淺述粗集料對水泥混凝土路面使用壽命的影響

摘要：在水泥混凝土路面高等級公路大發(fā)展的時期，認(rèn)識影響其使用壽命的主要因素并在建設(shè)過程中給予充分重視是十分必要的。本文著重說明粗集料對混凝土路面使用壽命的重要作用。

關(guān)鍵詞：水泥混凝土路面；使用壽命；粗集料

1 概述

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

大量水泥混凝土路面的修建與應(yīng)用，帶來對這種道路使用耐久性的關(guān)心，例如美國在汽車運輸發(fā)展迅速之時，發(fā)現(xiàn)引氣劑能大大改善水泥混凝土路面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(fā)展史上的一個里程碑；八十年代興起混凝土耐久性研究應(yīng)用熱潮，也是就美國及其他國家大量混凝土橋面板和路面的修復(fù)、更新，需要耗費巨額資金而提出的。

在我國，水泥混凝土路面發(fā)展的歷史較短，特別是水泥混凝土路面的高等級公路、高速公路還是近些年才開始大量修建的，因此對于它的耐久性還未得到應(yīng)有的重視。盡管如此，一部分新修運營才幾年的道路，混凝土路面已經(jīng)出現(xiàn)相當(dāng)嚴(yán)重的病害，如路面板磨耗、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，影響路面的使用壽命?；炷谅访娴男扪a非常麻煩，費用也很高，因此引起各級領(lǐng)導(dǎo)與有關(guān)部門的高度重視，并力圖找到得力的措施改進。高等級公路路面混凝土的設(shè)計抗折強度指標(biāo)從4.5mpa提高到5.0mpa，而配制強度提高到5.5mpa，就是有力的明證。但是，一方面強度指標(biāo)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；另一方面，增加水泥用量對提高混凝土抗折強度的效果并不顯著，有時甚至看不出無效果。事實上，我國規(guī)范規(guī)定的抗折強度為4.5mpa的指標(biāo)，已經(jīng)比美、英等國的指標(biāo)高，看來出現(xiàn)病害的原因并不在于抗折強度偏低。那么，改善高等級公路水泥路面耐久性的關(guān)鍵究竟是什么？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(yīng)該是相當(dāng)重要的，但這一點尚未被國內(nèi)道路工程界充分重視，從國內(nèi)許多混凝土路面工程所用粗集料的質(zhì)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，此外粗集料中的針片狀顆粒含量還很多，含泥量也往往嚴(yán)重超標(biāo)，這樣的粗集料是無法修建出高質(zhì)量的路面。所以本文著重談?wù)摯旨蠈炷谅访婺陀眯缘挠绊?，以期引起各方面的重視?/p>

2 粗集料對路面抗沖擊、疲勞性能的影響

粗集料對混凝土路面耐用性的影響之大，可從下面的例子中看出來：

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(diào)查，結(jié)果表明：其平均壽命僅為20.5年。文章認(rèn)為[1]：使用壽命完全可以加倍延長，關(guān)鍵在于改變現(xiàn)行材料試驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)(即astm)中關(guān)于粗集料級配的規(guī)定，象其他工業(yè)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(lián)系起來。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，原因在后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，實際情況要復(fù)雜一些，但從中可以得到重要的啟示：混凝土材料已經(jīng)使用了一個多世紀(jì)，在各方面條件發(fā)生很大變化的今天，有必要重新認(rèn)識有關(guān)粗集料的一些問題，以利更好地發(fā)展水泥混凝土公路建設(shè)。

為什么現(xiàn)今水泥混凝土路面的使用壽命，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(xiàn)代交通的發(fā)展來進行分析，由于近些年來大型、重載車輛，包括集裝箱車輛的出現(xiàn)與頻繁運行，這些重型車輛對道路的破壞，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輕型汽車，反映在對路面板混凝土的抗沖擊與疲勞的強度需要大大提高，因此如上所述，靠提高室內(nèi)靜力試驗的抗折強度指標(biāo)就達不到預(yù)期效果，甚至無濟于事。根據(jù)國外大量研究和應(yīng)用的結(jié)果證明：混凝土粗集料的最大粒徑越小，其抗沖擊與疲勞的強度就越好。但是粗集料的粒徑減小，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(nèi)雖然采用最大粒徑大的粗集料，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(jié)果水泥用量增加，提高了材料費用，還對路面的使用壽命產(chǎn)生不利的影響。除了抗沖擊與疲勞的性能以外，就路面用水泥混凝土的耐久性而言，占首位的就屬耐磨耗性能了，當(dāng)然凍害與化學(xué)侵蝕等也是一些必須注意的問題，分別敘述如下。

3 粗集料對路面耐磨耗性能的影響

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

粗集料本身的耐磨性能，雖然和路面耐磨耗性能有關(guān)，但除特殊情況外(如特別脆弱的燧石、容易磨光的石灰石細(xì)粒)，關(guān)系并不很大；而另一方面，粗集料的顆粒分布與級配，對路面板的耐磨耗性能，乃至整個路面的壽命卻有很大的關(guān)系。上述那篇美國雜志的文章表明：使混凝土路面壽命加倍延長，也就是40～50年的壽命是完全可能的。分析認(rèn)為：現(xiàn)在粗集料的顆粒分布不好，是路面損壞的主要原因之一，而通常進行設(shè)計時只考慮荷載，不考慮耐久性的現(xiàn)狀，使這個問題復(fù)雜化。經(jīng)過對粗集料的顆粒分布進行廣泛的試驗研究，發(fā)現(xiàn)在主要工業(yè)國家中，只有美國一些州的現(xiàn)行規(guī)范是用二級配粗集料拌和混凝土，其他發(fā)達國家和美國的部分地區(qū)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，填充空隙并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，表面就越容易被磨損；這還會形成許多通道，使侵蝕性的介質(zhì)得以進入。施工中抹面時，混凝土面層應(yīng)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面需要。路面混凝土的強度指標(biāo)很明確，攪拌站供應(yīng)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里起一定的作用，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、抹面困難、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面的壽命。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只需48%的砂漿，就可生產(chǎn)粘聚的、工作性能好的拌和物?；炷谅访嬖O(shè)計的一個問題是設(shè)計應(yīng)該針對確定的環(huán)境進行，這樣才能確保路面的質(zhì)量。

作者：覃維祖