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

我國公路總里程于2021年底已突破520萬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、隧道以及低等級道路中[2]。然而實(shí)際使用過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，對混凝土的級配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過改變粗集料級配、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),初凝時間235min，終凝時間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%,表觀相對密度為2.784。篩分結(jié)果見表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。以高等級公路隧道鋪裝水泥路面常用的C40砼標(biāo)準(zhǔn)來衡量，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，采用分級摻配法調(diào)整粗集料比例對級配進(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水泥混凝土強(qiáng)度及磨損量的影響規(guī)律。

2 粗集料分級摻配試驗(yàn)與分析

本文采用分級摻配法，通過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10～30mm、10～20mm兩檔大粒徑的粗集料進(jìn)行摻配，得出此時最優(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 分級摻配

將試驗(yàn)待測的集料分批裝入容量為10L的容器桶中，每添加三分之一時使用振動臺振動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，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)，對其粗集料級配比例進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，其他材料摻量不變，試驗(yàn)級配見表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)級配

由圖4可知，優(yōu)化級配后，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15%與12%、7d與28d抗壓強(qiáng)度增長2.2%與3.3%。

圖4 粗集料優(yōu)化前后混凝土強(qiáng)度對比

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]。基于此，本文分析不同摻量石灰?guī)r(SHY)、玄武巖(XWY)及花崗巖(HGY)的機(jī)制砂對強(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)級配見表5。通過對不同級配與不同齡期(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%時達(dá)到極值，說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、集料特性和級配等。提高強(qiáng)度對抗磨性能有一定的積極效應(yīng)，為此，本文通過對不同級配與不同齡期(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個試塊，并依據(jù)JTGE30-2005中的T0567-2005對試塊進(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，見表6。同時為將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。

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。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 集料級配與種類對抗滑性能的影響

水泥混凝土路面在服役過程中，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，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，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摻配法對粗集料摻量比例進(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)采用分級摻配法對粗集料摻量比例進(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混凝土性能的影響。采用天然砂與人工砂各摻配50%時，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。