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【昆明水泥製品廠】粗集料對水泥混凝土路麵使用壽命的影響

來源:http://www.tzdongtian.com/news/134.html       發布時間:2019-01-18

1 概述

水泥混凝土路麵在一些工業發達國家的公路網占有相當重要的地位,最為突出的是美國,已建水泥混凝土路麵約20萬公裏,其中有6萬多公裏是州際公路──承擔主要重交通量的幹線公路,占總長度的一半以上;德國在發動二次大戰前修建的高速公路,基本上是水泥混凝土路麵;其他國家如英、法、西班牙、澳大利亞等國也有相當量的水泥混凝土路麵;近些年來東南亞地區水泥路麵的公路呈發展上升趨勢,如日本自八十年代末起大力發展碾壓混凝土路麵,稱之為第三種鋪裝方式,欲以其代替瀝青混凝土路麵,作為重載高速公路路麵的重要形式,延長使用壽命,降低養路費用。

大量水泥混凝土路麵的修建與應用,帶來對這種道路使用耐久性的關心,例如美國在汽車運輸發展迅速之時,發現引氣劑能大大改善水泥混凝土路麵抗凍融與除冰鹽侵蝕的能力,至今仍被稱之為混凝土材料發展史上的一個裏程碑;八十年代興起混凝土耐久性研究應用熱潮,也是就美國及其他國家大量混凝土橋麵板和路麵的修複、更新,需要耗費巨額資金而提出的。

在我國,水泥混凝土路麵發展的曆史較短,特別是水泥混凝土路麵的高等級公路、高速公路還是近些年才開始大量修建的,因此對於它的耐久性還未得到應有的重視。

盡管如此,一部分新修運營才幾年的道路,混凝土路麵已經出現相當嚴重的病害,如路麵板磨耗、剝落、開裂與斷板、缺棱掉角或起拱、塌陷等,影響行車安全與舒適性,影響路麵的使用壽命。

混凝土路麵的修補非常麻煩,費用也很高,因此引起各級領導與有關部門的高度重視,並力圖找到得力的措施改進。高等級公路路麵混凝土的設計抗折強度指標從4.5MPa提高到5.0MPa,而配製強度提高到5.5MPa,就是有力的明證。

但是,一方麵強度指標提高使得單方混凝土水泥用量增加,從而單方材料費用進一步提高;另一方麵,增加水泥用量對提高混凝土抗折強度的效果並不顯著,有時甚至看不出無效果。事實上,我國規範規定的抗折強度為4.5MPa的指標,已經比美、英等國的指標(4.0MPa)高,看來出現病害的原因並不在於抗折強度偏低。那麽,改善高等級公路水泥路麵耐久性的關鍵究竟是什麽?

在混凝土中,粗集料通常要占體積的55~80%,因此它對混凝土的耐久性、對道路使用壽命的影響應該是相當重要的,但這一點尚未被國內道路工程界充分重視,從國內許多混凝土路麵工程所用粗集料的質量低劣就可以看出來:石子的最大粒徑普遍較大、超徑多,而且一般是單級配(如用5-40mm顆粒為粗集料,常常隻有15-40mm的顆粒,而5-15mm的顆粒極少),此外粗集料中的針片狀顆粒含量還很多,含泥量也往往嚴重超標,這樣的粗集料是無法修建出高質量的路麵。所以本文著重談論粗集料對混凝土路麵耐用性的影響,以期引起各方麵的重視。

2 粗集料對路麵抗衝擊、疲勞性能的影響

粗集料對混凝土路麵耐用性的影響之大,可從下麵的例子中看出來:

1988年,美國對45個州的水泥混凝土道路進行了使用壽命的調查,結果表明:其平均壽命僅為20.5年。

文章認為[1]:使用壽命完全可以加倍延長,關鍵在於改變現行材料試驗協會標準(即ASTM)中關於粗集料級配的規定,象其他工業國一樣,在路用混凝土中采用三級配粗集料。增加中間一級顆粒,稱之為“橋梁”,即把大小粗集料顆粒聯係起來。文章對比了美國達拉斯市兩條相鄰的街道:一條是已運行66年的老路,仍基本完好;另一條剛運行5年,已有不少地方損壞,需要修補了。兩條路相差如此懸殊,原因在後者的混凝土中盡是大顆粒粗集料,而前者粒形與級配良好,“橋梁”作用明顯。例子很典型,實際情況要複雜一些,但從中可以得到重要的啟示:混凝土材料已經使用了一個多世紀,在各方麵條件發生很大變化的今天(指工程結構物的使用條件、混凝土原材料與施工工藝等等),有必要重新認識有關粗集料的一些問題,以利更好地發展水泥混凝土公路建設。

為什麽現今水泥混凝土路麵的使用壽命,受粗集料最大粒徑和中間顆粒的影響如此之大呢?這要從現代交通的發展來進行分析,由於近些年來大型、重載車輛,包括集裝箱車輛的出現與頻繁運行,這些重型車輛對道路的破壞,要遠遠大於輕型汽車,反映在對路麵板混凝土的抗衝擊與疲勞的強度需要大大提高,因此如上所述,靠提高室內靜力試驗的抗折強度指標就達不到預期效果,甚至無濟於事。根據國外大量研究和應用的結果證明:混凝土粗集料的最大粒徑越小,其抗衝擊與疲勞的強度就越好。

但是粗集料的粒徑減小(國外一般都以20mm為最大粒徑),會使包裹它們的砂漿需要量增大,也有不利之處,就要通過增加中間顆粒部分來補償。國內雖然采用最大粒徑大(通常為40mm,且超徑顆粒很多)的粗集料,但因為缺少中間顆粒,粗集料的堆積不夠密實,水泥砂漿的需要量仍然不小。結果水泥用量增加,提高了材料費用,還對路麵的使用壽命產生不利的影響。除了抗衝擊與疲勞的性能以外,就路麵用水泥混凝土的耐久性而言,占首位的就屬耐磨耗性能了,當然凍害與化學侵蝕等也是一些必須注意的問題,分別敘述如下。

3 粗集料對路麵耐磨耗性能的影響

耐磨耗性能是談到水泥混凝土路麵耐久性時首先涉及的另一個問題,無論國內外已有大量的研究工作都證實:總體上水泥混凝土路麵的耐磨耗性能直接與混凝土強度相關,即強度越高,路麵就越耐磨耗。

粗集料本身的耐磨性能,雖然和路麵耐磨耗性能有關,但除特殊情況外(如特別脆弱的燧石、容易磨光的石灰石細粒),關係並不很大;而另一方麵,粗集料的顆粒分布與級配,對路麵板的耐磨耗性能,乃至整個路麵的壽命卻有很大的關係。上述那篇美國雜誌的文章表明:使混凝土路麵壽命加倍延長,也就是40~50年的壽命是完全可能的。分析認為:現在粗集料的顆粒分布不好,是路麵損壞的主要原因之一,而通常進行設計時隻考慮荷載,不考慮耐久性的現狀,使這個問題複雜化。經過對粗集料的顆粒分布進行廣泛的試驗研究,發現在主要工業國家中,隻有美國一些州的現行規範是用二級配粗集料拌和混凝土,其他發達國家和美國的部分地區至少采用三級配粗集料,這樣顆粒分布就好多了,中間顆粒在大、小顆粒間形成橋梁,填充空隙並增加大混凝土的密實度。

在沒有或很少中間顆粒的時侯,混凝土含有過多而且不易密實的砂漿,而砂漿越多,表麵就越容易被磨損;這還會形成許多通道,使侵蝕性的介質得以進入。施工中抹麵時,混凝土麵層應該有一定的易修整性,如果粗集料非常粗澀,就要有更多砂漿供抹麵需要。路麵混凝土的強度指標很明確,攪拌站供應的混凝土一定要滿足強度要求,但是怎樣才能滿足易修整性呢?粗集料的顆粒形狀在這裏起一定的作用,它影響拌和物的易修整性和可壓實性能,尖棱角與片針狀顆粒阻礙拌和物流動,它們互相嵌鎖,使混凝土難以密實。采用這類粗集料顆粒的混凝土,用攤鋪機攤鋪時速度減慢、抹麵困難、行車顛簸。所以用用圓角粗集料,包括豆石可以延長混凝土路麵的壽命。兩種同水灰比的拌和物,砂漿含量可在48%~60%之間波動,取決粗集料的顆粒分布。顆粒分布好的粗集料隻需48%的砂漿,就可生產粘聚的、工作性能好的拌和物。混凝土路麵設計的一個問題是設計應該針對確定的環境進行,這樣才能確保路麵的質量。

路麵的磨耗是個很長的過程,国产在线视频現在的評價方法則是在試件成型28天後就進行快速試驗,而矽酸鹽水泥的水化要延續很久,也許要十幾年、幾十年。路麵混凝土的性能隨時間的發展,與其28天強度值不存在一個確定的函數:在30年前,那時的水泥顆粒要粗得多,所以可能30年後的今天強度還在增長,在開始的第一年裏,增長幅度也許要超過25%;當今所用的水泥要細得多,化學外加劑的使用有助於進一步提高早期強度,但因此其後期強度增長幅度就會明顯減小。沒有人到1年、3年、5年、20年後還在關心路麵的性能,這就是国产在线视频不能僅僅依靠評價28天強度的原因。

在一條新路麵上,磨耗開始於防滑構造層──細砂漿層,如果粗集料的顆粒分布不好,這層砂漿就不僅僅是第一道防線而已了。砂漿磨掉以後,粗砂露出來分擔荷載,顆粒分布在這時的作用重大,它可以保護路麵不過分磨耗、不會形成通道、不產生開裂或其它病害。砂漿磨掉以後,粗集料的中間顆粒露出來,其顆粒影響就更大了:如果沒有足夠的中間顆粒,周圍的砂漿就會受到很大的作用力而破壞。

由於混凝土路麵中良好的集料粒徑分布,有助於提供耐久性保護作用,因此有人提出:任何一級粒徑的顆粒都不要大於21%,這是一個理想的篩分曲線,其中間顆粒分布良好。在很多地區,當地不可能提供所需要的粗集料,而不得不從很遠的地方去找砂源,這雖然增加了一些運輸費用,但與5年和66年的巨大差距相比,就顯得微不足道了。當然有時也不得不做出另一種抉擇:在宏觀抗滑構造一旦磨穿,下麵的路麵就很容易磨損,因此粗集料顆粒分布不好時,就隻有把98%的精力集中到做好表麵層。

在耐磨耗性能這一點上,路麵與室內地麵、工業地坪有區別。後者要經過反複抹壓(或稱整麵),因此準確掌握抹壓的時機,對其耐磨耗性能有重要的影響。例如有的建築物已曆經幾十年地麵仍然很光滑,而有的地麵隻用了幾年就已經磨損嚴重。公路施工因為速度快、麵積大,不可能象地坪那樣精心整麵;再者,在高等級路麵上,為了抗滑起見,要在表麵加工宏觀與微觀抗滑構造,如拉毛、壓槽等,因而即使精心整麵,對路麵耐磨耗性能的影響並不大。

因為路麵板較薄,暴露比麵積大,所以路麵表層的耐磨耗性能和混凝土澆築後的養護條件關係十分密切,不僅與養護方式、養護材料密切相關,還與養護開始時間的選擇關係很大。例如混凝土表麵泌水多、天氣較潮濕及氣溫低時,養護就要晚一些再進行,否則泌到表麵的水由於覆蓋養生時蒸發不掉,表麵層就會疏鬆;反之,在幹燥、氣溫高及有風的天氣裏,如果混凝土澆築後沒有及早開始養護,很快會因其內部水分向外蒸發,尚沒有形成強度的混凝土很容易產生微小的塑性收縮裂縫,從而加速水分進一步蒸發,影響水泥水化及其強度的發展,並使路麵板被外界環境裏的侵蝕介質滲入,對路麵板的承載力、耐磨耗性能及其長期耐久性都造成很不利的影響。

有些人對改善混凝土路麵的耐磨耗性能十分關注,但他們錯誤地認為膠結材料本身的耐磨耗性能與混凝土路麵的耐磨耗性能有很大關係,例如認為混凝土中摻磨細礦渣就提高耐磨耗性能;而摻粉煤灰,通常認為對耐磨耗性能就有不利影響。事實上,路麵表層的耐磨耗與物料在球磨機裏的耐磨耗是有很大區別的,路麵表層通常是砂漿暴露在外,砂子自然要遠比水泥漿耐磨,所以通常認為其耐磨耗性能首先是和水泥漿對砂子的固著程度,也就是如上所述,和混凝土的強度密切相關;其次它的耐磨耗性能還和砂質(包括砂子的含矽量,一些國家規定了路麵混凝土所用砂子含矽量的最小值,就是從保證耐磨性要求出發的)密切相關。而礦渣在球磨機裏很耐磨,在很大程度上是與其玻璃態光滑的表麵有關(磨球不容易將它砸碎),近年的一篇有關膠結料中摻礦渣的水泥混凝土耐磨耗的文章,可以作為這個問題的一個旁證[2]。認為摻礦渣、鋼渣的水泥(如近年國內一些單位研製的道路水泥)比較耐磨耗的結論,與現行有關水泥耐磨耗的試驗方法,不能真實反映水泥混凝土路麵的耐磨耗性能有關(如小試件的成型采用相同水灰比,反映不出膠結料實際需水量;摻礦渣水泥泌水影響表麵耐磨耗性能在試驗中反映不出來,整麵與養護工藝對路麵耐磨耗性能的重要影響更無法反映)。

3 粗集料對路麵抗凍融循環與除冰鹽能力的影響

隻要是在受凍融循環影響的地區修築水泥混凝土路麵,就要考慮其抗凍害的能力,包括混凝土未硬化時的凍害與混凝土硬化後受凍融循環與除冰鹽的作用,這二者有時互相關聯,如在低溫時施工的路麵,由於水泥水化緩慢,凝結時間很長,表麵泌出水多,形成大量通道,就會使水很容易滲入,影響抗凍融耐久性。

水泥混凝土路麵抗凍融循環與除冰鹽的能力,主要決定於它抗滲透性能的優劣。如上所述,粗集料質量的好壞,影響其堆積的密實程度,因此影響混凝土所需要的砂漿量,從而間接地決定了路麵抗滲透性能的優劣。

當然,可能受凍的混凝土表麵有較多的水積聚,是路麵受凍害的另一必要條件,否則也談不上凍害問題。這就是為什麽施工完以後受第一個凍融循環之前,若有一個幹燥期間歇,對其抗凍融很有利的原因。水泥在水化作用期間的自幹燥作用,使混凝土拌合時達到飽和的粗集料顆粒排出部分水分,但在進行道路設計和養路時注意表麵的排水還是很必要的。

談到水泥混凝土路麵的抗凍性時,經常提到的是除冰鹽的破壞作用。在以往國內公路多是混合交通的時侯,由於行車速度通常不很高,因此下雪以後在路麵結成的冰碴沒有引起廣泛的關注。但在公路交通發達的國家裏,每到冬季下雪時,由於冰碴使汽車打滑發生的交通事故往往非常嚴重,使用除冰鹽化冰,保證正常行車速度而不出事故就成為十分必要與經常采用的措施了。除冰鹽的使用是導致路麵剝落的主要原因(剝落的程度從輕微的露石直到路麵10cm以上的砂漿成片剝落,石子被剝離,嚴重的時侯這種現象在使用後幾周就很明顯了,剝落下來的混凝土塊在隨後的大氣與交通作用下繼續碎裂,互相嵌鎖,形成無法排出水去的凹坑,使混凝土更容易受到侵蝕),在撒用除冰鹽時,路表的冰碴化凍會使其下方的混凝土突然受冷,溫度陡降,在局部產生反複的凍融循環,這種情況在不使用除冰鹽的時侯是不會遇到的。而且自然界的降溫一般也不會這麽突然,緩慢的降溫使混凝土中的熱量傳導開去,毛細孔與粗集料孔隙裏產生的壓力較容易消散,就不會產生很大的危害。上述使用除冰鹽的作用,在通常按標準進行的室內凍融試驗條件下也反映不出來。

摻用引氣劑並使混凝土有適宜的含氣量、氣泡間隔係數,對可能使用除冰鹽並處於水飽和狀態的路麵混凝土來說是絕對必要的,但是這還不夠,混凝土表麵受凍易於剝落的雖隻有10mm頂麵,引氣作用通常也是針對路麵的50mm麵層而規定的,但是在施工時,由於過度振搗或非經允許灑水以便容易抹麵等做法,都會使表層的含氣量損失,達不到保證抗凍融循環與除冰鹽的效果。注重正確操作、采用粘聚性好、不泌水的拌合物是很重要的,引氣也有這方麵的作用,所以進行拌合物設計時不考慮引氣作用,使其粗澀、泌水多,是非常有害的。

關於混凝土硬化之前的安全保護期,國內外已進行了大量的研究,由於路麵混凝土的成熟度和抗凍性的關係要比澆築在模板裏的混凝土更為複雜一些,因此在估計時往往也要更偏於保守一些。特別是要用到除冰鹽的路段,在路麵受凍之前,要考慮足夠的養護時間,可能的情況下讓其有一段幹燥期。

飽和的粗集料在受凍時會向外排水,所以液相壓力來自於砂漿,也來自粗集料顆粒本身,如果這個壓力超過了粗集料的強度,它會破壞或脫離混凝土體,這都會導致混凝土破壞。壓力的大小取決所用岩石的孔結構和石子的粒徑,粒徑越大,產生的壓力也就越高,因此對每種岩石存在一個“臨界粒徑”的概念,對同一岩種,則40mm最大粒徑的石子比20mm的危險要大。當然在發生剝落現象時,歸因於粗集料還是砂漿之前,需要在顯微鏡下經過細心觀測來判斷。

混凝土路麵受凍害的另一種形式是D—裂縫(這種裂縫通常要到道路運營幾年,甚至十幾年後才會發現),粗集料肯定是D-裂縫破壞產生的原因。有大量小孔隙的粗集料在水飽和情況下受到反複凍融的作用,就會產生D-裂縫,這種裂縫由板底開始,逐漸向上發展,當施工幾年以至十幾年後的路麵上發現這種大致與板邊平行的裂縫時,已經很嚴重並且隻有敲碎更換了。橋麵板、路麵板都會產生這種破壞現象。為避免這種破壞,需要在選擇粗集料的岩種(通常是沉積岩)時注意,對可疑的岩種要減小粗集料的最大粒徑。

如上所述,水泥混凝土路麵抗凍融與除冰鹽等化學侵蝕的能力,決定因素是具有低的滲透性。長期以來強調的降低混凝土水灰比的措施,在高效減水劑廣泛應用的今天,已被許多國家,包括國內越來越多的實踐證明是十分有效的,對高性能混凝土(HPC)開展了大量的研究工作表明:摻有高效減水劑和礦物摻合料製備的高性能混凝土,可以大大降低混凝土的水膠比(水/水泥+礦物摻合料),從而具有非常低的滲透性,因此抗凍融與除冰鹽化學侵蝕的性能十分優異。當然,粗集料的粒徑與級配良好,使混凝土較為密實,從而使水泥漿量減小,也是改善混凝土滲透性能的重要決定性因素。同時,用這種混凝土材料鋪築的路麵也將有很好的耐磨耗性能(如北歐的國家已使用這種混凝土,作為通行帶釘輪胎車輛行駛的路麵材料)。

綜上所述:水泥混凝土路麵的耐久性問題在當前國內迅速發展公路交通,特別是水泥混凝土路麵建設的今天,很有必要大力宣傳和呼籲;改善粗集料的加工質量,注意適當減小粗集料的最大粒徑,保證良好的粒形和級配,並且開展對高性能混凝土的研究與應用,以全麵提高水泥混凝土路麵耐久性,有效地延長其使用壽命,使我國的基礎設施建設能夠持續地得到發展,為經濟建設提供必要的前提。

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