（道路与铁道工程专业论文）路面水泥混凝土耐久性试验研究.pdf

摘要 水泥混凝土路面的耐久性不足是影响路面使用性能、缩短路面使用寿命的主 要因素。水泥混凝土路面的耐久性包括很多方面，结合国内外研究状况，本文着 重研究了混凝土的早期抗裂性、抗冲击性能和抗渗性。 本文结合有关资料，自制试验设备，采用平板试验法( p l a n tt e s tm e t h o d ) 测试混凝土的抗裂性，用冲压冲击试验法( d r o p - w e i g h tm e t h o d ) 测试混凝土 的抗冲击性能。通过大量的试验，研究了水灰比、砂率、粗集料类型、集料的级 配、粉煤灰和硅灰的掺量对混凝土的抗冲击性能和早期抗裂性的影响，试验结果 证明：1 减小集料的最大粒径可以提高混凝土早期抗裂性和抗冲击性能；2 使用 碎石连续级配集料对混凝土的抗冲击性能有利，但是，粗集料的级配类型和表面 性能对混凝土的抗裂性影响不大；3 混凝土的抗冲击性能随着粗集料的针片状颗 粒含量和含泥量的增加而降低4 在混凝土中掺入粉煤灰能够大幅度的提高混凝 土的抗冲击性能和抗裂性；在混凝土中掺入一定量的硅灰能够大幅度的提高混凝 土的抗冲击性能，但是会严重降低混凝土的抗裂性；5 混凝土的抗冲击性能随着 水胶比的增大而减小；混凝土的抗裂性随着单位水泥用量的增加而降低。在室内 试验的基础上，分析了原材料及配置参数对混凝土耐久性的影响规律和作用机理， 提出了路面混凝土原材料选择的原则。同时，分析了传统混凝土配合比设计方法 的不足，提出了一种适合路面混凝土的耐久性设计方法。 在室内试验结果的基础上，结合湖南s 1 0 3 公路改建工程，铺筑试验路，进行 了现场试验研究。根据我们提出的耐久性混凝土配合比设计方法进行混凝土的配 合比设计，结合施工情况，提出了合适的施工工艺和质量控制措施。路面使用一年 后进行现场检测，路面没有出现裂缝，使用状况良好。 关键词：水泥混凝土路面；耐久性；抗冲击性能；早期抗裂性；配合比设计方法 a b s t r a c t t h el a c k o fd u r a b i l i t yo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ti st h em a j o rf a c t o r i n n u e n c i n gs e n r i c e a b i l i t y0 fc e m e n tc o n c r c t ep a v e m e n ta n ds h o n e n i n gp a v e m e n t s e r v i c el i f c s i n c et h ed u r a b i l i t yo fc e m e n tc o n c f c t ep a v e m e n ti n c l u d e sal o to f a s p e c t s ，t h ep a p e rf i x e sa t t e n t i o no nt h ee a d yc r a c l 【i n gr c s i s t a n c eo fc o n c r e t e ，i m p a c t r c s i s t a n c ep e r f b m 她c e 姐da n t i p e 瑚e a b i l i t yb a s e d t h er e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n d a b r o a d c o m b i n i n gw i t hr e l e v a n td a t a ，e x p e r i m e n t a le q u i p m e n ti ss e l f _ d e s i g n e d ，p l a n t t e s tm e t h o di si n t r o d u c e dt 0t e s tt h ec r a c k i n gr e s i s t a n c eo fc o n c r c t e 柚dd m p w e i g h t m e t h o di su s e dt ot e s tt h ei m p a c tr c s i s t a n c ep e r f o m a n c e0 fc o n c r c t ei nt h ep a p e r b ya l o t0 fe x p e r i m e n t s ，t h ep a p e r ”s e a f c h e st h ee f f c c to fw a t e r c e m e n tr a t i o ，s a n dr a t e ， c o 盯s ea g g r c g a t et y p e s ，g 豫d a t i o no fa g g r e g a t e sa n da d d i t i o no fn ya s h 孤ds i l i c af u m e t ot h ee 盯l yc n c l 【i n gr c s i s t a n c eo fc o n c r e t e 雠di m p a c tr c s i s t a n c ep e r f 0 珊a n c e ，柚d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sc 锄p r o v et h ef o l l o w i n gp o i n t s ：1 m i n i s h i n gt h em a x i m u m p a r t i c l es i z eo fa g g r e g a t ec a ni m p r o v et h ee a r l yc r a c 虹n gr c s i s t 锄c eo fc o n c r e t ca n d i m p a c t r e s i s t a n c ep e r f o m a n c e ； 2 u s i n gc n l s h e d s t o n ec o n t i n u o u sg r a d a t i o n a g g r e g a t ei sg o o dt ot h ei m p a c tr e s i s r a n c ep e 订d 瑚a n c eo fc o n c r e t c ，b u tg r a d a t i o n t y p e sa n df a c i a lp e r f o r m a n c eo fc o a r s ea g g r e g a t eh a v el i t t l ei n n u e n c eo nt h ec r a c k i n g r e s i s t a n c eo fc o n c r e t e ；3 t h ei m p a c tr e s i s t a n c ep e r f o 珊a n c e0 fc o n c r e t ed e p r e s s e s w i t ht h ec o n t e n to fe l o n g a t e da n dn a k yp a r t i c l e si nc o a r s ea g g r e g a t ea n dm u dc o n t e n t i n c r e a s i n g ； 4 m i x i n gn ya s hi n t oc o n c r e t ec a na d v a n c et h ei m p a c tr e s i s t a n c e p e r f o r m a n c eo fc o n c r e t ea n dt h ec r a c k i n gr e s i s t a n c eg r e a t l y ；m i x i n gs i l i c af u m ei n t o c o n c r e t ec a ni m p r o v et h ec r a c k i n gf e s i s t a n c eo fc o n c r e t ee v i d e m l y b u tt h ec r a c k i n g r e s i s t a n c e0 fc o n c r e t ei sr e d u c e db a m y ；5 t h ei m p a c tf e s i s t a n c ep e r f o 皿a n c eo f c o n c r e t em i n i s h e sw i t h w a t e f _ b i n d c rm t i o 斟o w i n g ； t h ec n c k i n gr e s i s t a n c e0 f c o n c r c t ed e p r e s s e sw i t hc e m e mc o n t e n ti nc o n c r e t ca d d i n g 0 nm eb a s i s0 ft h e l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s ，t h ep a p e ra n a l y z e sh o wm a t e r i a la n dc o n f i g u m t i o np 盯a m e t e f i n n u e n c et h ed u 姐b i l i t yo fc o n c r e t e ，a n dp u tf o r w a r d sp r i n c i p l e st os e l e c tm a t e r i a lo f p a v e m e n tc o n c r e t e m e a n w h i l e ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ed e f i c i e n c yo fm i xd e s i g n m e t h o do fo r d i n a r yc o n c r e t e ，i na d d i t i o n ，p f o p o s e sam e t h o df o rd u r a b i l i t yd e s i g n w h i c hi ss u i t a b l ef o rp a v e m e n tc o n c r e t e c 0 m b i n e dw i t hh u n a ns1 0 3r o a d 佗c o n s t m c t i o ne n g i n e e r i n g ，e x p e r i m e n t a lr o a d i s p a v e d a n ds o m e s p o te x p e r i m e n t s h a v eb e e nd o n e ， b a s e d0 n l a l b o r a t o r y e x p e r i m e m a lr c s u l t s m i xp r o p o n i o no fc o n c r c t ei sd e s i g n e dm a l 【i n gu s eo ft h em i x d e s i g nm e t h o do fc o n c r e t e o nt h eb a s i so fc o n s t r u c t i o n ，a p p r o p r i a t et 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 ro n ey e 盯sm n n i n g ，t h er o a di s d e t e c t e da n dt h er e s u i ts h o w st h a tt h ep a v e m e n ti si n9 0 0 dc o n d i t i o nw i t h o u tc r a c k k e yw o r d s ： c e m e n tc o n c n t ep a v e m e n t ； d u r a b m t y ；i m p a c tr e s i s t a n c e ；e a r l y c r a c k i n gr e s i s t a n c e ；m i xd e s i g nm e t h o d i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：易k 琴日期：叩年斗月7 日 学位论文版权使用授权书 ， 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：多；k 芗 日期：知7 年廿月可日 导师签名： 划彦缪泰 日期：如7 年驴月 f 刁日 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 自从1 8 2 4 年英国工匠l a d s 和a s p d i n 取得了波特兰水泥的发明专利后，水泥 混凝土材料开始广泛应用于道路与桥梁工程、机场工程、工业与民用建筑等各种 工程中，并且成为工程建设领域最重要的建筑材料。 在公路工程中，混凝土材料主要用在水泥混凝土路面中。目前，我国的水泥 混凝土路面每年的建设里程已经在1 5 0 0 0 一2 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 。水泥混凝土路面能够广泛应用是因为它有许 多优点： 1 刚度大，承载能力强。混凝土路面板弹性模量在( 3 5 ) 1 0 4 m p a 之间。 2 耐水性、耐高温性强。在降雨量大的地区以及短期浸水的过水路面上，车 辆能正常通行。在高温季节也不会象沥青路面那样产生车辙，影响路面的平整度 和行车质量。 3 弯拉强度大，疲劳寿命长。混凝土路面的弯拉强度能达到5 5 m p a ，甚至 更高。正常合格混凝土路面板在标准轴载的应力强度比下，疲劳寿命长达 5 0 0 _ 一一l 0 0 0 万次弯曲疲劳循环。 4 刚性路面耐候性、耐久性优良。在正确的设计和保证施工质量条件下，水 泥混凝土路面的耐候性、抗冻性、抗滑性和耐磨性等耐久性优良。 5 刚性路面平整度衰减慢、高平整度维持时间长。 6 水泥混凝土路面更环保。当水流经或渗透过水泥混凝土天然材料时路面的 水对周围土壤和地下水无毒、无污染，是环保型路面类型。 7 耐油、耐火、耐酸碱腐蚀性强。水泥混凝路面对油类、酸类、盐碱或其 他易溶蚀、腐蚀沥青的化学或生物介质相对不敏感。 8 使用寿命长。高速、一级公路水泥混凝土路面的设计基准期为3 0 年，沥 青路面的设计年限为1 5 年，设计年限比沥青路面长一倍，在保证建设质量的条件 下维修费用很节省。 9 刚性路面运营油耗低、经济性好。水泥混凝土刚性路面在任何等级的轴载 作用下，均无柔性路面的弯沉盆，不像沥青路面，当重车行驶时，始终在爬弯沉 盆，所以在运营当中车辆的燃油消耗比沥青路面节省1 5 一2 0 。 1 0 混凝土的组成材料容易得到。水泥，集料是一种地方性材料，可就地取材， 利于发展地方经济。 但是混凝土路面也有一些缺陷。从9 0 年代以来，我国修筑了许多水泥混凝士 路面，从已修筑的水泥混凝土路面使用情况来看，病害的发生相当广，量相当大， 有的病害发生在施工期间，有的发生在使用期间。从众多的调查来看，混凝土路 面的开裂和断板现象相当严重。这些病害一旦发生，修复极其困难，且修复费用 相当高( 敲掉和补好一块4 o o m 5 0 0 m 0 2 5 m 的混凝土板至少需要4 0 0 0 5 0 0 0 元) 。但是如果不及时修复，开裂破损面将进一步扩展，影响行车的安全性、舒适 性及行车速度。造成这些问题的原因是多方面的，既有内因也有外因，但是混凝 土本身的性能是最主要的影响因素【l l 。 首先，混凝土不是完全密实的，内部含有孔隙，这些孔隙的存在为外界物质 侵入混凝土提供了通道；另外外界物质也可以通过扩散、渗透或吸收作用进入混 凝土的内部，造成路面的损坏。因而，混凝土结构在使用过程中会受到各种物理 侵蚀和化学侵蚀。这些侵蚀作用主要有冻融侵蚀、硫酸盐侵蚀、酸性物质侵蚀、 氯化物侵蚀等。这些病害的发生与混凝土的抗渗性有直接的关系，提高混凝土的 抗渗性即可减少这些病害的发生。 另外，除了外界的侵蚀，混凝土的早期开裂也是造成路面耐久性降低的主要 原因，并且混凝土开裂后，为外界物质提供了入侵的通道，会加剧这些物理侵蚀 和化学侵蚀。众所周知，混凝土浇筑以后会产生收缩。如果由于材料选择、配合 比设计、施工质量、养护等某一方面或几方面出现问题将会加剧混凝土的收缩， 由于混凝土是一种脆性材料且抗拉强度低，所以当由于混凝土收缩产生的拉应力 大于混凝土的抗拉强度时，就会产生裂缝。混凝土的早期收缩裂缝在浇筑后1 2 天就会产生，如果养护措施不当，裂缝会继续发展。虽然有些裂缝很细小，肉眼根 本看不出，但是它却会严重影响路面结构的性能。在路面开放交通以后，在车辆荷 载的反复作用下，原有的裂缝会被诱发并且不断的扩展，最终产生可见的裂缝，严 重影响路面的使用性能。如果不及时的维修，损害会进一步的加剧，最终导致混凝 土路面的整体破坏。 混凝土路面在设计使用年限内正常工作，除了满足短期的耐久性，还要保证 长期的耐久性。路面在使用年限内要经受几十万甚至上百万次的车辆荷载作用。 由于路面是薄板结构，厚度只有2o 一3oc m ，即使路面早期没有开裂，在长期的 车辆荷载的作用下，路面不断经历载荷一一卸荷的过程，每一次载荷卸荷过 程对路面结构都会有一定的损伤，这些损伤累加到一定程度也会产生裂缝。特别 是当路面平整度差时，车辆颠簸对路面产生更大的冲击荷载，混凝土材料在冲击 动载作用下，内部的细微裂缝不断的诱发、扩展、恢复、再诱发、再扩展、再恢 复这样不断的循环，在每一次循环过程中路面的损伤程度和持续时间( 寿命) 主要 。取决于混凝土材料的结构特性，即原发裂缝的尺度和数量及其在反复冲击荷载作 用下阻止裂缝扩展的能力【2 ”。因为混凝土材料在水化的过程中不可避免的会产生 2 细微裂缝和孔隙，这就为冲击荷载作用下裂缝的扩展提供了必要条件。因此研究怎 样减少混凝土内部的原发裂纹的尺度和数量，增加混凝土的阻裂能力成为提高路 面长期性能的关键途径。 欧美等发达国家的基础设旌建设比较早，他们最早注意到混凝土的耐久性问 题。在欧美，有许多结构在设计使用年限内都发现了耐久性破坏，有些结构只使 用几年就出现破坏，因此，每年要花费大量的维修加固费用。1 9 8 9 年，美国联邦 公路局向国会提交的美国公路和桥梁现状中指出，当时积压的有待维修的桥 梁须耗资1 5 5 0 亿美元。1 9 9 8 年英国高速公路桥梁由于除冰盐引起腐蚀的损失仅 在英格兰和威尔士就达到6 2 亿英磅。在日本和加拿大每年投入的维修费用也相 当多。现在混凝土的耐久性问题已经引起世界各国的重视。从上世纪六七十年代 开始，欧美等发达国家相继开始研究混凝土耐久性问题产生的原因及维修和控制 方法，取得了一些成果，但是还有待于进一步的研究【4 l 。 国内关于混凝土的耐久性问题的研究始于上世纪9 0 年代。现阶段，我国正在 进行大规模的基础设施建设，全国的公路网以及各省的公路网建设正在如火如荼 的进行，其中相当一部分高等级公路都采用水泥混凝土路面。在这个背景下，研究 混凝土路面的耐久性对于提高路面的使用性能、延长路面的寿命有很大帮助，同 时能减少后期的维修费用以及因为维修路面带来的间接的经济损失。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 全世界第一条水泥混凝土路面是1 8 6 5 年在英国修筑的，至今已有1 4 0 年的历 史了。与此同时，世界各国在不断的研究和完善水泥混凝土路面的设计理论和建 造技术，已经建立了比较完善设计理论。混凝土路面的施工技术也有了很大的发 展。随着大量高等级水泥混凝土路面的使用，混凝土路面的耐久性问题逐渐暴露 出来。 为了解决混凝土因耐久性不足而引起性能劣化的现象，许多国家投入大量的 人力财力进行研究。上世纪8 0 年代，美国公路战略研究计划( 简称s h r p ) 系统 的研究了混凝土路面耐久性问题产生的原因及解决方法。与此同时，美国联邦公 路管理局也制定计划，研究桥顽板耐久性检测和钢筋锈蚀的防护问题。欧洲也投 入了大量人力财力研究混凝土的耐久性。1 9 9 2 年，欧洲混凝土委员会颁布了耐 久性混凝土结构设计指南，它反映了当今欧洲混凝土结构的耐久性研究水平1 4 l 。 与此同时国外的专家学者也进行了长久的研究，他们的研究主要集中在一下几个 方面。 1 2 1 1 抗物理侵蚀和化学侵蚀性能 3 目前，国外对混凝土的化学侵蚀和物理侵蚀方面的研究已经比较深入，尤其 是在混凝土碳化、钢筋锈蚀和冻融循环等方面，已经制定了相应的标准规范。 s h r p 研究了硫酸盐侵蚀及氯离子侵蚀的机理，并提出了评价方法。他们认 为硫酸盐侵蚀的主要原因是单硫型铝酸盐形成钙矾石后体积膨胀，使混凝土产生 内应力，最终导致混凝土开裂。氯离子侵蚀的原因是产生了可溶的铁一一氯化铁， 导致疏松多孔铁锈的沉淀和氯的释放而不断侵蚀。t c p o w e r s 研究了冻融破 坏的机理，提出了著名的水压力理论和渗透压理论，他认为混凝士发生冻融破坏 是因为毛细孔中的水结冰膨胀挤压未受冻的水分向未受冻的混凝土内部移动，水 的流动通过微孔的过程中发生粘性阻力形成水的压力梯度，当移动压力超过混凝 土的抗拉强度，混凝土就会产生劣化。 1 9 4 0 年，美国学者t e s t 粗t o n 正式提出碱一集料反应( a l k a l i a g g r e g a t e r e a c t i o n ，aar ) 问题，随后各国学者开始重视碱一集料反应。t e st 柚t o n 认为碱一集料反应的原因是：在有外界水分供应的情况下或相对湿度较高的环境 中，混凝土中的某些集料中的无定形二氧化硅与含碱量高的水泥中的碱产生反应， 致使混凝土体积膨胀，导致混凝土开裂。目前，在世界范围内已经发现了三种类 型的碱一集料反应：碱一硅反应( a l k a l i s i l i c a r e a c t i o n ，asr ) ，碱一碳酸盐 反应( a l l 【a l i c a r b o n a t e r e a c t i o n 。a c r ) ，碱一硅酸盐反应( a l k a l i s i l i c a t e r e a c t i o n a s r ) 。 在对混凝土的物理侵蚀和化学侵蚀机理研究的基础上，各国也提出了相应的 评价方法和解决办法。在抗冻性方面，国际上比较通用的评价标准是以美国a s t m c6 6 6 8 6 a 标准试验方法为基础的快速冻融试验法。这一标准规定对混凝土试件 进行3 0 0 次快速冻融循环，定义3 0 0 次循环后的动弹性模量的损失为抗冻耐久性 指数d f 。在北美认为有抗冻要求的混凝土，d f 值须大于或等于6 0 。国内外的 学者一致认为适当的引气能改善混凝土的抗冻性，在欧美等国的标准中都对混凝 土的引气量、气泡间距系数等指标都有规定。国际上通常采用氯离子扩散系数来 评价混凝土的抗渗性。瑞典的唐路平提出了c t h 法或r c m 法，测定氯离子扩散 系数，后来被定为北欧的标准( n tb u i l d4 9 2 ) 。但是，国外最常用的抗渗性评 价方法是美国a s t mc 1 2 0 2 快速电量测定方法为基础的标准试验方法。 1 2 1 2 抗裂性 因为裂缝是影响混凝土耐久性的主要原因，所以，在2 0 世纪六七十年代，国 外学者开始研究水泥、集料对混凝土的早期开裂的影响。f m l e a 研究了水泥品 种对混凝土收缩的影响，他认为混凝土的收缩与水泥的品种无关，因为各种类型 的水泥硬化以后均会产生基本相同的收缩，同时他还指出收缩与胶凝体的物理结 构有关；斯韦兹( s w a y z e ) 证明集料对收缩有抑制作用；赖卡德( r e i c h 盯d ) 研究认 4 为集料的弹性模量越大对混凝土收缩的抑制作用越强；g p i c k e t 认为集料的含量 对混凝土的收缩也有重大影响，随着集料含量的增加混凝土的早期收缩减少； t c p o w e r s 认为大颗粒集料能更有效的抑制收缩l 目。在进行理论研究的同时，也 提出了一些评价混凝土早期开裂性能的试验方法，例如：日本笠井芳夫教授发明 的开裂平板试验、美国s p s h a h 提出的圆环试验法等 1 2 1 3 疲劳性能 混凝土路面在周期性的重复荷载作用下的累积损伤问题称为疲劳损伤。国外 对疲劳损伤研究的重点是通过研究混凝土结构由于疲劳累积损伤而造成性能劣化 的演化规律，建立疲劳损伤模型。早在1 9 2 4 年p a l m g r e n 就提出了p a l m g r e n m i n e r 准则，通常简称为m i n e r 准则嘲。该准则假设，损伤的累积与应力循环次数成 线性关系，且当损伤累积达到1 时，材料发生疲劳破坏。但是，大量的试验表明， 混凝土的疲劳累积损伤规律呈现非线性的特点，因此研究混凝土的非线性疲劳累 积损伤模型是必要的。m 盯c o 和s t a r k e y 提出了他们的非线性疲劳累积损伤模型， 该模型提出，在等幅加载下，损伤随循环周比按幂函数关系变化1 7 l 。另外，b a s q u i n 提出了适应于高周疲劳的经典疲劳模型b a s q u i n 方程。 1 2 1 4 抗冲击性能 国外对混凝土抗冲击性能的研究也比较早。早在2 0 世纪6 0 年代，格林( g r e e n ) 作了大量的试验，他认为试件承受重复落球的能力和吸收的能量可以做为评定混 凝土冲击强度的主要标准。格林发现，混凝土的冲击强度随静力抗压强度的增加 而增加，当抗压强度相同时，棱角较多和表面粗糙的粗集料混凝土的冲击强度较 高。达赫姆斯( da h m s ) 研究认为，采用较小的最大颗粒集料可以大大改善混 凝土的抗冲击性能【”。 在混凝土中掺加各种纤维能大大提高混凝土的抗冲击性能。国外学者在这方 面做了大量的研究。美国南达柯塔矿业与工程学院的研究表明混凝土的抗冲击性 能随丙纶单丝纤维的掺量增加而提高。k h a j u r i a 和b a l a g u r a 研究认为即使掺加体 积率仅为0 0 5 的尼龙纤维，也可使混凝土的抗冲击性能大大提高。同时，增加 纤维的平均长度也有利于抗冲击性能的进一步提高。 t c p o w e r s 研究了钢纤维混凝土的抗冲击性能。他认为钢纤维的掺入能大大 提高混凝土的抗冲击性能和承受重复荷载的能力。1 9 7 3 年俄亥俄州格林县进行了 钢纤维混凝土大型路面试验工程，试验了3 种3 5 k g m 3 、5 9 k g m 3 、9 4 k g m 3 纤维 含量和5 0 衄，7 5 m m 两种罩面厚度的路段。研究认为纤维掺量为9 4 k g m 3 路段的 抗冲击性能大大好于纤维掺量只有3 5 k g ，m 3 和5 9 k g m 3 路段的抗冲击性能。 1 2 1 5 耐久性设计方法 近几年，世界各国研究的重点转向了混凝土结构的耐久性设计方法。1 9 9 0 年 日本土木工程学会提出了以累积评分方法来估算混凝土结构使用寿命的耐久性设 计技术文件，该文件针对不同环境类别的侵蚀作用，提出材料性能劣化的理论和 经验模型，并据此估算结构的使用寿命。1 9 9 6 年国际材料与结构试验研究室联合 会( r i l e m ) 的1 3 卜c s l 技术委员会提出了混凝土结构的耐久性设计的报 告，对基于材料模型分析的混凝土结构耐久性设计方法做了全面和系统的论述。 1 9 9 5 年欧共体资助了一项明为d u r a c r c t e 的研究项目，旨在发展以性能和可靠度 分析为基础的混凝土结构耐久性设计方法，这一项目与1 9 9 9 年结束，在2 0 0 0 年 出版了一份名为混凝土结构耐久性设计指南的技术文件。 1 2 2 国内研究概况 从9 0 年代以来，国内的专家学者充分认识到由于混凝土结构耐久性问题会带 来的巨大经济损失。建设部在“七五”和“八五”期间都专门设立课题研究混凝 土的耐久性问题。“七五”公关课题为“大气条件下钢筋混凝土结构耐久性及其使 用年限”，包括结构耐久性的调查、钢筋锈蚀、混凝土碳化、温湿度对碳化的影响； “八五”公关课题为“预应力混凝土结构及混凝土耐久性技术”，研究内容有已建 混凝土结构耐久性设计方法，混凝土结构的耐久性检测和评估方法等。与此同时， 国内的专家学者也在混凝土耐久性研究方面做了大量的工作。 1 2 2 1 抗物理化学侵蚀性能 在混凝土物理侵蚀和化学侵蚀研究方面，国内起步较晚，但是也取得了一定 的成果。例如清华大学的路新瀛提出n e l 法来测定混凝土的氯离子扩散系数，该 法是测定高浓度真空饱盐试件的电导率，然后根据n e r n s 卜一e i n s t e i n 方程算出氯 离子扩散系数d n e l ，该法曾被国内一些单位采用。目前，国内工作的重点是在借 鉴国内外研究成果的基础上制定自己的耐久性设计方法，编制相应的标准规范。 我国过去颁布的规范对于公路工程中混凝土结构的耐久性和使用寿命的要求 偏低。2 0 0 1 年由长沙理工大学和清华大学作为主编单位，交通部公路规划设计院、 国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心和广东虎门大桥有限公司作为参编单 位，组成了公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范编制组。编制组的专家在对 国内公路工程混凝土结构的现状进行广泛的调查研究的基础上，吸收国内外最新 的研究成果制定了公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范。该规范充分考虑了结 构使用过程中可能遇到的大气及环境污染、氯盐、硫酸盐、冰冻和除冰盐等化学 与物理侵蚀作用，根据各种环境作用对混凝土结构的腐蚀程度，把环境腐蚀作用 分为六个等级，并且规定了各种环境腐蚀等级下混凝土结构设计和施工的基本要 求。 2 0 0 0 年，中国工程院提出一个名为“工程结构安全性与耐久性研究”的咨询 6 项目。该项目联系国内的有关专家组织成立专门的编审组，着手编写了混凝土 结构耐久性设计与施工指南并已通过建设部的审定，做为正式技术标准来指导 设计和施工。 在2 0 0 3 年版的公路水泥混凝土路面施工技术规范中，对公路工程混凝土 结构中经常出现的钢筋锈蚀、冰( 盐) 冻、碱一集料反应、酸雨和路面磨损等病 害的防治都做了规定。 1 2 2 2 抗裂性 虽然国内还没有制定关于混凝土的抗裂性的标准，但是国内的专家学者在这 方面也做了许多工作。 黄土元教授认为，混凝土结构的收缩和膨胀都会受到一定程度的内部约束和 外部约束，因此不可能从根本上消除收缩裂纹【 l 。吴中伟院士研究了混凝土的收 缩机理，提出了相向变形和背向变形的概念。他把不受约束的收缩称为“相向变 形”，不受约束的自由膨胀称为“背向变形”。 同济大学的施惠生教授研究了混凝土早期开裂的原因，论述了混凝土裂缝的 形成机理。他指出混凝土的组成、结构和所处的环境对混凝土的早期开裂都有深 刻的影响。水泥水化后混凝土内部产生的毛细管应力、水泥水化过程中温度变化 引起的应力、减水剂及超细矿物掺和料的使用都会引起混凝土的收缩进而产生裂 缝，而引起混凝土开裂的主要原因是混凝土内部和表面的温度与湿度不同引起的 温度梯度和湿度梯度l i o 1 l l 。黄土元教授和朱梦良教授也认为混凝土内部的温度梯 度和湿度梯度是造成混凝土开裂的主要原因。 同济大学的黄土元教授、福州市建筑科学研究所的钟进章认为：水泥的性能 和外加剂的加入对混凝土收缩影响很大。高早强水泥的使用和混凝土单位水泥用 量的提高，增大了混凝土发生早期开裂的可能，进而为水分的侵入提供了通道， 大大影响了混凝土的耐久性。钟进章认为高效减水剂的使用会使混凝土更容易开 裂p 1 2 j 。 长沙交通学院的朱梦良教授等人对水泥混凝土路面的早期病害进行了深入的 分析研究，尤其是对温缩裂缝产生原因和层间摩擦力的研究，提出了他们的观点。 混凝土路面的温度收缩主要受温峰与环境温度的温度差幅度控制，另外，环境的 降温速度也起着极其重要的作用，因为缓慢降温使得收缩徐变可以抵消部分收缩 应力，从而减少开裂的可能性。他们认为面层与基层的约束不是单纯的摩擦力， 而是由静摩擦力和层间粘结剪应力两部分组成，他们通过实测得出层间约束力中 粘结剪应力比静摩擦力大得多，相差3 卜1 3 0 倍l - l 。 华南理工大学的张艳铃等人研究了养护条件和砂率对混凝土早期开裂的影 响。她们认为，对于较大水灰比的混凝土，干燥塑性收缩是开裂的主要原因。混 7 凝土初凝以后盏膜养护能够有效地阻止新拌混凝土内部的水分蒸发，因而可避免 混凝土的干燥收缩裂缝。同时，砂率越大，混凝土的抗裂性越差。他们认为小水 胶比的混凝土早期开裂主要由自生收缩引起的，盖膜养护能够阻止表面水分的蒸 发，但是，混凝土的白干燥弓l 起的收缩将不可避免；另外，砂率越大越容易开裂； 砂的细度模数越大，早期开裂越严重m 】。 哈尔滨工业大学材料学院的巴恒静教授研究了掺和料对高性能混凝土早期开 裂的影响。试验证明，掺硅灰对混凝土的抗裂性有不利影响，但是最终开裂程度 不随硅灰掺量的增加而加重；掺粉煤灰能够减少混凝土的早期开裂，但是开裂程 度也不会随粉煤灰掺量的增加而减轻1 1 4 l 。 1 2 2 3 抗冲击性能 国内对混凝土抗冲击性能的研究起步较晚。上世纪9 0 年代，东南大学的孙伟 教授研究了钢纤维混凝土的抗冲击性能。她认为钢纤维的掺入调整和改善了混凝 土的孔结构，减少与缩小了裂缝源的数量和尺度，缓和了裂缝尖端的应力集中程 度，抑制了裂缝的引发与扩展，从而推迟了疲劳与冲击损伤的过程，大大改善了 混凝土的抗冲击性能。钢纤维的掺入可使混凝土的抗冲击性能提高十几倍甚至几 十倍。孙伟教授在对镉纤维混凝土抗冲击特性及疲劳特性研究的基础上还提出了 两种路面结构形式，即：全截面钢纤维混凝土路面和钢纤维混凝土与素混凝土分 层复合路面【2 ，- ”6 j 。 孙伟教授还研究了双掺硅灰和钢纤维的混凝土的抗冲击性能，研究认为，同 时掺入硅灰和钢纤维比单一掺硅灰或钢纤维对混凝土的性能提高更为明显。苏州 城市环保学院的姜正平等人也得到了相同的结论，并且他们认为钢纤维的掺率对 混凝土的抗冲击性能也有影响，掺率越高抗冲击性能越好，但是随着掺率的提高， 应该大幅度提高混凝士基材的质量。 上海市市政研究院的孙家瑛等人认为聚丙烯纤维的掺入能提高混凝土的抗冲 击性能，并且随着掺率的增加，混凝土抗冲击性能的提高更明显，另外纤维高性 能道路混凝土的抗冲击性能随混凝土基材强度的提高而增长1 1 7 j 。东华大学的刘卫 东等人通过对聚丙烯纤维混凝土的研究得出了相同的结论，但是他认为聚丙烯纤 维存在一个最佳掺量值。 北京工业大学建筑工程学院的邓宗才等人提出了层布钢纤维的路面结构形 式，他们认为层布钢纤维混凝土破坏时的冲击次数比全掺钢纤维混凝土高，并且 层布钢纤维混凝土结构的钢纤维掺量只是全掺钢纤维结构的l o f l i ，。 1 2 2 4 路面混凝土的原材料 国内的专家学者还研究了混凝土原材料的性能，希望通过改善原材料的性能 来提高混凝土的耐久性。国内对混凝土原材料的研究主要集中在水泥、矿物掺合 8 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。外加剂的种类很多，按其功能 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，以天然野生植物皂荚为主要原料，主要成分为有机物 三萜皂，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m l 型混凝上引气剂。它是一种复合型引气剂，由松香酸盐及其衍生物、 多元醇、醚胺类化舍物等多组分复合而成的产物；它属于阴离于型表面活性剂， 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3 0 0 次。 1 2 2 5 路面耐久性混凝土的配合比设计研究 吴中伟提出简易绝对体积法，按照最大密室性原则设计路面混凝士【1 9 i 。陈建 奎等对路面混凝土耐久性设计，提出一种全计算方法，修正了传统的绝对体积法。 按照他们提出的全计算法，对混凝上拌合物的设计，可以由公式计算得到【2 0 l 。吴 中伟等人认为：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、陈肇元等研究了配合比设计和质量控制的计算机系统，提 出了由两个设计指标( 强度和工作度) 和三个设计方程( 强度方程，工作度方程， 组成方程) 进行高性能路面混凝土配合比设计的方法。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。李容湘等进行了路面混凝土配合比多目标优化和实时控制的研究，应用 多目标规划方法，求出各种材料的最优用量和相应的技术指标。 据悉：国务院年初审议通过了国家高速公路网规划。该规划采用放射线与 纵横网格相结合的布局方案，形成由中心城市向外放射以及横连东西，纵贯南北 的大通道。由七条首都放射线，九条南北纵向线和1 8 条东西横向线组成，简称 7 9 1 8 网，总规模约8 5 万公里。同时，根据社会经济发展的要求和交通加快发展 的新形势，到2 0 5 0 年我国高速公路要达到5 0 0 0 0 k m 。现在高速公路中混凝土路 面的比例己达到2 5 。随着混凝土路面耐久性问题日益突出，混凝土路面耐久性 的研究就显得日益迫切。目前，国内外对混凝土抗物理化学侵蚀的研究已经比较 充分，也提出了相应的标准。但是对混凝土早期抗裂和抗冲击性能的研究还正刚 起步，特别是对混凝土抗冲击性能的研究，国内主要集中于研究通过掺加各种纤 9 维来提高混凝土抗冲击性能，虽然效果不错，但是造价太高，混凝土的主要组成 是水泥、水、粗集料、细集料，研究通过改善集料的质量，优化混凝土的配合比 来改善混凝土的抗冲击性能将会更加经济，在我国公路事业快速发展的今天，能 为国家节省大量的资金和原材料。 1 3 本论文的主要研究内容及思路 本论文主要研究混凝土的原材料及其配合比对混凝土的耐久性的影响。在深 入分析混凝土的各种耐久性问题的基础上，制定以下技术路线： 1 通过室内试验研究材料的组成、配合比对混凝土抗裂性和抗冲击性能的影 响，为原材料的选择和配合比设计提供依据； 2 在分析国内外耐久性设计方法的基础上，结合有关运营路面钻芯取样研究 混凝土的抗渗性及疲劳寿命，探讨疲劳寿命与抗渗性的关系，为建立耐久性设计 方法提供理论和试验依据，并提出适合路用混凝土的耐久性设计方法； 3 根据室内试验结果选择原材料，按照提出的耐久性设计方法，进行混凝土的 配合比设计，应用于实体工程，铺筑试验路段，提出施工质量控制标准。 1 3 1 室内试验 室内试验部分在参考国内外研究资料的基础上，充分考虑路用混凝土的特点， 选择适合路面施工的坍落度。针对水泥混凝土耐久性的主要影响因素，采用不同 的原材料和配合比进行研究。本课题拟从以下几方面进行分析： 1 在分析水灰比对混凝土耐久性影响的基础上，选用不同的水灰比成型试件， 研究水灰比对混凝土早期抗裂性和抗冲击性能的影响。 2 分别选用卵石和碎石成型试件，研究粗集料类型对混凝土早期抗裂性和抗冲 击性能的影响。 3 在路用水泥混凝土的级配区域范围内，分别选用连续级配和间断级配的集料， 研究级配对混凝土的早期抗裂性和抗冲击性能的影响。 4 选用不同的集料最大粒径，研究集料的最大粒径对混凝土早期抗裂性和抗冲 击性能的影响。 5 选取不同砂率，研究砂率对混凝土的早期抗裂性和抗冲击性能的影响。 6 在混凝土中掺入适量的粉煤灰( 或硅灰) ，分析研究粉煤灰( 或硅灰) 及其掺 量对混凝土的早期抗裂性和抗冲击性能的影响。 7 从试验路中钻芯取样，测定混凝士的抗渗性，研究混凝土的抗渗性与耐久性 的关系。 1 0 1 3 2 试验路施工及质量控制 根据室内试验的结果，优选混凝土的原材料，配置混凝土，修筑试验路，观 察路面的早期抗裂性能。 1 4 本章小结 根据公路工程水泥混凝土路面的使用现状，首先分析了本课题的研究意义。 在总结了国内外的研究现状的基础上，提出了本论文的研究方案。 第二章原材料的性能及试验方法 2 1 原材料的性能 2 1 1 水泥 本试验选用湖南省长沙县印山台水泥厂生产的4 2 5 号普通硅酸盐水泥，其物 理力学性能见下表2 1 ： 表2 。l 水泥的基本物理力学性能表 标准稠度细度凝结时间 安定性抗折强度抗压强度 用水量 o 0 8 0 m mm i n ( 试饼法)m p a m p a