提高水泥混凝土路面耐久性的控制措施研究

王玉杰

(贊皇縣交通運輸局，河北 贊皇 051230)

0 引言

目前，國內外在水泥混凝土路面耐久性的研究主要集中在路面結構層設計［1-3］、路面耐久性的評價方法［4-5］、水泥混凝土配合比對耐久的影響［6］等方面。我國水泥混凝土路面耐久性的研究現(xiàn)狀仍較為滯后，針對性性不足，存在諸多問題沒有很好的的解決。

截止到2010年底，我國水泥混凝土路面里程已經達到137.55萬km，占水泥、瀝青鋪裝路面總里程191.8萬km的71.7%，我國已經成為水泥混凝土路面世界第一大國。由于我國水泥混凝土路面設計理論不夠完善，施工經驗不足以及養(yǎng)護時不夠規(guī)范和重視等眾多原因，許多路面或出現(xiàn)結構性損壞，或出現(xiàn)功能性缺陷，嚴重影響了公路使用質量，大部分水泥混凝土路面都維持在較低的服務水平上，面臨著修復、改建和重建工作。如果水泥混凝土路面出現(xiàn)損壞，不但維修施工難度大，施工費用高，而且影響公路通行。水泥混凝土路面使用壽命短、頻繁養(yǎng)護維修造成的交通堵塞，造成了巨大的資源浪費，不利于公路可持續(xù)發(fā)展的目標。結合石家莊市紅旗大街南延工程，對水泥混凝凝土路面耐久性的因素進行了分析，對如何有效提高水泥混凝土路面耐久性問題進行了初步研究。

1 水泥路面耐久性的影響因素

水泥混凝土材料耐久性的影響因素是多方面的，但對水泥混凝土路面耐久性影響主要出現(xiàn)在施工環(huán)節(jié)和設計環(huán)節(jié)。使用年限內組成路面的混凝土長時間的暴露在大氣中，受到周圍環(huán)境各種因素影響和作用，水泥混凝土路面的耐久性主要指抗凍性，破壞的主要表現(xiàn)是水泥混凝土路的裂縫。通過調查發(fā)現(xiàn)，紅旗大街南延工程中水泥混凝土路面的破壞主要有以下幾個原因。

(1)紅旗大街南延工程部分路段出現(xiàn)的損壞，很大一部分都是從裂縫開始的，水泥混凝土路面的開裂是引起路面損壞的最主要原因。路面產生裂縫后，會重影響水泥混凝土路面的使用性能，加速損壞進程，所以研究水泥混凝土路面的耐久性，應著重解決影響水泥混凝土路面裂縫和抗折強度的因素，針對不同的因素采取相應措施提高路面的耐久性和使用年限。

(2)石家莊地區(qū)處于季節(jié)性凍土區(qū)，水泥混凝土路面隨著氣溫的不斷變化，受到交替凍融的循環(huán)作用，使混凝土強度降低甚致出現(xiàn)破壞。隨著凍融次數的不斷增加混凝土的相對動彈模量開始下降，質量開始衰減。

____(3)水泥混凝土路面的碳化作用。由于混凝土表面裸露在空氣中，空中的二氧化碳與路面混凝土中所含的氫氧化鈣發(fā)生化學反應，轉化生成水和碳酸鈣。路面混凝土碳化的危害主要表現(xiàn)在兩個方面，一方面由于不斷的碳化使的路面混凝土堿性大幅減少，致使在高堿環(huán)境下混凝土內鋼筋表面形成致密氧化膜逐漸破壞消失，原有的鋼筋保護層被破壞后，鋼筋由于使去保護層而產生銹蝕。另一方面不斷發(fā)生的碳化進程逐漸的增加了混凝土表面的收縮，由于路面混凝土表面收縮而使拉應力從產生到不斷增大，慢慢在表面形成細微裂縫，隨著裂縫的發(fā)展，由表及里當裂縫發(fā)展到一定程度后，就降低混凝土的抗折強度。

(4)水泥混凝土路面在輪胎的不斷磨耗和雨水的不斷侵蝕下混凝土的磨損量不斷加大，加之雨水中的酸性物質含有的硫酸根離子與水泥中的氫氧化鈣發(fā)生反應，使混凝土內部膨脹，最終造成路面混凝土產生破壞。造成混凝土路面表面粉化、脫落、裸露骨料。

(5)混凝土堿-集料反應引起混凝土產生膨脹、開裂，甚至產生破壞。由于混凝土中的集料呈均勻分布，所以裂縫先大量、無序的出現(xiàn)在混凝土表面，隨后在該作用與其他因素的共同作用下使路面混凝土耐久性迅速降低。

根據影響因素分析，在水泥混凝土路面的設計與施工環(huán)節(jié)對其設計參數和施工過程控制，可以有效的預防路面破壞并延長其使用壽命。

2 設計階段的控制措施

(1)加強現(xiàn)場交通情況調查。水泥混凝土路面各結構的設計厚度、混凝土面板設計厚度、混凝土設計強度、板塊尺寸、脹縫及鋼筋設置、縮縫設置等對水泥混凝土路面的耐久性有著很重要的影響。如果設計階段沒有在對相應的交通環(huán)境、車輛載重情況做深入勘測分析的基礎上，做出相應合理的設計，將會嚴重影響水泥混凝土路面的耐久性。

(2)設計荷載確定的準確性。目前我國水泥混凝土路面的設計計算理論，雖然考慮了溫度疲勞應力等因素，但設計水泥混凝土路面結構仍需要進一步完善，因為當大量超載車輛行駛時，路面結構仍無法承受巨大的沖擊破壞力。紅旗大街南至工業(yè)區(qū)道路面設計采用雙輪組單軸載100kN作為標準軸載(BZ-100)，設計基準期為30a，在設計年限內累計當量軸次Ne為8.548×106次/車道。目標可靠指標為1.28。設計彎拉強度標準值為5MPa，抗拉彈性模量31000MPa;路基頂面回彈彎沉值為285.8(0.01mm);設計中路面材料設計參數和路基回彈模量值:水泥穩(wěn)定碎石1500MPa，石灰土450MPa，路床頂41MPa。

通過計算確定路面結構組成為:28cm水泥混凝土面層(彎拉強度5MPa);18+18cm水泥穩(wěn)定碎石基層(無側限抗壓強度4MPa)，18cm厚石灰穩(wěn)定土底基層(無側限抗壓強度0.8MPa)?；鶎铀喾€(wěn)定級配碎石采用集中廠拌法施工，設計配比為5∶95，混合料壓實度大于98%;底基層石灰穩(wěn)定土中，石灰劑量為12%，壓實度大于95%。雖然紅旗大街嚴格按照規(guī)范要求設計了嚴謹的路面結構層，但通車后部分路段在重載車輛的作用下仍然出現(xiàn)了損壞。

所以在今后設計中可否由靜力學向動力學發(fā)展，除了應力計算外，再加入沖擊力的驗算對路面結構進行修正，同時，對水泥混凝土路面的典型結構進行深入探討，提出新的結構組合方式。

3 施工階段的控制措施

水泥混凝土配合比的設計和優(yōu)化是提高水泥混凝土路面質量，增加耐久性的關鍵技術，優(yōu)化配合比設計時不但要使各種原材料嚴格滿足水泥混凝土路面的物理力學指標外，還要考慮混凝土的工作性和經濟性。紅旗大街南延工程施工過程中十分重初對水泥混凝土配合比設計優(yōu)化。

3.1 合理選取外加劑

外加劑按功能分改善混凝土流變性的外摻劑、改善混凝土耐久性的外摻劑、調節(jié)混凝土硬化性能和凝結時間的外摻劑、改善混凝土其他性能的外摻劑四大類?；炷镣鈸絼┦窃诋a生混凝土過程中加入的，用以改善混凝土性質，加入量一般不超過水泥質量的5%。常用外摻劑如減水劑可以改善混凝土流變性、引氣劑可以同時改善混凝土流變性和耐久性，見表1。

表1 加入引氣減水劑試驗結果

3.2 控制粗集料和細集料的級配

路面混凝土級配對彎拉強度影響很大，如果級配不符合要求，混凝土振動后就無法達到逐級充填密實結構，無法形成高彎拉強度需要的嵌鎖力，而且粗集料級配對路面的干縮和溫縮裂縫影響相當大。細集料中砂的細度模數變化不應過大，如果砂源不同，砂的細度模數不應超過0.3。當細度模數變化較大時，將會使混凝土的稠度變異較大，甚至會達到失控的程度。由此而產生振搗不密實、麻面或水泥漿薄厚不均、塌邊等現(xiàn)象，從而影響路面耐久性。紅旗大街南至工業(yè)道工程集料級配標準見圖1和圖2。

圖1 細集料的級配范圍

圖2 粗集料級配范圍曲線

3.3 控制水灰比

紅旗大街南至工業(yè)區(qū)道路試驗室，采用水灰比分別為:0.43、0.48、0.53、0.58試制4組混凝土試塊。配合比中砂、碎石用量不變，用水量也保持不變。除基準配合比一組外，其它3組均測定坍落度并觀察其粘聚性和保水性，見表2和圖3。

表2 混凝土強度與水灰比對比

圖3 水灰比與強度關系曲線

通過對紅旗大街工程中的試驗數據和施工觀測數據進行整理和分析，要減少收縮裂縫、混凝土徐變，提高混凝土路面的抗凍性、耐磨性、避免堿-集料反應，實現(xiàn)路面混凝土耐久性提高在配合比設計階段要做好以下幾個方面:一是采用最優(yōu)密級配集料，正確合理進行級配設計，提高集漿比，必須在混凝土中使集料形成密實骨架;二是選用優(yōu)質骨料，盡量采用含泥量少又均勻的機制砂，粗集料宜選取彈性模量較高的巖石軋制;三是采用較低的水灰比，盡量減少水的用量，要特別注重水泥品種的選取，應使用含堿量少于0.6%的水泥，防止堿-硅反應的損害。四是注重外摻劑的選擇，杜絕含有氯鹽的早強劑，為了防止堿-集料反應可選用抑制堿集料反應的摻合料;五是正確合理的選取砂率，并控制好砂的細度模數和均勻性。

3.4 質量保證措施

推廣使用機械施工是解決好水泥混凝土路面面板質量的有利措施。

(1)施工過程中必須強化路基施工質量，增加路基強度和穩(wěn)定性，減少路基土變形引起的水泥混凝土路面損壞。路基施工中路堤應分層填筑，分層碾壓，特別是路堤邊角部位要注意碾壓密實，做到路堤橫向的密度均勻，避免因路基不均勻沉降引起路面損壞，而影響路面耐久性。

(2)紅旗大街南至工業(yè)區(qū)道工程水穩(wěn)碎石施工采用廠拌法碎石級配見圖4，按照該級配范圍控制施工，該工程水穩(wěn)基層頂面幾乎沒有裂縫。所以控制住基層裂縫，避免在路面形成反射裂縫，首先應保證水穩(wěn)混合料的均勻性，將材料集中進行廠拌，并控制好水穩(wěn)混合料級配組成，如圖5所示;其次控制好攤鋪的均勻性，選用攤鋪機進行攤鋪，待基層整平壓實后，養(yǎng)生好，杜絕基層出現(xiàn)干縮或溫縮裂縫。

圖4 水泥穩(wěn)定級配碎石范圍

圖5 外摻劑與混凝土減水劑的關系

(3)對施工過程中出現(xiàn)的路基和基層裂縫。清掃基層，對損壞部分進行修補，坑槽修補時宜使用高標號的水泥砂漿修補平整密實。裂縫應首先進行清縫，然后灌入瀝青，再在表面粘貼不窄于1m寬的單層油氈，防止路面反射裂縫的出現(xiàn)。

(4)路面混凝土拌合前必須對砂石原材料進行含水量檢測，并根據檢測數據調整用水量，保證混凝土的工作性。達到既不因水量過大影響強度，產生裂縫，也不應出現(xiàn)水量過小而影響混凝土施工和易性。

(5)嚴格路面縱橫縫的施工。盡量少設脹縫，脹縫的鋼筋補強位置，應預先標識并提前到位，不能影響攤鋪機的連續(xù)作業(yè)。由于嵌縫板和傳力桿的影響，在不易振搗密實的混凝土處，必須強化該處的振搗，避免出現(xiàn)造成強度不足。

(6)注重完工路面的養(yǎng)生。施工完成一段，在不影響平整度的情況下養(yǎng)生越早越好，噴灑養(yǎng)護劑的濃度、遍數，應根據溫度、風速、濕度等確定。撐握好切縫時間，及時切縫。

4 結束語

提高水泥混凝土路面的耐久性應從材料本身性能改善開始，消除混凝土結構的先天不足，同時更要則重于做好設計與施工相結合，將環(huán)境對水泥混凝土路的影響減少至最小。把耐久性設計提升到與強度設計并重的高度。在耐久性設計的基礎上進一步完善強度設計，分析混凝土劣化的原因，在設計階段充分考慮可能發(fā)生的損壞并加以防護，在施工階段嚴格控制施工質量，減少人為因素造成的結構損傷，最大限度地發(fā)揮混凝土結構的使用價值，從而達到改善和提高混凝土的耐久性，延長混凝土路面的使用年限的目的。

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