（材料学专业论文）复合式碾压混凝土路面研究.pdf

摘要 碾压混凝土是一种通过振动碾压施工工艺达到高密度、高强度的刚硬性水泥 混凝土，具有节约水泥、收缩小、施工速度快、强度高、开放交通早等技术经济 上的优势。 复合式碾压混凝土路面采取半刚性基层和碾压混凝土面层，通过“两次摊铺、 一次碾压 工艺，复合成整体结构，经过研究和工程实践表明，具有较好的路用 性能，在农村公路建设中具有良好的应用前景。论文在大量调研、室内外试验研 究以及理论分析的基础上，取得了以下主要研究成果： 针对低交通水平下农村公路复合碾压混凝土路面，提出了农村公路复合碾 压混凝土路面的水泥、粗集料、细集料等原材料的要求和技术指标。以“改进v c 值”为配合比稠度指标，以抗折强度为配合比强度指标，采用正交试验设计等方 法，研究碾压混凝土路用性能。 采用有限元技术，分析农村公路复合碾压混凝土路面结构在面层厚度、面 层模量、基层厚度、基层模量、路基模量以及面板长度等多种因素影响下的路面 荷载和温度应力变化规律，并结合不同交通等级下对路面性能的要求，提出了适 用农村公路复合碾压混凝土路面典型结构。 结合现行的公路水泥混凝土路面施工技术规范，从拌合、运输、摊铺、 碾压、表面处理、接缝处理等环节，以及各环节中施工设备的配置等方面，介绍 农村公路复合碾压混凝土路面施工工艺，提出农村公路复合碾压混凝土路面的质 量控制标准。 关键词：复合碾压混凝土；农村公路；有限元技术；典型结构；荷载和温度应力； 施工工艺 a b s t r a c t r o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ew h i c ht h r o u g hv i b r a t e dr o l l i n gc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u et o a c h i e v eh i g hd e n s i t ya n ds t r e n g t h ，o w n sa n yt e c h n i c a la n de c o n o m i ca d v a n t a g e sw i t hi t s c h a r a c t e r i s t i co fs a v i n gc e m e n t ，l o ws h r i n k a g e ，f a s tc o n s t r u c t i o ns p e e d ，h i g l ls t r e n g t ha n d o p e n i n gt r a f f i ce a r l y c o m p o s i t er c cp a v e m e n tu s e dt h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u eo fp a v i n gs e m i r i g i d b a s ea n dc e m e n tc o n c r e t es u r f a c et w i c ea n dr o l l i n ga to n et i m e ，s ot h a ts u r f a c el a y e ra n d b a s el a y e rc l i n gt o g e t h e ra n df o r mam a c r o s t u c t u r e r e s e a r c ha n d e n g i n e e r i n gp r a c t i c e s h o w , i th a sg o o dp e r f o r m a n c ea n de c o n o m i ca d v a n t a g e s ，8 0i th a sah i g ha p p l i c a t i o n v a l u ei nr u r a lr o a dc o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt oal a r g en u m b e ro fr e s e a r c ha n ds t u d i e s i n d o o ro ro u t d o o r , t h i sp a p e rs u m m a r i z e dp r o d u c t i o n 勰f o l l o w s ： f o rd i f f e r e n tt r a f f i cl e v e l so fr u r a lr o a d s ，p a p e rp r o p o s e dr e q u i r e m e n t sa n dt e c h n i c a l i n d i c a t o r so fc e m e n t ，c o a r s ea g g r e g a t e ，f i n ea g g r e g a t ea n do t h e rr a wm a t e r i a l sf o rt h e r u r a lh i g h w a yi ny u n n a np r o v i n c e u s i n g ”i m p r o v e dv e ”a st h em i xc o n s i s t e n c y i n d i c a t o r s ，u s i n gf l e x u r a ls t r e n g t ha st h em i xs t r m g t hi n d i c a t o r s ，a n du s i n go r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o d ，p a p e re x a m i n e dt h ep e r f o r m a n c eo fr c c u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tt e c h n o l o g y , p a p e ra n a l y s ev a r i a t i o n a lr u l eo fl o a da n d t h e r m a ls t r e s su n d e rav a r i e t yo ff a c t o r ss u c ha ss u r f a c et h i c k n e s s ，s u r f a c em o d u l u s ， b a s e l a y e rt h i c k n e s s , b a s e l a y e rm o d u l u s ，s u b g r a d em o d u l u sa n dt h el e n g t ho fp a n e l s r c c e a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n tt r a f f i cl e v e l s ，p a p e r p r o p o s e dt y p i c a ls t r u c t u r e so fc o m p o s i t er c c p f o rr u r a lr o a d s a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n t ”t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o nf o rc o n s t r u c t i o no fh i g h w a y c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ”，p a p e ri n t r o d u c e dr u r a lh i g h w a yr c c pc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g ya b o u tm i x i n g , t r a n s p o r t ，p a v i n g ，r o l l i n g , s u r f a c et r e a t m e n t ，j o i n tt r e a t m e n t a n dc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n ti ne v e r ys e c t o r , t h e np r o p o s e dq u a l i t yc o n t r o ls t a n d a r d s a d a p t e dt or u r a lr o a d s k e yw o r d s ：c o m p o s i t em i l e rc o m p a c t e dc o n c r e t e ；r u r a lr o a d s ；f i n i t ee l e m e n t t e c h n o l o g y ；t y p i c a ls t r u c t u r e ；l o a da n dt h e r m a ls t r e s s ；c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y 重庆交通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，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签 聃峥抽吣卜 重庆交通大学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。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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。同时 授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ， 同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 签名南莉参一彳币参 日期：幽舜q 月罗日日期：力卅年牛月i o 日 o0o bogo oq ，f ：! 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 签币叹佳 醮幽f 铂乒 b 指导教师签名：五 日期伽年f 肌。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文研究的背景 众所周知，一个功能完善的公路网是由若干条干线公路及其相互连通的支线 公路组成。目前我国以高速公路为主的干线公路网的建设取得了举世瞩目的成就， 以农村公路为主的支线公路网的建设也有长足发展。在全国农村公路建设电视电 话会上，李盛霖部长在阐述农村公路建设意义时指出，农村公路建设是推进社会 主义新农村建设的重要内容，是增加农民收入的有效途径，是扩大国内需求、拉 动经济增长的重要措施，也是构建便捷、通畅、高效、安全的交通运输体系的重 要组成部分。农村公路是我国公路网的重要组成部分，其规模大、覆盖面广，直 接服务于农业、农村经济发展和农民出行，是解决“三农”问题的基础条件之一。 因此农村公路的建设是我国现阶段交通发展的重点。 目前农村公路技术等级低、施工技术落后、很多农村公路还未曾使用油路( 或 水泥路) ，仍没有适合农村公路具体环境条件和交通条件的典型路面结构、路面材 料以及施工质量控制指标。农村公路建设标准的不统一，致使公路修建水平参差 不齐，进而导致路面的早期病害；大量的路面养护工作不仅浪费了人力、物力， 而且增加了工程投资。 根据交通部的目标要求，云南省确定了2 0 0 8 年基本完成通乡路面硬化的目标， 使全省的农村公路在路面等级和技术标准上都有一个较大的飞跃，路面硬化率上 有较大突破。到2 0 1 0 年，云南省将完成2 5 0 0 0 多公里的通乡路面硬化工程。这些 工程大多地处高原山区，路基工程量大，配套工程多，建设成本高，需要投入巨 额的建设资金。如果按照四级公路标准全部铺筑沥青路面每公里5 0 - - 9 0 万元计算， 2 5 0 0 0 公里需要资金为1 2 5 亿至2 2 5 亿。 云南省多年的农村公路建设实践探索为云南省各地农村公路路面硬化工程取 得了很多的成功实践经验，但因种种因素制约，经济、实用、安全、耐久的许多 路面结构形式大多因造价过高而无法在广大农村公路建设中得以推广应用，因此， 研究并大规模应用新型低造价路面结构具有重要的现实意义。 云南省率先在昆明市西山区西华册峨公路支线上采用碾压混凝土路面，然后 又在昆明市西山区西山一安宁段( 双哨公路) 进行扩大试验，通过分析，碾压混凝 土路面每平方米造价4 0 6 0 元，单车道路面每公里造价1 5 - 2 0 万元，双车道路面 每公里造价3 0 - 4 0 万元，与水泥混凝土路面或沥青路面相比，大大降低了工程建 设成本，每公里可节约建设资金l o p 2 0 万元，节省水泥用量1 4 - 1 3 ，因此碾压混 凝土的建设对缓解目前农村公路建设资金压力，同时减轻对国外优质沥青的依赖 2 第一章绪论 有重大经济和社会意义。 复合碾压混凝土路面( r c c + c s s ) ，是指路面上下两层( 或两层以上) 采用不 同强度的材料复合而成的整体结构。一般下层采用经济混凝土( c s s ，水泥稳定碎 石) ，上层采用强度高、耐磨性好、抗滑的碾压混凝土( r c c ) 修筑而成。上下两 层采用“两次摊铺、一次碾压”的工艺施工。由于采用一次碾压成型的工艺，这 种路面形式除了具有普通碾压混凝土的各种优势外，碾压混凝土面层和水泥稳定 碎石基层的界面连续性好，稳定性强。从上、下两层混凝土受力机理分析，上层 受拉应力较普通混凝土小，因此设计时可将面层厚度可适当减薄。 复合碾压混凝土路面具有节约水泥、造价低、施工速度快、开放交通早等优 点，有较高的应用价值，但鉴于农村公路碾压混凝土路面施工过程中机械化水平 不高，原材料、施工工艺控制不严等原因，碾压混凝土路面存在平整度差和耐磨 性能不足的问题，因此需要对其原材料、施工工艺、检验标准等进行详细研究。 针对农村公路普遍面临点多、面广、量大，投资大、筹资建设及养护困难等 具体现状，结合云南省社会经济发展状况和交通部提出的农村公路建设在技术标 准和路面结构的具体确定上，需坚持实事求是、量力而行、因地制宜的原则，研 究将复合碾压混凝土路面在农村公路建设中的可行性。通过对农村公路复合碾压 混凝土路面结构、施工工艺、原材料、质量控制等关键技术进行探索，提出适合 云南省气候条件、路基强度、交通量、旌工资源的复合碾压混凝土路面典型结构， 形成完整的碾压混凝土路面材料、施工、质量控制和典型结构等成套技术。研究 成果不仅对于提高云南省农村公路建设整体质量，同时对西部地区乃至全国农村 公路的建设均具有重要的借鉴意义。 1 2 国外碾压混凝土研究状况 碾压混凝土路面( r o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t e ，简称r c c ) 是利用沥青混凝土 路面摊铺机摊铺水泥混凝土混合料、压路机碾压密实成型技术施工的一种水泥混 凝土路面。早在振捣密实法作为水泥混凝土路面的通用施工方法之前，在第一次 世界大战前后，比利时、丹麦、德国、法国及其它一些欧洲国家已经采用过这种 碾压成型方法修筑碾压水泥混凝土路面，并应用于停车场、木材储存场、森林与 矿上道路、军用道路及水坝等。此后，1 9 4 1 年美国华盛顿州y a k i n m a 空港用碾压 混凝土修筑过跑道。2 0 世纪3 0 年代以后，由于振捣密实法得到普遍采用，碾压成 型才逐渐冷落。直到2 0 世纪7 0 年代( 1 9 7 3 年和1 9 7 9 年) 发生两次震撼全球的石 油危机，沥青供应短缺，沥青价格上涨，从而使水泥用量少、施工相对简便、修 筑成本低于普通水泥混凝土路面的碾压混凝土路面又重新受到世界众多国家的关 第一章绪论3 注。因此，可以说2 0 世纪7 0 年代的石油危机是碾压混凝土再次得到应用和发展 的重要契机。 2 0 世纪7 0 年代中期开始，碾压混凝土的发展比较迅速，1 9 8 7 年召开的第1 8 届国际道路会议( p i a r c ) 混凝土道路技术委员会的统计资料表明，碾压混凝土在 澳大利亚、加拿大、西班牙、美国、法国、新西兰、挪威、捷克斯洛伐克、日本 等国受到高度重视，虽然发展程度各国有所不同，但都在室内对碾压混凝土( r c c ) 的性能进行系统的试验研究，然后铺筑试验路，发展快的已不局限于过去应用的 范围，在等级公路及城市周边道路等实际工程中开始铺筑。其中西班牙发展最快， 至1 9 8 6 年，实际工程铺筑面积已达到4 0 0 万m 2 ，并已由轻交通道路发展到用于重 交通道路的基层。但是，由于设备条件的不完善和施工技术的成套性差，路面平 整度等问题未能得到很好的解决，碾压混凝土路面的发展受到了制约。8 0 年代后， 振动压路机和大型沥青摊铺机等强力筑路机械的发展，为保证碾压混凝土路面的 施工质量奠定了基础，世界许多国家纷纷投入力量加大对碾压混凝土路面的研究 开发，碾压混凝土路面施工技术进入了快速发展阶段。 在亚洲，日本是开展r c c 研究和应用较早的国家，在初步研究和实验铺筑的 基础上，曾于1 9 8 9 年由水泥协会r c c 专业委员会组团对欧美有关国家就碾压混凝 土路面的研究和实际工程进行了全面考察，于1 9 9 0 年由日本道路协会发布了碾 压混凝土路面技术指南( 草案) ，并初步解决了平整度问题，现正进行高速公路 路面工程中的铺设试验。 1 9 9 1 年美国陆军工程兵团制定了碾压混凝土路面技术规范，1 9 9 5 年5 月 美国混凝土学会( a c l ) 3 2 5 委员会( 混凝土路面委员会) 发表了碾压混凝土当前工 艺水平报告，概括了美国碾压混凝土路面的应用信息、材料性能、配合比、结构 设计、施工和质量控制方法等内容。 1 3 国内碾压混凝土研究状况 我国从8 0 年代初开始进行碾压混凝土路面研究，1 9 8 1 年安徽省公路局开始进 行室内试验，1 9 8 2 年铺筑第一段试验路。1 9 8 3 年、1 9 8 4 年，安徽省公路局和交通 部公路科学研究所及江苏省交通厅合作，取得了不少研究成果。从施工来看，当 时进口的大型沥青摊铺机械还比较少，只能采用人工或小型机械施工，因此路面 质量难以提高。随着高等级公路的迅速发展，进口高密实度摊铺机、振动压路机 等大型设备越来越多，国内的一些筑路机械生产厂家也纷纷研制或引进技术生产 施工机械，加上京津塘高速公路等一些工程明确规定水泥稳定基层必须采用“厂 拌机铺”施工，为我国高等级公路碾压混凝土路面施工创造了条件。1 9 9 1 年国家 4 第一章绪论 “八五”重点科技( 攻关) 项目高等级公路水泥混凝土路面材料及应用开发研 究，交通部组织交通部公路科学研究所、山西省交通厅和广西壮族自治区交通厅 等单位进行了碾压混凝土路面成套技术的研究，以应用于高等级公路为目标，从 材料、施工技术、抗滑技术、接缝技术等方面进行了系统研究，在路面平整度、 抗滑及接缝等方面取得了突破性进展，并取得了一系列配套成果，初步形成了高 等级公路碾压混凝土路面施工成套技术。 纵观我国碾压混凝土路面发展的历程可以看出，碾压混凝土路面技术在我国 的发展，主要是针对高等级公路，对农村公路碾压混凝土的材料组成、配合比、 路用性能、合理结构、施工工艺与质量控制等研究相对较少，尤其对复合碾压混 凝土路面在农村公路的应用研究几乎为空白，因此，需要对其进行系统深入的研 究，以提高我国农村公路碾压混凝土路面的建设质量。 1 4 本文研究内容 本文通过对云南省农村公路的交通情况、气候条件、地质状况、筑路材料和 已建农村公路进行全面调查，以及室内材料性能及强度试验，研究农村公路复合 碾压混凝土( r c c + c s s ) 路面材料组成、路面材料强度特性、路用性能及结构特性、 路面合理厚度及典型结构、施工技术与质量控制指标等。 具体研究内容如下： 复合碾压混凝土( r c c + c s s ) 材料组成及配合比设计研究 针对农村公路路用性能要求，通过正交设计试验，系统研究适用于农村公路 碾压混凝土的配合比设计指标及试验方法，提出农村公路复合碾压混凝土路面面 层和基层原材料技术指标与要求。 复合碾压混凝土强度特性、结构分析研究 通过试验研究碾压混凝土劈裂强度，抗折强度，弹性模量及收缩性能，采用 有限元方法，对农村公路复合碾压混凝土路面进行荷载应力与温度应力分析，在 此基础上，建立复合碾压混凝土荷载应力和温度应力的计算公式。 复合碾压混凝土路面结构设计研究 通过理论计算，结合工程示范，研究农村公路复合式碾压混凝土路面的合理 结构组合，提出适用于农村公路不同路基强度、不同交通水平下的复合碾压混凝 土路面典型结构。 复合碾压混凝土路面施工技术及质量控制研究 结合示范工程和试验路工程，提出农村公路复合碾压混凝土路面施工工艺； 第一章绪论 研究并提出了复合碾压混凝土路面现场质量检测与质量控制指标。 复合碾压混凝土路面的经济评价 结合示范路以及试验路当地的人工、材料的价格调查资料，计算农村公路复 合碾压混凝土路面的施工材料单价，分析复合式碾压混凝土路面的经济性。 6第二章碾压混凝土配合比设计与路用性能研究 第二章农村公路碾压混凝土配合比设计与路用性能 2 1 农村公路碾压混凝土材料技术要求 2 1 1 水泥 碾压混凝土路面应选用抗折强度高、施工时间( 从拌和到铺筑结束) 长、强 度发展快、水化热低、干缩小及耐磨性好的水泥。 为了满足路面的使用要求，碾压混凝土宜采用强度等级不低于为3 2 5 普通硅 酸盐水泥。特殊条件下可采用道路硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥及复合水泥等， 水泥的抗压强度、抗折强度、安定性、和凝结时间须符合公路水泥混凝土路面 施工技术规范j t gf 4 0 一2 0 0 4 的要求。 2 1 2 粗集料 碾压混凝土路面粗集料应使用质地坚硬、耐久、洁净的碎石、碎卵石和卵石。 农村三、四级公路碾压混凝土可使用强度要求不低于i i i 级的机轧碎石，并采用连 续级配。针片状颗粒含量应控制在2 5 以内，同时应严格控制集料的含泥量。粗集 料应符合表2 1 的规定。 表2 1 碎石、碎卵石和卵石技术标准 t a b l e 2 1t e c h n i c a ls t a n d a r d so fg r a v e l ，c r u s h e dp e b b l ea n dp e b b l e 项目技术要求 碎石压碎指标值( ) 2 5 卵石压碎指标值( ) 1 6 坚固性( 按质量损失计) 1 2 针片状颗粒含量( 按质量计) 2 5 含泥量( 按质量计) 1 5 泥块含量( 按质量榔) 13 5 0 k g m 3 空隙率 4 7 第二章碾压混凝土配合比设计与路用性能研究7 经碱集料反应试验后，试件无裂缝、酥裂、胶体外溢 碱集料反应 等现象，在规定试验龄期的膨胀率应小于0 1 0 碾压混凝土非常干硬，容易离析，为获得匀质的混凝土以利于路面平整度和 压实均匀性，粗集料最大粒径以1 9 r a m 为标准。级配范围示于表2 2 和图2 1 。 表2 2 碾压混凝土用粗集料标准级配范围 t a b l e 2 2s t a n d a r dg r a d i n gr a n g eo fc o a r s ea g g r e g a t ef o rr c c 筛孔尺寸( 咖) 1 9 9 5 4 7 52 3 6 通过百分率( )9 5 1 0 0 2 5 4 0 5 1 5o 5 注：对于标准级配以外的粗集料，要经确认混凝土配合比的粗、细集料合成级配满足规定的 要求后再使用。 水 褥 尔 妞 捌 赠 筛孔尺寸( 咖) 图2 1 粗集料标准级配范围 f i g 2 1s t a n d a r dg r a d i n g r a n g eo fc o a r s ea g g r e g a t e 2 1 3 细集料 碾压混凝土路面用细集料( 天然砂或人工砂) 应洁净、坚硬、耐久，并要求 限制粉尘、泥土、有机质和盐类等有害物质的含量。二级公路及有抗( 盐) 冻要求 的三、四级公路混凝土路面使用的砂应不低于i i 级，无抗( 盐) 冻要求的三、四级 公路混凝土路面、碾压混凝土可使用i 级砂。细集料应符合表2 3 的规定。 8 第二章碾压混凝土配合比设计与路用性能研究 表2 3 细集料技术指标 t a b l e2 3t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n so ff r e ea g g r e g a t e 项目技术要求 机制砂单粒级最大压碎指标( ) 3 0 氯化物( 氯离子质量计) 0 0 6 坚固性( 按质量损失计) 1 0 云母( 按质量讹) 2 o 天然砂、机制砂含泥量( 按质量计) 3 0 天然砂、机制砂泥块含量( 按质量计) 2 0 机制砂鹏值 1 4 或合格石粉含量( 按质量计) 7 o 机制砂船值1 4 或不合格石粉含量( 按质量计) 5 o 有机物含量( 比色法)合格 硫化物及硫酸盐( 按含s 0 。质量计) 0 5 l3 5 0 k g m 3 空隙率 水泥用量 石子填充体积；对2 8 d 抗折强度的影响大小：水泥用量 用水 量 石子填充体积。这说明了用水量和水泥用量对改进v c 值和2 8 d 抗折强度都起 着决定性的作用，石子填充体积对其影响较小。 根据表2 8 试验结果，分析碾压混凝土水灰比w c 对稠度一改进v c 值和2 8 d 抗折强度的影响，如表2 9 所示。 表2 9 碾压混凝土水灰比w c 与改进v c 值和2 8 d 抗折强度关系 编 试验条件试验结果 号用水量w ( k g m 3 )水泥c ( k g m 3 ) 水灰比w cv c 值( s ) 2 8 d 抗折强度( m p a ) 11 0 0 2 5 0 0 4 0 3 53 8 7 2 1 0 0 3 0 0 0 。3 3 4 84 7 9 3 1 0 03 5 00 2 9 6 45 7 6 4 1 1 0 2 5 0 o 4 4 1 73 7 4 5 1 1 03 0 0o 3 7 3 54 5 0 6 1 1 03 5 0o 3 1 4 25 4 2 7 1 2 02 5 00 4 8 92 4 5 8 1 2 03 0 0 0 4 0 1 7 3 8 2 第二章碾压混凝土配合比设计与路用性能研究 1 7 垒 鼍 畲 w c 图2 8 碾压混凝土w c 与2 8 d 抗折强度的关系曲线 f i g 2 8r e l a t i o n s h i pb e t w e c nw | ca n dt h e2 8 df l e x u r a ls t r e n g t ho fr c c 飞c 图2 9 碾压混凝土w c 与稠度的关系曲线 f i g 2 9r e l a t i o n s h i pb e t w e e nw ca n dt h ec o n s i s t e n c yo fr c c 由表2 9 、图2 8 和图2 9 可知：碾压混凝土的稠度一改进v c 值和2 8 天抗折 强度都随着水灰比w c 的增大而降低。水灰比和2 8 d 抗折强度的线性相关系数r 为0 9 7 5 ，两者的相关性较好。改进v c 值随用水量的增加而降低，而用水量相同 的情况下，改进v c 值也随水泥用量的增加而增加。 对正交试验的数据进行回归，回归结果如表2 1 0 所示。 表2 1 0 回归分析结果 t a b l e2 10r e s u l to fr e g r e s s i o na n a l y s i s 相关关系 回归公式 nr 抗折强度一水灰比w cf 2 s = 1 0 1 - 1 5 5 w c90 9 7 5 用水量改进v c 值、水灰比w cw = 1 3 5 5 5 1 9 y c 一1 2 4 4 1 9 w c 90 9 3 9 第二章碾压混凝土配合比设计与路用性能研究 配合比的选择 1 ) 选择石子填充体积百分率v g ( ) ，确定石子用量( g ) 从正交设计的平均结果来看，石子填充体积率对碾压混凝土的稠度和2 8 d 抗 折强度无显著影响。考虑碾压混凝土施工的易修整性，适当降低粗集料的用量。 石子填充体积百分率可选择7 0 。石子用量g = 1 7 2 0 7 0 = 1 2 0 4 k g m 3 2 ) 确定用水量和水泥用量 根据抗折设计强度4 5 m p a ，确定水灰比w c ： w c = ( 1 0 卜f 船) 1 5 5 = ( 1 0 卜4 5 ) 1 5 5 = 0 3 6 根据稠度设计指标改进v c 值为3 5 _ _ 5 s ，确定用水量w ： w = 1 3 5 5 5 1 9 v c 一1 2 4 4 1 9 w c = 1 3 5 5 5 1 9 3 5 1 2 4 4 1 9 0 3 9 = 1 0 5 3k g m 3 根据水灰比和用水量确定水泥用量c ： c = 1 0 1 0 3 9 = 2 9 2 5k g m 3 3 ) 按“绝对体积法 计算砂子用量s ： s = ( 1 0 0 0 - 1 0 5 3 - 2 9 2 5 3 1 - 1 2 0 4 2 7 ) 2 6 5 = 9 3 9 2k g m 3 故优选配合比如表2 1 1 所示。 表2 1 1 碾压混凝配合比 t a b l e2 1 1m i xo f i c 原材料 wcgs 理论容重( k g m 3 ) 用量( k g m 3 ) 1 0 5 32 9 2 51 2 0 49 3 9 22 5 4 1 2 3 碾压混凝土的路用性能 碾压混凝土路用性能试验采用的原材料如下： 3 2 5 硅酸盐水泥：2 8 d 抗压、抗折强度为3 6 9 m p a 及6 7 m p a ；比重为3 0 3 ； 河砂：含泥量3 7 8 ，饱和面干比重2 6 ，细度模数2 6 - 3 1 ； 石灰岩碎石：压碎值1 2 7 ，含泥量3 5 ，饱和面干比重2 7 ； 粗、细集料的合成级配曲线如图2 1 0 。 第二章碾压混凝土配合比设计与路用性能研究 1 9 琶 懈 求 舡 蜊 赠 筛孔尺寸( 咖) 图2 1 0 碾压混凝土粗、细集料合成级配 f i g 2 10p r o p o s e ds y n t h e t i cg r a d i n go fc o a r s ea n df i n ea g g r e g a t e 2 3 1 碾压混凝土的劈裂强度 碾压混凝土的劈裂试件采用巾1 5 0 m i n x1 5 0 r a m 的标准圆柱体。每组三个试件。 劈裂抗拉强度试验按照公路工程水泥及水泥混凝土试验规程( j t ge 3 0 一2 0 0 5 ) t 0 5 5 8 - - 2 0 0 5 进行。 碾压混凝土7 d 和2 8 d 劈裂强度试验结果如表2 1 2 所示 表2 1 2 碾压混凝土劈裂强度试验结果 t a b l e2 12s p l i t t i n gs t r e n g t ht e s tr e s u l t so fr c c 编水泥用量水灰比 改进v c 值 劈裂强度( m p a ) 7 d 强度增长率 号( k g m 3 ) w c ( s ) 7 d2 8 d ( ) 13 0 0 o 47 3 52 12 48 7 5 2 3 1 0 0 4 25 3 2 2 0 2 58 0 o 33 2 0 o 47 2 92 22 5 8 8 o 43 5 0 o 43 9 8 2 4 3 o8 0 0 从表2 1 2 劈裂强度试验结果看出，水灰比基本不变的情况下，随着水泥用量 的增加，劈裂强度有所增加。水泥用量为3 0 0k g m 3 的配合比，其2 8 天劈裂强度 为3 5 0k g m 3 的8 0 。碾压混凝土的7 天劈裂强度达到了2 8 天劈裂强度的8 0 “8 8 。 2 3 2 碾压混凝土的抗折强度 碾压混凝土的抗折强度试件是按照振动成型的方法制成1 5 0 m m 1 5 0 m m 5 5 0 r m 的梁形柱体。每组三个试件，抗折强度的实验按照公路工程水泥混凝土试 第二章碾压混撮l 配合比殴计与路用性能研究 验规程( j t ge 3 0 - - 2 0 0 5 ) 0 5 5 82 0 0 5 进行 圉21 1 碾压混凝土抗弯拉试验 f i g2 1 1f l e x u m ls t r e n g t h t e s t o f r c c 碾压混凝土抗折试验采用的原材料同劈裂试验一样。7 d 和2 8 d 抗折强度试验 结果如表2l3 所示 表21 3 碾压混凝土抗折强度试验结果 t a b l e21 3f e x u r a ls t r e n g t ht 嚣lr e s u l t so f r c c 水泥用量水灰比改进v c 值 劈裂强度( m p a ) 抗折强应( m p a ) 7 d 强度增长 ( k g m 。) w c( s ) 2 8 d 率( ) 3 0 0 3 546 7 50 2 5 388 09 30 从表2 1 3 劈裂强度试验结果看出，在水灰比基本不变的情况下，随着水泥用 量的增加，碾压混凝土的抗折强度也有所增加。水泥用量为3 0 0k g m 的配合比， 其2 8 天抗折强度为3 5 0k g m 3 的8 82 。7 灭抗折强度为2 8 灭抗折强度的6 89 8 63 ，增长率随着强度的增加有增长的趋势。 233 碾压混凝土的抗弯拉弹性模量 碾压混凝土抗弯拉弹模试件聚用1 5 0 m m 1 5 0 m m 5 5 0 m m 长方体试件，每组六 个，三个用丁抗弯拉强度试验，= 三个用于抗弯拉弹性模量试验，试验过程按照公 路工程水泥混凝土试验规程( t g 雎o2 0 0 5 ) 0 5 5 8 - - 2 0 0 5 进行。 第二章碾压混凝士i j 己台比设计与踌月性能研究 囤21 2 抗弯拉回弹棱测试 f i 9 21 2f l e x u r a l m o d u h s t e s t 用于抗弯拉弹模的碾压混凝土的配合比如袁2 1 4 所示碾压混凝土的抗弯拉 弹模试验结果如表21 5 所示。 表21 4 碾压混凝土抗弯拉弹模试验配台比 t a b l e 21 4 m i xo f f l e x u r a t m o d u l u s t 始i f o rr c c 原材料用量( k g m 3 ) 理论容重 配合比 c g ( k g 一) i1 2 0l0 8 410 8 425 8 8 1 2 03 5 0l0 6 325 9 6 袭21 5 硼压混凝土抗弯拉弹棱试验结果 t a b l e2 1 5 忆lr e s u l t s o f t i e x u r a i n o d u l u s t e s t f o r r c c 永灰比抗弯拉强度忡曲平均值( 肿曲抗弯槛模最( 御曲平均值鲫 48 2 95 1 4 9 04 483 06 8 5 6 3 02 6 35 5 l 3 05 9 00 5 43 26 2 4l 0 3 4545 53 29 5 863 25 5 86 5 63 29 9 3o 从上述两组配合比的抗弯拉弹性模量试验情况看，水灰比越小，抗折强度越高， 抗弯拉弹性模量也越高。 23 4 碾压混凝土干缩性能 对碾压混凝土干缩性能的实验，根据公路工程水泥混凝土试验规程( j t ge 3 0 第二章碾压混凝土配合比设计与路用性能研究 - - 2 0 0 5 ) t 0 5 5 8 - - 2 0 0 5 的要求进行试验。试件成型1 d 拆模，然后用a b 胶加固轴心 测钉，试验结果如表2 1 6 所示。 表2 1 6 碾压混凝土干缩试验结果 t a b l e2 16n es h r i n k a g et e s tr e s u l t so f r c c 干缩率( 1 0 。6 ) 水灰比 3 d7 d1 4 d2 8 d6 0 d9 0 d 0 43 2 79 5 51 4 5 5 1 6 6 32 2 2 4 o 3 42 7 38 0 91 3 2 7 1 4 7 31 8 4 2 普通c 3 0 混凝土 3 9 47 9 21 8 4 42 3 13 1 53 4 1 ( w c = o 4 7 ) 4 0 0 堇3 0 0 蒋2 0 0 姆1 0 0 h - o 7 d1 4 d 龄期 图2 1 3 不同龄期的干缩率 f i g 2 1 3t h es h r i n k a g er a t eo f d i f f e r e n ta g e 从表2 1 6 和图2 1 3 可知：碾压混凝土的干缩变形随龄期的增长而增大，水 灰比越大干缩率就越大，碾压混凝土的前期干缩发展较快，后期发展缓慢，水灰 比为o 4 和0 3 4 时，2 8 d 干缩率分别为6 0 d 的8 4 4 、8 5 6 。与普通c 3 0 混凝土 相比，除了7 d 干缩略大外，其他龄期的干缩率都较小。水灰比为0 3 4 的碾压混 凝土6 0 天的干缩率为普通混凝土的5 8 4 。 2 4 本章小结 本章在根据碾压混凝土原材料和国内外配合比设计方法的基础上，提出了以 碾压混凝土的稠度一改进v c 值、抗折强度为设计目标，通过正交试验研究各影响 因素对改进v c 值以及抗折强度的影响；根据不同水泥用量，通过实验研究碾压混 凝土强度、弯拉变形性能以及干缩性能。主要研究结论如下： 第二章碾压混凝土配合比设计与路用性能研究 由正交试验结果分析可知，用水量和水泥用量对碾压混凝土稠度、抗折强 度的影响显著，而石子填充体积率的影响不明显。改进v c 值和2 8 天抗折强度都 随着水灰比w c 的增大而下降，水灰比和2 8 d 抗折强度的线性相关系数r 为0 9 7 5 ， 相关性较好。 水灰比基本不变的情况下，随着水泥用量的增加，劈裂强度和抗折强度也有 所增加。水泥用量为3 0 0k g m 3 的配合比，其2 8 天劈裂强度为3 5 0k g m 3 的8 0 ， 2 8 天抗折强度为3 5 0k g m 3 的8 8 2 。碾压混凝土的7 天劈裂强度基本上达到了2 8 天劈裂强度的8 0 8 8 ，7 天抗折强度为2 8 天抗折强度的6 8 9 - - - 8 6 3 。碾压混 凝土的劈裂强度以及抗折强度随水泥用量的增加而增长，一定程度上反映，水泥 浆越多，对集料包裹得越好，混凝土的强度越高。 通过对碾压混凝土的弹性模量、干缩性能的试验分析，水灰比对碾压混凝 土的抗弯拉弹性模量以及干缩性能有一定的影响。水灰比越低，抗折强度越高， 弯拉弹性模量越高，干缩率相对越低。碾压混凝土的干缩变形随龄期的增长而增 大，碾压混凝土的前期干缩发展较快，后期发展缓慢，与普通c 3 0 混凝土相比， 水灰比为0 3 4 的碾压混凝土6 0 天的干缩率为普通混凝土的5 8 4 。 第三章复合式碾压混凝土路面应力分析 第三章复合碾压混凝土路面应力分析 3 1 概述 复合碾压混凝土路面在使用过程中承担车辆荷载和温度荷载的作用。在车辆 荷载的作用下，面板板底产生弯拉应力，应力超过碾压混凝土自身的强度时，将 出现开裂和破坏。大气温度和太阳辐射的影响下，碾压混凝土路面产生由年温差 引起的胀缩应力和日温差引起的翘曲应力，胀缩应力发展缓慢且在厚度的范围内 均匀分布，它是影响缩缝间距的重要因素口1 ，在日温差较大时，板上下形成温度梯 度，可能产生较大的翘曲应力，导致板的破坏。 本文根据有限元原理，采用a n s y s 有限元分析软件，系统全面分析车辆荷载 以及温度梯度作用下路面结构内应力的情况，研究路面结构不同影响参数组合下 应力的规律。 3 1 1 有限元理论概述 有限元法是利用计算机进行的一种数值近似计算分析方法。1 9 6 5 年，张佑启 和z i e n k i e w i c z 首先提出了弹性地基板的有限元分析方法h 1 ，之后有限元法在水泥 混凝土路面也得到了广泛的应用，很多学者通过有限元法分析了接缝传荷、不同 地基类型、不同地基接触程度、单层和多层路面板、不同荷载以及作用位置等条 件下混凝土路面的应力和位移。我国从2 0 世纪7 0 年代后期开始应用有限元法分 析混凝土路面的荷载应力和温度应力。姚祖康等人应用有限元位移法分析了弹性 半空间地基上四边自由板的挠度和应力隋6 1 。 有限元法作为数值分析方法的一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近 似函数来分别表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知 场函数或其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。在有限元分析中， 未知场函数或其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量( 也即自由度) ，从 而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。经求解出这些