新型抗彎拉水泥混凝土路面

袁宏成 周緣 廖文濤 張宇峰

A New Type of Flexural Cement Concrete Pavement

摘要： 本文從水泥混凝土微觀結構的角度分析其抗彎拉強度的作用機理，通過對水泥混凝土抗彎拉破壞機理的分析，表明泌水是引起水泥混凝土抗彎拉強度下降的主要原因。新型抗彎拉水泥混凝土路面以提高抗彎拉強度和耐久性為設計目標，通過增加粗集料用量，改進級配，優化水泥膠砂用量，形成骨架密實水泥混凝土，減少泌水，從而有效提高水泥混凝土的抗彎拉強度。

Abstract： In this paper， the mechanism of flexural tensile strength of cement concrete is analyzed from the point of view of microstructure， and the failure mechanism of flexural tensile strength of cement concrete is analyzed. It is indicated that bleeding is the main reason for the decrease of flexural tensile strength of cement concrete. The new type of flexural tensile cement concrete pavement is designed to improve the flexural tensile strength and durability and improve the gradation by increasing the amount of coarse aggregate. The cement sand content is optimized to form the framework dense cement concrete and reduce bleeding， thus effectively improving the flexural and tensile strength of the cement concrete.

關鍵詞： 水泥混凝土路面；抗彎拉強度；泌水；粗集料

Key words： cement concrete pavement；flexural strength；bleeding；coarse aggregate

中圖分類號：U416.216 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0101-03

0 引言

隨著我國經濟和交通運輸行業的快速發展，公路運輸出現了“重載、大流量和渠化交通”的特點，現代交通的重荷載、高速度對公路路面的結構強度和使用性能提出了更高的要求[1]。而水泥混凝土路面由于它的使用環境和受力特點決定了它的主要強度指標是抗彎拉強度，所以提高水泥混凝土路面抗彎拉強度、提高其承載能力是延長混凝土路面耐久性的一項關鍵指標[2]。由于水泥混凝土路面抗彎拉強度遠小于其抗壓強度，而提高抗彎拉強度又比抗壓強度困難的多，所以水泥混凝土路面的抗彎拉強度能否滿足設計要求，將直接影響到路面的整體質量及使用壽命。

1 抗彎拉強度作用機理分析

從微觀結構上分析，水泥混凝土是由膠砂、粗集料、界面過渡區三相組成的混合體[3]。界面過渡區是水泥砂漿和粗集料兩相結合的區域，這一區域的結構與性能不同于硬化水泥石本體。在水化的早期，由于過渡區內水灰比大，所以它的孔體積與孔徑均比水泥石大。集料表面處水泥石孔隙率為40%左右，離集料表面35-40微米處則為12%左右，接近水泥石本體的數值[3]。水泥混凝土內的界面過渡區由于其組成成分和結構的原因內部存在孔隙和微裂縫。當車輛荷載行駛在混凝土路面上，路面受到彎拉荷載作用出現應力集中，基體會發生開裂，由于界面過渡區孔隙的體積和微裂縫的存在，必將沿著混凝土內部最薄弱的斷面-界面過渡區優先斷裂[4]。通過對混凝土結構的微觀結構分析可以發現，混凝土中的界面過渡區通常比混凝土的其他兩相組成要弱，是影響混凝土彎拉強度的主要因素。

提高界面過渡區的強度是提高水泥混凝土路面抗彎拉強度的主要措施，當界面過渡區的強度得到較大提高后，相應的水泥混凝土路面的抗彎拉強度也會得到提高。

2 新型抗彎拉水泥混凝土技術

2.1 分析影響界面過渡區強度的因素

各種內外影響因素主要是通過影響界面過渡區組成成分和結構即孔隙和微裂縫的大小和體積等來影響水泥混凝土路面的抗彎拉強度[4]。

混凝土在拌和、運輸和澆筑振搗到凝結的整個過程中，由于骨料和水泥漿下沉、水分上升，在混凝土內部和表面析出水分的現象稱之為泌水現象。新拌混凝土泌水如圖2所示。

泌水會破壞水泥混凝土內部的均勻性，一部分泌水上升到混凝土水平表面，一部分泌水滯留在粗集料下面及其與膠結料的界面上。

當拌合水上升到混凝土表面時，它會攜帶一部分水泥和集料中的微細粒子，使混凝土表面形成一層含水量很大的浮漿層，導致混凝土表面疏松多孔，強度降低[5]。當浮漿層失水變稠失去流動性，其強度的發展不足以抵抗因收縮引起的拉應力時，混凝土表面就會產生裂縫。

由于泌水現象的發生，不僅容易導致混凝土表面產生裂縫，更不利的是粗集料與膠結料的界面上形成低強度的水泥石甚至空隙，導致微裂縫的產生，在拉應力的作用下，微裂縫的尖端出現較大的應力集中[5]。泌水現象越嚴重，微裂縫發展的越快越多，在相同的拉應力條件下，破壞的可能性就越大。

由于界面過渡區孔隙多，使得受荷載作用時參與受拉的面積減小，同時疏松的膠砂單位面積的抵抗能力也較小。當混凝土路面受到拉力作用時，界面過渡區孔隙在相當低的拉力作用下迅速開展，直接決定抗彎拉強度[6]。

2.2 提高界面過渡區強度

在水泥混凝土中，振搗密實后的粗集料如能形成框架，該框架可以抵抗一部分由膠體提供給水的浮力，遏制水由下向上的運動趨勢；常規配合比下的粗集料在振搗過后仍然會有下沉趨勢，而形成框架后的粗集料穩定性更好，能削弱水和粗集料的相對運動。粗集料形成框架的另一意義在于，總表面積和孔隙率的雙雙減小，從粘結和填充兩個方面對水泥量的剛性要求都得到下調[7]。由此可見，適當增加粗集料用量，使其在混凝土中形成穩定的框架，將有效地減少泌水現象，提高界面過渡區強度，從而達到提高混凝土抗折強度的目的。

2.3 新型抗彎拉水泥混凝土設計

受到浮力現象的啟發，結合水泥混凝土級配設計理論，新型抗彎拉水泥混凝土路面設計目標即為形成骨架密實型混凝土，從而提高混凝土路面的抗彎拉強度。新型抗彎拉水泥混凝土路面以提高抗折強度和耐久性為設計目標，增加粗集料用量、減少膠砂用量，使混凝土由半液態向半固態過渡，骨料不致于懸浮于膠砂中。由于主骨料框架作用，其重力直接作用于基層，弱化了浮力效應，減少泌水，進而提高界面過渡區抗折強度。

在實際應用中，新型抗彎拉混凝土配合比相對于普通混凝土有3點改進：

①相對現行公路混凝土路面規范推薦的粗骨料級配范圍，將集料中4.7-9.5mm一級抽除，以增加空隙率，相對減少“富余膠砂”量；

②適當減少砂率；

③減少水泥用量，并采用合適的水灰比。

由于增加了粗骨料用量，降低了砂率和水泥用量，新型抗彎拉混凝土的塌落度很小，幾乎為零，因此，在施工過程中，要加強混凝土的拌合和振搗。

3 工程實例

新型抗彎拉水泥混凝土應用于207國道公安縣章莊鋪至東岳廟段大修工程，該工程起止樁號為K2171+764-K2176+764，全長5000m，路基寬12m（路面寬9m）。該大修工程段因位于城郊結合部及高速出入口路段，車流量較大，超重載車多，路面出現大量破損，嚴重影響行車安全。為改善原路面的結構組成，針對道路現狀和特點，采用破除舊路面，鋪筑新型抗彎拉水泥混凝土面層的方案大修。

3.1 工程概況

①公路等級：二級公路；

②設計行車速度：60公里/小時；

③路基路面：路基寬12.0、14.0m，路面寬9.0、12.0m；

④路面結構自上而下依次為28cm水泥混凝土面層+18cm水泥穩定碎石基層+舊路基層。

3.2 原材料選擇

①宜昌華新水泥廠生產的P·O42.5水泥；

②粗集料采用松滋碎石廠碎石，粗集料主要有20-40mm、10-20mm的碎石；

③細集料采用洞庭湖砂，細度模數為3.04。

粗細集料篩分結果如表1、表2所示。

4 配合比試驗

依據《公路水泥混凝土路面施工技術細則》（JTG TF30-2014）中4.2.10條，對新型抗彎拉混凝土路面配合比試驗設計使用正交試驗法[8]。選用粗骨料級配組合、水泥用量、水灰比、砂率等4個因素三水平進行試驗。采用L9（34）正交表安排試驗組合進行配合比試驗，在材料一定的前提下，以混凝土28天抗彎拉強度為正交試驗主要考察目標，確定適合應用于荊州地區的新型抗彎拉混凝土配合比。其中粗集料級配組合指20-40mm和0-20mm兩種規格的碎石分別按70：30、80：20和90：10的比例混合；砂率分別取30%、32%和34%三種情況；水泥用量取310kg、340kg和370kg種情況；水灰比取0.41、0.43和0.45種情況。按正交試驗方法進行9組配合比試驗，經過對正交試驗結果進行直觀及回歸分析，以及在經濟性方面的考慮得出適合于荊州地區的新型抗彎拉混凝土路面的配合比，用于大修工程施工。配合比結果如表3所示。

在施工結束運營近半年時間后，對施工路段進行了檢測，檢測結果匯總見表4所示。

從上述檢查結果來看：

①強度。在實施區間取代表性芯樣共54處，從表4中數據可以看出，檢測項目中強度全部合格，且新型抗彎拉水泥混凝土路面的抗彎拉強度較普通水泥混凝土路面抗彎拉強度提升18%。

②抽檢的施工面板厚度、路面寬度也全部合格，路面平整度、橫坡度、抗滑構造深度等均合格，且滿足規范要求。從整體上看，試驗路段在運營半年后的效果基本較好。結果表明新型抗彎拉混凝土路面的抗彎拉強度符合要求，提高了路面使用質量。

5 結語

工程應用表明，在公路大修工程中采用新型抗彎拉水泥混凝土技術上可行、經濟上合理，效果良好，可應用于各級公路的建設和改造，應用前景廣闊，推廣價值巨大，可在湖北全省乃至全國推廣應用。

參考文獻：

[1]劉永中.對影響水泥混凝土路面彎拉強度因素的探討[J]. 交通世界，2011（8）：120-121.

[2]尚志遠.高抗折強度路面混凝土材料組成與路用性能研究[D].長安大學，2008.

[3]李家正，牟偉楠，王磊，等.混凝土界面過渡區物相微結構表征方法及演變規律淺析[J].長江科學院院報，2017，34（8）：139-143.

[4]潘萬寶.水泥混凝土路面抗折強度機理研究[J].滁州職業技術學院學報，2005，4（2）：32-33.

[5]杜建國.泌水對水泥混凝土抗折強度的影響[J].安徽工程大學學報，2002，17（3）：63-66.

[6]李瑩玉，宋瑞瑞.混凝土抗拉與抗折強度的研究[J].建筑工程技術與設計，2017（14）.

[7]吳曉龍.粗骨料對水泥混凝土路面抗彎拉強度的影響[J]. 福建交通科技，2017（1）：17-20.

[8]公路水泥混凝土路面施工技術細則[M].人民交通出版社， 2014.