（机械电子工程专业论文）高寒地区贫混凝土基层施工质量控制技术的研究.pdf

摘要 自音华至霍林郭勒一级公路是内蒙古自治区的重要煤炭运输通道，该地区春季多风 易干旱，夏季温热降雨不均，秋季凉爽，冬季稍长而寒冷。地表多为细粒土，部分为含 碎石的砂类土，地表植被较发达，为典型的草甸草原，地基较松软。因此，在基层施工 中，只能选择刚度大、抗冲刷能力强、耐久性好的贫混凝土，本文就如何保证贫混凝土 基层施工质量进行了以下研究。 首先，根据该地区的特点，研究了贫混凝土的抗裂、抗冻性能，提出了贫混凝土原 材料的选择要求，并根据贫混凝土配合比的设计，得到了其合理级配；其次，根据施工 设备匹配理论，对白霍线第三合同标段机械设备进行了实际配置和优化；再次，结合所 配置的机械设备，在拌和工艺中，着重研究了拌和站的标定、拌和充盈率、搅拌速度、 拌和时间四个因素对拌和质量的影响，提出了拌和质量的衡量指标，探讨了离析现象以 及防离析措施。在摊铺工艺中，主要研究了螺旋布料器的布料区、振捣棒的频率与间距、 摊铺速度及基准线的张拉力，得到了摊铺引气型贫混凝土的合理工作参数，探讨了滑模 摊铺机的起点摊铺、试铺、正常摊铺、抹面和饰面技术，分析了麻面、塌边和横向拉裂 现象，并提出了防止这些现象的措施以及平整度保证措施；最后，结合工程实际，简述 了贫混凝土基层的养生、切缝和灌缝技术，制定了切缝的时间及要求、灌缝材料及灌缝 要求。 本文是一项跨学科、理论与实验密切结合的研究，涵盖了材料特性、机械性能、施 工技术等方面，涉及了原材料选择、机械设备的匹配及施工过程的质量控制等方面内容。 由理论分析及实铺试验段可知，通过合理地匹配施工设备、严格地控制贫混凝土的拌和、 摊铺、养生等施工过程，可以有效地保证贫混凝土基层的施工质量。 关键词：贫混凝土，引气剂，级配，合理匹配，施工工艺，质量控制 a b s t r a c t b a i y i n h u at oh u o l i n g u o l eh i g h w a yi sam a j o rc o a lt r a n s p o r t c o r r i d o r si ni n n e rm o n g o l i a a u t o n o m o u sr e g i o n ，t h i sr e g i o ni sm u c hw i n d yi ns p r i n g ，w a r m e ra n dr a i nu n e v e ni ns u m m e r , c o o li na u t u m n ，a n dl o n g e rc o l di nw i n t e r m u c hf i n e g r a i n e ds o i lo nt h es u r f a c e ，s o m eo ft h e s a n dw i t hg r a v e lt y p es o i l ，m u c hd e v e l o p e dv e g e t a t i o no nt h es u r f a c e ，i ti st h et y p i c a lm e a d o w , i t sb a s ei sv e r ys o f t t h e r e f o r e ，a tt h eb a s ec o n s t r u c t i o n ，i ti st h eo n l ys e l e c t i o no fl e a n c o n c r e t e ，w h i c hi sh i g hs t i f f n e s s ，h i g hr e s i s t a n c et oe r o s i o na b i l i t y , g o o dd u r a b i l i t y , a n dt h i s a r t i c l es t u d i e sh o wt oe n s u r et h eq u a l i t yo fl e a nc o n c r e t eb a s ec o n s t r u c t i o n f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h er e g i o n ，t h es t u d yo fa i r - e n t r a i n e dc o n c r e t ei s a n a l y z e dt h em e c h a n i z a t i o no fl e a nc o n c r e t e sc r a c kr e s i s t a n c ea n df r e e z i n gr e s i s t a n c ei nc o l d c l i m a t e ，t h es e l e c t i o nc r i t e r i ao fl e a nc o n c r e t er a wm a t e r i a li sr a i s e d ，a c c o r d i n gt ol e a n c o n c r e t em i x t u r er a t i od e s i g n ，ar e a s o n a b l eg r a d i n gi sg o t ；s e c o n d l y , b a s e do nt h em a t c h i n g t h e o r yc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t ，m e c h a n i c a le q u i p m e n ta b o u ts e c t i o n i i ii nb a i h u ol i n ei s a l l o c a t e dr e a s o n a b l y ；t h i r d l y , c o m b i n e dw i t l lt h ec o n f i g u r a t i o no fe q u i p m e n t ，i nt h em i x i n g p r o c e s s ，t h i sp a p e rp a r t i c u l a r l ys t u d yt h ee f f e c to nm i xq u a l i t ya b o u t t h ec a l i b r a t i n go fm i x i n g s t a t i o n ，t h ef i l l i n gr a t eo fm i x i n gc o n s o l e ，t h es p e e do fm i x i n ga n dt i m eo fm i x i n g ，e v a l u a t i n g i n d e xo fm i xq u a l i t yi sp r o p o s e d ，s e g r e g a t i o na n da g a i n s ti ti sd i s c u s s e d i nt h ep a v i n g t e c h n o l o g y , t h ed i s t r i b u t i v ez o n eo fs p i r a ld i s t r i b u t o r , v i b r a t o rf r e q u e n c ya n ds p a c e ，p a v i n g s p e e d ，t e n s i o no fr e f e r e n c el i n e i ss t u d i e d ，ar e a s o n a b l eo p e r a t i n gp a r a m e t e ro fp a v i n g a i r - e n t r a i n e dc o n c r e t ei sg o t ，p a v i n ga tb e g i n n i n g ，t e s t i n gp a v i n g ，n o r m a lp a v i n g ，a n dp l a s t e r t e c h n o l o g yo fs l i p f o r mp a v e ri sd e b a t e d ，p i a e ds u r f a c e ，e d g ed r o pa n dt r a n s v e r s ec r a c k p h e n o m e n o ni sa n a l y z e d ，t h em e a s u r ea g a i n s tt h e ma n de v e n n e s s i s p r o p o s e d ；f i n a l l y , a c c o r d i n gt oe n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，t h ec u r i n g ，s a wc u t t i n ga n dp o u t i n gt e c h n o l o g yo fl e a n c o n c r e t eb a s ei sd e s c r i p tb r i e f l y , c u t t i n gt i m ea n dr e q u e s t ，p o u r i n gm a t e r i a la n dr e q u e s ti ss e t d o w n t h i si sa ni n t e r d i s c i p l i n a r y , r e q u i r i n gc l o s ei n t e g r a t i o no ft h e o r ya n dp r a c t i c eo fr e s e a r c h ， c o v e r i n g m a t e r i a l p r o p e r t i e s ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , e t c ；i n v o l v i n g s e l e c t i o no fl a w m a t e r i a l s ，m a c h i n e r ya n de q u i p m e n tm a t c h ，t h eq u a l i t yc o n t r o lo fc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，e t c t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dp a v i n ge x p e r i m e n t a ls e c t i o ns h o w s ，t h r o u g ht h e r a t i o n a l m a t c h i n gc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t ，s t r i c tc o n t r o l o fm i x i n g ，p a v i n g ，a n dp o u t i n go fl e a n c o n c r e t e ，e t e ，c a ne f f e c t i v e l ye n s u r e t h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yo fl e a nc o n c r e t eb a s e k e yw o r d s ：l e a nc o n c r e t e ，a i re n t r a i n i n ga g e n t ，g r a d a t i o n ，r e a s o n a b l em a t c h i n g ，c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y , q u a l i t yc o n t r o l i i 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 ， 公路是国民经济建设的重要基础设施，在国民经济和人民生活中占有极其重要的地 位，是一个国家经济实力和现代化水平的体现。建国以来，随着我国国民经济的蓬勃发 展，国家对基础设施投入力度的增大，特别是改革开放以来，我国的公路建设取得了迅 猛的发展。2 0 0 7 年底，经过近1 5 年努力，特别是“十五”和“十一五”的建设，总规 模约3 5 万公里的“五纵七横 国道主干线已基本贯通。2 0 0 8 年以来，交通运输部为落 实中央应对国际金融危机、扩大内需的一系列决策部署，加大了对公路建设行业的投资， 使得我国道路总里程不断刷新纪录。截止2 0 0 9 年底，全国公路总里程达3 8 6 万公里， 比2 0 0 8 年末增加1 3 万公里，其中水泥混凝土路面1 2 3 万公里，约占总里程的3 2 ，比 2 0 0 8 年末增加了2 0 7 3 万公里。这些道路的建设为我国高等级公路、农村公路、沿海港 口、内河水运等交通基础设施建设积累了宝贵的经验，奠定了扎实的基础。 据资料统计，我国已经铺筑的水泥混凝土路面基层类型主要有五种，即水泥稳定土、 石灰稳定土、级配碎( 砾) 石、碾压混凝土和贫混凝土基层，其中贫混凝土基层以其强 度大、良好的冲刷性和水稳性应用的较为广泛，但经过多年的观察发现，这些路面早期 破坏现象还是比较严重的，许多公路在运营时间不长、使用年限很短的情况下就出现了 断板、裂缝等诸多病害，在一些高寒地区，甚至出现了“当年修，当年坏 的现象。就 以贫混凝土作为基层的水泥混凝土路面而言，笔者认为其原因主要有三点：1 ) 道路结 构设计不合理，往往采用在贫混凝土基层上直接铺筑面层，使得面层与基层之间为刚性 接触；2 ) 贫混凝土基层容易出现抗冲刷能力差、抗裂性不足、抗冻性不好以及耐久性 差等缺陷；3 ) 基层施工过程中把关不严等。本文从贫混凝土基层的抗裂性和抗冻性着 手，探讨了贫混凝土基层材料的性能和级配，重点研究了贫混凝土混合料的搅拌、运输、 摊铺以及摊铺完成后的养生、切缝、灌缝，并结合工程实际，提出了自己的见解，以指 导和解决贫混凝土施工过程中的质量控制问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 在国外，贫混凝土基层的应用比较早。美国1 8 9 3 年在其复合式路面的下层的混凝 土中只还有少量的水泥，这被称为贫混凝土的雏形。国外真正将贫混凝土作为水泥混凝 土路面基层始于1 9 5 7 年的英国。随后在6 0 年代初和7 0 年代末，英国、法国、意大利 第一章绪论 和比利时等国对贫混凝土基层和其它半刚性基层的路用性能进行了研究，并铺筑了试验 路段进行分析。英国工程实践表明，贫混凝土基层可以改善板间传荷能力，提高支撑效 果，减少和防止裂缝和断板，且有助于防止卿泥。法国的工程实践表明，贫混凝土基层 可以有效减少唧浆。7 0 年代中期以来，重交通道路几乎都采用了贫混凝土基层。美国加 州规定重交通水泥道路必须采用贫混凝土作基层，在其他州，贫混凝土基层的发展也非 常广阔，其中有2 0 个州的5 0 条新干线高速公路和机场跑道基层都使用了贫混凝土，从 实践来看，效果非常理想。 国外对贫混凝土基层的研究主要集中在结构设计、抗冲刷性及耐久性。它们的复合 式路面设计主要以理论法和经验法为主。其中，理论法设计根据弹性地基上的薄板理论， 应用有限元程序进行结构计算，提出了超厚设计方法。1 9 6 3 年，法国对不同的基层材料 进行了抗冲刷能力试验，根据试验结果，基层材料抗冲刷能力以贫混凝土为最佳，水泥级 配砾石次之，水泥稳定土较差，见表1 1 。从表中可以看出，材料的耐冲刷能力随水泥含 量的增大而提高，且有一临界值，低于此值时，材料的耐冲刷能力迅速降低，此值约为 4 0 ，4 5 。 表1 1 不同基层的抗冲刷能力 材料 水泥含量( )平均抗冲刷能力( g r a i n ) 2 15 5 4 51 8 贫混凝土 6 87 8 64 2 01 3 0 3 03 2 水泥级配砾石 3 52 7 4 o1 3 6 ol l 水泥稳定土 7 03 4 8 由于技术、社会历史和人的主观认识等方面的原因，人们对混凝土的应用往往只重 视结构的设计、选材、制作和养护等，忽略了对其耐久性的研究。1 9 4 0 年，加拿大魁北 克省博赫尔洛伊斯水电站南部坝体因出现裂缝而渗漏，后来在办公室大楼发现开裂和变 形；1 9 5 8 年建成的北部坝体升降机附近的瓷砖开裂。本世纪6 0 年代以来，混凝土结构 的耐久性己成为国际学术会议或机构讨论的主要课题。近十几年来，人们对混凝土结构 耐久性的研究已进入了一个崭新的阶段。日本在1 9 8 7 年提出了混凝土结构耐久性的设 2 长安大学硕士学位论文 计方法。1 9 8 9 年欧洲混凝土结构委员会发表了耐久性混凝土结构设计指南。1 9 9 2 年， 法国m a j i e r x 对重要混凝土结构作了调查统计，发现有3 4 的结构是根据耐久性指标设 计混凝土的，即只有1 4 的结构是根据强度来设计混凝土的。 1 2 2 国内研究现状 随着交通量的增大，重载交通的增多，我国也开始将贫混凝土作为基层进行推广应 用。1 9 8 8 年我国在某机场修筑时，由于地下有弱膨胀土，因此，最终采用贫混凝土作为 基层，这是我国首次将贫混凝土用于机场跑道。1 9 9 7 年的宣大高速公路河北段2 9 7 公 里的混凝土路面，由于承受重载交通，基层采用了贫混凝土。1 9 9 8 年，广西交通科研所 立项的水泥混凝土路面贫混凝土基层及排水系统的应用研究课题，对贫混凝土透水 基层进行了大量室内和室外试验，较为系统地研究了贫混凝土的物理力学特性及施工工 艺。2 0 0 1 年，1 0 9 国道山西省境内某段沥青路面改建工程中，由于交通量大，重载运输 普遍，采用1 5 c m 贫混凝土基层对路面进行补强和找平。 我国贫混凝土基层性能研究虽起步较晚，但取得了良好的效果。“九五 期间，在 国家建材总局所立的攻关项目重点工程混凝土安全性中，中国水利水电科学研究院 和上海同济大学共同负责混凝土抗冻性定量化设计的研究，他们根据国内外大量的研究 和工程实践指出，影响混凝土抗冻性的主要因素是混凝土的含气量和水灰比，同时也与 掺合料( 如粉煤灰等) 的掺量、质量、总体胶凝材料用量及气泡性质( 气泡尺寸、数量、 分布等) 等因素有关。根据本项研究及以往试验的成果，采用多元回归的方法，初步建 立了混凝土能经受的抗冻融循环次数与水灰比、粉煤灰掺量及含气量的多元回归方程1 1 ， 见式1 1 。 n = ( 彳+ 1 ) 1 5 e 一8 8 例c ) 一o 7 9 4 】- o 0 1 3 0 7 f( 1 1 ) 式中：w 厄水胶比； a 混凝土的含气量( ) ； f - 粉煤灰掺量( ) ；， ：。 忙混凝土能经受的最大抗冻融次数( 次) 。 1 9 9 1 年吴中伟教授在他所发表的混凝土耐久性综合症及其防治文章中指出，。近 年来混凝土耐久性破坏越来越严重的主要原因有：1 ) 结构设计不合理；2 ) 集料不合格 或者质量较差，常采用强度不高的风化砂石和细度模数较低的海砂；3 ) 使用环境恶劣， 没有认真对待，过于追求施工进度，质量控制不严格。 第章绪论 长安大学郑木莲教授通过大量试验，研究了贫混凝土基层强度与模量的关系，指出 当粉煤灰掺量4 0 时，贫混凝土2 8 d 弯拉强度与抗压强度之间符合幂指数关系，见式 1 2 ，为了便于应用，求出常用贫混凝土的抗压弯拉强度的关系，见表1 2 。 ，= o 4 2 1 7 f 叼7 0 3 8 ( 1 2 ) 表1 2 贫混凝土抗压与弯拉强度的关系 抗压强度( i p a ) 3 o 4 05 0 1 0 o1 5 02 0 o 弯拉强度( m p a ) 0 9 8 1 1 81 3 72 1 6 2 8 23 4 1 长安大学王秉刚教授也通过大量室内试验，研究了贫混凝土基层材料抗裂性和强度 规律。在材料抗裂性研究中，他认为由于贫混凝土基层材料具有不可塑性，当外界环境 温度变化时，就会产生明显的体积变化，使得贫混凝土基层产生收缩、膨胀等变形，容 易导致基层的开裂。当温度在1 0 5 c 范围时，贫混凝土在饱水状态下的温度收缩系数 有较大幅度的降低；在小于i o 。c 时，随着温度的降低，温度收缩系数逐渐增大；大于5 时，随着温度的上升，温度收缩系数也在逐渐增大。结论还指出，贫混凝土的干缩系数 小于普通混凝土。在材料的强度规律研究中，通过对不同粉煤灰掺量、不同龄期对贫混 凝土基层材料强度的影响规律，并与不掺粉煤灰贫混凝土的强度特性进行了对比研究， 结果显示，贫混凝土粉煤灰掺量为2 0 时，早期强度接近甚至超过不掺粉煤灰的；粉煤 灰掺量为4 0 和5 0 时，贫混凝土的强度随龄期而增长的幅度最高；当粉煤灰掺量 4 0 时，可改善贫混凝土的脆性。据此得出，当贫混凝土中掺入4 0 以下粉煤灰时，其 后期的强度与抗裂性能均可得到改善。 2 0 0 2 年，长沙理工大学周志刚教授研究了贫混凝土基层温度应力的计算方法。他根 据贫混凝土基层为无限大板时的温度应力计算结果进行回归分析，并引入温度应力计算 系数的概念，得出了基层为有限尺寸板时温度应力的计算方法。 在贫混凝土施工机械设备及设备匹配上，国内的科研工作者进行了深入的研究。重 庆交通学院郭小宏等进行了水泥混凝土道路机械化施工系统配置的动态化研究【2 1 。利用 数理统计的方法和随机服务系统理论，克服了过去仅从静态的观点来描述受随机因素影 响的传统施工组织方法的不足。通过对单台施工机械的工作规律的描述，从系统组成机 械的主次关系、配套关系及协作与制约关系出发，将单机和机群有机组合，形成合理规 模的机群施工生产能力，实现最优资源配置，最优工作效率和降低生产成本的目标。 1 3 本文研究目的及主要内容 为了适应高寒地区气候条件，提高贫混凝土基层的抗裂性和抗冻性，本文以白霍线 4 长安大学硕士学位论文 ( 白音华至霍林郭勒线) 一级公路贫混凝土基层施工为依托，从施工技术的角度出发， 主要研究以下内容： 1 ) 贫混凝土基层抗裂和抗冻性的研究 通过对贫混凝土基层抗裂性的研究，了解了贫混凝土抗裂的三种形式，即温度收缩、 干燥收缩和碳化收缩；在抗冻性研究过程中，主要分析了贫混凝土产生冻害的原因，提 出了降低贫混凝土冻害的措施，即在贫混凝土的拌和过程中掺入一定量的引气型减水 剂，并阐述了引气机理，根据实验结果，得到了这种引气剂对抗冻性的影响。 2 ) 原材料性能要求及配合比研究 根据工程实际和当地的气候条件，提出了贫混凝土基层材料的性能要求，结合所选 材料的特性，通过实验，得到了合理级配，实现了最佳配合比设计。 3 ) 施工设备的匹配技术 基于贫混凝土基层的施工质量，确定了施工过程中的核心施工设备、主要施工设备 和辅助施工设备，并根据单机配置理论和机群配置理论，结合三标工程实际，进行了机 械配置和优化，以达到更高效率，节约生产成本。 4 ) 贫混凝土混合料的拌和技术 为了保证贫混凝土混合料的拌和质量，着重研究了拌和站的标定、搅拌机充盈率、。 搅拌速度、拌和时间四个因素对拌和质量的影响，结合工程实际，提出了拌和质量的约 束性指标，即坍落度、含气量及强度，并探讨了拌和离析现象、原因及防离析措施。 5 ) 贫混凝土基层的摊铺技术 通过对滑模摊铺机螺旋布料器布料区、振捣棒频率与间距、摊铺速度及基准线张拉 力的研究，得到了摊铺引气型贫混凝土的合理工作参数，分析了摊铺后产生麻面、塌边、 横向拉裂的现象及原因，提出了防止麻面、塌边、横向拉裂及保证平整度的措施。 6 ) 养生、切缝和灌缝技术 结合工程实际，提出了养生剂类型及养生要求、切缝时间及切缝要求、灌缝材料及 灌缝要求。 1 4 依托工程简介 。 内蒙古自治区白音华至霍林郭勒一级公路位于内蒙古自治区锡林郭勒盟西乌珠穆 沁旗、通辽市扎鲁特旗和霍林郭勒市，是内蒙古自治区的重要煤炭运输通道。该项目地 处大兴安岭余脉的西北麓，海拔高度8 3 5 , - - 1 3 5 0 m ，地表植被较发达，属于典型的草甸 草原地形。地下水位较深，形成下湿地或表层软弱土，地下主要以细粒土为主，部分为 5 第一章绪论 含碎石的砂类土，下伏基岩多为火山角砾岩、凝灰岩、火山岩或火山碎屑岩等。根据当 地的气候资料，沿线地处温带干旱半干旱大陆性气候，总的特点是春季多风易干旱，夏 季温热且雨量不均，秋季凉爽，冬季稍长而寒冷。年平均气温一0 5 。c ，极端最低气温 3 7 2 。c ，极端最高气温3 3 6 。c ，年平均积雪天数为1 3 3 3 天，最大冻深达3 2 m ，年平均 风速最低4 6 m s ，最大风速2 0 7 r n s ，1 1 月1 2 月风吹雪严重，甚至影响视程。 6 长安大学硕士学位论文 第二章贫混凝土基层性能的研究 近些年随着国家经济的发展，国内需求逐步加大，我国公路交通事业也得到了迅猛 发展。公路交通量、车辆轴载以及重车比例都有了明显的增长，这样在一些地区，路面 的早期破坏就非常严重，尤其在超载和交通量大的路段，这种破坏就非常明显。主要原 因是由于水从路面渗入到基层，使得基层材料变软，强度降低。同时在路面结构内部排 水不畅情况下，基层内部及面层与基层界面间存在自由水，在车辆荷载作用下形成有压 水，对基层产生冲刷。因此，水泥混凝土路面的基层应满足以下技术要求【3 】：1 ) 具有足 够的强度和刚度；2 ) 有足够的抗冲刷能力；3 ) 有较好的抗裂、抗冻性能；4 ) 有足够的水 稳性；5 ) 有较好的平整度。适用于高等级公路水泥混凝土路面基层的材料有：水泥稳定 土、石灰稳定土、级配碎( 砾) 石、碾压混凝土、贫混凝土等。目前，我国常用的主要 是前两种，但它们有两个明显的缺点：1 ) 抗冲刷性差。有实验表明，在相同载荷下， 这两种材料结构内部的自由水会产生比较大的压力，对材料中的细料产生产生冲刷，形 成细料浆，从裂缝被挤出，形成唧浆现象，时间一长，就会造成面板断裂或者下层脱空。 2 ) 抗裂性差。基层材料的抗裂性以干缩系数来表征，主要与材料本身的失水量有关。 在相同条件下，水泥稳定土的失水量比较大，易形成裂缝，而这些裂缝的存在会反射到 面层，形成反射裂缝。实践证明，在高等级尤其是重载交通道路上，基层应采用更好的 路用性能材料，并具有强度大、抗冲刷和高稳定性，因此使用贫混凝土作为基层不失为 一个最佳的选择。 2 1 贫混凝土简介 贫混凝土是由粗、细级配集料与一定水泥和水等拌和而成的一种混凝土。其水泥用 量比较低，一般每方用量在1 6 0 2 3 0 k g ，因此，有时也称经济混凝土。贫混凝土基层主 要有以下特点【4 】： 1 强度大。强度介于水泥稳定碎石和普通水泥混凝土之间，随着水泥用量的改变， 强度会产生比较大的变化。贫混凝土基层的基准水泥用量一般为6 - - 1 2 ，水泥稳定粒 料基层水泥用量为5 ，二者水泥含量相差不大，但其强度却相差1 6 , - - 3 倍以上。有实 验表明，贫混凝土( 水泥用量为2 3 0 k g ) 7 d 的抗折强度可达3 2 m p a ，抗压强度可达 2 3 9 m p a 。研究表明，贫混凝土的各种力学性能指标都明显超出其它半刚性基层，由于 其较大的刚度，良好的接缝传荷能力，从而为面板提供个均匀稳定的支撑。 2 良好的抗冲刷性。抗冲刷性与混合料中细料的含量，有关与强度没有太大的关系， 7 第二章贫混凝士基层性能的研究 细料愈多，冲刷愈严重；冲刷随水泥用量的增加而减少。相对于其它半刚性基层而言， 贫混凝土基层良好的抗冲刷性能有效的防止唧泥、板底脱空和错台等病害的产生。 3 良好的水稳性。水泥混凝土路面基层应具有良好的水稳性，其水稳性可用软化系 数来表征。软化系数k 为材料饱水状态的抗压强度啄与干燥状态的抗压强度碑之比。 显然，软化系数越小，则材料水稳性越差。有试验表明，贫混凝土的k 值约为o 9 2 左 右，而二灰碎的k 值越为0 6 6 左右f 3 1 。因此，贫混凝土具有较好的水稳性，并且其软化 系数不随饱水时间的增加而降低。 2 2 贫混凝土抗裂性能的研究 贫混凝土开裂的形式主要有三种：一是由于温度的下降而引起的温度收缩变形；二 是由于水分的蒸发而引起的干燥收缩；三是由于大气中c 0 2 引起的碳化收缩。下面就这 三种开裂形式做简要概述。 2 2 1 温度收缩 温度收缩变形是由于温度下降引起的体积收缩。由于水泥在水化过程中产生大量的 水化热，使得混凝土内部温度逐渐升高，随后温度又开始下降至环境温度，并产生温度 收缩应变，由于此时混凝土的抗弯拉强度比较低，所以就会形成开裂。其主要影响因素 有【5 】： 1 水泥的用量和种类会直接影响到水泥的水化热。低热水泥的水化热和水化速度比 普通硅酸盐水泥要低许多，因此，要减少或防止混凝土的开裂，应优先考虑选用低热水 泥。 2 集料的特性对混凝土的温度收缩变形也有较大的影响。应选择热膨胀系数低的集 料，因为集料的膨胀系数较低时，所拌和的混凝土的热膨胀系数也比较低，这样就可以 降低温度收缩，避免混凝土的开裂。 2 2 2 干燥收缩 贫混凝土基层除产生温度收缩外，还会在施工完成后，产生初凝的塑性收缩和终凝 的干燥收缩。见图2 1 和图2 2 。这是由于表面水的散失速率超过了贫混凝土泌水的上升 速率，导致其表面迅速干燥而产生塑性收缩，此种情况往往在施工以后的几个小时内就 会发生。基层的这种裂缝如果不进行有效控制向上发展，进而反射到面层，形成反射裂 缝，最终会导致面层的开裂【6 1 。 8 长安大学硕士学位论文 图2 1 初凝收缩裂缝图2 2 终凝收缩裂缝 2 2 3 碳化收缩 混凝土的碳化收缩是指大气中的二氧化碳在存在水分的条件下，与水泥水化产物氢 氧化钙发生反应，生成碳酸钙和水【7 】，而且由于氢氧化钙浓度的降低，将侵蚀和分解所 产生的水化物，形成硅胶和铝胶，从而产生收缩。碳化过程是二氧化碳由混凝土表面向 内部逐渐扩散深入，这可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏，所以说，混凝土的碳化与 混凝土的耐久性密切相关。其碳化反映化学式，见式2 1 。 j 3 c 口d + 2 s i 0 2 + 3 ：- 1 2 d + c 0 22 c a c q + 2 ( c a d 研0 2 h 2 d ) + h 2 d( 2 1 ) i c a o + s i 0 2 + h 2 d + c d 2 = c 白c q + 研0 2 2 h 2 0 、。 根据观察和研究，水泥混凝土的碳化反应往往出现在混凝土的表面，并且是一种不 规则的细裂纹，细裂纹的深度与碳化层的深度是一致的。而温度收缩所产生的裂纹比较 深，且开缝比较长。碳化反应所产生的细裂纹将导致混凝土的抗拉、抗折强度的降低。 在实际工程中，碳化收缩往往与干燥收缩相伴发生。 上述收缩变形都集中反映在贫混凝土的表层，几种收缩变形的叠加增加了不可逆收 缩变形值，可能引起贫混凝土严重的收缩裂缝。因此，研究贫混凝土抗裂性能对于防止 贫混凝土基层产生裂缝具有十分重要的意义。 2 3 贫混凝土抗冻性能的研究 据调查，在我国北方主要大中城市中的露天环境，或没有采暖房屋内，处于水位交 变处或经常受水浸润的钢筋混凝土结构均因反复冻融而造成破坏，严寒地区不少水工建 筑物建成后不到1 0 年就需要大修，而且还不能彻底解决问题。尤其在严寒地区修建的 混凝土，几乎1 0 0 的工程局部或大面积地遭受不同程度的冻融破坏，有的工程在施工 过程中或竣工后不久就遭受到严重的冻掣引。 9 第二章贫混凝士基层性能的研究 可见，混凝土的抗冻性对与严寒地区是非常重要的，不仅如此，混凝土的抗冻性还 直接关系到混凝土的耐久性。混凝土中水泥石内孔隙自由水的存在是混凝土产生冻害的 原因，孔隙中的自由水反复冻融，对孔隙壁不断产生胀压力，最终使混凝土胀裂。要提 高混凝土的抗冻融能力，须使混凝土内部尽可能密实，这就要求混凝土水灰比尽可能小， 一般认为，混凝土要达到较高的抗冻能力，水灰比应小于o 3 0 。采用这种方式抗冻，不 仅不经济，而且高水泥用量引起的水化温升，使得水泥混凝土更容易开裂，此结果不能 令人接受! 就目前而言，向混凝土中加入引气剂是公认的能显著提高混凝土抗冻性的一 种有效方法，可以大幅度提高混凝土的综合耐久性，并且还能改善新拌混凝土的工作性 和匀质性。 2 3 1 引气剂的物理化学性能 引气剂是在搅拌过程中使混凝土内部中产生大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡 的外加剂。引气剂是一种含有亲水性基团( 也称亲水基) 和亲油性基团( 也称憎水基) 的阴离子表面活性剂。在水气界面上，憎水基向空气面定向吸附，在水泥水界 面上，水泥或其水化粒子与亲水基相吸附，憎水基背离水泥及其水化粒子，形成憎水吸 附层，并力图靠近空气表面，由于这种粒子向空气表面靠近和引气剂分子在空气水 界而上的吸附作用，使得水的表面张力显著降低。在混凝土在拌和过程中，产生的这些 大量的微气泡有带相同电荷的定向吸附层，所以相互排拆并均匀分布，许多阴离子引气 剂在含钙量高的水泥水溶液中有钙盐沉淀，吸附在气泡膜上，能有效地防止气泡破灭， 引入的细小均匀的气泡能在一定时间内稳定存在。同时这些气泡像滚珠般起着润滑作 用，使集料间的滑动摩擦为滚动摩擦，减小了摩擦阻力，并且产生了一定的浮力，对细 小的集料起托浮和支撑作用，这就使得新拌混凝土具有更好的和易性和流动性。由于气 泡的存在，整个体系的表面积大大增大，比不掺引气剂时的粘度大得多，泌水与沉降因 而减小，气泡的存在还阻断泌水的毛细通道，这样，较少的泌水就保证了路面表面抗磨 性的要求。引气剂主要作用首先是引入气泡，改善混凝土的耐久性，其次是分散和湿润 作用【引。 2 3 2 引气剂机理 引气混凝土是通过混凝上中产生的气泡抵抗冻融破坏。通过引气剂在混凝土中产生 许多独立且均匀分布、稳定而封闭的微小气泡，这些微小封闭气泡互不连通、均匀稳定 分布在混凝土中，当孔隙内自出水冻结时，气泡被压缩，可大为减轻冰冻给孔隙带来的 1 0 长安大学硕士学位论文 胀压力；溶解时这些气泡可恢复原状，出此孔隙内自由水反复冻融也不致对孔壁产生很 大的压力，这些微小气泡就如同一个压力安全阀，防止冻融破坏混凝土【9 1 。见图2 3 。 混凝土表面 、 a b c 图2 3 引气剂混凝土抗冻机理示意图 a 图是混凝土表面温度在零度以上；，。 b 图混凝土表面温度降至零度以下，靠近表面气泡中的一部分非结晶水和浸透水冻 结成冰，其余部分的水仍处于液体状态，液态水向内挤压到混凝土的无数气泡中，水的 巨大内向压力由于被无数气泡吸收而松弛，从而使表面附近的混凝土避免了破坏； c 图自由水继续冻结向混凝土内部挤压，同b 的现象一样，达到新的平衡。 由此可见，当混凝土中的气泡数量和可冻水量达到新的平衡时，水在冻结时所产生 的巨大压力就会基本消失，从而大大提高混凝土的抗冻能力。因此，在最佳含气量的情 况下，混凝土工程的寿命特别是在冻融作用下的使用寿命会大大延长，因而它对混凝土 抗冻性、耐久性的贡献是不言而喻的。 2 3 3 引气剂对抗冻性的影响 引气剂能减少混凝土早期受冻产生的冻胀力【l o 】。与不掺引气剂的混凝土相比，掺入 引气剂混凝土早期受冻的强度损失明显减少，临界强度也可减少2 , - - 4 m p a 。引气混凝土 抵抗早期受冻融循环的能力提高尤为显著。见表2 1 和2 2 。 第二章贫混凝士基层性能的研究 表2 1 冻融前初始强度 水灰比 类别 初始抗压强度( m p a )初始抗弯拉强度( m p a ) p c4 3 55 6 0 4 2 ( a ) a p c4 1 85 4 p c3 8 95 1 0 4 6 ( b ) a p c3 8 15 o p c3 6 2 4 9 0 4 8 ( c ) a p c 3 5 6 4 9 p c 3 4 5 4 7 0 s 0 ( d ) a p c 3 3 2 4 5 表2 2 冻融后强度 水灰比类别 冻后抗压强度( m p a )冻后抗弯拉强度( m p a ) p c3 7 04 3 0 4 2 ( a ) a p c3 7 65 0 p c3 2 73 7 0 4 6 佃) a p c3 3 94 5 p c3 0 o3 4 0 4 8 ( c ) a p c3 1 34 3 p c2 8 23 1 0 5 0 ( d ) a p c2 8 93 8 注：p c 指普通混凝土；a p c 指引气混凝士 冻融前混凝土的强度变化特别是抗弯拉强度的变化对于严寒地区的混凝土结构，特 别是主要承受弯曲荷载的结构有非常重要的意义。从试验结果可以看出：混凝土的强度 与未受冻之前的强度相比有所下降，其中反映较敏感的是抗弯拉强度。以水灰比0 4 6 为例，对于普通混凝土来说，冻融后的抗压强度比冻融前的抗压强度下降了1 6 ，冻融 后的抗弯拉强度比冻融前的抗弯拉强度下降了2 7 5 ；对于引气混凝土来说，冻融后的 抗压强度比冻融前的抗压强度下降了1 1 ，冻融后的抗弯拉强度比冻融前的抗弯拉强度 仅仅下降了1 0 。由此可见，虽然非引气混凝土和引气混凝土的冻后强度都比冻前的强 度有所下降，但引气混凝土比非引气混凝土强度下降小得多，尤其是抗弯拉强度表现明 显。而水泥混凝土道路对抗弯拉强度要求较高，因此在严寒地区，必须掺入引气剂。 综上所述，内部封闭的气泡对提高混凝土抗冻性、工作性有重要意义【l l 】。其一： 缓解、消除内部相变应力。在这里，气泡系统的主要作用是为容纳相变产生的体积膨胀 提供储备，因此有人称之为“储备孔”。其二：阻止裂缝生长。根据葛里非斯的材料断 裂理论，混凝土的抗断裂能力可表示为：o = ( 2 e r 兀c ) o ，其中为o 断裂应力，e 为弹 1 2 长安大学硕士学位论文 性模量，r 为单位面积的材料表面能，c 为裂缝长度。从公式中可以看出，混凝土内部裂 缝越短，则断裂应力越大，抗断裂能力越强。微气泡的存在，使混凝土内部裂缝生长必 须绕过气泡进行。从而有效地阻止了裂缝的生长，提高了混凝土的断裂应力，增强了混 凝土的抗冻能力。但如果气泡粒径太大会导致气泡周围局部应力集中，反而加速混凝土 破坏的进程。因此，在混凝土中引入适量的气泡有利于提高混凝土的抗冻性，但还须重 视引气的质量。 2 4 本章小结 通过对贫混凝土基层性能的研究，指出贫混凝土开裂主要有三种形式，即温度收缩、 干燥收缩和碳化收缩；在抗冻性和耐久性的研究中，指出提高抗冻性和耐久性的两种方 式，即降低水灰比和掺入引气剂，就经济性和可靠性而言，掺入引气剂不仅经济，而且 效果比较理想，并阐述了引气机理及引气剂对抗冻性和耐久性的影响。 1 3 第三章贫混凝土基层原材料要求及配合比 第三章贫混凝土基层原材料要求及配合比 材料的创新和发展促进了现代科学技术的发展，而现代科学技术的发展又使人们更 加清楚地认识到材料的重要性。在道路施工与桥梁建筑工程中，特别是在高等级公路的 修建过程中，道路不仅要受到车辆载荷的复杂力系作用，而且又受到各种恶劣环境的影 响。为了适应不同工程建筑的技术要求，所有原材料既要具备一定的物理和化学性能， 又要保证在各种恶劣的自然条件下，其综合性能不会下降，尤其是作为水泥混凝土或沥 青混合料的原材料，应严格按照级配理论组成配制所要求的矿质混合料，以满足工程实 际需求。对于水泥混凝土道路贫混凝土基层来说，原材料的质量是保证混合料质量及基 层、面层整体质量好坏的基础，为此，贫混凝土原材料应具备以下四个方面的性质【1 2 】。 1 力学性质 力学性质是材料抵抗车辆载荷复杂力系综合作用的性能。主要是通过材料的抗拉、 抗压、抗弯、抗剪以及冲击、磨耗、磨光等指标来反映。 2 物理性质 主要通过测定材料的物理常数，如表观密度( 也称视密度) 、毛体积密度、松散堆 积密度、孔隙率、含水率等来了解材料的内部组成结构，并且由于物理常数与力学性质 之间有一定的相关性，还可以用来推断材料的力学性质。 3 化学性质 化学性质是材料抵抗各种环境因素对其化学作用的能力，道路原材料主要受周围介 质，即气候条件( 如气温的交替变化，雨雪天气，太阳中的紫外线等) 和大气因素( 如空气 中的水、氧、氮等) 的综合作用下，会引起材料的老化。影响材料性质的主要因素是温 度和湿度。一般材料随温度的升高、湿度的加大而强度降低。因此，温度稳定性、水稳 定性是某些材料性能的主要指标之一。 4 工艺性质 工艺性质是指材料适合于按一定工艺要求加工的性能。例如，水泥混凝土拌合物需 要一定的工作性以及和易性，以便施工。 水泥混凝土是由水泥石将集料胶结在一起而成的固体复合型材料，其基本组成有粗 集料( 石) 、细集料( 砂) 、水泥和水。但随着混凝土技术的进步和工程要求的不断提高， 混凝土行列中的组成中又添加了矿物掺合料、外加剂和纤维材料等成分，这些组分对改 善混凝土的工作性、和易性以及强度，起到了非常重要的作用，他们中的许多已经成为 混凝土中不可缺少的组分。下面针对白霍线( 白音华至霍林郭勒线) 贫混凝土基层原材 1 4 长安大学硕士学位论文 料及配合比作以概述。 + j一 ， 3 1 细集料的选择及要求 对于水泥混凝土而言，集料在混合料中发挥骨架作用，是混凝土力学性能的主要来 源，因此，在混凝土中的重要性是不言而喻的。集料按颗粒大小可分为粗集料和细集料， 当粒径大于4 7 5 m m ( 方孔筛) 的颗粒为粗集料，粒径小于4 7 5 m m 的颗粒为细集料。 不同粒径的集料在水泥混合料中所起的作用不同，因此对它们的技术要求也就不刚1 3 1 。 细集料通常也称砂子，主要有自然风化而成的天然砂，还有一部分为天然岩石经过 破碎的机制砂，或者是二者混合起来的混合砂。砂是不同粒径颗粒的混合体，粒径越大， 则比表面积越小，包裹砂表面积所需要的水和水泥浆用量就越少。因此，采用粗砂配制 混凝土，可减少拌和用水量，节约水泥用量，并可降低水化热，减少混凝土的干缩与徐 变，但用过粗的砂对石子的