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关于水泥混凝土路面使用寿命的研究

2011-04-29 11:00:26

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在水泥混凝土路面高等级公路大发展的时期,认识影响其使用寿命的主要因素并在建设过程中给予充分重视是十分必要的。本文着重说明粗集料对混凝土路面使用寿命的重要作用。

1、概述

水泥混凝土路面在一些工业发达国家的公路网占有相当重要的地位,突出的是美国,已建水泥混凝土路面约20万公里,其中有6万多公里是州际公路──承担主要重交通量的干线公路,占总长度的一半以上;德国在发动二次大战前修建的高速公路,基本上是水泥混凝土路面;其他国家如英、法、西班牙、澳大利亚等国也有相当量的水泥混凝土路面;近些年来东南亚地区水泥路面的公路呈发展上升趋势,如日本自八十年代末起大力发展碾压混凝土路面,称之为第三种铺装方式,欲以其代替沥青混凝土路面,作为重载高速公路路面的重要形式,延长使用寿命,降低养路费用。

大量水泥混凝土路面的修建与应用,带来对这种道路使用耐久性的关心,例如美国在汽车运输发展迅速之时,发现引气剂能大大改善水泥混凝土路面抗冻融与除冰盐侵蚀的能力,到今仍被称之为混凝土材料发展史上的一个里程碑;八十年代兴起混凝土耐久性研究应用热潮,也是就美国及其他国家大量混凝土桥面板和路面的修复、更新,需要耗费巨额资金而提出的。

在我国,水泥混凝土路面发展的历史较短,特别是水泥混凝土路面的高等级公路、高速公路还是近些年才开始大量修建的,因此对于它的耐久性还未得到应有的重视。尽管如此,一部分新修运营才几年的道路,混凝土路面已经出现相当严重的病害,如路面板磨耗、剥落、开裂与断板、缺棱掉角或起拱、塌陷等,影响行车安全与舒适性,影响路面的使用寿命。混凝土路面的修补非常麻烦,费用也很高,因此引起各级领导与有关部门的高度重视,并力图找到得力的措施改进。高等级公路路面混凝土的设计抗折强度指标从4.5MPa提高到5.0MPa,而配制强度提高到5.5MPa,就是有力的明证。但是,一方面强度指标提高使得单方混凝土水泥用量增加,从而单方材料费用进一步提高。

另一方面,增加水泥用量对提高混凝土抗折强度的效果并不显著,有时看不出无效果。事实上,我国规范规定的抗折强度为4.5MPa的指标,已经比美、英等国的指标(4.0MPa)高,看来出现病害的原因并不在于抗折强度偏低。那么,改善高等级公路水泥路面耐久性的关键究竟是什么?在混凝土中,粗集料通常要占体积的55~80%,因此它对混凝土的耐久性、对道路使用寿命的影响应该是相当重要的,但这一点尚未被国内道路工程界充分重视,从国内许多混凝土路面工程所用粗集料的质量低劣就可以看出来:石子的粒径普遍较大、超径多,而且一般是单级配(如用5-40mm颗粒为粗集料,常常只有15-40mm的颗粒,而5-15mm的颗粒极少),此外粗集料中的针片状颗粒含量还很多,含泥量也往往严重超标,这样的粗集料是无法修建出高质量的路面。所以本文着重谈论粗集料对混凝土路面耐用性的影响,以期引起各方面的重视。

2、粗集料对路面抗冲击、疲劳性能的影响

粗集料对混凝土路面耐用性的影响之大,可从下面的例子中看出来。1988年,美国对45个州的水泥混凝土道路进行了使用寿命的调查,结果表明:其平均寿命仅为20.5年。文章认为[1]:使用寿命完全可以加倍延长,关键在于改变现行材料试验协会标准(即ASTM)中关于粗集料级配的规定,象其他工业国一样,在路用混凝土中采用三级配粗集料。增加中间一级颗粒,称之为“桥梁”,即把大小粗集料颗粒联系起来。文章对比了美国达拉斯市两条相邻的街道:一条是已运行66年的老路,仍基本完好;另一条刚运行5年,已有不少地方损坏,需要修补了。两条路相差如此悬殊,原因在后者的混凝土中尽是大颗粒粗集料,而前者粒形与级配良好,“桥梁”作用明显。例子很典型,实际情况要复杂一些,但从中可以得到重要的启示:混凝土材料已经使用了一个多世纪,在各方面条件发生很大变化的今天(指工程结构物的使用条件、混凝土原材料与施工工艺等等),有必要重新认识有关粗集料的一些问题,以利更好地发展水泥混凝土公路建设。

为什么现今水泥混凝土路面的使用寿命,受粗集料粒径和中间颗粒的影响如此之大呢?这要从现代交通的发展来进行分析,由于近些年来大型、重载车辆,包括集装箱车辆的出现与频繁运行,这些重型车辆对道路的破坏,要远远大于轻型汽车,反映在对路面板混凝土的抗冲击与疲劳的强度需要大大提高,因此如上所述,靠提高室内静力试验的抗折强度指标就达不到预期效果,无济于事。根据国外大量研究和应用的结果证明:混凝土粗集料的粒径越小,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20mm为粒径),会使包裹它们的砂浆需要量增大,也有不利之处,就要通过增加中间颗粒部分来补偿。国内虽然采用粒径大(通常为40mm,且超径颗粒很多)的粗集料,但因为缺少中间颗粒,粗集料的堆积不够密实,水泥砂浆的需要量仍然不小。结果水泥用量增加,提高了材料费用,还对路面的使用寿命产生不利的影响。除了抗冲击与疲劳的性能以外,就路面用水泥混凝土的耐久性而言,占首位的就属耐磨耗性能了,当然冻害与化学侵蚀等也是一些必须注意的问题。

3、粗集料对路面耐磨耗性能的影响

耐磨耗性能是谈到水泥混凝土路面耐久性时首先涉及的另一个问题,无论国内外已有大量的研究工作都证实:总体上水泥混凝土路面的耐磨耗性能直接与混凝土强度相关,即强度越高,路面就越耐磨耗。粗集料本身的耐磨性能,虽然和路面耐磨耗性能有关,但除特殊情况外(如特别脆弱的燧石、容易磨光的石灰石细粒),关系并不很大;而另一方面,粗集料的颗粒分布与级配,对路面板的耐磨耗性能,整个路面的寿命却有很大的关系。上述那篇美国杂志的文章表明:使混凝土路面寿命加倍延长,也就是40~50年的寿命是完全可能的。分析认为:现在粗集料的颗粒分布不好,是路面损坏的主要原因之一,而通常进行设计时只考虑荷载,不考虑耐久性的现状,使这个问题复杂化。经过对粗集料的颗粒分布进行广泛的试验研究,发现在主要工业国家中,只有美国一些州的现行规范是用二级配粗集料拌和混凝土,其他发达国家和美国的部分地区采用三级配粗集料,这样颗粒分布就好多了,中间颗粒在大、小颗粒间形成桥梁,填充空隙并增加大混凝土的密实度。

在没有或很少中间颗粒的时侯,混凝土含有过多而且不易密实的砂浆,而砂浆越多,表面就越容易被磨损;这还会形成许多通道,使侵蚀性的介质得以进入。施工中抹面时,混凝土面层应该有一定的易修整性,如果粗集料非常粗涩,就要有更多砂浆供抹面需要。路面混凝土的强度指标很明确,搅拌站供应的混凝土一定要满足强度要求,但是怎样才能满足易修整性呢?粗集料的颗粒形状在这里起一定的作用,它影响拌和物的易修整性和可压实性能,尖棱角与片针状颗粒阻碍拌和物流动,它们互相嵌锁,使混凝土难以密实。采用这类粗集料颗粒的混凝土,用摊铺机摊铺时速度减慢、抹面困难、行车颠簸。所以用用圆角粗集料,包括豆石可以延长混凝土路面的寿命。两种同水灰比的拌和物,砂浆含量可在48%~60%之间波动,取决粗集料的颗粒分布。颗粒分布好的粗集料只需48%的砂浆,就可生产粘聚的、工作性能好的拌和物。混凝土路面设计的一个问题是设计应该针对确定的环境进行,这样才能确保路面的质量。

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