道路混凝土强度空间变异性试验评价

岳爱军，李中汉，徐梦舟

(1．广西道路结构与材料重点试验室，广西　南宁　530007；2．广西金城高速公路有限公司，广西　南宁　530021)



道路混凝土强度空间变异性试验评价

岳爱军1，李中汉2，徐梦舟1

(1．广西道路结构与材料重点试验室，广西南宁530007；2．广西金城高速公路有限公司，广西南宁530021)

岳爱军(1971—)，博士，主要从事道路结构与材料研究；

李中汉(1971—)，高级工程师，从事高速公路运营管理工作；

徐梦舟(1988—)，助理工程师，主要从事合同评审及管理工作。

摘要：道路混凝土具有明显的内分层、外分层结构，混凝土强度在表面、底面和厚度方向均有变化，是混凝土强度变异性的主要原因。为评价混凝土空间强度变异性，文章对不同工艺的道路混凝土路面进行现场取芯，并采用回弹强度试验方法测定芯样顶面、底面及侧面的回弹强度，评价混凝土强度的空间分布特征。试验结果表明：可采用正态分布模型评价分层强度的变异性；混凝土表面强度一般低于试件平均强度，底面强度一般高于试件平均强度，在深度为100～200 mm时强度达到最佳。

关键词：道路混凝土；空间结构；变异性；回弹强度；正态分布；试验评价

0引言

道路混凝土路面为弹性地基上的薄板结构，其工作状态是承受行车荷载和温度疲劳综合作用，因此弯拉疲劳强度是道路混凝土的结构强度指标[1]。

道路混凝土路面施工工艺主要有滑模摊铺施工和三辊轴机组施工两种工艺。为达到结构和功能要求，道路混凝土普遍采用内部振捣和表面提浆的施工方式，这形成了密实与成型之间尖锐的工艺矛盾，其弯拉强度受施工过程影响显著[2]。由于基层表面吸水、施工过程中混凝土表面提浆，以及密实过程中工艺参数变化的影响，混凝土强度在表面、底面和厚度方向均有变化，这种变化使混凝土面板强度在空间分布上存在差异。根据试验方法的不同，混凝土强度可以采用抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、冲击强度、疲劳强度、混凝土与钢筋的握裹强度等进行评价。Tournon[3]提出利用重心位置的变化判断混凝土试样的离析方向和离析程度的大小。张艳聪等[4]提出采用离析度来表征道路混凝土内部颗粒离析程度。梁军林[5]等采用密度和吸水率变异性指标来评价道路混凝土外分层、内分层结构，试验模拟研究了基层类型、处理方式及隔离层类型等因素对含外分层结构混凝土弯拉强度的影响，研究了不同性质和厚度的表面砂浆对混凝土弯拉强度的影响。张哲[6]分析了道路混凝土材料组成与含水量变异性对路面摊铺中施工变异性的影响。已有研究主要是在实验室条件和标准工艺条件下进行，材料组成变化不大，工艺参数控制准确，工艺稳定，不考虑环境的影响，但根据室内材料组成及性能的关系评价现场混凝土的性能将存在一定的偏差。

本文在现场钻取不同施工工艺的道路混凝土路面芯样，采用回弹强度试验方法评价混凝土强度的空间分布特征，通过大量的试验，提出采用正态分布模型评价分层强度的变异性，采用回弹强度的变异系数作为评价混凝土密实成型过程的匀质性参数，作为路面钻芯劈裂强度补充，为结构设计确定可靠度系数提供依据。

1道路混凝土结构强度变异性测试原理与方法

路面混凝土结构强度变异性研究采用回弹强度试验方法。对不同施工工艺的水泥混凝土路面进行现场取芯，芯样直径为150 mm，将芯样底面和顶面磨平，然后在压力试验机上压紧，先测定顶面及底面的回弹强度，然后将芯样立起，再用压机试验机压紧，以每40~50 mm为一层，分层测定芯样侧面的回弹强度，通过研究回弹强度的分布，得出混凝土强度变异性及分布情况。

回弹试验中，回弹仪的冲击能量为：

E=kL2/2

(1)

式中：E——回弹仪的弹击总能量，J；

L——弹簧工作时的压缩长度，mm；

k——回弹仪的弹簧刚度系数，对中型弹簧k=784.532 N/m。

混凝土表面回弹值为：

H=x/L

(2)

式中：H——混凝土表面回弹值；

x——弹击锤的回弹距离。

冲击后能量损耗为：

ΔE=E[1-(x/L)2]

(3)

冲击产生的能量主要用于对混凝土表面作塑性变形功，形成冲击凹坑混凝土的塑性变形功为：

Ed=π·r2v0σs

(4)

式中：Ed——塑性变形功；

r——冲击凹坑的半径，近似等于冲击杆的半径；

m——冲击锤的质量；

σs——混凝土的塑性屈服强度；

v0——冲击锤的初速度，按下式计算：

(5)

用于作塑性变形功的冲击能量为：

(6)

令变形功与冲击功相等，则混凝土抗压强度与回弹值的关系为：

(7)

式中：fc——混凝土抗压强度，MPa；

H——混凝土表面回弹值；

L——弹簧工作时的压缩长度，mm；

r——冲击杆的半径,m；

直流侧接地方式结构简单易行，通过电容或电阻的箝位作用使直流极线正负极电压保持对称又为直流系统提供电位参考点。在直流侧找不到满足要求的接地点的情况下将接地点转移到了交流侧，如人工构造一个星形电抗器中性点或直流利用联接变压器接地。

k——为回弹仪的弹簧刚度系数，对中型弹簧k=784.532 N/m；

m——冲击锤的质量，kg。

根据回弹法检测混凝土强度试验研究，统一测强曲线为：

fc=AHn

(8)

式中，A、n为经验系数，根据混凝土回弹测强曲线回归，A=0.025，n=2。

统一测强曲线指数n=2，与式(7)理论分析结果完全相符。而参数A主要是仪器性能参数，由式(7)得：

(9)

回弹值与抗压强度关系公式中，抗压强度为冲击凹坑混凝土强度，如果表面强度与内部强度差异较大，则采用回弹强度评价混凝土强度会造成较大误差。

由以上推导回弹强度公式过程可知，影响试验结果的主要因素是冲击凹坑的半径，以及冲击过程中的能量损耗。如果表面有粗集料或其它硬度较高的颗粒，冲击时不屈服，形不成冲击凹坑，或冲击凹坑的半径比冲击杆的半径小，则回弹值会增大很多，造成试验误差；如果表面有孔洞，冲击时孔洞吸收部分能量，会降低回弹值。因此回弹强度测试仅适用于强度中等的混凝土，用于比较混凝土的强度。本文用于研究道路混凝土的强度空间分布，可得出不同部位混凝土的强度，分析强度变异性，对道路混凝土路面结构强度分析和评价仍有较大意义。

由于影响回弹强度和抗压强度的因素不完全相同，建立回弹值与混凝土强度的关系很难具有普适性，因此研究水泥混凝土路面结构强度及其空间变异性，直接采用回弹值进行分析和比较。顶面、底面和每个分层的侧面各测16个点，去掉3个最大值和3个最小值，以10个点的平均值代表该层面混凝土的强度。

2道路混凝土强度空间变异性测试结果及分析

2.1　三辊轴机组施工混凝土强度的空间变异性

表1　三辊轴机组施工混凝土强度分布表

图1　平桂二级公路三轴施工混凝土强度分布图

由表1及图1可以得出以下结论：

(1)三辊轴施工混凝土表面强度一般低于试件平均强度，回弹值平均低5.6个点，这主要与表面提浆和离心密实成型有关。

(2)三辊轴施工混凝土底面强度一般高于试件平均强度，回弹值平均高1.7个点，这主要与基层表面吸水降低水灰比有关。

(3)随着深度的增加，混凝土强度逐渐增加，在深度为100~200 mm强度达到最佳，然后强度又逐渐降低，这主要与三轴机振动轴的压力分布和成型混凝土的密度分布有关。

(4)表面和底面混凝土强度变异性较高，第一层的强度变异性也较高，从第二层起，强度变异性总体随深度增加而增大，底面强度变异性相对较大，变异系数达0.071。

(5)通过分布检验，混凝土表面、底面和各层强度分布近似服从正态分布，可采用正态分布模型评价分层强度的变异性。采用回弹法试验，强度变异性很小，试验结果相当稳定。

岑溪至筋竹高速公路三辊轴机组无振捣施工大厚度水泥混凝土路面，其强度分布规律与上述规律相同(见表2及图2)。

表2　大厚度混凝土路面三辊轴机组施工混凝土强度分布表

图2　大厚度混凝土路面三辊轴机组施工混凝土强度分布图

从表2及图2中还可以得知，采用低阻力三辊轴混凝土，摊铺现场混凝土坍落度为90~120 mm，在不振捣的条件下，混合料的施工性能与施工工艺相适应，有效密实作用深度可达320 mm以上。经抽样检测，混凝土路面钻芯取样劈裂强度也满足规范的技术要求[2]。

2.2　滑模摊铺施工混凝土强度的空间变异性

水任至南宁、南宁至坛洛、全州至兴安、岑溪至兴业高速公路水泥混凝土路面采用滑模摊铺施工工艺，其中，水南及南坛高速试验共钻取芯样25个、全兴高速钻取芯样9个、岑兴高速钻取芯样253个。水南及南坛高速路面设计厚度26 mm，全兴、岑兴高速路面设计厚度32 mm。滑模摊铺施工混凝土强度的试验结果如表3~5、图3~5。

表3　滑模摊铺施工混凝土强度分布表(水南、南坛路)

表4　大厚度混凝土路面滑模摊铺施工混凝土强度分布表(全兴路)

表5　大厚度混凝土路面滑模摊铺施工混凝土强度分布表(岑兴路)

图3　滑模摊铺施工26 cm厚混凝土强度分布图

图4　全兴路滑模摊铺施工混凝土强度分布图

图5　岑兴路滑模摊铺施工混凝土强度分布图

从表3~5、图3~5中可得出以下结论：

(1)滑模摊铺混凝土表面强度一般低于试件平均强度，标准厚度施工回弹值平均低3.6个点，大厚度(≥30 cm)滑模摊铺施工回弹值平均低6~9.1个点，这主要与表面提浆成型有关。振动频率越高，表面提浆越多，表面强度越低；通常大厚度摊铺施工速度较慢，振动频率较高，容易产生过振，因而差异更大。

(2)混凝土底面强度一般高于试件平均强度，标准厚度摊铺施工回弹值平均高1.5个点，大厚度摊铺施工平均高2~3.7个点，这主要与基层表面吸水降低水灰比有关。

(3)随着深度的增加，混凝土强度逐渐增加，在深度为100~200 mm强度达到最佳，然后强度又逐渐降低，这主要与滑模摊铺施工振捣机振动棒的布置与施工方法有关，振动棒布置在松铺厚度内振动成型，随着与振动棒的距离增大，振动波减弱，在最佳振动频率和振幅下才能获得最佳强度。

(4)表面和底面混凝土强度变异性较高，第一层的强度变异性也较高，其它层的强度变异性相差不大，底面强度变异性相对较大，变异系数达0.093。

(5)通过分布检验，混凝土表面、底面和各层强度分布近似服从正态分布，可采用正态分布模型评价分层强度的变异性。采用回弹法试验，强度变异性很小，试验结果相对稳定。

(6)滑模摊铺施工大厚度水泥混凝土路面，如果混合料的施工性能与施工工艺相适应，有效密实作用深度可达320 mm以上，最大可达350 mm。

3结语

(1)基于现场条件下路面施工形成复杂的含有内分层和外分层结构的混凝土强度在空间上的分布特征可采用正态分布模型评价，混凝土表面强度一般低于试件平均强度，底面强度一般高于试件平均强度，在深度为100~200 mm强度达到最佳。

(2)在混凝土路面钻芯劈裂强度换算为实际面板弯拉强度进行质量评定时，建议增加混凝土空间强度变异系数的测试，为完善施工质量控制实用技术和提高结构设计可靠度系数提供参考依据。

参考文献

[1]邓学钧，陈荣生.刚性路面设计[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]梁军林，等.水泥混凝土路面施工变异性及控制技术研究(分报告三).[R].2011.

[3]M.A.Ward，A.M.Neville and S.P.Singh.Creep of air-entrained concrete[C].Mag Concr.Res，1969.

[4]张艳聪，王大鹏，田波，等.道路混凝土离析评价方法[J].公路交通科技，2012，(29)1：23-27.

[5]岳爱军，梁军林，黎新蓉.Research on the Methods and Evaluation Indexes aboutHierarchical Structure of Concrete Road[J].重庆交通大学学报(自然科学版)(增刊1)，2012.6：733-738.

[6]张哲.道路混凝土材料组成与变异性[J].山西交通科技，2010.1：16-17.

Experimental Evaluation on Spatial Variability of Road Concrete Strength

YUE Ai-jun1，LI Zhong-han2，XU Meng-zhou1

(1.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007； 2.Guangxi Jincheng Expressway Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530021)

Abstract：Road concrete has obvious internal stratification and external stratification structures，and the con-crete strength is changed on the surface，the bottom surface and the thickness direction，which is the main reason for the variability of concrete strength.To evaluate the spatial strength variability of concrete，this arti-cle conducted the on-site coring for road concrete pavement with different technical processes，and deter-mined the rebound strength of core sample top surface，bottom surface and side surface by using the rebound strength test method，so as to evaluate the spatial distribution features of concrete strength.The experimental results showed that：the normal distribution model can be used to evaluate the variability of stratification strength； the strength of concrete surface is generally below the average strength of specimens，and the strength at bottom surface is generally higher than the average strength of specimens，reaching the optimal strength at the depth of 100 ~200 mm.

Keywords：Road concrete； Spatial structure； Variability； Rebound strength； Normal distribution； Experi-mental evaluation

收稿日期：2015-05-02

文章编号：1673-4874(2015)05-0005-04

中图分类号：U416

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.002

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