配理论一直引用苏联1 9 5 0 年建筑手册中的规定，把集料 中5 m m 粒径以上称粗集料即碎石或卵石；5 m m 以下粒径称细集料即为砂子。这 两种粗细集料筛分曲线作为我国的技术要求直沿用到1 9 7 9 年。这两个曲线的 来历尚无文献考证，但据原民航机场设计院刘宽研究，它源于连续级配理论统一 公式计算结果以及集料生产加工和自然条件的实际情况。1 9 7 9 年我国对混凝土 集料级配制定了标准( j g j 5 3 7 9 ) ，对碎石或卵石规定了五种连续级配标准和五 种单粒级标准，同时规范中还规定了间断级配，此外j g j 5 3 7 9 中对细集料规定 了l 、i i 、i i i 三个区。此后的国标建筑用卵石、碎石( g b 厂r 1 4 6 8 5 ) 、水泥混 凝土路面施工与验收规范( g b j 9 7 8 7 ) 和交通部原行标公路水泥混凝土路 面设计( j t j0 1 2 9 4 ) 对集料级配的要求在j g j 5 3 7 9 的基础上进行了逐步的 完善；公路水泥混凝土路面施工技术规范( j t gf 3 0 一2 0 0 3 ) 采用0 2 5 课题研 究得到的级配范围，并进行了圆孔筛与方孔筛粒径的转换。 在级配理论研究方面我国发展了特有的比较成熟的理论，上世纪8 0 年代末 我国同济大学林绣贤教授针对间断级配拌和不易均匀、运输摊铺过程常有粗细离 析现象，取连续级配与间断级配之长，提出了折断型级配，成为连续级配与间断 级配之外的第三类级配。 从以上分析可以看到，我国集料级配的发展历程体现了集料级配从单纯理论 研究到与实践结合、从经验选取逐渐走向定量计算的发展过程，也说明了随着科 学的发展和技术的进步，人们对集料的认识在不断的深入；而随着对路面使用要 求的个断提高和t 产l 艺的改进，对集料纵配的要求必将逐步提高。 虽然我国对路面i 混凝土中集料级配的研究仍在不断发展与壳蜂，世与发达国 家相比仍有较大的差距，现有方法仍然是一种经验法，并没有充分考虑不同使用 条件下的路面混凝土的实际要求，其主要设计依据仍然以强度与经验为主，较为 单一；而由于缺少关键筛孔这一控制指标，致使级配控制难度大，在大面积施工 时很难达到预定的要求；加上现行混凝土路面施工规范中，对道路混凝土中集料 级配的使用要求与普通结构混凝土并没有太大差异，但实际中两者对刚度、耐久 等多方面有不同的要求。相比之下，路面沥青混合料中已根据公路等级、气候及 交通条件等确定了不同级配类型及范围，具有很好的预见性与科学依据。因此， 针对道路混凝土的特点，对满足路用性能的集料级配范围及相应使用条件的研究 已非常迫切，将对全国尤其是西部地区各等级公路路面混凝土的施工与控制具有 指导意义。 1 3 研究内容 本研究首先对集斟的堆积性状进行分析，并对集料级配结构形态模型进行试 验验证；根据道路水泥混凝土对集料级配的使用要求，就骨架密实型级配的形成、 评价方法以及关键筛孔等关键技术展开深入系统的试验研究；通过基于骨架密实 型级配的道路混凝土路用性能检验，推荐出道路水泥混凝土集料级配范围，并提 出适用条件。 研究的主要内容包括： l 、根据集料堆积状况建构模型与验证： 2 、集料级配理论研究： 3 、骨架密实型粗细集料级配研究： 4 、骨架密实型级配的评价与修正； 5 、基于骨架密实结构的混凝土配合比设计方法研究； 6 、关键筛孔的研究： 7 、不同集料级配路用性能的研究； 8 、推荐道路水泥混凝土集料级配使用条件及范围。 第二章研究方案、试验方法及原材料技术性质 2 1 研究方案设计 本研究将以集料级配优化为研究目的，针对路面水泥混凝土的不同使用条件 与要求，通过试验确定集料级配范围与关键筛孔，并提出基于骨架密实原则的混 凝土配合比设计方法。研究技术路线如图2 1 1 所示。 国内外资料调查，通过分析 集料级配的发展历程及特 点，确定路面混凝土集料级 配应具备的特性一一骨架密 实结构。 对集料级配的基本原理及模 型进行分析。并结合试验确 定集科的最佳形成状态及模 型；同时对级配理论及级配 评价方法进行评述。 原材料技术性质测试 按照逐级填充等方法进行级配试验，提出基于骨架密实结 构的不同最大公称粒径( n m p s ) 的粗细集料级配，并对 试验结果进行适当的理论计算验证。 对不同n m p s 的集料试验级配、不同理论级配及不同规范 级配进行评价，并对试验得出的集料级配进行修正，提出 无结合料骨架密实型集料级配范围。 确定影响混凝土性能的主要因素及水平，设计 正交方案，试验确定级配关键控制筛孔。 通过试验对不同n m 呼s 混凝土关键筛孔试验结 果进行验证，并提出不同n m p s 的混凝土关键 筛孔的控制范围及骨架密实型推荐级配。 对不同n m p s 试验级配及配合比组成设计方法 进行路用性能验证，并根据不同使刚条件下道 路混凝士的要求，推荐相应的级配范围。 图2 1 1 集料级配及混凝土性能研究技术路线图 7 参照a a 配合 比设计方法， 结合道路混凝 土现行规范， 提出科学的基 于骨架密实结 构的配合比设 计方法。 2 2 试验方法 2 2 1 原材料技术性质测试方法 粗、细集料的筛分、密度、吸水率、水泥混凝土用粗集料针片状颗粒含量、 水泥混凝土用粗集料压碎值等等试验分别按照公路工程集料试验规程 ( j t j 0 5 8 2 0 0 0 ) 相关条文执行。 2 2 2 集料级配试验方法 严格控制粗细集料级配，使路面混凝土形成具有嵌锁力的骨架密实结构，对 改善路面的干缩变形和耐久性具有现实意义，因此在级配研究中遵循嵌挤骨架设 计方法，并按照逐级填充的理论进行，具体步骤如下： ( 1 ) 将各档料放入烘箱( 1 0 0 。c 5 。c ) 不少于4 6 小时。确定骨料规 格d o ，将质量为5 k g 粒径为d 0 的骨料放入容量筒( 1 0 l ) 中，再在集料的上面 加上振动块，将容量筒放在振动台上，振动2 m i n ，然后量测其振捣后的高度， 计算其振捣密度及空隙率； ( 2 ) 应用逐级填充理论，将次一级粒径d l 以d o 用量的5 递增或以不同比 例填充到d o 中，测定振实密度，建立填充量与振捣密度或间隙率的关系曲线， 并在关系曲线上选取最大密度对应的集料含量或最小间隙率对应的集料比例，其 它粒径填充量的确定以此类推； ( 3 ) 同步骤2 对集料依次逐级填充，最终得到形成集料嵌挤结构的各级粒 径用量与密度或间隙率的关系曲线，即集料的级配关系： ( 4 ) 根据逐级填充试验得到的各粒级组成用量与密度、间隙率的关系曲线， 选出形成最密实嵌挤结构对应的各粒级集料用量作为初选集料级配。 在振捣试验中，取振实后4 个点的平均高度计算集料振实体积，再利用公式 p = m 厂v 计算振实密度。 2 2 3 混凝土性能测试试验 1 、新拌混凝土密度 新拌水泥混凝土拌和物的密度试验参照g b 厂r 5 0 0 8 0 2 0 0 2 普通混凝土拌和 物性能试验方法标准。 2 、含气量 试验参照现行规范公路工程水泥混凝土试验规程( t j t ge 3 0 一2 0 0 5 ) 中的 t 0 5 2 6 2 0 0 5 规定进行。 3 、工作性 根据公路工程水泥混凝土试验规范( j t ge 3 0 一2 0 0 5 ) 中t 0 5 2 2 2 0 0 5 规定对新拌混凝土进行工作性试验，并评价混凝土静态塌落度、棍度、含砂状况、 粘聚性和保水性。 4 、力学性能试验 力学性能包含以下三种：抗弯拉强度、抗压强度( 包含立方体抗压强度和弯 拉强度试件断块抗压强度) 、劈裂强度。其试验参照现行规范公路工程水泥混 凝土试验规程( j t ge 3 0 一2 0 0 5 ) 中相关条文执行。 5 、干缩试验 干缩试验采用仪器为长安大学自行研制的路面材料收缩变形测试仪，其试验 结果经以往验证与现实较为吻合，如图2 2 1 所示，( a ) 为收缩变形测试仪主箱 部分，( b ) 为温度、时间控制界面。 ( a )( b ) 图2 2 1 路面材料收缩变形测试仪 混凝土试件的拌合、成型按照公路工程水泥混凝土试验规程( j t ge 3 0 2 0 0 5 ) 中的t0 5 5 1 进行，试件大小为1 0 0 m m 1 0 0 m 4 0 0 m m 。成型试件后， 带模养护2 4 h 后拆模，并立即测定初始长度厶，初始长度应重复测量三次，取 算术平均值作为基准长度测定值，然后立即将试件放入路面材料收缩变形测试仪 内。测试仪内控制恒温为4 0 。c ，相对湿度为6 0 ，试件变形长度z 。采用高精度 位移传感器( 允许偏差为万分之五毫米，即o 0 0 0 5 咖) ，每1 0 s 自动读取并记录 9 干缩率试验以三个试件为一组，取三个试件干缩率的算术平均值作为试验结 果，干缩率计算精确至o 0 0 0 1 。 6 、抗渗试验 抗渗试验根据公路工程水泥混凝土试验规范( j t ge 3 0 一2 0 0 5 ) 中有关规 定进行，抗渗仪器如图2 2 1 。 图2 2 2 抗渗试验仪器 2 3 原材料技术性质测试 1 、水泥 选用陕西地区产销量最大的秦岭牌普通硅酸盐水泥，强度等级为4 2 5 m p a ， 其具体技术指标见表2 3 1 所示。 表23 1 水泥的技术性质测试结果 强度 安定性抗压强度( m p a )抗折强度( m p a )凝结时间( m i n )表观密度 等级 3 d2 8 d3 d2 8 d 初凝终凝( g c 脚3 ) 4 2 5 合格 2 5 74 6 65 77 91 0 01 6 53 1 1 2 2 、集料 按照公路工程集料试验规程( j t j 0 5 8 2 0 0 0 ) 测试粗细集料技术标准见 表2 3 2 表2 7 3 _ = f ：l 表2 3 4 。 1 0 m k = 算 岛 式卜按率缩f。胸m 斗引凝为混问段时问验时 试 一 ，某 据数 表232 集料技术性能 粗集料细集料 含泥量压碎值 针片状坚同性 含泥量云母含量吸水率 ( )( )( )( )( )( )( ) o 57 55 14 21 10 91 3 表2 3 3 粗集料密度与吸水率 集料粒径表观密度表干密度毛体积密度 吸水率( ) ( m m ) ( g c m 3 )( g c m 3 )( g c m 3 ) 3 1 5 2 6 52 8 3 82 8 1 42 8 0 2o 4 5 2 6 5 一1 9 02 8 2 82 8 0 72 7 9 60 4 2 1 9 0 1 6 o2 8 0 02 7 8 22 7 7 3o 3 5 1 6 o 一9 52 7 9 32 7 7 52 7 6 40 3 8 9 5 4 7 52 8 0 82 7 6 72 7 4 40 8 3 表2 34 细集料密度表 粒径( ) 表观密度( g c m 3 )表干密度( g c m ：)毛体积密度( g 庄j 3 ) p 4 7 5 2 3 62 5 9 92 5 0 72 4 4 0 2 3 6 1 1 82 5 9 82 5 5 52 5 2 6 1 1 8 一o 62 6 0 22 5 7 92 5 5 0 o 6 0 32 6 0 62 6 0 32 5 6 9 o 3 0 1 52 6 4 02 6 3 82 5 9 8 3 、外加剂 根据道路混凝土路用性能要求，研究中选用了引气剂，其参数如表2 3 5 所 不。 表互35 外加剂参数 种类产地最佳掺量( )引气量( ) j m 一2 0 0 0江苏0 1 0 6 3 6 第一，：二集科级配理论研究 良好的混凝土集料级配要求集料组成达到空隙率最小的同时其比表而积总 和也不宜太大，前者的目的是使集料本身结合紧密，后者的目的是要使粘结料最 为节省，二者既矛盾义统一，而骨架密实级配便是两者兼顾的一种优良结构，已 成为工程上理想级配之一。要使集料空隙率最小，应以嵌挤为原则，填充理论为 基础，通过理论分析及室内试验来实现。 3 1 基于不同排列状态的理论级配模型 由于集料结构形成状态十分复杂，因此在建模中往往采用简单的球体来代替 不规则的集料颗粒，以探寻填充理论的基础并简化计算。而实际上虽然集料颗粒 性状与球体不同，但二者有着很好的可比性，并不影响理论建模计算的精度。 相同粒径的球体排列形式不同，空隙率也不同，在不形成填充的条件下，空 隙率的大小主要取决于粒料排列的形式而与粒料粒径无关。球体排列形式可以分 为四球、六球、八球排列等。 3 1 1 最松散堆积状态 图3 1 1 a 表示边长为d 的某立方体，其中放置一个直径为d 的圆球，此时， 兰d 3 空隙率n 为n ：1 一亘_ ；1 一垩。o 4 7 6 。4 7 6 。4 8 。 d 。6 如该立方体中放的是d 2 的圆球，如图3 1 1 b 所示，则可放8 个，此时空隙 删一型小_ 。 率n 为n = z 一孚= ，一詈一。s 。d 6 圈3 t i 简单立方体空闽惟轵 如该立方体放进d 4 直径圆球，还是这样的排列堆积时，可放6 4 个，放d 8 直径的圆球可放5 1 2 个，余类推，只要它们排列推积的状况不变，即各层球心构 成e 方形，层与层相邻的8 个球心构成砸方体，不管球体粒径是多少，则空隙率 总是n = 1 一6 4 8 。 3 1 2 最紧密堆积状态 如球体第一层仍按简单立方体排列，各球球心间构成正方形，如图3 1 2 的 实球所示。但上面一层与其交错排列，各球心间仍构成正方形。此时上、下层相 邻球心则构成6 0 度角，如图中虚球所示，第三层又如第一层、第四层又如第二 层，余类推。 图3 1 2 棱柱体空间堆积 如把上、下8 球心连接，则底面为正方形a b c d ，其边长为d ，底面积s = d 2 ( d 为各球的直径) ，高度h 的下面落在下层对角球心中间，即a c 连线的一 半互b 2 处，其上面则在上层球心。处，a o 为上下层两球心连线，其值为d 。 所以：日=：鱼d ， 故8 个球心组成的棱柱体的体积v 为 y ：d ：。鱼d ：鱼d ， 22 该棱柱体包容的8 个球片f 好组成一个球的体楞，故空隙率n 为 ! d 3 一 删一彘小詈击2 - m 拍粕 尘d ， 6 2 ， 圈3 1 3 棱锥体空l 司堆积 图3 1 3 为棱锥体空间堆积，平面上各球相互交错成6 0 。角，如实球所示， 立体上也同样相互交错如虚球。 此时如把上下两层8 个球球心相连，则其底面为一平行四边形如a b c d ，其 边长为d ，伽= 6 0 。，所以平行四边形高为 ：d s j n 6 0 。：j b 2 ，底面积 s = d 粤d = 粤d 2 ，而棱锥体高h 的下面是在鲥肋的中心，距a 长为 志= 击，h 的上面在上层球心。处，则a 。是上下层球心连线，其值 为d ，所以： h = 陌： 8 个球心连成的棱锥体体积是： y ：s h ：d ：塑，犀d ；鱼d ， 2 v32 该锥体包容的8 个球片也正好组成一个球体，故空隙率n 为 1 4 三d 3 n ：1 一啦：l o 7 4 ：o 2 6 ：2 6 坐d ， 2 两种情况得出同一结果，其实这两者的基本原理相同。图3 1 2 如从立体图 的角点的对角线观察，就是图3 1 3 的状况，这就是均匀体颗粒排列堆积的最紧 密状况。 如果情况不是刚好如图3 1 1 球心间构成9 0 。角或图3 1 2 、3 1 3 球心间构成 6 0 。角，而是成口角，则其空隙率可按以下通式计算： 归卜丽i 高赢 以上分析说明空隙率大小不决定于粒径大小，而决定于排列状况特别是交角 口。最松状况排列时，h 一4 8 ，最紧密状况n 。2 6 。当然，这些都是假设立 方体容器边长与集料直径比在理想状况时的分析结果。 3 1 3 平面紧密排列状态 如球体只有一层而不是空间堆积时，最松状况仍如图3 1 1 ，n 一4 8 ，而最 密状况则如图3 1 3 的最下面一层，由于只有一层，- 所以包容一个球的体积即相 邻四个球球心连成的平行四边形、高为d 的棱柱体，体积为： y 。d d d s i n 6 0 0 。d 3 鱼 2 空隙率为：n 。，一詈譬。，一。s 。4 。 这种状况适用于集料粒径与结构物断面尺寸相当且粒料紧密排列的状态。 当为两层紧密排列时，如图3 1 3 ，则上层下半部与下层上半部其紧密程度 同棱锥体堆积，n = 2 6 ；而上层上半部与下层下半部相当一层平面的紧密排列， ，l = 4 0 ；故其平均空隙率为3 3 。 3 1 4 嵌挤状况 当最松排列状况时，例如图3 1 1 b ，在8 个球中嵌入一个小球，该球面与8 个球相切，该球球心当在8 个球空隙的中心，即图3 1 _ 1 b a b c d 面上的罢处。 刚一万：蔚：d ，丽：函，而2 ：压d 2 。f 球”与小球球屯 相连，其长= 度当为r + r ( r 为大球半径，r 为小球半径) 。 d + d = 2 ( r + r ) = 厂= = _ z 胆) _ + ( 翁 。z 厣雨 = d 3 = 1 7 3 2 d 所以嵌入小球的直径d = o 7 3 2 d ，如小球直径大于此值就会把大球隔开。 如把8 个大球球心连成正立方体，则它包容8 个大球的球片组成一个大球体 积外，还容有一个d 。o 7 3 2 d 的一个小球，所以此时空隙率n 为： 。， 詈d 3 + 詈( 0 ，s 2 d ) 2 h 。1 一鱼鱼： ： d 。 一1 0 7 3 = 0 2 7 = 2 7 如果在立方体最紧密排列中的图3 1 2 中嵌入一个小球，则该球必与6 个球 相切，小球球心必在4 个大球空隙中心，小球直径d = o 4 1 4 d 。此时，如8 个大 球球心相连，除包容8 个球片组成一个大球体积外，还有两个各半只的小球组成 相当一个小球体积，所以此时的空隙率n 是： 。， 詈d 3 + 詈( o 4 1 4 d ) 3 ，l 口1 一鱼鱼： ： 塑d ， 2 = 1 0 7 9 3 = 0 2 0 7 0 2 1 = 2 1 以上证明最松排列状况可以嵌入的小球最大直径为0 7 3 2 d ，嵌入后空隙率 可从4 8 减为2 7 ，最紧状况排列下可以嵌入小球的最大直径为0 4 1 4 d ，嵌入 后空隙率从2 6 降为2 1 。如小球直径增大，都会使大球挤开，增大空隙率。 当然，实际上如水泥混凝土、沥青混合料等材料的主骨料排列既不会处于最松状 况也难达到最紧密状况，因此水泥混凝土、沥青混合料等的集料次一档粒径一般 要为主骨料粒径的一半，档档相嵌，档档的粒径都减少为1 2 ，其理论依据即 在于此。 如果不用最大的次级球填充，而以许多直径小得多的小球填充，其结果更好 些，即使这些小球在大球的空隙中处于最松状况排列，这也是间断级配的理论 基础。例如大球在最松状况下空隙率为4 8 ，填充的细小球体空隙也为4 8 ， 则总的空隙率是o 4 8 2 = o 2 3 = 2 3 ，也比只填充一个0 7 3 2 的小球达到的空隙率 2 7 为小：如大球在最紧密排列下填充细小球体，空隙为 0 2 6 o 4 8 ；0 1 2 5 = 1 2 5 ，也低于只填o 4 1 4 d 一个小球时空隙率为2 1 的情 况。证明用更小的球而不用次级球能达到更紧密的程度，当然原来大球的紧密程 度对填充小球体后的空隙率仍是决定因素。 3 2 不伺堆积状态下集料级配研究 3 2 1 理论级配模型参数的选择 采用简单的球体来代替不规则的集料颗粒，在不形成填充的条件下，集料空 隙率的大小主要取决于粒料排列的形式，而与粒料的粒径无关。按照填充球体的 个数，可分为八球、六球、四球排列等形式。根据计算，在不发生干涉的条件下， o 个单元的空隙率和不发生干涉的填充小球直径关系如表3 2 1 所示。实际上，可 以根据集料不同堆积状态下的空隙率确定骨架是否形成。 表3 2 1 理论模型相关参数 排列形式单兀芏隙翠填充小球直径 八球排列 4 8o 7 3 2 d 六球排列 4 00 4 1 4 d 四球排列 2 60 2 2 5 d 3 2 2 集料级配状态的确定 为了分析集料颗粒分布状况，应按照一定的级配将各种颗粒进行合成，并使 较细粒径的颗粒不干涉粗集料的排列。由于集料的结构形成与其堆积方式紧密相 关，一般将集料分成松散、捣实、振实三种堆积方式进行试验。集料处于松散状 态时，各粒料之间为点接触，空隙率相对较大：而捣实和振实堆积状态下，集料 将进一步密实。 首先对单粒径集料进行不同堆积方式下的试验，测定各状态下的空隙率见表 3 2 _ 2 和图3 2 1 。 根据表3 2 2 和图3 2 1 中的试验结果，可以看出 ( 1 ) 从图3 2 1 明! 一口看出，捣实、振交状态的r p 粒径集料的空隙率比松敬私、 态f 小得多，可见集料晌状态堆以片式对混凝 ：f j 很大影响。从图r - r 以香1 能有效减小集料空隙率的堆积方式依次为：振实状态，捣实状态，松散状念。 表3 22 不同状态下单粒径集料的空隙率 单粒径( m m ) 集料空隙率 甲柱径自【集料开始产生干涉的粒径 堆积状态 2 6 51 9 01 6 09 54 7 5空隙率 松散4 8 9 44 5 4 04 5 4 34 5 1 84 6 8 74 5 4 9o 7 3 2 d 捣实4 1 5 43 9 9 9 4 0 2 5 4 0 3 94 0 4 64 0 4 20 4 1 4 d 振实 4 1 1 93 9 9 23 9 3 63 9 0 63 8 6 83 9 4 10 4 1 4 d 图3 2 1不同状态下单粒径集料的空隙率 ( 2 ) 根据不同排列的集料级配基本模型，松散状态下单粒径粗集料空隙率 为4 5 4 9 ，对应于最松散状态模型的空隙率4 8 ，此时可认为干涉粒径为 o 7 3 2 d ；捣实状态与振实状态下单粒径粗集料空隙率分别为4 0 4 2 、3 9 4 1 ，对应于平面紧密排列状态模型空隙率4 0 ，同样可认为两种状态下干涉粒 径均为0 4 1 4 d 。 ( 3 ) 对比不同集料粒径d 的空隙率试验结果可知，相同状态下，集料粒径d 对单粒径集料的空隙率并无太大影响，与3 1 节中模型分析结果吻合：而对于同 粒径的单粒径集料而言，变化