淺述粗集料對(duì)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(jí)公路大發(fā)展的時(shí)期，認(rèn)識(shí)影響其使用壽命的主要因素并在建設(shè)過(guò)程中給予充分重視是十分必要的。本文著重說(shuō)明粗集料對(duì)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(dá)國(guó)家的公路網(wǎng)占有相當(dāng)重要的地位，最為突出的是美國(guó)，已建水泥混凝土路面約20萬(wàn)公里，其中有6萬(wàn)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(zhǎng)度的一半以上；德國(guó)在發(fā)動(dòng)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(guó)家如英、法、西班牙、澳大利亞等國(guó)也有相當(dāng)量的水泥混凝土路面；近些年來(lái)東南亞地區(qū)水泥路面的公路呈發(fā)展上升趨勢(shì)，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(zhǎng)使用壽命，降低養(yǎng)路費(fèi)用。

　　大量水泥混凝土路面的修建與應(yīng)用，帶來(lái)對(duì)這種道路使用耐久性的關(guān)心，例如美國(guó)在汽車運(yùn)輸發(fā)展迅速之時(shí)，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(gè)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(guó)及其他國(guó)家大量混凝土橋面板和路面的修復(fù)、更新，需要耗費(fèi)巨額資金而提出的。

　　在我國(guó)，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(jí)公路、高速公路還是近些年才開(kāi)始大量修建的，因此對(duì)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(yùn)營(yíng)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(kāi)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。混凝土路面的修補(bǔ)非常麻煩，費(fèi)用也很高，因此引起各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)與有關(guān)部門(mén)的高度重視，并力圖找到得力的措施改進(jìn)。高等級(jí)公路路面混凝土的設(shè)計(jì)抗折強(qiáng)度指標(biāo)從4.5mpa提高到5.0mpa，而配制強(qiáng)度提高到5.5mpa，就是有力的明證。但是，一方面強(qiáng)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(fèi)用進(jìn)一步提高；另一方面，增加水泥用量對(duì)提高混凝土抗折強(qiáng)度的效果并不顯著，有時(shí)甚至看不出無(wú)效果。事實(shí)上，我國(guó)規(guī)范規(guī)定的抗折強(qiáng)度為4.5mpa的指標(biāo)，已經(jīng)比美、英等國(guó)的指標(biāo)（4.0mpa）高，看來(lái)出現(xiàn)病害的原因并不在于抗折強(qiáng)度偏低。那么，改善高等級(jí)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(duì)混凝土的耐久性、對(duì)道路使用壽命的影響應(yīng)該是相當(dāng)重要的，但這一點(diǎn)尚未被國(guó)內(nèi)道路工程界充分重視，從國(guó)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(lái)：石子的最大粒徑普遍較大、超徑多，而且一般是單級(jí)配（如用5-40mm顆粒為粗集料，常常只有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(yán)重超標(biāo)，這樣的粗集料是無(wú)法修建出高質(zhì)量的路面。所以本文著重談?wù)摯旨蠈?duì)混凝土路面耐用性的影響，以期引起各方面的重視。

　　2 粗集料對(duì)路面抗沖擊、疲勞性能的影響

　　粗集料對(duì)混凝土路面耐用性的影響之大，可從下面的例子中看出來(lái)：

　　1988年，美國(guó)對(duì)45個(gè)州的水泥混凝土道路進(jìn)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(zhǎng)，關(guān)鍵在于改變現(xiàn)行材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(即astm)中關(guān)于粗集料級(jí)配的規(guī)定，象其他工業(yè)國(guó)一樣，在路用混凝土中采用三級(jí)配粗集料。增加中間一級(jí)顆粒，稱之為“橋梁”，即把大小粗集料顆粒聯(lián)系起來(lái)。文章對(duì)比了美國(guó)達(dá)拉斯市兩條相鄰的街道：一條是已運(yùn)行66年的老路，仍基本完好；另一條剛運(yùn)行5年，已有不少地方損壞，需要修補(bǔ)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(jí)配良好，“橋梁”作用明顯。例子很典型，實(shí)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(gè)多世紀(jì)，在各方面條件發(fā)生很大變化的今天（指工程結(jié)構(gòu)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(rèn)識(shí)有關(guān)粗集料的一些問(wèn)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(lái)進(jìn)行分析，由于近些年來(lái)大型、重載車輛，包括集裝箱車輛的出現(xiàn)與頻繁運(yùn)行，這些重型車輛對(duì)道路的破壞，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輕型汽車，反映在對(duì)路面板混凝土的抗沖擊與疲勞的強(qiáng)度需要大大提高，因此如上所述，靠提高室內(nèi)靜力試驗(yàn)的抗折強(qiáng)度指標(biāo)就達(dá)不到預(yù)期效果，甚至無(wú)濟(jì)于事。根據(jù)國(guó)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(qiáng)度就越好。但是粗集料的粒徑減小（國(guó)外一般都以20mm為最大粒徑），會(huì)使包裹它們的砂漿需要量增大，也有不利之處，就要通過(guò)增加中間顆粒部分來(lái)補(bǔ)償。國(guó)內(nèi)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?yàn)槿鄙僦虚g顆粒，粗集料的堆積不夠密實(shí)，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(fèi)用，還對(duì)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(wèn)題，分別敘述如下。

　　3 粗集料對(duì)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(shí)首先涉及的另一個(gè)問(wèn)題，無(wú)論國(guó)內(nèi)外已有大量的研究工作都證實(shí)：總體上水泥混凝土路面的耐磨耗性能直接與混凝土強(qiáng)度相關(guān)，即強(qiáng)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(jí)配，對(duì)路面板的耐磨耗性能，乃至整個(gè)路面的壽命卻有很大的關(guān)系。上述那篇美國(guó)雜志的文章表明：使混凝土路面壽命加倍延長(zhǎng)，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(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)只考慮荷載，不考慮耐久性的現(xiàn)狀，使這個(gè)問(wèn)題復(fù)雜化。經(jīng)過(guò)對(duì)粗集料的顆粒分布進(jìn)行廣泛的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在主要工業(yè)國(guó)家中，只有美國(guó)一些州的現(xiàn)行規(guī)范是用二級(jí)配粗集料拌和混凝土，其他發(fā)達(dá)國(guó)家和美國(guó)的部分地區(qū)至少采用三級(jí)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(shí)度。

　　在沒(méi)有或很少中間顆粒的時(shí)侯，混凝土含有過(guò)多而且不易密實(shí)的砂漿，而砂漿越多，表面就越容易被磨損；這還會(huì)形成許多通道，使侵蝕性的介質(zhì)得以進(jìn)入。施工中抹面時(shí)，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(qiáng)度指標(biāo)很明確，攪拌站供應(yīng)的混凝土一定要滿足強(qiáng)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(shí)性能，尖棱角與片針狀顆粒阻礙拌和物流動(dòng)，它們互相嵌鎖，使混凝土難以密實(shí)。采用這類粗集料顆粒的混凝土，用攤鋪機(jī)攤鋪時(shí)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(zhǎng)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(dòng)，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(jì)的一個(gè)問(wèn)題是設(shè)計(jì)應(yīng)該針對(duì)確定的環(huán)境進(jìn)行，這樣才能確保路面的質(zhì)量。

作者：覃維祖