淺述粗集料對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公路大發(fā)展的時期，認識影響其使用壽命的主要因素并在建設過程中給予充分重視是十分必要的。本文著重說明粗集料對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)達國家的公路網(wǎng)占有相當重要的地位，最為突出的是美國，已建水泥混凝土路面約20萬公里，其中有6萬多公里是州際公路──承擔主要重交通量的干線公路，占總長度的一半以上；德國在發(fā)動二次大戰(zhàn)前修建的高速公路，基本上是水泥混凝土路面；其他國家如英、法、西班牙、澳大利亞等國也有相當量的水泥混凝土路面；近些年來東南亞地區(qū)水泥路面的公路呈發(fā)展上升趨勢，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，延長使用壽命，降低養(yǎng)路費用。

　　大量水泥混凝土路面的修建與應用，帶來對這種道路使用耐久性的關(guān)心，例如美國在汽車運輸發(fā)展迅速之時，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)展史上的一個里程碑；八十年代興起混凝土耐久性研究應用熱潮，也是就美國及其他國家大量混凝土橋面板和路面的修復、更新，需要耗費巨額資金而提出的。

　　在我國，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公路、高速公路還是近些年才開始大量修建的，因此對于它的耐久性還未得到應有的重視。盡管如此，一部分新修運營才幾年的道路，混凝土路面已經(jīng)出現(xiàn)相當嚴重的病害，如路面板磨耗、剝落、開裂與斷板、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。混凝土路面的修補非常麻煩，費用也很高，因此引起各級領導與有關(guān)部門的高度重視，并力圖找到得力的措施改進。高等級公路路面混凝土的設計抗折強度指標從4.5mpa提高到5.0mpa，而配制強度提高到5.5mpa，就是有力的明證。但是，一方面強度指標提高使得單方混凝土水泥用量增加，從而單方材料費用進一步提高；另一方面，增加水泥用量對提高混凝土抗折強度的效果并不顯著，有時甚至看不出無效果。事實上，我國規(guī)范規(guī)定的抗折強度為4.5mpa的指標，已經(jīng)比美、英等國的指標（4.0mpa）高，看來出現(xiàn)病害的原因并不在于抗折強度偏低。那么，改善高等級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％，因此它對混凝土的耐久性、對道路使用壽命的影響應該是相當重要的，但這一點尚未被國內(nèi)道路工程界充分重視，從國內(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：石子的最大粒徑普遍較大、超徑多，而且一般是單級配（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，含泥量也往往嚴重超標，這樣的粗集料是無法修建出高質(zhì)量的路面。所以本文著重談論粗集料對混凝土路面耐用性的影響，以期引起各方面的重視。

　　2 粗集料對路面抗沖擊、疲勞性能的影響

　　粗集料對混凝土路面耐用性的影響之大，可從下面的例子中看出來：

　　1988年，美國對45個州的水泥混凝土道路進行了使用壽命的調(diào)查，結(jié)果表明：其平均壽命僅為20.5年。文章認為[1]：使用壽命完全可以加倍延長，關(guān)鍵在于改變現(xiàn)行材料試驗協(xié)會標準(即astm)中關(guān)于粗集料級配的規(guī)定，象其他工業(yè)國一樣，在路用混凝土中采用三級配粗集料。增加中間一級顆粒，稱之為“橋梁”，即把大小粗集料顆粒聯(lián)系起來。文章對比了美國達拉斯市兩條相鄰的街道：一條是已運行66年的老路，仍基本完好；另一條剛運行5年，已有不少地方損壞，需要修補了。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，而前者粒形與級配良好，“橋梁”作用明顯。例子很典型，實際情況要復雜一些，但從中可以得到重要的啟示：混凝土材料已經(jīng)使用了一個多世紀，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），有必要重新認識有關(guān)粗集料的一些問題，以利更好地發(fā)展水泥混凝土公路建設。

　　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)展來進行分析，由于近些年來大型、重載車輛，包括集裝箱車輛的出現(xiàn)與頻繁運行，這些重型車輛對道路的破壞，要遠遠大于輕型汽車，反映在對路面板混凝土的抗沖擊與疲勞的強度需要大大提高，因此如上所述，靠提高室內(nèi)靜力試驗的抗折強度指標就達不到預期效果，甚至無濟于事。根據(jù)國外大量研究和應用的結(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度就越好。但是粗集料的粒徑減?。▏庖话愣家?0mm為最大粒徑），會使包裹它們的砂漿需要量增大，也有不利之處，就要通過增加中間顆粒部分來補償。國內(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，但因為缺少中間顆粒，粗集料的堆積不夠密實，水泥砂漿的需要量仍然不小。結(jié)果水泥用量增加，提高了材料費用，還對路面的使用壽命產(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，當然凍害與化學侵蝕等也是一些必須注意的問題，分別敘述如下。

　　3 粗集料對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首先涉及的另一個問題，無論國內(nèi)外已有大量的研究工作都證實：總體上水泥混凝土路面的耐磨耗性能直接與混凝土強度相關(guān)，即強度越高，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粒)，關(guān)系并不很大；而另一方面，粗集料的顆粒分布與級配，對路面板的耐磨耗性能，乃至整個路面的壽命卻有很大的關(guān)系。上述那篇美國雜志的文章表明：使混凝土路面壽命加倍延長，也就是40～50年的壽命是完全可能的。分析認為：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，而通常進行設計時只考慮荷載，不考慮耐久性的現(xiàn)狀，使這個問題復雜化。經(jīng)過對粗集料的顆粒分布進行廣泛的試驗研究，發(fā)現(xiàn)在主要工業(yè)國家中，只有美國一些州的現(xiàn)行規(guī)范是用二級配粗集料拌和混凝土，其他發(fā)達國家和美國的部分地區(qū)至少采用三級配粗集料，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度。

　　在沒有或很少中間顆粒的時侯，混凝土含有過多而且不易密實的砂漿，而砂漿越多，表面就越容易被磨損；這還會形成許多通道，使侵蝕性的介質(zhì)得以進入。施工中抹面時，混凝土面層應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。路面混凝土的強度指標很明確，攪拌站供應的混凝土一定要滿足強度要求，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性能，尖棱角與片針狀顆粒阻礙拌和物流動，它們互相嵌鎖，使混凝土難以密實。采用這類粗集料顆粒的混凝土，用攤鋪機攤鋪時速度減慢、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，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。混凝土路面設計的一個問題是設計應該針對確定的環(huán)境進行，這樣才能確保路面的質(zhì)量。

作者：覃維祖