（道路与铁道工程专业论文）路面混凝土表面构造耐久性改善技术研究.pdf

摘要 水泥混凝土路面表面构造耐久性不足是路面抗滑性能降低、交通事故频发的主要因 素。论文针对耐久性这一问题，从表面构造的破坏机理出发，研究了改善其耐久性的技术 措施，具有重要的工程价值和社会意义。 论文结合表面构造特点，分析水泥混凝土路面表面构造破损的机理和类型；通过室内 试验，研究了粗集料类型、级配、细集料类型和外加剂对混凝土耐磨性的影响规律；采用 正交试验法优化耐磨路面混凝土的配合比；研究了矿物掺合料对路面混凝土表面构造耐久 性的影响，通过耐磨试验和盐冻耦合试验，提出了复掺矿物掺合料改善路面混凝土表面构 造耐久性的方法；同时，利用扫描电镜从混凝土微观形貌特征角度，指出了矿物掺合料增 强混凝土界面过渡区，减少微裂缝和孔隙，进而提高了混凝土表面构造耐久性。 在室内试验结果的基础上，结合蓝商高速李家河隧道路面工程，铺筑了试验段，进行 现场施工工艺研究，提出了合适的施工工艺和质量控制措施；路面使用半年后进行现场检 测，路面没有出现表面构造破损，使用状况良好。 关键词：水泥混凝土路面、耐久性、表面构造、正交设计、复合效应、微观机理 a b s t r a c t t h ep o o rd u r a b i l i t yo fc o n c r e t ep a v e m e n ts u r f a c et e x t u r ei st h em a i nf a c t o ro fl o ws k i d r e s i s t a n c ea n dh i g ht r a f f i ca c c i d e n t a i m sa tt h ep r o b l e mo fd u r a b i l i t y , t h ep a p e rr e s e a r c h e so n i m p r o v e m e n to ft h ed u r a b i l i t yo fs u r f a c et e x t u r eb a s e do nt h em e c h a n i s mo fd a m a g e ，a n di ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c en o to n l yf o rt h ep r o j e c tb u ta l s of o rs o c i e t y c o m b i n i n gw i t hc h a r a c t e r i s t i c so ft h es u r f a c et e x t u r e ，t h ed a m a g em e c h a n i c so fc e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n ti s i n v e s t i g a t e da n dt h ed a m a g em o d ei sc l a s s i f i e d ；b yl a b o r a t o r yt e s t ，t h e p a p e rr e s e a r c h e so ns e v e r a lf a c t o r se f f e c t i n ga b r a s i o nr e s i s t a n c eo fc o n c r e t ei n v o l v i n gt y p ea n d g r a d u a t i o no f c o a r s ea g g r e g a t e ，t y p eo ff i n ea g g r e g a t ea n dt h ea d m i x t u r e ，a n dt h e nr a wm a t e r i a l i sw e l ls e l e c t e da n dt h em a t c hr a t i od e s i g ni si m p l e m e n t e d t h eo r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o di s u s e df o rt h eo p t i m u mm a t c hr a t i od e s i g no fw e a rr e s i s t a n tc o n c r e t e t h em e t h o do f t a k i n gu s eo f m i n e r a la d d i t i v e si ss t u d i e dt oi m p r o v ed u r a b i l i t yo ft h ec o n c r e t eo fp a v e m e n t ，a n dt h e nt h e c o m p o u n do ff l ya s ha n ds l a gi sp r o p o s e dt oi m p r o v et h es u r f a c ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t ea f t e r a b r a s i o na n df r e e z i n g t h a w i n gt e s t m o r e o v e r , t h es e mt e s ti su s e dt oo b s e r v et h em o r p h o l o g y o fc o n c r e t e ，a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h em i n e r a la d d i t i v e sr e i n f o r c et h ei n t e r f a c et r a n s i t i o n a l r e g i o ng r e a t l y , d e c r e a s em i c r o f r a c t u r ea n dv o i di nc o n c r e t e ，s oi m p r o v et h ed u r a b i l i t yo f s u r f a c et e x t u r eo fc o n c r e t ep a v e m e n t c o m b i n e dw i t ht h ep a v e m e n tc o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n gi nl i j i a h et u n n e lo fl a n s h a n g e x p r e s sh i g h w a y , e x p e r i m e n t a lr o a di sp a v e da n ds p o tc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e n d e v e l o p e d ，b a s e do nl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a p p r o p r i a t ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e sa n d q u a l i t yc o n t r o l l i n gm e a s u r e sa r ea d v a n c e d a f t e rh a l fay e a r sr u n n i n g ，t h er o a di sd e t e c t e da n d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep a v e m e n ti si ng o o dc o n d i t i o nw i t h o u td a m a g eo ns u r f a c et e x t u r e k e yw o r d s ：c o n c r e t ep a v e m e n t ，d u r a b i l i t y , s u r f a c et e x t u r e ，o r t h o g o n a ld e s i g n ，c o m p o u n d e f f e c t ，m i c r o - m e c h a n i s m 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：歹旁蔓歪呻年钼占e l 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：槛 导师签名： 叩年多月8 日 年月日 1 1 问题的提出 第一章绪论 水泥路面由于其强度高、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。 世界上第一条水泥混凝土道路是在1 8 6 5 年修筑的，迄今已经1 4 4 年了。我国铺筑水 泥混凝土路面的历史稍短，但是也已经有8 1 年的历史。我国第一条水泥混凝土路面道路 是1 9 2 8 年修筑的。目前，国内外，不论是水泥等筑路原材料的生产工艺，水泥路面的结 构计算理论和设计方法，还是水泥混凝土路面的施工工艺，机械化水平，以及旧水泥混凝 土路面的养护，维护等各个方面，都取得了极大的技术进步。 我国的水泥混凝土路面每年的建设里程达1 5 0 0 0 - - - 2 5 0 0 0 k m ，占全部高级路面( 沥青路 面和水泥路面总和) 的比例已达到5 8 。我国解放以后特别是改革开放以来，水泥混凝土 路面里程及其在高级，次高级路面中的比重，均有较大增长。我国交通运输部最新统计资 料显示，截至2 0 0 8 年年底，全国公路总里程达3 7 3 0 2 万公里，有铺装路面为1 4 6 4 8 万公 里，其中沥青混凝土路面4 4 1 1 万公里，水泥混凝土路面1 0 2 3 7 万公里，水泥路面占到了 6 7 9 ，且比2 0 0 7 年末增加了2 1 4 5 万公里【1 1 。近几年，农村公路建设不断取得新进展， 水泥路面里程进一步增加，在可预见的将来，水泥路面的发展将会更加迅速。 许多城市水泥路面所占的比重高于公路水泥路面。其中，比重较大的前五个城市是： 秦皇岛市水泥路面占到9 8 ：佛山占7 4 ；大同占5 0 以上；武汉占3 7 以上 广州占2 8 以上。现在，许多城市的新建道路或大修道路，都是铺筑水泥混凝土路面【2 】。 过去十几年间，随着我国水泥路面建设的迅速增长，水泥路面技术的研究也经历了一 个快速发展的时期，并在路面结构设计、施工技术的开发和推广、碾压混凝土和钢纤维水 泥混凝土等特殊水泥混凝土路面施工工艺以及进一步开发研究经济、新型水泥混凝土路面 早强修补材料和维修技术方面取得了很多成果。但是，混凝土路面有其自身的不足，混凝 土路面对地基承载力的要求较高，且早期破坏现象严重，近年来，部分在高等级公路铺筑 的水泥路面通车5 年多即出现唧泥、错台、断裂等病害，这些病害现象严重地影响了水泥 路面的使用品质和使用寿命，由此也影响了水泥路面在高等级公路建设中的应用质量。究 其原因，是由于路面结构设计不当，施工质量控制不好，或者路基不均匀沉陷引起。因此 第一章绪论 处理好裂缝、设置抗冲刷能力强的基层、填筑稳定的路基，在路面结构中合理设置排水设 施是保证水泥路面使用品质和使用寿命的的重要措施。 随着交通量逐年增大，各种原因引起的交通事故也呈现出增长趋势，道路使用者对混 凝土路面的使用性能也提出了更高的要求，主要表现在行驶舒适、行车安全、运行经济以 及减少对环境的不良影响( 如降低噪声) 等方面。这些要求都与路面的表面特性有关，路 面的表面的抗滑性、降噪性、平整度等表面功能是这些特性的具体表现。 水泥混凝土路面的抗滑性能主要取决于路表的宏观抗滑构造和细观抗滑构造。其中微 观抗滑构造直接由路表砂浆表面极细微的构造组成，提供了汽车在低速( c 4 a f c 3 a c 2 s ，因此，应选择c 3 s 含量高的水泥熟料所制成的水泥。一般情况下， 回转窑生产的水泥熟料中c 3 s 含量远高于立窑生产的水泥熟料。因此，应尽量选用回转 窑水泥厂生产的水泥。我国于2 0 0 8 年6 月1 日实施的通用硅酸盐水泥新标准关于普 通水泥强度等级的部分已经取消了3 2 5 和3 2 5 r 两个标号。由于立窑生产的高标号水泥 稳定性有限，所以其主要产品为3 2 5 和3 2 5 r 两个低标号水泥。有专家认为，标准的变 动，实际上是给低标号水泥进入市场设立了门槛，这也就意味着国家从市场需求源头阻断 了立窑水泥的生存之路。 本研究选用陕西尧柏普通硅酸盐水泥，强度等级为4 2 5 ，各项技术指标见表3 3 。 表3 3 水泥技术指标检验报告 2 、粗集料 ( 1 ) 粗集料与耐磨性的关系 粗集料本身的耐磨性能，和路面耐磨耗性能有关。集料应选用质地致密、坚硬、耐磨 损性强的材料作为集料。一般选用花岗岩、辉绿岩、玄武岩及致密性强的石灰岩等。 在选择集料品种时，应首先选择碎石。相同强度等级的碎石混凝土的磨损系数稍高于 卵石混凝土，这是因为卵石表面光滑不易磨损，而碎石表面粗糙，容易受到磨损。虽然碎 石混凝土的磨损系数偏高，但卵石混凝土中卵石与硬化水泥浆体的界面黏结强度低于碎石 混凝土。在磨损过程中，卵石更易被冲击脱离开硬化浆体而形成空穴和凹槽，使混凝土的 磨损破坏速度加快。因此，即使碎石混凝土磨损系数稍高一些，与卵石相比，还是碎石更 适宜于配制耐磨性混凝土。 集料最大粒径对混凝土耐磨性也有较大影响。对路面混凝土而言，当磨耗进行到一定 程度时，较细的集料因行车荷载的摩擦、冲击作用而被磨掉，在混凝土表面形成孔穴后， 磨耗很快将继续进行下去。当单位体积混凝土中水泥用量和水灰比确定后，改变粗集料最 大粒径d 。懈时，混凝土的磨损系数也将发生变化。有研究表呀6 1 ，d m a x = 2 0 m m 时混凝土 耐磨性最好。 粗集料的颗粒分布与级配，对路面板的耐磨耗性能，乃至整个路面的寿命却有很大的 长安大学硕士学位论文 关系。根据国外大量研究和应用的结果证明【5 1 】：混凝土粗集料的最大粒径越小，其抗冲 击与疲劳的强度就越好。但是粗集料的粒径减小( 国外一般都以2 0 m m 为最大粒径) ，会 使包裹他们的砂浆需要量增大，也有不利之处，有时候就要通过增加中间颗粒部分来补偿。 因此，混凝土路面应当选择级配良好的集料，这样有助于提供耐久性保护作用。 ( 2 ) 粗集料技术指标 本试验选择了三种石料作为粗集料，分别为商周产石灰岩、蓝田李家河隧道花岗岩和 内蒙温度花产玄武岩，最大公称粒径均为3 1 5 m m ，级配均符合施工规范要求。各项技术 指标见表3 4 。 表3 4 粗集料技术指标 ( 3 ) 试验设计及结果 为研究石料品种对混凝土耐磨性的影响，分别选择了4 7 5 3 1 5 m m 连续级配的石灰 岩、花岗岩和玄武岩集料，其级配均符合施工规范要求。在水灰比及水泥用量相同的条件 下，分别以这三种集料制备混凝土，耐磨性试验依据公路工程水泥及水泥混凝土试验规 程( j t ge 3 0 2 0 0 5 ) 圈规定的水泥混凝土耐磨性试验方法进行。混凝土2 8 天强度及耐磨 性试验结果见表3 5 0 表3 5 不同石料品种的混凝土强度及耐磨性 由上表可以看出： 在水灰比一致的条件下，三种石料的混凝土强度相当。石灰岩集料的混凝土抗压强 度略高一些，而抗折强度则稍低于花岗岩和玄武岩集料混凝土。因为抗压强度主要与混凝 土的内部空隙及微裂缝的多少有关，混凝土越密实，抗压强度越高；而抗折强度主要与砂 浆与集料的粘结强度有关。在混凝土拌合过程中，因石灰岩集料棱角较少，易于振实，而 第三章耐磨路面混凝十配合比设计 花岗岩及玄武岩集料质地坚硬，棱角较多，成型后的混凝土内部可能存在较多的微孔，导 致抗压强度略低；花岗岩和玄武岩石料表面多棱角性，特别足花岗岩粗结晶形成的表面粗 糙不平的构造大大提高了集料与水泥砂浆的粘结性，使得混凝土的弯拉破坏表现为石料与 水泥石共同折断，而不是石料被“拔出 的破坏。 三种集料的混凝土耐磨性呈现出较大差异，花岗岩混凝土较石灰岩混凝土耐磨性高 2 0 ，而玄武岩混凝土较石灰岩混凝土耐磨性也提高了2 7 ，这主要与石料本身的质地及 试验磨耗方式有关。花岗岩及玄武岩质地坚硬致密，石灰岩较软，磨耗试验的大部分时间 内都是混凝土内部的石料和水泥石共同承受花轮刀头的切削作用，而水泥石抵抗磨耗的能 力低于集料，因此，这个过程中集料的耐磨性能直接决定了磨耗损失量的大小。因此，选 择良好的石料品种对提高混凝土路面的耐磨性，进而保证表面构造的耐久性是有利的。 为研究粗集料级配对混凝土耐磨性的影响，分别选取4 7 5 3 1 5 m m 连续级配和缺少 中间档集料的间断级配玄武岩集料，其级配情况见图3 1 。 1 91 69 5 筛孔尺寸( r a m ) 图3 1 粗集料级配曲线 对配制的混凝土并进行2 8 d 强度测试及耐磨性试验，所得试验结果见表3 6 。 表3 6 粗集料级配不同的混凝土耐磨性比较 由上表可以看出： 从抗折强度上看，当缺少中间档集料时，大粒径集料和小粒径集料不能形成骨架密 实结构，而是大粒径集料悬浮分布在水泥砂浆和较细的集料形成的分散相之中，当混凝土 o o o 0 o o 加 0 拿一张按妇峨 长安大学硕十学位论文 受弯拉作用时，断面上石料较少，容易破坏：当集料级配为连续时，各档粒径的集料形成 较好的嵌挤密实结构，从而在受拉面上能分布更多的石料，从而能更好地抵抗外界的拉力。 粗集料级配良好的混凝土相比较级配不良的混凝土，耐磨性要好，提高了1 7 ， 可见良好的级配有助于提高混凝土抵抗磨耗的能力。级配的改善能提高耐磨性，可能是因 为石料与砂浆的粘结强度增强，砂浆和石料共同承担弯拉的能力提高，在宏观力学性能上 表现为抗折强度的提高。 在一条新路面上，磨耗开始于防滑构造层细砂浆层。砂浆磨掉以后，粗砂露出来 分担荷载，颗粒分布在这时的作用重大，它可以保护路面不过分磨耗、不会形成通道、不 产生开裂或其它病害。砂浆磨掉以后，粗集料的中间颗粒露出来，其颗粒影响就更大了： 如果级配不良，没有足够的中间颗粒，周围的砂浆就会受到很大的作用力而破坏。 ( 4 ) 粗集料选择 本研究中粗集料选用玄武岩碎石，采自内蒙温度花碎石场，粒径级数分三档： 4 7 5 曲5 m m 、9 5 1 9 m m 及1 9 3 1 5 m m ，各粒级级配均符合施工规范要求。 3 、细集料 ( 1 ) 细集料标准 细集料应采用质地坚硬、耐久、洁净的天然砂、机制砂或混合砂，并应符合施工规范 中表3 4 1 的规定。出于耐磨性的考虑，细集料宜采用中粗砂，细度模数m x 应控制在 2 和3 5 。 ( 2 ) 细集料选择 细集料采用天然河砂，细度模数为2 8 3 ，为中砂，级配符合区级配要求。其技术 指标及颗粒筛分结果见表3 7 和表3 8 。 表3 7 细集料技术性能指标 表3 8 细集料颗粒筛分结果 颗粒级配 累积筛余( ) 筛孔尺寸( m m ) 9 54 7 52 3 61 1 8 0 6 0 3o 1 5 第三章耐磨路面混凝土配合比设计 实测值0 2 81 53 7 55 98 2 59 5 规范值( 中砂) 0 o 1 00 2 51 0 5 04 1 7 07 0 6 - - 9 29 0 1 0 0 ( 3 ) 细集料类型对混凝土耐磨性影响试验 本研究选取了级配良好的机制砂和天然砂作为细集料，机制砂为石灰岩，天然砂为灞 河河砂。用这两种细集料分别制各混凝土试件，研究其对混凝土耐磨性的影响。耐磨性试 验结果见表3 9 。 表3 9 不同细集料混凝土的磨损量 机制砂道路混凝土比天然砂道路混凝土的耐磨性稍差，其单位面积磨损量较天然砂道 路混凝土增大了1 2 。 4 、外加剂 ( 1 ) 添加外加剂的必要性 外加剂对于耐久性混凝土起着极为重要的作用。由于耐久性混凝土要有非常良好的工 作性、高耐久j 眭，必须采用较低的水胶比来保证强度与耐久性，其工作性将很难达到要求， 加入高效减水剂，就可解决这一问题。外加剂的减水组分，使耐久性混凝土在很低的水胶 比时就可达到要求的工作性，且不会发生泌水与离析现象。混凝土工作性较好，则拌和均 匀，水泥石与骨料体系密实，相应的强度、耐久性都有提高。外加剂的引气组分，使得微 气泡填充了水泥石的毛细孔，可堵塞自由水的流动，并抵御膨胀力的压迫，还可降低混凝 土的脆性，提高抗冻性。因此加入外加剂是实现混凝土路面表面构造耐久的重要手段。 在不改变各种原材料配比及混凝土的坍落度的情况下，添加混凝土减水剂，减少水的 用量，提高混凝土的流变性及可塑性，可以大大提高混凝土的强度，提高施工速度、降低 施工能耗；可以减少水泥的用量，提高混凝土的耐久性。因此，配制耐磨混凝土时应掺加 高效减水剂。 ( 2 ) 外加剂的选择要求 基于提高混凝土路面表面构造耐久性的外加剂选择，须从以下几个方面考虑： 外加剂与所用水泥的适应性 选定外加剂品种之前，必须与所用的水泥进行配伍性检验。由于说明书上所给出的外 加剂指标，是在特定水泥条件下进行试验得出，而在实际工程中，水泥的品种不同，外掺 3 0 长安大学硕士学位论文 超细粉的种类不同，将会在一定程度影响夕1 - j j n 剂的效果。因此，在混凝土中使用的外加剂 应保证在实际试验中减水率达到1 5 以上，引气量达到4 左右。 # l - 3 0 n 齐t j 的掺量选择 对于复合夕i - j j n 剂( 即含有减水组分和引气组分) ，其最佳掺量往往是针对一个特性为 主( 减水效果或引气效果) ，在选择夕l - ；o n 剂时，应根据试验自身要求达到的目标，合理添 加外加剂掺量。 ( 3 ) 外加剂选择 本研究针对以上要求，选用陕西恒升高效减水剂；引气剂选用南京产j m 2 0 0 c 型引 气剂。各项技术指标见表3 1 0 。 表3 1 0 外加剂技术指标 在严寒地区施工的混凝土，一般都要加入引气剂以提高混凝土的抗冻性能，但引气剂 不宜过多，否则会对混凝土耐磨性产生不利影响，从而导致混凝土路面表面构造耐久性降 低。 5 、水 试验用水使用西安地区普通饮用自来水。 3 1 3 配合比设计 针对表面构造耐久性的混凝土配合比设计，国内外目前尚无一个公认的程式化方法。 但是，通过理论分析认为表面构造耐久性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之上，通过对各个材料以及参数的改变，并加以修改、完善，得到一 个针对表面构造耐久性的优化设计方案。在此过程中，我们遵循如下步骤： ( 1 ) 原材料要满足施工规范中高等级道路的要求。并使各设计参数尽量接近上限， 以工程中高等级水泥混凝土路面配合比为参考，初步确定出较优的参数取值范围。 ( 2 ) 选择优质的高效引气减水剂掺入混凝土，以使得混凝土流动性及和易性良好， 并提高混凝土整体性能。 3 l 第三章耐磨路面混凝十配合比设计 ( 3 ) 通过试配及已有研究资料选择对混凝土表面构造耐久性影响较为显著的几个参 数作为控制，在取值范围内选定水平，进行正交试验。以混凝土表面构造的耐磨性作为主 要控制比选指标，以抗压强度、抗折强度、坍落度为参考指标，对正交试验进行方差分析， 通过综合评定，选定最主要影响因素，并确定其他因素水平。 ( 4 ) 对选定的几组因素进行混凝土平行试验，确定最佳水平，并推荐几组混凝土较 佳配合比。 根据施工规范所给出的配合比设计方法，参考工程中一些高等级水泥混凝土路面配合 比，计算初步配合比，具体步骤如下： ( 1 ) 设计弯拉强度： 铀= f k k f 。f , k 按照重载交通量取5 m p a ，k 取保守值为1 1 5 。 o = 5 7 5 m p a ( 2 ) 水灰比确定： c w = ( f ，o + 1 0 0 7 9 0 3 4 8 5 。，k ) 1 5 6 8 4 。k 通过试验测得为1 0 3 m p a 。经计算，c w = 2 0 2 w c = 0 4 9 5 。 由计算值与施工规范确定在盐冻条件下的水泥混凝土的最大水灰比为0 4 0 左右。 ( 3 ) 级配与砂率确定： 级配选择 对选择的三档粗集料a ：1 9 3 1 5 m m 、b - 9 5 1 9 m m 和c ：4 7 5 9 5 m m 依据规范中 级配要求的范围进行掺配。根据公路水泥混凝土路面施工技术规范实施与应用指南中 推荐的经验粗骨料配比，推荐的三档料的配比为5 ：3 ：2 ，接近下限，且有部分粒径低于下 限。而经过调整，发现按6 5 ：2 5 ：1 的比例，基本符合要求，级配曲线较平滑。从图3 2 可 看出，级配中通过2 6 5 m m 筛孔的碎石较少，保证了其最大粒径偏小的要求，从图中还可 看出，9 5 1 6 m m 累计筛余值达到上限，即b 档粒径的集料含量较多，这有利于空隙填充， 并保证一定的工作性。因此，通过比选，初步确定采用6 5 ：2 5 ：1 这一级配。 3 2 长安人学硕士学位论文 奢 、_ ， 娱 嘏 七 噱 图3 2 租集科级配曲线 砂率确定 根据最大密实度理论的方法确定砂率【5 4 1 ：测定不同砂率的集料堆积物的空隙率，选 择集料空隙率最小时的砂率，即最优砂率；再通过用所选砂率的混凝土进行强度和坍落度 试验验证确定。 求出的砂率与密度的关系见表3 1 1 所示。 表3 1 l 砂率与密度的关系 通过试验，砂率为3 6 时，其紧方密度最大。 ( 4 ) 水泥用量 为保证混凝土有较高的耐久性能，先初步确定水泥用量，再确定参考用水量。 根据以往工程经验以及公路水泥混凝土施工规范( j t gf 3 0 2 0 0 3 ) 的最小水泥用 量的规定，选取水泥用量为c 。= 3 3 0 - - , 3 9 0 k g m 3 。 ( 5 ) 用水量确定 塌落度参考施工规范，并结合以往滑模实际施工经验选取2 - 3 c m 作为控制值，砂率 取3 6 ，代入下式中： w = 10 4 9 7 + 0 3 0 9 h + 1 1 2 7c w + 0 61s p 3 3 第三章耐磨路面混凝十配合比设计 通过上式计算出用水量w o = 1 5 3 - 1 6 5 k g m 3 ，再根据由水泥用量估算的用水量，取较小 值确定的范围为1 5 3 1 6 5 k m 3 。考虑减水剂减水率的因素，最终确定用水量为1 5 0k g m 3 。 ( 6 ) 砂石重量 根据体积法，确定砂石质量，其计算方程式为： m c o pc - i - m 。p 。+ mg 。p c - i - ms o p ，+ l o 口= 1 0 0 0 ) m 。( m ，。+ m g 。) 1 0 0 = s 。 按抗冻性要求，取a - 3 ，砂率s p 取3 5 。 计算配合比参数如表3 1 2 所示，按照理论配合比在试验室进行试配，通过强度和工 作性检验，调整出本研究的混凝土基准配合比。 表3 1 2 混凝土基准配合比 3 2 正交配合比试验 根据上一节结论，通过计算和试配比选已经得出混凝土的基准配合比。但是由于在配 合比调整过程中，受到不同因素的影响，为了使混凝土的各项性能进一步得到提高，需考 虑因素变化对混凝土表面构造耐久性的影响。本研究采用正交设计来考虑各因素与表面构 造耐久性之间的关系，进而通过调整得到适合路面混凝土的较优配合比范围。 3 2 1 正交试验设计 1 、因素和水平选择 在前期初步配合比设计试验中，已经根据水泥混凝土路面施工技术规范( j t g f 3 0 2 0 0 3 ) 以及表面构造耐久混凝土要求，结合高速公路重交通现状，对材料进行优选， 确定了较优的配合比。在此基础上，选定下列因素及水平来确定最优配合比： ( 1 ) 水灰比 水灰比的高低直接决定着混凝土的各项性能，根据本试验的要求，希望达到c 4 0 混 凝土的强度，同时考虑到提高混凝土抗冰冻、盐冻的要求，将水灰比初定为o 4 0 左右。 因此正交试验中水灰比选用o 3 8 0 4 2 。 ( 2 ) 水泥用量 k 安大学硕十学位论文 根据水泥混凝土路面施工技术规范( j t gf 3 0 2 0 0 3 ) 规定，路面混凝土的抗折强 度应达到5 m p a ，由此计算出的理论水泥用量最小值为3 8 0 k g m 3 ，在东北寒冷地区的一些 工程中，水泥用量可降至3 6 0 k g m 3 ，同时为了研究高水泥用量对混凝土耐磨性的影响， 选取水泥用量为3 6 0k g m 3 - 3 8 0k g m 3 。 ( 3 ) 砂率 根据初步配合比试验结果，最适宜砂率为3 6 。有研究表呼5 5 1 ，耐磨混凝土的适宜 砂率为3 0 - - , 3 3 ，但砂率不可太低，否则浆体不足，影响混凝土密实性。考虑到本试验 用砂细度模数为2 8 3 ，根据表3 1 选定砂率下限定为3 4 。因此，砂率范围选为3 4 - 3 8 。 ( 4 ) 粗集料最大粒径 工程上用粗集料一般为2 3 个粒级，水泥混凝土路面施工技术规范( j t gf 3 0 2 0 0 3 ) 要求碎石最大公称粒径不应大于3 1 5 m m 。本试验为研究最大粒径对混凝土耐磨性的影响， 分别选择最大粒径为1 0 m m 、2 0 m m 、3 0 m m 的集料。 选定的正交试验因素与水平见表3 1 3 。 表3 1 1 3 正交因素水平 水灰比 水泥用量 砂率 粗集料最大粒径 0 3 8 3 6 0 3 4 1 0 o 4 3 8 0 3 6 2 0 0 4 2 4 0 0 3 8 3 0 2 、正交设计表 采用4 因素3 水平的l 9 ( 3 4 ) 正交表，设计参数见表3 1 4 。 3 5 第三章耐磨路面混凝士配合比设计 根据正交表所列的各因素的不同水平进行坍落度、抗压、抗折强度以及耐磨试验，并 以这四个指标为综合比选目标，对正交试验结果进行极差与方差分析，找出最敏感因素， 进而求出最佳配合比。 3 2 2 试验结果分析 1 、正交试验结果 根据设计的正交试验表分别进行坍落度、抗压、抗折强度以及耐磨试验试验，为了便 于正交极差与方差分析，以确定最显著影响因素，同时通过这次正交试验确定各影响因素 的最佳水平，将试验结果汇总于表3 1 5 。 表3 1 5 正交配合比试验结果 2 、极差分析 第i 列因素极差：r i - - m a x ( i i ，i ，i i ，i v i ) 一m i i l ( i i ，i i i ，i i ，i v i ) 。极差形的大 3 6 加：2钙加坫m：2 m 加加殉m m m 5 3 5 6 4 4 5 5 5舛舛j笱舛“3 4 & 5 & 孓孓i 5 禾 j 3 4 9 3 j 名b 4 o 7 9 5 o 1 9 驰5 5 5 4 5 5 5 4 。 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a a a a a a a a a 长安大学硕j ：学位论文 小反映相应因素作用的大小，极差大的因素意味着在不同水平给指标造成的影响较大，通 常是主要因素，极差小的因素，意味着不同水平给指标所造成影响较小，通常是次要因素。 极差计算见表3 1 6 。 表3 1 6 正交试验极差计算表 根据对正交设计试验的直观分析结果绘制的各指标的效应曲线图见图3 3 3 6 。 5 4 5 2 母 玺 鏊5 0 幽 辗4 8 4 6 图3 3 抗压强度效应曲线图 3 7 7 0 0 6 0 0 5 o o 4 0 0 7 4 _n o o q n _ o o 第三章耐磨路面混凝十配合比设计 图3 4 抗折强度效应曲线图 o o o n q 图3 5 单位面积磨损量效应曲线图 qn 时 o o o o 图3 6 坍落度效应曲线图 如图3 3 - 3 6 所示，由于混凝土属非均质材料，即使正交数据的误差很小，其各因素 3 8 6 5 勺垒一越疆鞲辗 。_【堪梨k嚼 竹n 磊静会 o n 。口删旺熙* 0采越* 一暑毒嘲辑瓷器旧犁砰 。h 堪袋k 略 n 葛静余 。n 蛐匠赠* o丑越* 钙的骣 筋加 坫 加 一冒一魁撼密 o【姑袋k嚼 no n 磊爵冷 o 。9蛐暖熙* 长安大学硕士学位论文 对比选指标影响的规律性不是很明显，存在差异，但是在一定程度上可以反映趋势以及影 响因素的强弱，且通过对各因素不同水平的均匀组合，可以直观的显示比较有代表性的配 合比，通过对各个配合比的极差比较，可以近似的求出最佳配合比。 对正交设计结果的分析显示： ( 1 ) 通过以抗压强度为主要评价指标的极差分析，表明水灰比的影响最大，特别是 水灰比由0 4 0 变化到0 4 2 时，抗压强度变化较大。 ( 2 ) 以抗折强度为评价指标的极差分析，集料最大粒径的影响最大，砂率的影响次 之，其他因素的影响相对较小。 ( 3 ) 以单位面积磨损量作为评价指标，粗集料最大粒径和水泥用量的影响较明显， 当这两个因素变化时，磨损量的变化较大，这说明其对混凝土磨损量的影响可能较显著， 因此需要进一步进行方差分析，验证对试验结果影响最显著的因素。 ( 4 ) 以坍落度为主要评价指标的极差分析结果表明，随粗集料最大粒径的增大坍落 度增大明显，水灰比的影响也较大。 ( 5 ) 以单位面积磨损量为评价指标，抗压和抗折强度为控制指标，参考坍落度指标， 由表3 1 6 可发现a 2 和a 6 组试验结果综合性能最好，可作为最优配合比，工程应用时， 可在此基础上进行微调。 3 、正交试验方差分析 对正交试验结果进行方差分析，可以确定各因子对试验结果影响的显著程度。本试验 是在满足路面水泥混凝土强度的基础上，以耐磨性作为比选指标，参考工作性能，进行耐 磨性方差分析，结果见表3 1 7 。 表3 1 7 耐磨性方差分析结果 由方差分析结果可以看出，影响耐磨性的因素分别为粗集料最大粒径 水泥用量 水 灰比 砂率。在置信区间内，粗集料最大粒径、水泥用量和水灰比对路面混凝土耐磨性均 有显著影响。根据正交试验结果，路面混凝土配合比设计中，在达到强度要求的基础上， 3 9 第三章耐磨路面混凝十配合比设计 应充分考虑混凝土表面构造耐磨性的要求，控制参数在合适范围内，并对配制成的混凝土 进行表面构造的耐久性试验。 3 3 本章小节 本章对路面混凝土的原材料选择和配合比设计进行了试验研究，通过强度试验和耐磨 性试验对原材料进行了优选，并采用正交设计法进行了配合比的最佳范围的确定。得到的 结论如下： 1 、确定了路面混凝土表面构造耐久性配合比设计原则，即在不提高混凝土抗压强度 的基础上，控制砂率，降低水泥用量，对配合比参数进行优化设计，达到混凝土表面构造 耐久的目的。 2 、对混凝土原材料选择时，依据耐磨路面混凝土的要求，应选择耐磨性好的水泥， 粗集料应选用质地坚硬的石料，且级配良好；细集料优先选用天然河砂，以中粗砂为宜； 同时为了提高混凝土工作性和混凝土致密性，应加入减水剂，在寒冷地区的路面混凝土， 还应加入引气剂。 3 、采用正交试验法确定了较优的配合比范围，利用耐磨性作为控制指标的优选结果 为：水灰比o 4 0 ，水泥用量3 8 0 k g m 3 ，粗集料最大粒径2 0 m m ，施工配合比可在此基础上 调整。 4 、正交试验结果方差分析表明，胶凝材料用量粗集料最大粒径对混凝土耐磨性影响 较大，在配合比设计中应严格控制水泥用量和集料最大粒径，保证混凝土材料本身具有良 好的耐磨性。 第四章路面混凝土表面构造耐久性改善技术研究 改善路面混凝土的表面构造耐久性能不仅需要提高砂浆或集料单组分的耐久性能，限 制混凝土中水泥和水的最大用量也非常必要。通过各种手段改善混凝土的断裂和疲劳性能 以减少疲劳磨损，提高混凝土表面抗冻性能，更是从根本上提高路面混凝土整体耐久性的 途径。参照国内外经验及前述试验分析，改善混凝土表面构造耐久性措施可从以下几方面 考虑： ( 1 ) 采用优质的水泥和粗细集料：混凝土的耐久性能之中，耐磨性最重要。c 3 s 是 硅酸盐水泥矿物成分中耐磨损能力最大的，选择c 3 s 含量较高的水泥；选择较小最大粒 径和较大硬度的石料。 ( 2 ) 在水灰比一定时，选择较小的水泥用量，采用优质减水剂在同水灰比时降低水 泥用量；采用矿物掺合料代替部分水泥。 ( 3 ) 提高混凝土的韧性，采用各种技术提高混凝土的断裂和疲劳性能，降低混凝土 疲劳磨损的速度和强度。 ( 4 ) 保证混凝土的强度，混凝土的抗压强度和耐磨性能成比例上升是公认的结论， 但会引起混凝土早期开裂的可能性增加。 本项目为了改善混凝土表面构造耐久性，将分别从外掺料和工艺方面进行试验研究。 材料方面，选取矿物掺合料i 级粉煤灰、级粉煤灰和矿渣粉进行力学性能和耐久性试验； 工艺方面，在混凝土表面制作几种抗滑构造进行混凝土表面构造耐久性试验，最终选择耐 久性好的路面混凝土掺合料及表面构造作为本项目的推荐改善方案。 4 1 试验方案 4 1 1 试验原材料 水泥采用尧柏4 2 5 普通硅酸盐水泥；细集料采用天然河砂，细度模数为2 8 3 ；粗集 料选用5 2 0 m m 的连续级配辉绿岩碎石；粉煤灰来自灞桥电厂，分i 级粉煤灰和i i 级粉 煤灰，其主要技术指标见表4 1 ：矿渣粉为陕西德龙超细粉体材料公司生产，其主要技术 指标见表4 2 ：试验用水为西安地区自来水。 第四章路面混凝土表面构造耐久性改善技术研究 4 1 2 试验方法 1 、强度试验 依据公路工程水泥及水泥混凝土试验规程( j t ge 3 0 2 0 0 5 ) 中水泥混凝土立方体抗 压强度试验方法( t 0 5 5 3 ) 及水泥混凝土抗折强度试验方法( t 0 5 5 8 ) 进行。 2 、耐磨性试验 依据公路工程水泥及水泥混凝土试验规程( j t ge 3 0 2 0 0 5 ) 中的水泥混凝土耐磨性 试验方法( t0 5 6 6 2 0 0 5 ) 进行，以单位面积磨损量( k g m ) 评价耐磨性能。 3 、抗冻试验【5 6 】 在寒冷地区昼夜温差大，路面直接暴露在自然环境中，承受冻融循环作用，水泥路面 使用几年后，路表面混凝土受冻、剥落，导致路面表面构造破损，我国东北地区及西部高 寒地区建设的高等级公路，经常被冰雪覆盖，这些寒冷地区有时会采用去冰盐( 常用n a c l 或c a c l 2 ) 去除水泥路面冰雪；此外，部分路面本身就处于盐渍土或盐湖区域，路面使用环 境十分恶劣，不仅受到冻融破坏作用，有的还受到盐类侵蚀作用。因此，通过混凝土路面 表面构造抗冻性的试验提出改善措施就显得尤为必要。 4 2 睦宣大学顶学位论文 ( 1 ) 水中的冻融循环试验 水冻融循环试验采川类似于混凝上抗冻性试验巾的慢冻法，考虑到比较大的昼夜温 差，冻融循环温度控制在一2 0 c 一3 0 * ( 2 之间，一次冻融循环8 h ( 冻6 h ，融2 h ) 。 试件尺寸1 5 e r a 1 5 c m 5 c m ，由3 0 c r u x 3 0 c r u x 5 e r a 的水泥混凝土板切割而成，试 验前，将试件在水中浸泡2 4 h ；试验时，将四个试件放在特制的塑料盒内( 图41 ) ，试件 受冻面朝下，然后加水，直至水面达到试件高度的一半，对试件表面进行饱水冻融循环， 冻融过程中要经常加水。 图4 1 冻融循环棍凝土试件 ( 2 ) 盐溶液中的冻融循环试验 盐溶液中的冻融循环试验与水溶液中冻融循环试验的试验方法和步骤相同，只是饱水 介质更换为n a c i 溶液。采用n a c i 溶液作为冻结融化介质的目的，是在一定程度上体现 寒冷地区含盐环境中水泥路面所承受的冻融破坏作用例如，寒冷地区常采用除冰盐来减 缓或消除混凝土路面上的冰雪。 ( 3 ) 抗冻性评价方法 混凝土试件经受反复冻融，往往表现出表皮脱落和外形破坏，因此可孰通过质量损失 来评价抗冻性优劣。试验之前将所有试件放在1 2 0 ( 2 的烘箱中4 h ，然后取出称质量，记录 原始质量。随着循环试验的进行，每当循环一定次数后，将试件取出，在1 2 0 ( 2 烘箱烘8 个小时，后称质量，记录经过不同循环次数作用后试件的累计质量损失。 4 13 试验方案 本试验分别从矿物外掺材料和表面工艺两方面对改善混凝土表面构造耐久性方法进 蘸 孵卜臻。”o一 第四章路面混凝土表面构造耐久性改善技术研究 行试验研究。 ( 1 ) 在矿物外掺料方面，通过试验分析掺粉煤灰、矿渣以及复掺粉煤灰和矿渣的混 凝土强度特点、耐磨性和抗冻性能，研究矿物外掺料改善混凝土表面构造耐久性的方法。 ( 2 ) 表面工艺方面，对刻槽、拉槽和拉毛构造的混凝土进行抗冻性试验，分析不同 表面构造的抗冻性能，推荐出耐久性最佳的表面构造形式。 综合矿物外掺料和工艺两方面对混凝土表面构造耐久性影响试验的分析结果，提出混 凝土表面构造耐久性好的改善技术措施。 4 2 粉煤灰对混凝土表面构造耐久性影响试验分析 4 2 1 配合比设计 在调研已有研究成果基础上，用粉煤灰取代部分水泥用量，选择了5 、1 5 和2 5 三种掺量，进行混凝土耐磨性及抗冻性试验。在基准混凝土配合比基础上，加入粉煤灰等 量取代水泥，并调整加水量，使得配制的混凝土坍落度与基准混凝土相当，在保证工作性 良好的基础上，控制坍落度在2 0 , - 一3 0 m m 。 通过设计，得到普通基准混凝2 1 2 ( j z ) 、掺加i 级粉煤灰( u f a ) 和普通粉煤灰( f a ) 混凝 土的配合比见4 3 。 表4 3 掺粉煤灰的混凝土配合比( k g m 3 ) 4 1 2 力学性能 对基准混