（道路与铁道工程专业论文）“双掺”高性能路面混凝土的配合比设计与路用性能研究.pdf

摘要 摘要 随着国民经济的快速发展，我国的公路建设事业取得了巨大的成就。公路路 面是道路工程最主要的结构物，对于修建和营运的经济性以及行车安全等都有 直接的影响。高等级路面结构主要有沥青混凝土路面和水泥混凝土路面两种。 水泥混凝土路面作为一种高级路面结构，因其强度高、刚度大、稳定性好、使 用寿命长以及养护费用少、有利于夜间行车等优点，水泥混凝土路面得到了广 泛的应用。 “双掺高性能路面混凝土是一种采用普通混凝土原材料、掺加粉煤灰和引 气剂经过精心设计的用于路面的高技术混凝土，有利于环境保护和公路建设的 可持续发展，具有广阔的发展前景。 本文首先分析了水泥混凝土及高性能混凝土的配合比设计理论与方法，提出 了配制高性能路面混凝土的原材料技术要求，接着提出了“双掺”高性能路面 混凝土配合比设计方法，研究了粉煤灰、水胶比、引气剂减水剂对混凝土工作 性、拌合物含气量及力学性能的影响。通过系统的试验研究了“双掺高性能 路面混凝土的收缩性能、强度、疲劳性能等路用性能，结果表明，“双掺”高性 能路面混凝土具有优异的路用性能。 最后，通过实际工程，检测验证了“双掺”高性能路面混凝土的实际应用效 果，并进行了经济性分析，结果表明，“双掺 高性能路面混凝土是一种经济、 环保、实用的路面建筑材料。 关键词：高性能路面混凝土，配合比设计，试验研究，路用性能，经济分析 a b s t r a c t a b s t r a c t 。w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , h i g h w a yc o n s t r u c t i o nc a r e e r h a sm a d es i g n i f i c a n ta c h i e v e m e n t h i g h w a yp a v e m e n ti st h eu p p e r m o s ts t r u c t u r eo f r o a de n g i n e e r i n g i td i r e c t l ya f f e c t st h ec o n s t r u c t i n ga n dr u n n i n gb e n e f i t ，t r a f f i cs a f e t y a n ds oo n h i g hg r a d ep a v e m e n ts t r u c t u r ep r i m a r yi n c l u d ea s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t a n dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t b e c a u s eo ft h eh i 。g hs t r e n g t h ，b i gr i g i d i t y , g o o d s t a b i l i t y , l o n ge n d u r a n c el i f e ，s m a l lm a i n t a i nc o s ta n di n f a v o ro fn i g h td r i v i n g ， c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tw a sw i d e l yu s e da sah i g hg r a d ep a v e m e n t “d o u b l e a d d h ig h p e r f o r m a n c ep a v e m e n t i sn e wh i g h - t e c hd e s i g n e d m e t i c u l o u s l yf o rp a v e m e n t ，w h i c ha d o p to r d i n a r yc o n c r e t er a wm a t e r i a l sa n da d d e d f l ya s h ，w a t e r - r e d u c i n ga g e n t i ti s f a v o r a b l et ot h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n d s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o n ，a n dh a sp o t e n tp r o s p e c t s c e m e n tc o n c r e t ea n dh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t eg r a d i n gt h e o r ya n dm e t h o d s w e r ea n a l y z e da n dt h ed e m a n do fr a wm a t e r i a lu s e di nh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e w a sp r e s e n t e df i r s t l yi nt h i sp a p e r t h e nt h em i xd e s i g nm e t h o do f “d o u b l e - a d d h i g h p e r f o r m a n c ep a v e m e n tw a sp r o p o s e d t h ei n f l u e n c eo ff l ya s h ，w a t e r - g l u er a t i o ， w a t e r - r e d u c i n ga g e n to nt h ec o n c r e t ep e r f o r m a n c eo fw o r k a b i l i t y , a i rc o n t e n t ，t e n s i l e a n dc o m p r e s s i o ns t r e n g t hw e r es t u d i e d b yt h em e a n so fs y s t e m i ce x p e r i m e n t ，t h e p e r f o r m a n c ei nr o a da p p l i c a t i o no f “d o u b l e - a d d h i g hp e r f o r m a n c ep a v e m e n tw a s s t u d i e d ，w h i c hi n c l u d es h r i n k i n gp e r f o r m a n c e ，s t r e n g t h ，f a t i g u ep e r f o r m a n c ee t c t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei nr o a da p p l i c a t i o no f “d o u b l e a d d ”h i i g hp e r f o r m a n c e p a v e m e n tc o n c r e t ew a sv e r yg o o d l a s t l y , t h r o u g hr e a le n g i n e e r i n g ，t h er e a lu s i n gp e r f o r m a n c eo f “d o u b l e - a d d h i g hp e r f o r m a n c ep a v e m e n tc o n c r e t ew a sc h e c k e d a n de c o n o m i ca n a l y s i sw a sd o n e ， t o o t h er e s u l t ss h o w e dt h a t d o u b l e - a d d h i g hp e r f o r m a n c ep a v e m e n tc o n c r e t ew a s as a v i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i n ga n dp r a c t i c a lp a v e m e n tc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l k e yw o r d s ：h i g hp e r f o r m a n c ep a v e m e n tc o n c r e t e ，m i xd e s i g n ，e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h ，p e r f o r m a n c ei nr o a da p p l i c a t i o n ，e c o n o m i ca n a l y s i s 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位讶 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 别厉 加7 年，月乃日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 形向 砷年，) 月i 多e l 目录 1 1 立题背景与研究意义 1 1 1 立题背景 第1 章绪论 公路运输在整个国民经济生活中一直发挥着重要的作用。近年来，随着我国 改革开放的逐步深入，社会经济持续快速增长。城市与城市、地区与地区之间 的经济交往日益频繁，城乡居民出行大幅度增加，客货流动量急剧上升，其中 很大部分要通过公路实现快速、高效、安全的“点点”运输。 主要的结构物，对于行驶质量、修建和营运的经济性以及行车安全等都鉴于 公路运输事业在社会经济发展中所起到的重要作用，我国近年来不断扩大公路 工程建设的投入，已经完成了国家高速公路网规划，河北省已建成通车了石黄、 石太、京石、京张等多条高速公路。截至2 0 0 5 年底，我国公路通车总里程已达 1 9 3 万公里，其中高速公路通车里程4 1 万公里，位居世界前列。我国的公路网 骨架j 下在逐步形成和完善，其必将促进沿线经济的进步与发展。 公路路面是道路工程最有至关重要的影响，改善路面使用性能是高等级公路 建设的重要任务。路面是道路结构的重要组成部分，其功能是供汽车在其上以 一定的速度，安全、舒适、经济地行驶。路面的好坏直接影响到行车速度、运 输成本、行车安全和使用者的舒适程度。我国现有的高等级路面中，绝大多数 是沥青混凝土路面和水泥混凝土路面，这两种路面类型各有自己的优缺点和适 用范围。由于我国沥青材料的数量、质量及价格等不能满足高等级公路建设之 需，高质量路用沥青很多都是由国外进口的，每年都要为此花费大量的外汇。 而我国水泥资源丰富，遍布全国，水泥混凝土路面作为一种高级路面结构，因 其强度高、刚度大、稳定性好、耐久性好、耐高温、耐磨耗以及养护费用少、 有利于夜间行车等优点，水泥混凝土路面得到了广泛的应用。 公路路面暴露在自然环境条件下，经受着风霜雨雪和各种交通荷载作用，同 时，近年来公路运输出现了“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，尤其值得注意的是， 许多地区运输车辆的轴重远远大于国家规定，现有的普通混凝土材料很难适应 公路重交通路面的需要。而高性能路面混凝土( h i g hp e r f o r m a n c ep a v e m e n t 第1 章绪论 c o n c r e t e 简称为h p p c ) 是通过先进的设计方法精一t l , 设计的一种专门用于路面的 新型的建筑材料，其特点是“优异的耐久性、“较高的强度”，“优良的工作性， 恰恰能够满足修筑高等级公路的要求。虽然高性能混凝土在我国工民建领域己 经得到了广泛的应用，但其在道路工程方面的研究和应用还比较少。因此，亟 需广泛开展高性能路面混凝土的实验与研究工作。 1 1 2 课题的提出与研究意义 鉴于我国缺乏高质量路用沥青，而具有丰富的水泥，近年来水泥混凝土路面 不断得到推广。同时为满足路用水泥混凝土的高强度、优异耐久性和优良工作 性能等方面的要求，亟需在普通混凝土生产技术的基础上，通过改善混凝土配 合比、添加外掺剂等技术，在造价不增加或增加不大的情况下，来改善混凝土 性能，提高混凝土的路用性能品质。即研究新的混凝土生产与应用技术。 粉煤灰，俗称飞灰( f l ya s h ) ，是现代燃煤发电厂排出的一种工业废弃物，截 止1 9 9 9 年底我国的灰渣排放量已达9 4 0 0 万吨。随着我国电力工业的迅速发展， 2 0 0 0 年达到1 5 3 亿吨，2 0 1 0 年将达到2 亿吨，粉煤灰的堆放占用大量土地，并 给我国的生态环境造成巨大的压力，怎样把这些粉煤灰利用起来，是各级政府 非常关心的问题。 如果把粉煤灰掺入混凝土中，替代一部分水泥，不仅可以大量消耗大量工业 废料粉煤灰，变废为宝，提高粉煤灰的利用效率，而且能够节约大量水泥，可 减小由于水泥的大量生产对环境资源带来的破坏作用；同时在混凝土中掺入适 当剂量的引气剂，来改善混凝土的工作性能，提高混凝土的路用品质，即通过 在混凝土中掺入粉煤灰和引气剂的“双掺”技术来生产高性能混凝土，具有重 要的现实意义和经济效益。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 混凝土的发展简况 硅酸盐水泥混凝土的发展经历：波特兰水泥混凝土、钢筋混凝土、预应力混 凝土、纤维或聚合物增强混凝土、以至最近的高强度高性能混凝土。混凝土的 发展遵循复合化、高强化以及高性能化三条技术路线。在提高混凝土性能、增 加品种和扩大范围的相互促进下，混凝土发展成为当代最主要的结构工程材料， 2 第l 章绪论 也是最大宗的人造材料，其发展不断推动着人类文明的前行。 混凝土是当代最主要的建筑材料，其产量及在土木工程中的重要性，乃至 技术进步的惊人速度为世人所瞩目。混凝土技术一进入了高科技的行业，其发 展道路归纳起来，可以说由初期的大流动混凝土发展到塑性混凝土；二战后， 由于机械设备的发展，提高混凝土的质量，发展了半干硬与干硬性混凝土；后 来由于劳动力的昂贵，新的高效减水剂的出现，发展了流态混凝土；直至今天， 由于混凝土技术水平的提高和工程的特种性能要求，又发展为高强度、高性能 混凝土。 1 2 2 高性能混凝土( h ig hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ) 的定义 对于高性能混凝土的定义，各国学者，甚至各个学者有其自己的理解和表 述，至今仍无统一的说法。1 9 9 8 年，美国混凝土协会( a c i ) 于对高性能混凝土正 式提出了定义：“高性能混凝土是符合特殊性能组合和均质性要求的混凝土，如 果采用传统的原材料组分和一般的拌合，浇筑与养护方法，未必总能大量地生 产出这样的混凝土。 我国著名的混凝土学家吴中伟教授认为：“高性能混凝土 是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土的基础上，采用现代混 凝土技术，选用优质原材料，在严格的质量管理条件下制成的；除了水泥、水、 集料以外，必须掺加足够数量的细掺料与高效外加剂；高性能混凝土重点保证 下列诸性能：耐久性、工作性、各种力学性能、适用性、体积稳定性以及经济 合理性。 2 0 0 0 年5 月，中国土木工程学会高强与高性能委员会在江苏召丌的会 议上提出：可以将高性能混凝土定义为以耐久性和可持续发展为基本要求并适合 工业化生产施工的混凝土，与传统混凝土相比，这种高性能混凝土在配合比上 的特点是低水胶比( 水与胶结材料总量之比低于0 4 ，或至多不超过0 4 5 ) ，并 以化学外加剂和矿物掺和料作为水泥、水、砂、石之外的必需组分。 无论那种定义，都有一个共同的特点，即都认为高性能混凝土是以耐久性 作为基本要求的混凝土，高性能混凝土的核心是高耐久性。 1 2 3 国外高性能混凝土研究现状 自t 9 9 0 年5 月在美国国家标准与技术研究所( a i s t ) 和混凝土协会( a c i ) 主办的第一届高性能混凝土( h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，简写为：h p c ) 会议 后，对h p c 的涵义可概括为：符合特殊性能组合和匀质性要求，采用传统的 原材料和一般的拌和、浇筑与养护方法。在大幅度提高普通混凝土性能的基 第1 章绪论 础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，是以耐久性作为设计的主要指标，针 对不同用途要求，对耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性等 予以重点保证。以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产施工。 高性能混凝土的概念一经提出，就引起了世界各国的极大关注，纷纷根据各 国的实际情况，开展许多方面的研究，主要国家研究成果有：。 ( 1 ) 日本早在2 0 世纪6 0 年代就能较容易地制成c 6 0 c 8 0 的高强混凝土，并 建成了数十座高强混凝土铁路桥。但h p c 的应用也只局限在道路、桥梁及水工 建筑范围。并且h p c 拌和料中一般掺有大量的活性材料，如矿碴、粉煤灰等， 以降低水化热，满足h p c 施工要求。 ( 2 ) 德国自1 9 9 0 年以来，在许多工程中采用了c 8 5 高强混凝土。1 9 9 5 年德国 提出了高强混凝土的结构指南，并把它作为德国混凝土结构规范的补充。 ( 3 ) 1 9 9 3 年美国联邦公路管理局( f h w a ) 发起了在全国公路桥梁建设中推广应 用h p c 的计划，1 9 9 6 年美国公路与运输协会和美国联邦公路管理局联合成立了 h p c 工作小组以实施h p c 在公路工程中的应用。 此外，挪威、法国等国也进行了大量高性能混凝土的实验和应用研究，获 得了许多成果。 高性能混凝土是按耐久性设计的混凝土，但是作为结构材料，混凝土的强 度仍是评定混凝土质量的重要指标。混凝土的强度一直是研究者与生产者不断 追求的目标。更高的强度，对混凝土来讲，意味着建筑物高度的增长，桥梁跨 距的加大，特别在经济迅速发展的今天，由于城市的扩展占据了大量的可耕地， 因此迫切要求建筑物向高空发展，高层、超高层建筑的出现势在必行，这一趋 势对解决中国人多地少与经济发展矛盾的困难更加重要。混凝土在过去的发展 过程中，强度是越来越高，6 0 m p a 、8 0 m p a 、1 0 0 m p a 、1 2 0 m p a 甚至更高强度的 混凝土不断出现，特别是采用特殊工艺的混凝土，强度更高。例如，美国西雅 图双联广场所用钢管混凝土设计强度为9 6 m p a ，混凝土浇注后2 8 天抗压强度达 到1 1 9 m p a ，5 6 天强度达到1 3 5 m p a 。在混凝土强度规范制定上，挪威标准的最 高强度等级为c 1 0 5 ，德国混凝土协会1 9 9 5 年颁御的高强混凝土指南中最高 强度等级达到c 1 1 5 。另外，美国在建造h a n g r yh o r s e 大坝工程中也使用了掺粉 煤灰高性能混凝土，并取得了良好的应用效果。 1 2 4 我国高性能混凝土研究现状 我国自2 0 世纪7 0 年代起开始发展高强与高流动混凝土。1 9 8 0 年建成的红 4 第l 章绪论 水河铁路斜拉桥的预应力混凝土箱梁就是采用的高坍落度高强混凝土。近年来 建成的一些著名桥梁多采用高强混凝土，如上海杨浦大桥、武汉长江二桥等均 采用c 5 0 掺粉煤狄泵送混凝土，汕头海湾大桥主梁采用c 6 0 混凝土。目前上海、 北京有供应c 8 0 以上商品混凝土的能力。但是，我国传统的高强混凝土仅注重 于强度，而随着抗压强度的提高，混凝土的脆性增大，应力应变曲线发生变化。 随着强度增高，水泥用量随之加大，收缩徐变也相应增大，使高强混凝土在桥 梁结构中的应用产生一定的难度和限制，这就要加紧研制和大力推广使用高性 能路面混凝土。 1 、我国关于高性能路面混凝土的研究 国内的研究主要集中在配合比设计、原材料、耐久性能三个方面。 配合比设计方面传统的方法是绝对体积法。陈建奎等人对高性能路面混凝 土( h p p c ) 配合比设计提出了一种全新计算方法，此方法对混凝土拌合物的设 计，可以由公式计算得到。吴中伟等认为，使配合比选择和施工质量控制计算 机化，是路面混凝土科学的发展方向之一。王德怀、陈肇元研究了配合比设计 和质量控制的计算机系统，提出了由强度和工作度两个设计指标，强度方程、 工作度方程、组成方程三个设计方程进行配合比设计的方法。张继先提出一种 单目标的非线性规划模型，以路面混凝土价格为目标函数、各种原材料的用量 为设计变量，通过对数学模型的优化，在路面混凝土的一些性能符合用户需要 的前提下，使成本最低。 国内对路面源材料的研究主要集中在水泥、矿物掺合料、外加剂等方面。 水泥除了向高标号发展外，还有一个重要的方面是环保型胶凝材料的研制，廉 慧珍研制成功了流动性好、适应性好、高强高性能环保型胶凝材料；同济大学 用硅酸盐水泥和矿渣混合制成优质高掺量矿渣水泥，具有水化热低、抗化学侵 蚀能力强等特点；中国建筑材料科学研究院成功研制高贝利特水泥，主要特点 是水化热低、最终强度高、耐久性好等。外加剂按化学成分可分为减水剂、增 粘剂、引气剂、减缩剂、调凝剂、消泡剂、膨胀剂、防冻剂、阻锈剂等，路用 外加剂的研究主要集中在高效减水剂和引气剂方面，同济大学研制成功s j 系列 高效引气剂，以天然野生植物皂英为主要原料，主要成分为有机物三菇皂贰， 它是一种非离子型表面活性物质，具有气泡小、数量多、气泡稳定等特点；在 “八五 期间滑模摊铺混凝土路面攻关课题工作中，交通部公路科学研究所研 制了机型混凝土引气剂，m l 型引气剂是一种复合型引气剂，它是由松香酸盐及 其衍生物、多元醇、酞胺类化合物等多组份复合而成的产物，属阴离子型表面 活性剂，与水泥和矿物掺合料适应性好，普通混凝土掺入后冻融次数也能达到 第1 章绪论 3 0 0 次。对矿物掺合料的研究从多方面展开，掺合料种类包括：矿渣、粉煤狄、 沸石粉、硅灰和偏高岭土等。 路面耐久性能主要包括：抗冻性、抗渗性、耐磨性、耐腐蚀、收缩性能和抗 疲劳性能等，华南理工大学研制成功高抗渗混凝土；冯乃谦进行了超高耐久性 路面混凝土应用研究；中国水利科学院完成了冻融+ 荷载双重疲劳因素作用下的 损伤研究；哈尔滨工业大学巴恒静教授门进行了高性能混凝土在盐溶液中的冻 融、干湿循环、水中冻融等等各种耐久性试验中的耐久性裂化特征的研究。 2 、粉煤灰高性能混凝土的研究现状 我国对于粉煤灰在水泥和混凝土中应用技术的试验研究起步并不晚。5 0 年 代初期，沈旦申等学者就提出过粉煤灰水泥混合材料的推广与应用的建议。上 海市在5 0 年代初丌始研究粉煤灰在水泥和混凝土中的应用，并在一些工程中采 用过。1 9 5 6 年冶金建设部在干硬性混凝土中使用粉煤灰；1 9 5 8 年上海地下工程 采用了粉煤灰混凝土；1 9 5 9 年黄河- - f - j 峡水利枢纽工程在混凝土中掺加了粉煤 灰。六、七十年代，为了缓解我国水泥紧张的局面曾研制过粉煤灰硅酸盐水泥。 1 9 7 8 年起，随着我国多数电厂恢复燃煤，灰渣排放量同益增加，粉煤扶的利用 量和利用率逐年提高。 8 0 年代初期，我国在粉煤灰混凝土的理论研究方面有了重大的突破。沈旦 申等学者通过对粉煤灰在混凝土中作用和行为以及现象学的基础研究，提出了 “粉煤灰效应”的假说。现代观点认为，在混凝土中粉煤灰和水泥析出的氢氧 化钙“二次反应”的基础上，粉煤灰与其它基本组分( 水泥、水、粗细集料) ， 在行为上能各司其职，而在作用上则能相辅相成。粉煤灰在混凝土中的行为和 作用，有的比较明显，可是较多的行为和作用都是潜在性的，以致于在过去的 长期应用中未能引起足够重视和发展必要的试验研究。还因为粉煤灰在混凝土 混合物中使混凝土基本组分所形成的物相系统更趋复杂，如果再加上化学多 1 j n 剂，其作用和行为就发生更多的变化。粉煤狄效应的假说把粉煤狄对混凝土可 能发生的效应归结为三项基本效应：形态效应、活性效应和微集料效应，粉煤 灰效应就是以上三种分效应在一定条件下共同作用的总和。这是根据“模糊 学说原则，对粉煤狄在混凝土中的作用和行为这个既复杂又变化的问题做出的 综合、简化处理。其后，随着我国粉煤灰混凝土技术的进步，这一概念得到进 一步的充实。 在工程实践方面，进入8 0 年代，粉煤灰混凝土在我国不少城市建设工程中 有了新的发展和应用。在广西岩滩水电站的围堰施工中，采用粉煤灰掺量7 0 的大掺量碾压混凝土，取得了明显的技术和经济效益；1 9 8 9 年，广西水电科研 6 第l 章绪论 所将这项技术推广到道路工程，在南宁一北海公路上铺筑了1 1 k m 粉煤灰掺量 4 6 的碾压混凝土路面，但是由于初期养护不利，使用后出现掉渣的不耐磨现象： 吸取这次经验，1 9 9 1 年交通部公路所在江苏淮阴以近似粉煤狄掺量的碾压混凝 土铺筑了一个楼前广场，由于注重碾压前后的养护，得到了满意的强度和耐磨 性。1 9 9 6 年1 2 月，在南昌大学车流量最大的路段修筑了一段长7 0 m ，宽1 2 m ， 厚2 4 c m 的道路：该路下层1 6 c m 厚用掺量7 0 的原状粉煤灰混凝土，路面8 c m 厚用掺量为5 0 的磨细粉煤狄混凝土，数年来正常承受交通和环境作用，目前 道路质量优良。许多研究资料和应用成果都表明：粉煤狄混凝土耐久性十分优 良。 目前，粉煤灰高性能混凝土技术发展前景主要遵循复合化、高强化、高性 能化3 条技术路线，而混凝土的发展方向是可持续发展的混凝土复合材料，即 绿色混凝土或环保型混凝土，粉煤灰混凝土符合混凝土的发展方向，加之粉煤 灰路面混凝土技术已成为现代混凝土技术的重要支柱之一。所以，粉煤灰h p p c 技术发展前景应当是相当广阔的。 本课题结合省道二级公路“定魏线的工程特点，研究掺加粉煤灰与引气 剂的“双掺 技术高性能混凝土的配合比设计与路用性能，以达到改善水泥混 凝土的性能，提高水泥混凝土的后期强度储备，最终延长混凝土路面使用寿命， 提高混凝土路面行车舒适之目的。 1 3 技术路线与主要研究内容 1 3 1 技术路线 本课题采用实验室材料配比实验与试验工程实地应用性能检验相结合的方 法进行研究。 ( 1 ) 为了科学确定“双掺技术的配合比，配合比试验中要做多组掺量不等的 配合比试验，重点要进行“双掺技术”混凝土的9 0 天强度试验，用以观测混凝 土后期强度。即首先对做好“双掺技术高性能混凝土的室内配合比试验研究， 确定合理的配合比。 ( 2 ) 在室内实验的基础上，通过实验工程，检验实验室配合比设计成果的实际 路用性能 ( 3 ) 结合试验路的铺筑，研究确定“双掺”高性能混凝土的施工工艺，以达到 7 第1 章绪论 提高应用效果的目的。 通过室内实验，并进行试验工程进行效果验证，理论联系实际，是一种切实可 行的科学研究方法。 1 3 2 主要研究内容 本文通过对双掺高性能混凝土的配合比设计与性能试验，并结合实际工程， 检验“双掺”高性能混凝土的路用性能，主要研究一下内容： ( 1 ) 高性能路面混凝土的性能要求与试验方法； ( 2 ) “双掺”高性能路面混凝土配合比设计方法研究； ( 3 ) “双掺”高性能路面混凝土配合比设计参数与其性能的关系； ( 4 ) “双掺 高性能路面混凝土的路用性能研究与试验工程； ( 5 ) “双掺 高性能路面混凝土技术经济性分析。 第2 章“双掺”高性能路面混凝十配合比设计方法研究 第2 章“双掺 高性能路面混凝土配合比设计方法研究 2 1 高性能路面混凝土的性能要求 路面是道路的主要组成部分，良好的路面能够保证车辆高速、安全、舒适 地行驶，并能节约运输费用，充分发挥道路的功能。为满足行车的使用要求， 提高行车速度，增强行车的安全性和舒适性，降低运输成本，延长道路的使用 寿命，要求路面材料，特别是高性能路面混凝土具有下述一系列性能。 1 、高强化 高性能路面混凝土高强化的重要意义在于提高路面板的承载能力，适应重 载交通的需求；或在相同荷载作用下，可以减小路面板的厚度，降低路面结构 的自重。目前，在我国一些大城市中，预拌混凝土工厂已比较成熟的掌握了c 5 0 c 6 0 混凝土的配制与泵送技术，更高强度的混凝土会逐渐在全国大面积普及推 广。在配制高强混凝土的研究中，应致力于提高混凝土的延性、抗裂性和抗拉 强度。 2 、稳定性 路面结构坦露在大气在之中，会受到气温、降水与湿度变化的影响，其物 理、力学性质也将随之不断发生变化，处于一种不稳定状态。例如水泥混凝土 路面在高低气温周期性变化的影响下会因胀缩或翘曲而产生破坏。因此，高性 能路面混凝土应适应当地气候及自然条件的变化，在不同外界条件作用下，具 有良好的稳定性。即在不同的温度和湿度状况下均能满足行车要求。 3 、耐久性 路面结构要承受车辆荷载与自然因素的重复作用，由此而逐渐产生疲劳破 坏或塑性变形的累积。此外，路面各结构层组成材料也可能由于老化而导致破 坏。这些都将影响到路面的使用性能与使用寿命，增加路面的养护维修费用。 因此，要求路面混凝土结构必须具有足够的抗疲劳强度和抗变形能力，即具有 足够的耐久性。 4 、3 2 作性能 混凝土路面的摊铺与成型要求路面混凝土具有很好的工作性能。特别是滑 模摊铺施工工艺对混凝土的工作性要求更加严格，高性能路面混凝土应从坍落 度、振动粘度系数等方面进行试验考证，使其具有良好的工作性。 9 第2 章“双掺”高性能路面混凝十配合比设计方法研究 5 、耐磨性 道路混凝土在使用过程中，受到车辆反复荷载的磨耗作用。为了使车轮与 路面之间具有足够的附着力或摩擦阻力，以保证行车安全，路表面必须采用坚 硬、耐磨的骨料组成路面混凝土。即路面混凝土必须具备良好的抗滑性能。 6 、经济性 经济性有两重含义：其一，设计得到的混凝土组成对于所应用的工程而言 是否经济，即是否能尽量降低工程造价；其二，采用的配合比设计方法就配合比 设计过程而一言是否经济，即是否能尽量减少所需试验次数。对于高性能混凝 土，上述第二重含义需要多加考虑，因为它的配合比设计的试配工作量比普通 混凝土要大得多。 2 2 “双掺刀高性能路面混凝土原材料的主要试验方法 2 2 1 粉煤灰试验 l 、粉煤灰比表面积试验 粉煤灰细度对掺加粉煤狄的混凝土性能有着重要的影响，因此进行高性能 路面混凝土的制备以前，需要首先测定粉煤灰的细度。粉煤灰细度测试按 g b 8 0 7 4 8 9 水泥比表面积测定方法( 勃氏法) 进行测定。 2 、粉煤灰的烧失量 煤粉在燃烧过程中不可能完全燃烧，因此粉煤灰中总是含有残留碳粉，通 常用烧失量来表示残留碳粉( 含碳量) 。烧失量对混凝土的耐久性等性能有一定 的影响，也是粉煤狄品质的一个重要参数，应按有关规范予以测定。 3 、粉煤灰水泥混合浆体标准稠度用水量 根据公路工程水泥混凝土试验规程j t j 0 5 3 9 4 使用调整水量法确定标准 稠度用水量，以试锥沉落度为( 2 8 2 ) m m 时的用水量为标准稠度用水量。 2 2 2 水泥试验 水泥是“双掺”高性能混凝土的主要粘结料，其品质将直接影响混凝土的 性能，在配合比设计之前，需通过实验的方法测定( g b l 7 5 9 2 或g b l 3 4 4 - - 9 2 ) 所用水泥的品质。 1 0 第2 章“双掺”高性能路面、混凝十配合比设计方法研究 2 2 3 集料试验 1 、最大紧方密度试验 混凝土只有在密实骨架结构状态下，才能确保混凝土的密实性和均匀性， 为了寻找最好的集料级配，需要根据不同集料级配下的振实密度。 确定最佳粗骨料级配及砂率，采用最大干容重法，测定最大紧方密度。将 1 0 l 的容积桶称重m l 。后将制作好的试样分三次放入容积桶中，每次放入约三 分之一并用捣棒捣实，然后再放在振动台上振动，同时向桶内慢慢加入试样， 观察当容积桶中的集料处于体积稳定的状态，停止振动，再次称重m 2 。一组试 样重复试验三次，如果三次试验结果的差值不得超过0 1 9 m 3 ，取三次试验结果 平均值为试验结果。最大紧方密度用式2 1 计算： 仁( m 2 一m 1 ) v ( 2 1 ) 式中：p 最大紧方密度( k g m 3 ) m l 含桶重的震捣后质量( k g ) ： m 2 容积桶重( 妇) ； 1 一桶的容积( 历3 ) 。 2 、粗集料筛分试验 为了确定集料的连续级配，形成密实骨架结构，需要对粗集料进行筛分试 验，粗集料筛分试验按照公路工程集料试验规程( j t j 0 5 8 1 0 0 0 ) t 0 3 0 3 2 0 0 0 进行，注意用四分法取试样。 3 、细集料筛分试验 为了评价细集料的粗细程度，需要对细集料进行筛分试验，计算细集料的 细度模数，筛分试验按照公路工程集料试验规程( j t j 0 5 8 - 2 0 0 0 ) t 0 3 0 3 2 0 0 0 进行。根据细度模数的大小来确定砂的粗细程度： 当m x3 7 - - 3 1 时为粗砂： m x3 0 - 2 3 时为中砂； m x2 2 1 6 时为细砂。 2 2 4 引气剂试验 引气剂是“双掺”高性能路面混凝土的两种外掺剂之，其性能和用量会 对混凝土的性能产生显著的影响，应根据混凝土外加剂( g b 8 0 7 5 8 7 ) 中的 有关方法，测定引气剂的性质。 第2 章“双掺”高性能路面混凝十配合比设计方法研究 2 2 5 混凝土试验 1 、坍落度试验 适宜的工作性能够方便施工，使混凝土更加均匀，而且也能降低混凝土产 生缺陷的几率，从而提高混凝土的耐久性。为了对混凝土工作性进行评价，满 足施工工艺要求，普遍采用的方法是坍落度试验，试验方法按照公路工程水 泥混凝土试验规程( j t j 0 5 3 9 4 ) t 0 5 1 1 9 4 进行，注意从开始加水时算起，全 部操作必须在3 0 m i n 内完成。 在测量坍落度后，要用目测观察判定粘聚性和保水性。用捣棒在已坍落的 混凝土锥体侧面轻轻敲打，此时，如锥体渐渐整体下沉，则表示粘聚性良好， 如锥体崩裂或出现离析现象，则表示粘聚性不好：坍落度筒提起后，如无稀浆或 仅有少量稀浆自底部析出，则表明混凝土拌合物保水性良好。 2 、振动粘度系数试验 滑模摊铺水泥混凝土路面对混凝土拌合物工作性的要求较高，既不能在两 边侧模滑过之后出现塌边、变形、开裂，也不能因混合料干硬，造成振动不密 实而出现蜂窝、麻面。否则不仅需增加人工修整的工作量，还破坏了滑模摊铺 的路面平整度，无法满足高等级公路的要求。为满足滑模摊铺混凝土路面对新 拌混凝土工作性的要求，傅智等研究用振动粘度系数进行评价。 试验方法按照水泥混凝土路面滑模施工技术规程( j t j 0 3 7 1 - 2 0 0 0 ) 中 规定的方法进行。取一个圆柱形固定容器，称重；在固定容器底部放两个小球， 间距1 0 c m 左右，保持小球位置不变，将新拌混凝土浆体分三层放入容器内，每 层插捣2 5 下，抹平后放在振动台上振动，从振动开始计时，直到两个小球最终 浮出浆体上表面为止，记下两个小球浮出所用时间；同时测量振实混凝土浆体 表面六个不同位置离容器上底面的距离，然后称重，计算振实后的混凝土浆体 的密度。 新拌混凝土振动状态结构粘度系数的计算公式如下： r = 2 9 t r2 【p c 一9 b ) 9 h ( 2 2 ) 式中：p c 振实浆体的密度，g c m 3 ； h _ 气泡上浮高度，c m ： t _ _ 泡上浮时间，s 。其中g = 9 8 n v s 2 ，r = i 8 9 5 8 5 c m ，p 。= 0 0 8 5 8 8 8 c m 3 。 3 、含气量试验 大量资料表明：掺加高效引气剂是提高混凝土抗冻性的最有效的办法，适 1 2 第2 章“双掺”高性能路面混凝十配合比设计方法研究 当的引气，可以改善混凝土拌合物的和易性和可泵性，改善硬化混凝土的抗渗 性。混凝土拌合物含气曩试验按照公路工程水泥混凝土试验规程( j t j 0 5 3 9 4 ) t 0 5 1 5 9 4 进行芝- ： 4 、混凝土抗压强度试验 混凝土抗压强度试验按照公路工程水泥混凝土试验规程( j t j 0 5 3 9 4 ) t 0 5 1 7 - 9 4 进行。试验时注意调整球铰座使接触均衡，载荷速度取0 5 - 0 8 m p a s ， 当试件快要破坏时，变形速度增快，应停止调整试验机油门，直到试件破坏。 试验结果取三试验值的算术平均值。若最大值或最小值与中间值之差大于 中间值的1 5 ，则取中间值；若两值与中间值之差均大于中间值的1 5 ，则试验 结果无效。 5 、混凝土抗折强度试验 试件采用1 5 0 m m 1 5 0 m m 5 5 0 m m 的小梁标准试件。每组三个试件。混凝 土抗折强度试验按照公路工程水泥混凝土试验规程( j t j 0 5 3 9 4 ) t 0 5 1 5 9 4 进行。加载速度取0 0 5 0 0 8 m p a s 。3 个试件如有一个折断面位于两个集中 荷载之外( 以受拉区为准) ，则该试件的试验结果无效。 6 、抗折弹性模量试验 混凝土抗折弹性模量是路面厚度计算和板内应力验算的重要参数之一。本 试验按照公路工程水泥混凝土试验规程( j t j 0 5 3 - - - 9 4 ) t 0 5 2 1 9 4 进行。本 试验需作六根试件，其中3 根用于测定抗折强度，另3 根则用作抗折弹性模量 试验。试件尺寸为1 5 0 m i n x1 5 0 m m x 5 5 0 m m , 试件龄期为2 8 d 。试验前将b q l 2 0 s o a r 型电阻应变片，分别粘贴在每个试件抗折底面，采用电阻应变仪记录数据。 试验中采用4 5 0 m m 标距，三分点加载，加载时预压至1 k n ，然后采用循环加载 方式，直至应变稳定( 前后循环应变读数差( 1xl i f e ) ) 。 抗折弹性模量试验仪器见图2 1 所示。 1 3 第2 章“舣掺”高性能路面混凝十配合比设计方法研究 图2 1 抗折弹性模量实验仪器 7 、抗冻试验 抗冻性反映混凝土在水和负温共同反复作用下抵抗冻融循环作用的能力， 用动弹性模量、质量损失率和相对耐久性指数作为评定指标的混凝土抗冻性试 验。尤其针对抗冻性要求高的混凝土。抗冻试验按照公路工程水泥混凝土试 验规程( j t j 0 5 3 9 4 ) t 0 5 2 5 9 4 进行。 8 、耐磨试验 本试验采用t m s 0 4 型水泥胶砂耐磨试验机，并按松路工程水泥混凝土试验 规程( j t j 0 5 3 9 4 ) t 0 5 2 7 9 4 中的规定进行试验。试件尺寸为15 0 m m 15 0 m m 5 5 0 m m 混凝土养护至2 8 d 进行试验，试验前首先将试件提前1 天从养护室中 取出，自然干燥1 2 h ，放入6 0 。c 的烘箱中继续烘12 h ；然后将试件放在带有花轮 磨头的耐磨试验机的水平转盘上，在2 0 0 n 的负荷下磨削5 0 转，并称量试验前 后的质量。 按下式( 2 3 ) 计算单位面积的磨耗量来表征混凝土的耐磨性。 g = ( m l - m 2 ) 0 0 1 2 5 ( 2 3 ) 式中：e 一单位表面积磨损量( k g m 2 ) ； m 1 试件的原始质量( 妇) ： m 2 试件磨削后的质量( k g ) ； 0 0 1 2 5 试件磨损面积( m 2 ) 。 9 、干缩试验 为考察混凝土在不同龄期的总收缩情况，本文测定混凝土试件在标准养护 条件下的轴向长度变形，从而比较不同混凝土的收缩性能。试验按照公路工 程水泥混凝土试验规程( j t j 0 5 3 9 4 ) t 0 5 2 6 9 4 进行，制作h p p c 试件，以三 个试件为一组，试件尺寸为1 0 c m x l o c m 5 1 5 c m ，成型一昼夜后拆模、编号， 1 4 第2 章“双掺”高性能路面混凝十配合比设计方法研究 立即用环氧树脂在试件一端加固轴心测钉，另一端贴玻璃片，送入标准养护室 养护。在养护室养护一昼夜后测长，重复测定三次，取算术平均值作为该试件 的基准长度，测试温度为2 0 0 。试件自成型同起计算龄期，测试3 d 、7 d 、1 4 d 、 2 8 d 、6 0 d 、9 0 d 和1 2 0 d 的试件长度，测长方法与测基准长度相同。从测基准长 度时起，每次测长前均须测定标准棒长度。每一龄期砼的收缩率按下式计算： y y s = = l 二旦1 0 0 ( 2 4 ) x o 式中：卜龄期t 天的混凝土试件收缩率( ) ； 研一龄期f 天的混凝土试件长度测值( m m ) ； 杨一混凝土试件基准长度测值( m m ) 。 1 0 、疲劳试验 混凝土路面是一种刚性路面，在车轮往复作用下，即使在低于混凝土极限 荷载作用下也会发生破坏，混凝土路面疲劳性能就是指抵抗车轮往复作用的能 力。试验时试件分批成型，试件为1 5 0 r a m 1 5 0 m m 5 5 0 m m 的小梁，试验分静 载试验和疲劳试验两部分。静载试验和疲劳试验都采用三分点加载方式，两支 点间距1 5 0 r a m 。 疲劳试验在m t s s 5 5 0 型万能试验机上进行，加载波形统一采用正弦波，它 基本接近路面上行车作用的