新型抗弯拉水泥混凝土路面

袁宏成 周缘 廖文涛 张宇峰

A New Type of Flexural Cement Concrete Pavement

摘要： 本文从水泥混凝土微观结构的角度分析其抗弯拉强度的作用机理，通过对水泥混凝土抗弯拉破坏机理的分析，表明泌水是引起水泥混凝土抗弯拉强度下降的主要原因。新型抗弯拉水泥混凝土路面以提高抗弯拉强度和耐久性为设计目标，通过增加粗集料用量，改进级配，优化水泥胶砂用量，形成骨架密实水泥混凝土，减少泌水，从而有效提高水泥混凝土的抗弯拉强度。

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.

關键词： 水泥混凝土路面；抗弯拉强度；泌水；粗集料

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

中图分类号：U416.216 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0101-03

0 引言

随着我国经济和交通运输行业的快速发展，公路运输出现了“重载、大流量和渠化交通”的特点，现代交通的重荷载、高速度对公路路面的结构强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环境和受力特点决定了它的主要强度指标是抗弯拉强度，所以提高水泥混凝土路面抗弯拉强度、提高其承载能力是延长混凝土路面耐久性的一项关键指标[2]。由于水泥混凝土路面抗弯拉强度远小于其抗压强度，而提高抗弯拉强度又比抗压强度困难的多，所以水泥混凝土路面的抗弯拉强度能否满足设计要求，将直接影响到路面的整体质量及使用寿命。

1 抗弯拉强度作用机理分析

从微观结构上分析，水泥混凝土是由胶砂、粗集料、界面过渡区三相组成的混合体[3]。界面过渡区是水泥砂浆和粗集料两相结合的区域，这一区域的结构与性能不同于硬化水泥石本体。在水化的早期，由于过渡区内水灰比大，所以它的孔体积与孔径均比水泥石大。集料表面处水泥石孔隙率为40%左右，离集料表面35-40微米处则为12%左右，接近水泥石本体的数值[3]。水泥混凝土内的界面过渡区由于其组成成分和结构的原因内部存在孔隙和微裂缝。当车辆荷载行驶在混凝土路面上，路面受到弯拉荷载作用出现应力集中，基体会发生开裂，由于界面过渡区孔隙的体积和微裂缝的存在，必将沿着混凝土内部最薄弱的断面-界面过渡区优先断裂[4]。通过对混凝土结构的微观结构分析可以发现，混凝土中的界面过渡区通常比混凝土的其他两相组成要弱，是影响混凝土弯拉强度的主要因素。

提高界面过渡区的强度是提高水泥混凝土路面抗弯拉强度的主要措施，当界面过渡区的强度得到较大提高后，相应的水泥混凝土路面的抗弯拉强度也会得到提高。

2 新型抗弯拉水泥混凝土技术

2.1 分析影响界面过渡区强度的因素

各种内外影响因素主要是通过影响界面过渡区组成成分和结构即孔隙和微裂缝的大小和体积等来影响水泥混凝土路面的抗弯拉强度[4]。

混凝土在拌和、运输和浇筑振捣到凝结的整个过程中，由于骨料和水泥浆下沉、水分上升，在混凝土内部和表面析出水分的现象称之为泌水现象。新拌混凝土泌水如图2所示。

泌水会破坏水泥混凝土内部的均匀性，一部分泌水上升到混凝土水平表面，一部分泌水滞留在粗集料下面及其与胶结料的界面上。

当拌合水上升到混凝土表面时，它会携带一部分水泥和集料中的微细粒子，使混凝土表面形成一层含水量很大的浮浆层，导致混凝土表面疏松多孔，强度降低[5]。当浮浆层失水变稠失去流动性，其强度的发展不足以抵抗因收缩引起的拉应力时，混凝土表面就会产生裂缝。

由于泌水现象的发生，不仅容易导致混凝土表面产生裂缝，更不利的是粗集料与胶结料的界面上形成低强度的水泥石甚至空隙，导致微裂缝的产生，在拉应力的作用下，微裂缝的尖端出现较大的应力集中[5]。泌水现象越严重，微裂缝发展的越快越多，在相同的拉应力条件下，破坏的可能性就越大。

由于界面过渡区孔隙多，使得受荷载作用时参与受拉的面积减小，同时疏松的胶砂单位面积的抵抗能力也较小。当混凝土路面受到拉力作用时，界面过渡区孔隙在相当低的拉力作用下迅速开展，直接决定抗弯拉强度[6]。

2.2 提高界面过渡区强度

在水泥混凝土中，振捣密实后的粗集料如能形成框架，该框架可以抵抗一部分由胶体提供给水的浮力，遏制水由下向上的运动趋势；常规配合比下的粗集料在振捣过后仍然会有下沉趋势，而形成框架后的粗集料稳定性更好，能削弱水和粗集料的相对运动。粗集料形成框架的另一意义在于，总表面积和孔隙率的双双减小，从粘结和填充两个方面对水泥量的刚性要求都得到下调[7]。由此可见，适当增加粗集料用量，使其在混凝土中形成稳定的框架，将有效地减少泌水现象，提高界面过渡区强度，从而达到提高混凝土抗折强度的目的。

2.3 新型抗弯拉水泥混凝土设计

受到浮力现象的启发，结合水泥混凝土级配设计理论，新型抗弯拉水泥混凝土路面设计目标即为形成骨架密实型混凝土，从而提高混凝土路面的抗弯拉强度。新型抗弯拉水泥混凝土路面以提高抗折强度和耐久性为设计目标，增加粗集料用量、减少胶砂用量，使混凝土由半液态向半固态过渡，骨料不致于悬浮于胶砂中。由于主骨料框架作用，其重力直接作用于基层，弱化了浮力效应，减少泌水，进而提高界面过渡区抗折强度。

在实际应用中，新型抗弯拉混凝土配合比相对于普通混凝土有3点改进：

①相对现行公路混凝土路面规范推荐的粗骨料级配范围，将集料中4.7-9.5mm一级抽除，以增加空隙率，相对减少“富余胶砂”量；

②适当减少砂率；

③减少水泥用量，并采用合适的水灰比。

由于增加了粗骨料用量，降低了砂率和水泥用量，新型抗弯拉混凝土的塌落度很小，几乎为零，因此，在施工过程中，要加强混凝土的拌合和振捣。

3 工程实例

新型抗弯拉水泥混凝土应用于207国道公安县章庄铺至东岳庙段大修工程，该工程起止桩号为K2171+764-K2176+764，全长5000m，路基宽12m（路面宽9m）。该大修工程段因位于城郊结合部及高速出入口路段，车流量较大，超重载车多，路面出现大量破损，严重影响行车安全。为改善原路面的结构组成，针对道路现状和特点，采用破除旧路面，铺筑新型抗弯拉水泥混凝土面层的方案大修。

3.1 工程概况

①公路等级：二级公路；

②设计行车速度：60公里/小时；

③路基路面：路基宽12.0、14.0m，路面宽9.0、12.0m；

④路面结构自上而下依次为28cm水泥混凝土面层+18cm水泥稳定碎石基层+旧路基层。

3.2 原材料选择

①宜昌华新水泥厂生产的P·O42.5水泥；

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

③细集料采用洞庭湖砂，细度模数为3.04。

粗细集料筛分结果如表1、表2所示。

4 配合比试验

依据《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG TF30-2014）中4.2.10条，对新型抗弯拉混凝土路面配合比试验设计使用正交试验法[8]。选用粗骨料级配组合、水泥用量、水灰比、砂率等4個因素三水平进行试验。采用L9（34）正交表安排试验组合进行配合比试验，在材料一定的前提下，以混凝土28天抗弯拉强度为正交试验主要考察目标，确定适合应用于荆州地区的新型抗弯拉混凝土配合比。其中粗集料级配组合指20-40mm和0-20mm两种规格的碎石分别按70：30、80：20和90：10的比例混合；砂率分别取30%、32%和34%三种情况；水泥用量取310kg、340kg和370kg种情况；水灰比取0.41、0.43和0.45种情况。按正交试验方法进行9组配合比试验，经过对正交试验结果进行直观及回归分析，以及在经济性方面的考虑得出适合于荆州地区的新型抗弯拉混凝土路面的配合比，用于大修工程施工。配合比结果如表3所示。

在施工结束运营近半年时间后，对施工路段进行了检测，检测结果汇总见表4所示。

从上述检查结果来看：

①强度。在实施区间取代表性芯样共54处，从表4中数据可以看出，检测项目中强度全部合格，且新型抗弯拉水泥混凝土路面的抗弯拉强度较普通水泥混凝土路面抗弯拉强度提升18%。

②抽检的施工面板厚度、路面宽度也全部合格，路面平整度、横坡度、抗滑构造深度等均合格，且满足规范要求。从整体上看，试验路段在运营半年后的效果基本较好。结果表明新型抗弯拉混凝土路面的抗弯拉强度符合要求，提高了路面使用质量。

5 结语

工程应用表明，在公路大修工程中采用新型抗弯拉水泥混凝土技术上可行、经济上合理，效果良好，可应用于各级公路的建设和改造，应用前景广阔，推广价值巨大，可在湖北全省乃至全国推广应用。

参考文献：

[1]刘永中.对影响水泥混凝土路面弯拉强度因素的探讨[J]. 交通世界，2011（8）：120-121.

[2]尚志远.高抗折强度路面混凝土材料组成与路用性能研究[D].长安大学，2008.

[3]李家正，牟伟楠，王磊，等.混凝土界面过渡区物相微结构表征方法及演变规律浅析[J].长江科学院院报，2017，34（8）：139-143.

[4]潘万宝.水泥混凝土路面抗折强度机理研究[J].滁州职业技术学院学报，2005，4（2）：32-33.

[5]杜建国.泌水对水泥混凝土抗折强度的影响[J].安徽工程大学学报，2002，17（3）：63-66.

[6]李莹玉，宋瑞瑞.混凝土抗拉与抗折强度的研究[J].建筑工程技术与设计，2017（14）.

[7]吴晓龙.粗骨料对水泥混凝土路面抗弯拉强度的影响[J]. 福建交通科技，2017（1）：17-20.

[8]公路水泥混凝土路面施工技术细则[M].人民交通出版社， 2014.