集料級(jí)配及種類對(duì)水泥混凝土路面強(qiáng)度及抗滑性能的影響

張 陳，陳 搏，劉新海

(1.廣東粵路勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510630；2．華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510640； 3.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

我國(guó)公路總里程于2021年底已突破520萬(wàn)km[1]。水泥混凝土路面因其具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性及耐久性好、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用于高速公路的匝道、隧道以及低等級(jí)道路中[2]。然而實(shí)際使用過(guò)程中常因水泥混凝土路面抗滑性能不足，還未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限就需要對(duì)其進(jìn)行精銑刨或加鋪瀝青罩面層，以保障行車的安全[3-4]。目前水泥混凝土路面一般以刻槽作為保證抗滑性能的主要措施，路面抗滑性能衰減的根本原因是刻槽構(gòu)造的破壞[5]。而水泥水化物與集料間粘結(jié)力不足是導(dǎo)致刻槽構(gòu)造產(chǎn)生損壞、進(jìn)而引發(fā)路面抗滑性能衰減的重要原因之一，因此有必要從配合比設(shè)計(jì)方面考慮改善水泥混凝土的抗滑耐久性[6-9]。

水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)的合理性是影響水泥水化物與集料間粘結(jié)力的重要因素。目前常用的水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)方法未對(duì)粗集料間的比例構(gòu)成作詳細(xì)要求，通常按規(guī)范推薦及根據(jù)最大理論密度曲線確定粗集料間的比例[6，8，10]。施加外加荷載后，混凝土水泥水化物與集料間的粘結(jié)力較為不足，兩者之間的粘結(jié)界面易產(chǎn)生損壞，從而導(dǎo)致水泥混凝土路面抗滑耐久性不佳。本文以提高水泥混凝土的強(qiáng)度與改善其抗磨耗性能為目的，使用分級(jí)摻配法以及采用機(jī)制砂替代天然砂進(jìn)行不同比例的摻配，對(duì)混凝土的級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)改變粗集料級(jí)配、機(jī)制砂類型及摻量，以期獲得強(qiáng)度高及抗磨性能較好的水泥混凝土，改善水泥混凝土路面的抗滑耐久性。

1 試驗(yàn)材料及性能

1.1 水泥

水泥類型：普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5),初凝時(shí)間235min，終凝時(shí)間287min,7d抗折強(qiáng)度4.95MPa,7d抗壓強(qiáng)度38.1MPa。

1.2 粗集料

集料種類：石灰?guī)r，粒徑規(guī)格分別為10～30mm、10～20mm、5～10mm；壓碎值為17.7%,磨耗值為21.1%,表觀相對(duì)密度為2.784。篩分結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 集料篩分結(jié)果

1.3 細(xì)集料

細(xì)集料的細(xì)度模數(shù)見(jiàn)表2，其余指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范技術(shù)要求。

表2 細(xì)集料細(xì)度模數(shù)

1.4 外加劑

減水劑類型：CNF-3高效引氣緩凝型。

1.5 基準(zhǔn)配合比

通過(guò)計(jì)算法得出混凝土初始配合比(表3)。

表3 混凝土配合比

經(jīng)檢測(cè)試驗(yàn)，該配合比水泥混凝土的28d抗壓強(qiáng)度為44.1MPa，抗彎拉強(qiáng)度為5.39MPa，坍落度為30～50mm。以高等級(jí)公路隧道鋪裝水泥路面常用的C40砼標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量，此配合比下試樣抗壓強(qiáng)度小于55MPa，達(dá)不到C40砼的技術(shù)要求。為提高水泥混凝土的強(qiáng)度與抗磨耗性能，采用分級(jí)摻配法調(diào)整粗集料比例對(duì)級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化，并選擇3種機(jī)制砂替代天然砂進(jìn)行不同比例的摻配，研究粗集料比例、機(jī)制砂種類及其替換比例的變化對(duì)水泥混凝土強(qiáng)度及磨損量的影響規(guī)律。

2 粗集料分級(jí)摻配試驗(yàn)與分析

本文采用分級(jí)摻配法，通過(guò)將小粒徑到大粒徑集料依次摻配，以獲得密實(shí)程度最高的混合料[11-12]，并計(jì)算出各粒徑集料的優(yōu)化摻配比例。本試驗(yàn)通過(guò)調(diào)整10～30mm、10～20mm和5～10mm的組成比例，最終得出密實(shí)度最大的組合方案。第一步，先對(duì)10～30mm、10～20mm兩檔大粒徑的粗集料進(jìn)行摻配，得出此時(shí)最優(yōu)摻配比為m:n，如圖1 (a) 所示。第二步，將上一步摻配的混合石料與5～10mm石料以比例(m+n):k進(jìn)行摻配，如圖1 (b) 所示。

圖1 分級(jí)摻配

將試驗(yàn)待測(cè)的集料分批裝入容量為10L的容器桶中，每添加三分之一時(shí)使用振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)3min，以達(dá)到密實(shí)集料的作用。

(1)將10～30mm和10～20mm兩檔集料按質(zhì)量比=2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2混合均勻，依次倒入振實(shí)筒中進(jìn)行密實(shí)填充，計(jì)算緊裝密度。試驗(yàn)結(jié)果(圖2)表明： 10～30:10～20的比例為6:4時(shí)10～30mm和10～20mm兩檔大粒徑粗集料緊裝密度最大。

圖2 a:b摻配比例的緊裝密度

(2)將10～30mm和10～20mm兩檔粗集料按6:4的比例混合均勻，然后按(10～30)+(10～20):(5～10)=6:1、5:1、4:1、3:1、2:1，進(jìn)行調(diào)配并混合均勻，依次倒入振實(shí)筒中進(jìn)行粗集料振動(dòng)填充試驗(yàn)，將表面整平，最后計(jì)算其緊裝密度。試驗(yàn)結(jié)果(圖3)表明：(10～30)+(10～20):(5～10)的比例為4:1時(shí)，粗集料密實(shí)度最大。

圖3 (a+b):c摻配比例的緊裝密度

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，按總的粗集料用量為10來(lái)計(jì)算，最終換算得：10～30:10～20:5～10=4.8:3.2:2。為方便計(jì)量，最終確定粗集料的比例為：10～30:10～20:5～10=5:3:2。

根據(jù)水泥混凝土的初始配合比設(shè)計(jì)，對(duì)其粗集料級(jí)配比例進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，其他材料摻量不變，試驗(yàn)級(jí)配見(jiàn)表4。按照J(rèn)TG E30-2005的T0551-2005成型試樣，每組成型6塊試件，將3塊試件養(yǎng)生7d，其余試件養(yǎng)生28d?；炷翉?qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

表4 試驗(yàn)級(jí)配

由圖4可知，優(yōu)化級(jí)配后，抗折和抗壓強(qiáng)度均有所提高，其中7d與28d抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)15%與12%、7d與28d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)2.2%與3.3%。

圖4 粗集料優(yōu)化前后混凝土強(qiáng)度對(duì)比

試驗(yàn)表明：在相同的條件下，優(yōu)化粗集料內(nèi)部占比使混凝土形成密實(shí)結(jié)構(gòu)，可有效提升試塊的力學(xué)指標(biāo)，其中抗折強(qiáng)度的改善效果更為顯著。

3 不同細(xì)集料摻配試驗(yàn)與分析

施工過(guò)程中，振搗及提漿作用使得砂漿上浮于路表，因此砂漿強(qiáng)度直接影響表層的抗磨損性能。在一定程度上，路表微觀紋理的耐磨性能受細(xì)集料的耐磨性能的影響，路表耐磨性能隨細(xì)集料類型的不同而存在差異[5-7]?；诖耍疚姆治霾煌瑩搅渴?guī)r(SHY)、玄武巖(XWY)及花崗巖(HGY)的機(jī)制砂對(duì)強(qiáng)度和磨損量的影響差異，以配置出最佳的細(xì)集料摻配比。

3.1 強(qiáng)度

本文利用上述試驗(yàn)得出粗集料的最優(yōu)配合比，保證水灰比、細(xì)集料、粗集料的比例不變，對(duì)細(xì)集料成分采用機(jī)制砂分別以25%、50%、75%、100%的摻配比置換天然砂進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)級(jí)配見(jiàn)表5。通過(guò)對(duì)不同級(jí)配與不同齡期(7d與28d)的試件進(jìn)行抗壓與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，分析不同種類、不同摻量的機(jī)制砂對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

表5 試驗(yàn)級(jí)配

圖5 機(jī)制砂巖性/替換比例-抗折強(qiáng)度關(guān)系

圖6 機(jī)制砂巖性/替換比例-抗壓強(qiáng)度關(guān)系

由圖5可知，石灰?guī)r、玄武巖及花崗巖的抗折強(qiáng)度在替換比例為50%時(shí)達(dá)到極值，說(shuō)明本次選用的三種機(jī)制砂最優(yōu)的替換比例為50%，此條件下混凝土可獲得較大的抗折強(qiáng)度。此外，在各替換比例下，玄武巖7d和28d的抗折強(qiáng)度均大于其他對(duì)照組，其中玄武巖7d峰值抗折強(qiáng)度分別較石灰?guī)r與花崗巖高出3.13%與4.76%，28d抗折強(qiáng)度分別較石灰?guī)r與花崗巖高出4.23%與4.23%。

由圖6可知，隨著替換比例的提高，石灰?guī)r與花崗巖的7d與28d抗壓強(qiáng)度存在一個(gè)極大值與極小值點(diǎn)，而玄武巖 7d與28d抗壓強(qiáng)度僅存在一個(gè)極小值點(diǎn)。石灰?guī)r、玄武巖及花崗巖的抗壓強(qiáng)度均在替換比例為50%時(shí)達(dá)到極值。在兩種養(yǎng)生條件下，玄武巖的峰值抗壓強(qiáng)度均大于其他對(duì)照組，7d抗壓強(qiáng)度分別較石灰?guī)r與花崗巖高出2.24%與8.19%，28d抗壓強(qiáng)度分別較石灰?guī)r與花崗巖高出2.61%與5.90%。

試驗(yàn)表明：在相同的級(jí)配條件下，采用玄武巖機(jī)制砂替代河砂相比石灰?guī)r、花崗巖機(jī)制砂更有利于混凝土強(qiáng)度的提高，且替代比例為50%時(shí)效果最佳。

3.2 磨損量

混凝土耐磨損能力是路面抗滑水平的重要因素，其取決于混凝土強(qiáng)度、集料特性和級(jí)配等。提高強(qiáng)度對(duì)抗磨性能有一定的積極效應(yīng)，為此，本文通過(guò)對(duì)不同級(jí)配與不同齡期(7d與28d)的試件進(jìn)行磨損量試驗(yàn)，分析不同巖性機(jī)制砂混凝土的力學(xué)特性與磨損量的關(guān)系。

本試驗(yàn)根據(jù)表5制備12組150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊，每組包含3個(gè)試塊，并依據(jù)JTGE30-2005中的T0567-2005對(duì)試塊進(jìn)行耐磨損試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)化磨損量計(jì)算如式(1)所示。

(1)

式中:G0為單位面積的磨損量(kg/m2)；m1為初始質(zhì)量(kg)；m2為磨損后的質(zhì)量(kg)；0.0125為試件磨損面積(m2)。

剔除偏差較大的結(jié)果后，計(jì)算同一試驗(yàn)組未被剔除的試塊磨損量的均值，見(jiàn)表6。同時(shí)為將28d抗折與抗壓強(qiáng)度與磨損量建立聯(lián)系，建立強(qiáng)度-磨損量相關(guān)關(guān)系數(shù)學(xué)模型，如圖7和圖8所示。

表6 磨損量試驗(yàn)結(jié)果

圖7 28d抗壓強(qiáng)度與磨損量關(guān)系

圖8 28d抗折強(qiáng)度與磨損量關(guān)系

由圖 7可知，抗壓強(qiáng)度與磨損量之間存在良好的線形關(guān)系。石灰?guī)r、玄武巖及花崗巖的抗壓強(qiáng)度與磨損量指標(biāo)的相關(guān)指數(shù)R2分別為0.914 0、0.954 5、0.940 5，隨著磨損量的增大，抗壓強(qiáng)度均呈線形遞減趨勢(shì)。

由圖8可知，抗折強(qiáng)度均隨磨損量的增大呈線形下降的趨勢(shì)。石灰?guī)r、玄武巖及花崗巖的抗折強(qiáng)度與磨損量指標(biāo)的相關(guān)指數(shù)R2分別為0.942 9、0.905 8、0.917 4，相關(guān)性均良好。

綜合上述圖表數(shù)據(jù)來(lái)看，本文采用的玄武巖強(qiáng)度與抗磨損性能較好，其中，養(yǎng)護(hù)7d后其磨損量分別較石灰?guī)r及花崗巖低5.09%與5.10%；養(yǎng)護(hù)28d后，其磨損量分別較石灰?guī)r及花崗巖低12.13%與0.75%，相對(duì)而言，玄武巖綜合指標(biāo)較好。

試驗(yàn)結(jié)果表明：采用玄武巖機(jī)制砂替代河砂相比石灰?guī)r、花崗巖機(jī)制砂更有利于提高水泥混凝土的抗磨耗性能，且混凝土的抗磨耗性能與抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度密切相關(guān)。

3.3 集料級(jí)配與種類對(duì)抗滑性能的影響

水泥混凝土路面在服役過(guò)程中，路表不斷受到車胎的碰擊與磨損作用。在雙重作用下，抗滑衰減初期路表砂漿層被磨耗，使粗料逐漸顯露出來(lái)，這一階段車輪磨耗使得路面抗滑能力迅速下降；到抗滑衰減中末期，表層砂漿被耗損殆盡，大部分粗集料裸露出來(lái)，在同等沖擊磨損的條件下，混凝土抗滑紋理衰減速度趨于平穩(wěn)，這一階段磨損主體由砂漿層轉(zhuǎn)變?yōu)轱@露的粗集料。因此，混凝土耐磨損能力是路面抗滑水平的重要因素，其取決于混凝土強(qiáng)度、集料特性和級(jí)配等[7-9]。

本文試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥混凝土的強(qiáng)度與抗磨耗性能具有正相關(guān)性，而按規(guī)范推薦及根據(jù)最大理論密度曲線確定的水泥混凝土級(jí)配并不是最佳的混凝土配合比。實(shí)際水泥混凝土路面施工中可采用分級(jí)摻配法對(duì)粗集料摻量比例進(jìn)行優(yōu)化，有助于改善集料的緊裝密度，增強(qiáng)水泥混凝土的強(qiáng)度。此外，選用玄武巖機(jī)制砂以50%的摻量替代河砂，有利于提高水泥混凝土的抗壓與抗折強(qiáng)度，減小試件磨損量，延緩抗滑紋理衰減，提高水泥混凝土路面的抗滑耐久性。

4 結(jié)論

(1)采用分級(jí)摻配法對(duì)粗集料摻量比例進(jìn)行優(yōu)化，有助于改善集料的緊裝密度，相應(yīng)的抗壓與抗折強(qiáng)度明顯提升，其中抗折強(qiáng)度增幅達(dá)10%以上。

(2)研究不同比例、不同巖性的機(jī)制砂與天然砂混合后對(duì)混凝土性能的影響。采用天然砂與人工砂各摻配50%時(shí)，集料緊裝密度最大；相比于石灰?guī)r與花崗巖，玄武巖機(jī)制砂混凝土的抗磨耗性能最佳。

(3)強(qiáng)度-磨損量相關(guān)關(guān)系數(shù)學(xué)模型表明，水泥混凝土強(qiáng)度與磨損量之間存在良好的線形關(guān)系，相關(guān)指數(shù)達(dá)到90%以上。采用分級(jí)摻配法以粗集料最大緊裝密度原則及摻配微觀紋理豐富的玄武巖機(jī)制砂替代表面光滑的天然砂，有利于提高水泥混凝土的強(qiáng)度，改善水泥混凝土路面的抗磨耗性能。